对“探究外力做功与物体动能变化”的教学探讨

曾小妮

(佛山市顺德第一中学 广东 佛山 528300 )

曾乐贵

(装甲兵工程学院基础部 北京 100072)

李咏芳

(佛山市顺德一中大良学校 广东 佛山 528300 )

粤教版必修2教材[1]第四章第三节“探究外力做功与物体动能变化的关系”编排的思路是，首先，实验探究做功与物体动能变化的定量关系；其次，理论分析与论证；最后，归纳总结得到动能定理.教材编排凸显实验探究的重要性，注重对学生能力的培养.笔者通过研读教材，并借鉴其他版本教材的处理方法，对本节采用了探究式的教学方法.总体教学思路为，首先，通过生活中学生熟悉的例子，引出问题，引导学生大胆猜想；其次，选择研究方法，设计实验；最后，做实验，分析数据，总结规律.通过鼓励学生设计合理的实验方案，组装实验仪器，记录与处理实验数据，让学生亲身体验科学研究的过程，培养学生科学思维的方法以及主动发现和获取知识的能力，进而在物理规律的教学过程中培养学生科学的研究方法和创新思维能力.

1 创设情境引出问题激发学生的学习兴趣

“兴趣是最好的老师”，学生有了学习的兴趣，学习就会变得轻松.根据中学生思维活跃、情感丰富和求知欲强等特点，创设恰当的物理情境，可以激发学生的学习兴趣.

本节课开始时播放4段学生熟悉的生活录像，即离站加速行驶的汽车；进站减速行驶的汽车；物体从斜面上加速下滑；人推物体在水平路面上加速运动.目的是通过指导学生观察上述现象，分析合外力对物体做功与物体动能变化之间的定性关系，并在此基础上提出问题让学生猜想，合外力对物体所做的功与物体在这一过程中动能变化的定量关系是怎样的，以激发学生探索知识的兴趣与热情.

2 巧设问题引导学生设计实验

图1 教材中的实验装置示意图

粤教版给出的实验装置示意图如图1所示，重物做自由落体运动过程中，由于只有重力做功的特点，既回避了小车质量的测量，也不需要考虑在桌面上运动时小车与桌面间的摩擦力对实验的影响.实验方案简单，但纸带会受到摩擦阻力作用，且整个过程时间很短，不利于学生仔细地体验探究实验过程.因此，“探究外力做功与物体动能变化的关系”实验可以考虑其他方案.

在本次探究式教学过程中，设计具有较强创新性、灵活性和综合性的实验方案，是上好本节课的关键，因此教师要巧设问题，恰如其分地引导学生，完成实验.为了逐步引导学生思考，不断发现问题，解决问题，进而逐步完善实验方案，使学生体会整个探究过程的严谨性和科学性，实验方案的设计分为以下几阶段.

第一阶段：初始方案设计阶段

这一阶段要求学生明确实验目的，建立清晰的物理情境，设计出最简单、最基本的实验方案，其目的是引导学生了解实验方案的设计应该如何入手.

建立物理情境：桌面上的小车在水平拉力的作用下做加速运动.

问题链设计：

(1)实验中需要测量哪些物理量？

(2)如何测量这些物理量？

(3)要探究外力做的功和小车动能变化的关系，应该采取什么方法？

这一环节旨在引导学生从已有的知识结构出发，建立清晰的物理情境，画出实验装置草图，并在此基础上提出总体的实验思路，突出学生的主体作用.

第二阶段：实验方案改进阶段

这一阶段要求在“初始方案”的基础上，引导学生对实验过程进行周密的思考，包括如何简化操作和减少误差，进一步改进实验，最终得出较合理的实验方案.

方案改进之一，提供恒定的拉力并测量其大小.问题链设计：

(1)用弹簧测力计拖动长木板上的小车使其运动，弹簧测力计的读数稳定吗？能不能保证小车一直做匀加速运动？

(2)能否用一个恒定不变的力来替代弹簧测力计？如何测定拉力？学生可能会想到，用一重物通过定滑轮来拉小车，测出重物的质量，定滑轮两边的力相等.

(3)当重物做加速运动时，小车受的拉力等于重物的重力吗？什么情况下拉力约等于重物的重力？提示学生运用牛顿第二定律计算，发现只有重物的质量远远小于小车的质量时，小车受的拉力约等于重物的重力.

方案改进之二，消除摩擦力的影响.问题链设计：

(1)绳对小车的拉力就是小车受到的合外力吗？

(2)为了使研究方便、简单，想用拉力作为小车受到的合外力，如何“消除”摩擦力？

(3)如果没有条件消除摩擦力，有没有办法“平衡”摩擦力？如何“平衡”？

(4)如何判断小车做匀速直线运动？

方案改进之三，测量小车的速度.问题链设计：实验室常用测量速度的方法有哪些？学生可能会回答，利用打点计时器在纸带上打点计算速度.教师在此提示学生还可以利用光电门传感器测量速度，并介绍光电门传感器测量速度的主要原理.最后指出用光电门传感器测量速度在数据处理上更为简便，所以，最终方案采用光电门传感器测量小车的速度.

至此，原来简单但误差较大的实验方案已经改进为比较完善的实验方案，设计的实验装置示意图如图2所示.

图2 改进后的实验装置示意图

3 引导学生设计图表学会记录和处理数据

根据所设计的实验方案，教师给出实验步骤，并指导学生打开朗威DISLab软件中的计算表格，在表格中增加变量，小车的质量M,重物的质量m1,两光电门间距s，并输入相应的数值，添加拉力做功和动能变化的公式，进行实验，记录的实验数据见表1

(g=9.8 m/s2).

表1 合外力做功与物体动能变化的实验数据

注：挡板宽度为l0=0.02 m,经过前、后两个光电门的时间分别为t1和t2.

问题链设计：

(1)怎样处理数据会使实验结果更直观呢？

指导学生对所测得的实验数据作出合外力做功和动能变化的E-W图像，如图3所示.

图3 合外力做功与动能变化的关系

(2)通过对实验数据的处理，从E-W图像中能得出什么结论？

学生总结，在误差允许的范围内，合外力对物体做的功等于物体动能的变化量.

(3)实验的主要误差是什么？造成误差的原因是什么？还有其他方案可减少误差吗？

组织学生展开交流和讨论，发挥学生的积极性和主动性, 让学生对所学的知识有更深的理解.

4 理论论证规律

以上从实验的角度研究了合外力做功与物体动能变化的关系，接下来让学生从理论的角度分析、论证该结论.设计了如下两个问题.

问题1:质量为m的物体，在一恒定拉力F作用下，以速度v1开始沿水平面运动，经位移s后速度增大到v2，已知物体与水平面的摩擦力恒为f，请你根据牛顿第二定律和运动学公式导出合外力对物体所做的功与物体动能变化的关系.

设计该问题的目的是加深学生对功能关系的认识, 提高学生的推导能力，通过实验和推导使学生真正做到实践与理论相结合.

问题2:请用文字和公式将实验探究和理论推导得出的合外力做功与物体动能变化关系表示出来.

本节课教学采取实验探究与理论推导相结合的教学模式.学生通过合作探究，自己动手，自己总结, 主动参与知识的探究过程，学习的积极性得到充分调动,学习的主体作用和学习潜能得到充分的发挥，取得了良好的教学效果，真正体现了学生的主体作用和教师的主导作用相结合的教学模式.实验探究与理论分析相结合, 并充分利用多媒体的辅助作用, 体现了学习和教学方式的多样化[2].

参考文献

1 保宗悌．普通高中课程标准实验教科书物理·必修2．广州：广东教育出版社，2010

2 郑俊汉.“探究外力做功与物体动能变化的关系”的教学设计与反思.物理教学探讨，2006，24(12):27～29