“机械能守恒定律”教学难点突破

夏 丽

(上海市卢湾高级中学 上海 200030)

1 教学设计思路

机械能守恒定律是沪科版《物理》高中一年级第二学期的教学内容，是中学物理学习中最为重要且要求最高的几个学习内容之一.机械能守恒条件的探究过程是本节课的重点和难点，亦是培养学生科学素养的一个平台.学习本节课需要以动能、势能、功和能的关系、牛顿运动定律、动能定理等为知识基础，以DIS实验系统的熟练使用为实验基础.

基于以上考虑，本设计主要设置了3个教学环节，借境激疑—实验探究—实际运用，有效地突破了本课的教学重点和难点.

整个过程中学生亲身经历了实验探究和理论演绎相结合、真实实验和理想外推相结合的科学方法，强调了学生的自主探究，重视概念、规律的形成过程，关注学生合作意识、团队协作精神和实事求是的科学态度的培养.

2 教学资源

(1)实验器材

引入实验：铅球，绳子.

学生实验：机械能守恒实验器,DIS实验系统(光电门传感器、数据采集器、计算机).

教师演示：力学导轨,位移传感器,小车,计算机内的数据处理软件.

(2)课件

多媒体课件：“机械能守恒定律”.

探究机械能守恒定律任务单.

3 教学流程

(1) 教学主要环节

本节课分为3个教学环节.

第一环节，情境导入.从学生活动“铅球会碰到鼻子吗？”入手，感受铅球的动能、势能相互转化过程，在游戏中思考问题：机械能是否守恒呢？

第二环节，实验探究，寻求规律.在学生亲身体验的基础上，通过DIS实验探究摆锤下摆过程中动能、势能相互转化，得出机械能守恒的规律.教师通过小车沿粗糙程度不同的力学导轨下滑机械能变化的演示实验，把课推向高潮，猜想机械能守恒的条件.最后通过理想外推和理论推导，引导学生寻求得到机械能守恒的条件.

第三环节，运用规律，解决问题.通过对“铅球会碰到鼻子吗？”的分析、解释，首尾呼应，加深对机械能守恒定律的认识.

(2)教学流程

第一环节：情境导入，借境激疑.

活动1：铅球会不会碰鼻？

问题1：动能、势能相互转化的过程中，动能的变化量和重力势能的变化量是否相等？即机械能是否守恒？

第二环节:实验探究，寻求规律.

活动2：学生DIS实验.

利用机械能守恒实验器探究摆锤在下摆过程中机械能守恒.

问题2：在动能和势能的转化过程中机械能一定守恒吗？

活动3：教师演示实验.

小车沿粗糙程度不同的斜面(力学导轨)下滑过程中，计算机数据处理得出动能、势能、机械能的图线，学生观察到机械能不守恒，而且随着斜面越来越接近光滑，机械能损失越来越少.

活动4：理想外推和理论推导.

学生理想外推，小车沿光滑斜面下滑机械能守恒，运用运动学及牛顿第二定律的知识从理论推导的角度予以验证，并且在任务单上完成.

问题3：是不是只要摩擦力不做功机械能就守恒呢？

活动5：若给沿光滑斜面下滑的小车一个沿斜面向下的推力，机械能也守恒吗？

通过这个活动让学生加深印象,以免走入“只要摩擦力不做功机械能就守恒”的常见误区.

问题4：机械能守恒的条件究竟是什么？

活动6：学生任务单上理论推导，一位学生板演.

末动能减去初动能等于初势能减去末势能，必须合外力做功等于重力做功，得到机械能守恒条件是只有重力做功.

第三环节:运用规律，解决问题.

活动7：解释引入实验“铅球会碰鼻吗?” 首尾呼应.

4 教学实录

4.1 情境引入 铅球会不会碰鼻(活动1)

师：在教室中间悬吊着一个实心球，请一位同学来做一个“碰鼻”实验.

(学生上台)

师：你站在这儿，拉实心球到鼻子下方，释放球.

(学生往后退)

师：实心球摆回来的时候，这位同学做了什么动作？

生：往后退.

师：他为什么往后退啊？

生：怕球碰到鼻子.

师：如果他不动,球碰得到他鼻子吗？

生：碰不到.

师：为什么？

生：因为到鼻子那里速度为零了.

师：速度为零，也就是什么能为零了？

师：其实球向上摆动，动能怎么变？

生：减小.

图1

师：势能呢？

生：增加.

师：如图1,当球从位置1下摆到位置2时，动能在增加，势能在减少.上、下摆动过程中，动能、势能相互转化.

师：从位置1到2，动能增加，势能减少，那动能的增加量和势能的减少量会不会有什么关系？

生：可能相等.

师：动能、势能相互转化的过程中，动能的变化量和重力势能的变化量是否相等？(问题1)

师(板书)：

师：我们猜想的关系就成了研究位置1，2的机械能是否相等了.

师：怎么验证这个猜测？

生：做实验.

4.2 学生探究实验用DIS研究机械能是否相等(活动2)

师：直接测球肯定不现实，就需要把铅球摆动抽象成一个物理模型.

师：如图2,释放磁铁夹，摆锤的运动和球的运动类似.

图2

师：现在只研究摆锤经过各点时的机械能是否相等.系统已帮我们选定了A,B,C,D四点,如图2.怎么测得摆锤经过各点时的机械能呢？

师：测势能需要选定零势能面，默认了D点是零势能面，A,B,C三点的高度标尺盘上已标出.

师：摆锤从A点静止释放，所以,A点的速度为零，我们只需要测摆锤经过B,C,D三点时的速度，想一次测得三点的速度，需要几个光电门？

生：3个.

师：现在只有1个，怎么办？

生：一次一次测.

师：需要测几次？

生：3次.

师：那么释放摆球的A点位置能不能变？

生：不能变.

师：以测量B点的速度为例，把光电门放在B点，目测不准，需要借助器材中的测平器，怎么使用测平器呢？看视频.

师：它有一凹槽，让它向着标尺盘，使测平器和B的水平横线对齐.尖端向着光电门，如果光电门不在B点，调整光电门使小孔对准测平器的尖端.大家在自己的电脑上看到光电门小孔对准B点了吗？

师：进入系统，大家看到表格中4点高度，A点速度已知，按系统设定先依次测D，C，B的速度，光电门移动到D点，让小孔对准D的竖直线，点击“开始记录”测得速度.接下来测C点(错误动作)，老师这么做可以吗？

生：不可以.

师：为什么？

生：释放点变了，测平器没有使用.

师：我们每组4人，一位确定释放点A位置不变，事先已经帮大家调好，一位操作电脑，一位释放摆锤，一位使用测平器.3点速度测得以后，点击数据计算，系统自动算出各点的动能、势能、机械能，就能判断A,B,C,D四点的机械能是否相等，也能验证我们的猜测了.

学生进行实验.

师：实验结束，选择一组，请同学跟大家交流一下你们的实验结果.

生：机械能基本不变，动能和势能在相互转化.

可再交流几组(如有误差大的，可课后再讨论).

师：从刚才的实验中我们得到实验结论，摆锤在运动过程中，动能、势能相互转化，经过各点时的机械能不变.

4.3 教师演示实验动能势能相互的转化过程中探究机械能不变的条件(活动3)

(1)实验探究摩擦力不做功，机械能不变

师：是不是动能和势能的转化过程中机械能肯定守恒？(问题2)

师：讲台桌上有一斜面,小车沿斜面(力学导轨)下滑，大家看到小车的动能、势能相互转化，动能增加，势能减少，那机械能呢？

生：不变.

师：真的是这样吗？

师：小车是位移传感器的发射端，斜面底部是接收端，位移传感器测得动能、势能、机械能.可以用电脑的软件把动能、势能、机械能随位置变化的图线显现出来,如图3.

图3 动能、势能、机械能随位置变化曲线图

师：屏幕上出现了3根图线，小车下滑，发射端靠近接收端，从左向右看？还是从右向左看？

生：从右向左.

师：最下面这条线是增加，肯定是动能，还有两条都在减小，哪一条是势能啊？机械能是动能和势能之和，所以最上面是机械能，中间是势能，势能在减小，这里机械能怎么变？

生：减少.

师：机械能为什么损失？

生：铺了布，有摩擦力.

师：能的变化对应力做功，所以，机械能的损失是因为……

生：摩擦力做功.

师：如果减少摩擦力做功，现在把毛巾换成绒布(降低粗糙程度)，这根线会怎样？

(研究机械能怎么变化，把动能、势能图线隐藏)

生：平坦了.

师：继续减少摩擦力做功，斜面不铺布了，图线又会怎样？

生：更加平坦了.

师：仔细观察屏幕上出现的3根图线，能得到什么信息？

生：摩擦力做功越来越小，机械能损失也越来越少.

理想外推：假如斜面完全光滑，机械能就守恒了.(活动4)

师：完全光滑的斜面没有，只能理论证明.

(2)理论推导物体沿光滑斜面下滑机械能不变

师：如图4所示，物体质量为m，沿光滑斜面下滑，图中依次经过任意两点位置A，B，对应的速度分别为v1，v2，离斜面底端的高度分别为h1，h2，试证明A，B两点物体的机械能相等(取斜面底端为零势能面).

由运动学公式推导证明

图4

师：机械能不变的条件是什么啊？

生：摩擦力不做功.

(3)实验探究有拉力、推力做功时机械能变化.(活动5)

师：是不是只要摩擦力不做功机械能就守恒呢？(问题3)

师(请一位学生拉小车)：给小车作用一个向上的拉力，有拉力做功时，看到机械能怎么变？

生：机械能损失了.

师：再给它一个向下的推力呢？

生：机械能增加了.

师：可见，当有摩擦力、拉力、推力做功时，机械能都变化，各能量随位置的变化图线如图5所示，要机械能不变的条件是什么？

图5 几种情形下能量随位置的变化图线

生：没有外力做功.

师：小车沿光滑斜面下滑，机械能守恒，是不是没有外力做功？

生：有重力做功.

师：机械能守恒的条件究竟是什么？(问题4)

(4)实验和理论推导机械能不变的条件.(活动6)

师：好，现在看看刚才我们推导得到的表达式

师：根据动能定理,等式左边动能的变化等于什么？

生：左边是W外=ΔEk.

师：等式右边势能的减少量等于什么？

生：右边是WG=-ΔEp.

师：若要机械能守恒，即左右两边要相等，除非是……

生：合外力做功等于重力做功.

师：这是什么意思？

生：只有重力做功！

4.4 机械能守恒及其条件

通过以上一系教学活动，得出机械能守恒定律，随后师生互动，共同解读机械能守恒定律.

(1)守恒定律发生在动能和势能的转化过程中，也就是说动能、势能要变化.

(2)师：是不是说物体只能受到重力？

生：不是，刚刚沿光滑斜面下滑，还受支持力，只是支持力不做功.

机械能守恒的条件只有重力做功，不是只受重力,而是可以受其他力，但其他力不做功，或其他力做功代数和等于零.

(3)机械能中的势能还包括弹性势能，关于动能、重力势能、弹性势能间的转化暂时不进行讨论.

4.5 解释课堂引入实验活动(活动7)

师：再来看刚才的摆球实验，在运动的过程中，球受重力和拉力，而拉力不做功，所以机械能守恒，不会碰鼻.更何况球还受到空气阻力，机械能会损失一点，因此摆球不会再回到释放点.

师：现在同学们还怕吗？

5 教学反思

本节课根据“以学生发展为本”的课程理念，充分发挥物理学科动手实验探究的特性，重视激发学生参与教学的积极性.在教学过程中，借境激疑—实验探究—实际运用，学生在学习物理知识的过程中，体会科学方法，增强科学精神，养成科学态度.注重规律的探究过程，强调学生的参与.在逐步形成概念、规律的过程中，学生经历了学习、研究物理的一般方法，体验了现代信息技术为物理学习和研究带来的便捷，感受科学与技术的相互促进.