《机械能守恒定律》探究式课堂教学案例

摘 要：解决高中物理问题通常从两方面入手，一是从“力”的角度，用牛顿运动定律解决，二是从“能”的角度，用能量守恒解决。由于牛顿运动定律的局限性，只适用于宏观、低速的物体，所以用能量守恒解决力学问题更突显出其优越性，适用于自然界任何规律。而机械能能守恒定律又是能量守恒定律的一个特例。因此，学好《机械能守恒定律》，既能让学生解决力学问题多一个法宝，又能帮助学生在学习物理中培养“转化和守恒”思想，提高科学素养。本案例主要从“机械能守恒条件”入手，以学生探究为主体，发展学生物理思维为导向，取得良好的效果。

关键词：高中物理；理论探究；教学案例

一、 情境引入，贴近生活

物理是一门实验学科，以实验为基础。新课教学，采用“巨型单摆”实验引入——在教室的天花板上悬挂了一个用大铁块制的“巨型单摆”，学生将大铁块从自己的鼻尖处静止释放，在等待大铁块摆回来的过程中，学生发出了一片惊叹声！通过演示实验，认识了势能和动能是可以相互转化的，又鼓励学生列举生活中的实例——瀑布、荡秋千、回力车、弓箭……一下子课堂气氛活跃起来，学生的注意力都集中到了课堂上。

二、 理论探究，层层递进

在学生认识到物体在运动过程中动能与势能相互转化，引导学生思考机械能是否存在某种规律。

學生答：总的机械能是守恒的。

老师问：果真是这样吗？

情境1：物体在真空中自由下落，经过高度为h1的A点时速度为v1，经过一段时间后，运动到高度为h2的B点时速度为v2（如图1）。应用所学过的知识，分析物体下落过程中在A、B两位置的机械能数量关系。以地面为重力势能的参考面，重力加速度为g。

图1

EA=mgh1+12mv21

EB=mgh2+12mv22

学生依据动能定理，很容易得到：

mgh1-mgh2=12mv22-12mv21

mgh1+12mv21=mgh2+12mv22

可见，在自由落体运动中动能与势能相互转化，而总的机械能保持不变。

继续提问：那如果下落过程中受到恒定阻力，总的机械能还守恒吗？

mg（h1-h2）-f（h1-h2）=12mv22-12mv21

mgh2+12mv22=mgh1+12mv21-f（h1-h2）

可见，若下落过程中受到恒定阻力f，总机械能是不守恒的。

老师提问：问题出在哪？为什么现在机械能又不守恒了？

学生回答：自由落体运动只受重力，现在受到空气阻力了。

继续追问：是因为除了重力，又多了一个力的缘故吗？大家继续探究。

情境2：若不计空气阻力，物体由光滑斜面下滑（如图2），总机械能是否存在某种定量关系？

图2

学生依据动能定理可知，物体受到重力和支持力，但WN=0，故

mgh1-mgh2=12mv22-12mv21

mgh1+12mv21=mgh2+12mv22

可见，若不计空气阻力，物体由光滑斜面下滑，总机械能是守恒的。

老师提问：大家发现此时除了重力外，还有支持力，为什么也是守恒的？

学生回答：关键是要看除重力以外的力是否做功了。

此处有掌声，归纳得非常到位，学生在自己的理论探究下，完成了本节课的难点突破——机械能守恒条件。

满足机械能守恒的条件：

1. 只受重力；

2. 除重力外，还受其他力，但其他力不做功；

3. 除重力外，还受其他力，但其他力做功代数和为零。

外延：同样可以证明，在只有弹力做功的物体系统内，动能和弹性势能可以相互转化，总的机械能保持不变。

归纳总结：机械能守恒定律内容：只有重力做功或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。

再通过观看微视频——单摆实验，加深印象，体会机械能守恒的满足条件。

提问课前巨型单摆实验在摆回来的时候，那位同学要不要那么紧张？

学生答：不需要。因为大铁块顶多回到鼻尖处，不会撞到鼻尖。

三、 学生主体，事半功倍

通过本节课，有如下几点思考：

（一） 更新观念，尊重学生

传统课堂，以教师讲、学生听为主，教师把所有的方法和遇到的问题都一一讲完，学生课堂参与度不高，课堂练习用新学到的公式去套，并不理解，导致课后作业不会做，不知道用哪种方法，这就是学理科的一个怪圈——听得懂，不会做。那问题就是出在，在选用解题方法时，为什么可以用这个方法，为什么用这个方法可以简便。所以本节课我把自己定位为引路人，抛出问题，让学生参与进来，自己去寻求解决的办法，并总结归纳。

（二） 多种形式，活跃气氛

本节课采用多样化的探究形式。实验法，情境引入——“巨型单摆”，既有刺激性，又有吸引力，立刻把学生拉到课堂上来。教学过程中——演示实验“回力车”和“滚摆”，增强课堂的趣味性。微视频《单摆》的加入，让定性分析又多了直观上的视觉冲击，加深印象。最后再回应一下导入实验——“巨型单摆”，用新学知识去解释，完美形成了呼应。理论法，师生互动用理论来探究猜想结果，由易到难，发现问题，解决问题。这样一节课，学生在玩中学，学中玩，真正体现出物理来自于生活，也应用于生活。

（三） 由浅入深，突破难点

本节课的教学难点是机械能守恒定律的适用条件，在教学过程中，由浅入深，层层递进，从最熟悉的自由落体运动开始分析，动能增加，势能减少，根据动能定理很容易得到机械能是守恒的。接着，如果下落过程受到恒定阻力，是否还有机械能守恒的规律吗？通过分析，不难发现，是不守恒的。此时学生已有初步概念，机械能守恒是有条件的，是因为受到了除重力以外的其他力，导致机械能不守恒。追问：光滑斜面，除重力外，还受支持力，是否还遵循机械能守恒的规律呢？学生分析发现此情境下，机械能是守恒的。于是，学生有了进一步的认识，判断机械能是否守恒，不是看是否受其他力，而是看其他力是否做功，这样，本节课的难点就不攻自破了，学生在情境中体会到了，自然也能总结除机械能守恒的使用条件。

作者简介：

张静，江苏省南京市，南京市第二十九中学。