基于Algodoo的验证机械能守恒定律实验的教学设计分析

高永品

摘   要：利用Algodoo软件分析验证机械能守恒定律实验，在验证过程中，分别以自由落体运动、平抛运动、斜抛运动、物体沿光滑斜面自由下滑等四个物理情境为例，分析机械能守恒情况，由仿真实验和图像得出更加精确的实验结果，克服了传统实验探究机械能守恒定律实验时存在的演示较难、误差较大等关键缺点。

关键词：Algodoo软件；图像；模拟；机械能守恒

引言

在中学物理教学中，验证机械能守恒定律实验是重要的物理知识，也是教学中的难点之一。在利用传统实验探究机械能守恒的过程中，由于无法避免摩擦力、空气阻力等，所以此类实验的实验数据和计算结果存在较大误差。

Algodoo是一款物理实验软件，该软件具有简洁的操作界面，场景搭建快速、互动方式靈活、数据精度较高，可设置无阻力环境，自带图表图像功能，可以准确进行数据分析，解决了探究验证机械能守恒定律实验过程中存在的阻力等问题。

本文利用Algodoo软件探究上述物理现象和过程，通过仿真实验、图像和计算，研究机械能守恒情况。

1  设计理念

为优化课堂教学、创新学习方式，根据教育新理念，以学生为主体，以机械能守恒定律为主线，逐步推进演示四个物理过程，利用Algodoo软件模拟分析机械能守恒定律，聚焦情境创设，把物理学科核心素养的培养融入到课堂细节中，体现教育信息化新时代对高中物理课堂的要求，提升学生科学思维能力，培养学生的创新意识和实验探究能力。

2  分析准备

2.1  教材分析

本实验内容选自人教版高中物理必修二第八章第五节，此章为高中物理的重点和难点，此节在整个教材中起着承上启下的关键作用。内容重点是机械能守恒定律，以探究为主线，层层深入探索机械能守恒。本节是学生在物理课中遇到的抽象内容，是培养学生养成良好实验探究习惯的有利时机，所以本节安排部分内容让学生自己动手操作。

2.2  课程标准要求

通过实验，理解机械能守恒定律，验证机械能守恒定律。体会守恒观念对认识物理规律的重要性。能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。

2.3  学情分析

学生之前已经学习了动能和重力势能，具备了基础知识，也学会了一些研究方法，但这时候学生们的思维能力仍然偏重于感性，抽象逻辑思维能力还不高，把这些知识综合应用于具体实践，还是有一定的困难，本节内容的难点是从实验现象中总结出定律，让学生感受到物理实验的神奇之处，学生们对新事物的好奇心很强，尤其对数字化学习资源和设备，总想得个明白，这对教学是非常有利的。

2.4  教学目标

物理观念。验证机械能守恒定律，通过验证，学习从能量观的角度思考一些物理现象。

科学思维。通过对机械能守恒定律的学习，体会研究物理问题的抽象思维方法，知道物理研究中的科学推理，认识物理实验在物理学研究中的作用，体会用理想化状态近似处理问题方法研究中学物理问题。

科学探究。通过模拟分析实验的过程，培养学生的数据分析能力、创新意识和实验探究能力。

科学态度与责任。体会用机械能守恒定律分析物理问题的方法，通过实验形成严谨细致的科学态度和团队合作意识[ 1 ]，体会守恒思想在物理研究中的作用，通过实验验证，树立正确的科学观。

2.5  教学重难点

教学重点：探究验证机械能守恒定律。

教学难点：通过物理情境，分析数据，验证机械能守恒定律。

2.6  教学方法与教学策略

教学方法：探究法、实验法、分组法、演示法。

教学策略：用数字化学习资源与Algodoo软件，逐步演示四个物理过程，让学生理解机械能守恒定律，产生兴趣，给学生分组，采用自主、合作、让学生全程参与探究，通过实验探究，培养和发展学生的科学探究能力、交流合作能力和解决实际问题的能力，形成科学思维习惯。

2.7  教学媒体

电子白板，电脑，Algodoo软件，多媒体课件。

3  探究过程分析

3.1  课堂引入。此内容设计意图：让学生对数字化资源了解并产生兴趣。

教师提问：我们在验证机械能守恒定律时，在演示物理过程和数据处理中，哪些问题会导致结论不准确或者误差？

学生回答：空气阻力和摩擦力。

教师继续提问：知道如何避免空气阻力和摩擦力吗？

学生回答：不知道。

这时候教师可讲解：那么我们能不能用一个不存在阻力的理想化的环境去验证机械能守恒定律呢，答案是肯定的。机械能守恒定律是很重要的物理知识，在利用传统实验验证守恒的过程中，存在一些问题，由于传统的实验方式存在空气阻力和摩擦力，所以测量数据会存在误差，而机械能守恒定律中涉及到了能量转化过程，计算之后，造成的误差会更大。Algodoo是一个模拟仿真软件，可以准确进行数据分析，能够解决以上问题。今天，我们利用Algodoo软件模拟分析几个物理过程，从实验和图像中得出结论，验证机械能守恒定律。

教师书写板书内容：验证机械能守恒定律。

3.2  探究过程

（1）打开Algodoo软件，开启网格功能，关闭空气阻力，新建一个小球，删除水平面，打开可视化功能，显示小球受力及其数值。设置小球为钢铁材质，m=24.5044 kg，摩擦系数和初速度均为0，小球在重力作用下将做自由落体运动。显示小球运动图表，把X-坐标设置为时间，把Y-坐标设置为“动能（总计）”、“重力势能”和“总能量（总计）”，Y-坐标的三个参数能把小球的动能、重力势能和总能量同时显示在一个坐标系中，能清楚看出能量的变化和转化。点击仿真，小球在重力作用下，开始做自由落体运动。图1和表1数据如下：

图像和表格数据均可证明：小球在只有重力做功的过程中，做自由落体运动，动能在不断增加，重力势能在不断减少，动能的增加量等于重力势能的减少量，总机械能大小保持不变，验证了机械能守恒定律。

教师书写板书内容：自由落体运动。要求学生分组演示，改变数据之后再次演示（用时应稍多一些）。提问学生查看实验结果图像等数据。

此内容设计意图：让学生学会用Algodoo软件演示自由落体运动过程中的机械能守恒。通过小组实验，培养学生动手能力和团队协作意识，锻炼学生运用数字化资源的能力。

（2）在第一步自由落体运动的基础上，在初始状态给小球一个向右的水平初速度，v=10 m/s，方向为水平向右，小球的运动就变成了平抛运动。打开循迹追踪功能并调整到合适时间。点击仿真，小球在重力作用下，开始做平抛运动。图2和表2数据如下：

图像和表格数据均可证明：小球在只有重力做功的过程中，做平抛运动，动能在不断增加，重力势能在不断减少，动能的增加量等于重力势能的减少量，总机械能大小保持不变，验证了机械能守恒定律。

教师书写板书内容：平抛运动。要求学生分组演示，改变数据之后再次演示（用时应稍多一些）。提问学生查看实验结果图像等数据。

此内容设计意图：让学生学会用Algodoo软件演示平抛运动过程中的机械能守恒。通过小组实验操作，让学生从现象得出结论，培养学生的抽象思维和科学推理能力。

（3）在第二步平抛运动的基础上，在初始状态把小球向右的水平初速度更改为向右上方45°方向，小球的运动就变成了斜抛运动。同样打开循迹追踪功能并调整到合适时间。点击仿真，小球在重力作用下，开始做斜抛运动。图3和表3数据如下：

圖像和表格数据均可证明：小球在只有重力做功的过程中，做斜抛运动，小球从出发点向最高点运动的过程中，动能在不断减少，重力势能在不断增加，动能的减少量等于重力势能的增加量，小球从最高点向最低点运动的过程中，动能在不断增加，重力势能在不断减少，动能的增加量等于重力势能的减少量，总机械能大小保持不变，验证了机械能守恒定律。

教师书写板书内容：斜抛运动。教师要求学生分组演示，改变数据之后再次演示（用时应稍多一些）。提问学生查看实验结果图像等数据。

此内容设计意图：让学生学会用Algodoo软件演示斜抛运动过程中的机械能守恒。培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。

（4）研究一个物体沿光滑斜面自由下滑过程中机械能是否守恒。新建一个斜面，在斜面上新建一个物体，让物体从斜面上自由下滑，方法略，其余设置与上一个场景操作类似，给物体的质量和初速度赋值，m=0.125 kg，v=0，依次设置速度可视化、显示速度数值、图表X坐标为时间、Y坐标为动能和重力势能以及机械能。点击仿真，小球在重力作用下，开始沿光滑斜面自由下滑。图4和表4数据如下：

图像和表格数据均可证明：物体在只有重力做功的过程中，沿光滑斜面自由下滑，动能在不断增加，重力势能在不断减少，动能的增加量等于重力势能的减少量，总机械能大小保持不变，验证了机械能守恒定律。

教师写板书内容：物体沿光滑斜面自由下滑。教师学生分组演示，改变数据之后再次演示（用时应稍多一些）。提问学生查看实验结果图像等数据。

此内容设计意图：让学生学会用Algodoo软件演示物体沿光滑斜面自由下滑过程中的机械能守恒。在教师引导下，学生经历了猜想假设、设计实验等简要的探究过程，有助于学生养成科学探究的习惯，培养学生善于利用现代科技手段解决物理问题的意识。

3.3  课堂小结

知识小结：总结以下四种情况下的机械能守恒：自由落体运动、平抛运动、斜抛运动、物体沿光滑斜面自由下滑。

物理方法小结：建立理想化物理模型的研究方法：突出主要因素，忽略次要因素。

学生思考课堂小结内容。在教学过程中，学生注意观察学习、动手实验、动脑分析，始终以探究为主，有利于引发学习兴趣，加强对知识的理解。

4  实验教学反思

让学生分组探究，调动学生积极性，让学生在教师引导下通过实验解决问题，总结规律，体会科学的探究过程，分析概括实验结果，活跃课堂气氛，优化学习环境，使学生对知识的理解由感性认识上升到理性认识[ 2 ]，增强学生科学探究的能力和解决实际问题的能力[ 3 ]。

影响教学效果的主要原因是由于时间关系举例有些少，另外由于部分学生对数字化软件不熟悉，操作不熟练，做的场景模型不太完善。

解决方法：给学生举出更多的实例，让学生多加练习，按照新课标要求，进一步突破难点，持续增强学生自主探究能力。

5  结束语

利用Algodoo软件分析验证机械能守恒定律实验，减少了实验误差，计算结果更加准确，形象的展示了实验过程，使学生对物理过程更加熟悉，在教学上起到了较好的辅助作用。Algodoo软件可以有效模拟出物理教学中不同条件下的多个物理过程和模型，例如光的反射、光的折射、圆周运动、弹簧振子、拱形桥、力的传动、匀变速直线运动等，能为中学物理教师提供更多更高效的教学方法，同时有利于提高学生学习兴趣。在当前中学物理教学中，对常规实验不易演示的物理现象或物理情境，我们可以利用Algodoo软件进行模拟分析、计算数据，从而解决实际问题。

参考文献：

［1］ 靳姗姗. 基于提升学生科学素养的初中物理探究性实验教学案例研究[D]. 芜湖：安徽师范大学，2014.

［2］ 冯璐，孙忠军. 基于微格教学的生物演示技能分析[C]. //中国教育技术协会微格教学专业委员会第十九届年会论文集. 2016：94-97.

［3］ 朱雨晴. 微课在高中物理教学中的应用研究[D].辽宁师范大学，2021.