蘇許輝

(浙江省寧波中學(xué),浙江寧波 315100)

“追尋守恒量”的教學(xué)設(shè)計(jì)及反思

蘇許輝

(浙江省寧波中學(xué),浙江寧波 315100)

1 教材分析

(1)“追尋守恒量”是人教版實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》(必修2)第七章“機(jī)械能守恒定律”中的第1節(jié)課,它是后面幾節(jié)課中涉及動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能等概念的基礎(chǔ),因此在整個(gè)高中物理知識(shí)體系中,本節(jié)是一個(gè)新的開(kāi)端,主要應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)思想和方法的教育.

(2)能量的概念是伴隨人類(lèi)對(duì)能量守恒的認(rèn)識(shí)同步發(fā)展起來(lái)的;守恒是自然界普遍遵循的重要基本規(guī)律.能量及其守恒的思想與牛頓的力學(xué)的研究思路有所不同,能量及其守恒的思想從更抽象層次上反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的本質(zhì).

2 學(xué)情分析

(1)本節(jié)課的教學(xué)對(duì)象為高一新生,他們已經(jīng)在初中學(xué)過(guò)動(dòng)能、勢(shì)能、能量等概念,但對(duì)守恒思想的認(rèn)識(shí)不夠深刻.

(2)學(xué)生對(duì)用牛頓定律分析物理問(wèn)題比較熟悉,但對(duì)用能量的方法分析問(wèn)題還不太清楚.

3 教學(xué)目標(biāo)

3.1 知識(shí)與技能目標(biāo)

(1)知道守恒是自然界的重要規(guī)律;

(2)了解勢(shì)能和動(dòng)能的概念;

(3)會(huì)分析生活中有關(guān)能量轉(zhuǎn)化的問(wèn)題.

3.2 過(guò)程與方法

(1)通過(guò)對(duì)生活中物質(zhì)守恒、質(zhì)量守恒的例子分析,培養(yǎng)學(xué)生類(lèi)比能力和知識(shí)遷移能力;

(2)體會(huì)伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和方法;

(3)會(huì)分析動(dòng)能與勢(shì)能間的相互轉(zhuǎn)化;

(4)經(jīng)歷探究過(guò)程,揭示守恒量,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究的意義.

3.3 情感、態(tài)度與價(jià)值觀

(1)通過(guò)“追尋守恒量”,使學(xué)生領(lǐng)會(huì)尋找守恒量是科學(xué)研究的重要思想和方法,初步樹(shù)立能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn);

(2)通過(guò)展示自然、生活和生產(chǎn)中能量守恒的例子,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到能量守恒的普遍性,從而認(rèn)識(shí)到能量守恒的社會(huì)價(jià)值.

4 教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn):認(rèn)識(shí)到守恒是自然界的重要規(guī)律.

5 教學(xué)過(guò)程

5.1 創(chuàng)設(shè)情景,引入新課

舉例:兩個(gè)同學(xué)下象棋,不小心棋盤(pán)被打翻了,一顆棋子找不到了,一位同學(xué)就找啊找,最終在房間的某個(gè)角落找到了,支持這位同學(xué)找下去的信念是什么?

學(xué)生:因?yàn)樗麍?jiān)信這顆棋子不會(huì)憑空消失.

設(shè)計(jì)說(shuō)明:同時(shí)從學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā),歸納出所舉例子的特點(diǎn):我們堅(jiān)信,某個(gè)物體既不會(huì)憑空消失,也不會(huì)憑空產(chǎn)生.從而引出今天的課題:科學(xué)研究中的守恒規(guī)律. 5.2 認(rèn)識(shí)守恒,探究方法

問(wèn)題1:有兩個(gè)燒杯,A燒杯和B燒杯.A燒杯中放了一些沙子,B燒杯是空的.如果將 A燒杯中的沙子倒一些到B燒杯中,這個(gè)過(guò)程中有沒(méi)有守恒量?

圖1

學(xué)生:有,它們的總質(zhì)量不變.

問(wèn)題2:如何才能證明我們的猜想呢?

學(xué)生:用天平稱(chēng)量質(zhì)量.如圖1所示,有少量沙子的A燒杯和空燒杯B放在同一托盤(pán),右邊托盤(pán)放入砝碼,調(diào)節(jié)天平平衡.

實(shí)驗(yàn):將A燒杯中的少量沙子倒入B燒杯中,天平平衡.逐漸增加倒入的量,天平一直處于平衡狀態(tài).

情景建模:記A燒杯中沙子質(zhì)量為mA,B燒杯中沙子質(zhì)量為mB,則有mA↓+mB↑=不變量.

學(xué)生小結(jié)1:通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)了守恒的特點(diǎn):(1)過(guò)程中有變化;(2)變化中有不變量.

學(xué)生小結(jié)2:找到了一種尋找守恒量的方法:找出減少量和增加量,并探究它們之間的關(guān)系.

設(shè)計(jì)說(shuō)明:為了追尋守恒量,首先應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)守恒,知道守恒量的特點(diǎn)和研究守恒量的方法.讓學(xué)生感受到生活中處處有科學(xué)思想,而且科學(xué)和生活密不可分.

5.3 引導(dǎo)探究,歸納規(guī)律

實(shí)驗(yàn):如圖2所示,將一個(gè)球用繩子懸掛在黑板上,讓小球從一位學(xué)生鼻尖處?kù)o止釋放,當(dāng)小球擺回來(lái)時(shí),該學(xué)生的鼻子還很安全.

實(shí)驗(yàn)小結(jié):由于空氣阻力的影響,球擺回來(lái)的高度肯定沒(méi)有原來(lái)的高度高;并且堅(jiān)信:如果沒(méi)有空氣阻力,小球?qū)⒒氐皆瓉?lái)的高度.

教師:這個(gè)球好像很有“靈性”,能夠“記得”自己的初始位置.早在17世紀(jì),意大利物理學(xué)家伽利略就從這里受到了啟發(fā),并用理想斜面實(shí)驗(yàn)來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題.

圖2

模擬實(shí)驗(yàn):模擬伽利略斜面實(shí)驗(yàn)(圖3).

圖3

引導(dǎo)小結(jié):由于小球和斜面之間實(shí)際上是存在摩擦的,因而小球上升的高度比初始高度低一點(diǎn).但我們可以推理出理想情況:如果能消除摩擦,那么小球上升的高度將和原來(lái)完全一樣.

教師:當(dāng)年伽利略改變斜面的傾角,發(fā)現(xiàn)這個(gè)有“靈性”的小球同樣“記得”原來(lái)的高度.然而,“記得”并不是物理學(xué)的語(yǔ)言.后來(lái)物理學(xué)家把這一事實(shí)說(shuō)成是“某個(gè)量是守恒的”.即在這個(gè)過(guò)程中有一個(gè)量是守恒的,接下來(lái)我們探究什么量是守恒的.

學(xué)生猜想1:高度↓+速度↑.

學(xué)生猜想2:勢(shì)能↓+動(dòng)能↑(機(jī)械能).

學(xué)生討論,并在教師引導(dǎo)下進(jìn)行總結(jié):

(1)高度與速度具有不同的物理意義:高度描述物體的位置,速度描述物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);并且它們有不同的單位,是不同的物理量,因此不能相加.

(2)動(dòng)能和勢(shì)能都表示物體具有的能量;并且動(dòng)能和勢(shì)能具有相同的單位,可以相互轉(zhuǎn)化,這里應(yīng)該是動(dòng)能和勢(shì)能之和(機(jī)械能)守恒.

教師:這里確實(shí)是機(jī)械能守恒,具體的證明我們將在后面幾節(jié)中學(xué)習(xí).

應(yīng)用:用機(jī)械能守恒的方法分析“碰鼻子”實(shí)驗(yàn):如果忽略空氣阻力,小球擺動(dòng)的最大高度將和初始高度相同.

學(xué)生:末狀態(tài)和初位置的動(dòng)能都為零,因此小球在初位置和末位置的勢(shì)能相同,所以有相同的高度.

設(shè)計(jì)說(shuō)明:

(1)讓學(xué)生參與驚險(xiǎn)的“碰鼻子”實(shí)驗(yàn).通過(guò)學(xué)生的親身體驗(yàn),吸引了學(xué)生的注意力,活躍了課堂氣氛,提高了學(xué)習(xí)的積極性,同時(shí)又能引發(fā)學(xué)生思考:小球上升的高度為什么和初始高度相同,從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的求知欲.

(2)伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)史上具有重要的地位,充分體現(xiàn)了伽利略的科學(xué)思想和方法,因此這里有必要,將其原來(lái)的設(shè)計(jì)、裝置及操作、論證方法再現(xiàn)出來(lái),使學(xué)生跟蹤偉大先驅(qū)的足跡,領(lǐng)會(huì)他的探究思路,獲得從常規(guī)教學(xué)中得不到的感悟,從而有助于他們獲得認(rèn)識(shí)世界和進(jìn)行科學(xué)研究的能力和方法.

(3)利用前面“天平實(shí)驗(yàn)”得出的規(guī)律,從引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)猜想出伽利略斜面實(shí)驗(yàn)中的守恒量,并由此規(guī)律解釋“碰鼻子”實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象.使學(xué)生認(rèn)識(shí)到用守恒規(guī)律可以簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確地解決這些問(wèn)題,從中又使他們感受到物理規(guī)律的簡(jiǎn)捷美.

5.4 展示生活情景,建立新的物理模型,追尋新的守恒量

生活情景:人們周?chē)钪羞\(yùn)動(dòng)的物體最終都會(huì)停下來(lái).

圖4

實(shí)驗(yàn):小球在粗糙水平面上很快停止運(yùn)動(dòng)(圖4).

分析:如果規(guī)定水平面為參考平面,則小球最終的勢(shì)能為零,動(dòng)能也為零,機(jī)械能不守恒.

類(lèi)比前面“找象棋子”的例子,并結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)提出猜想.

猜想1:減少的機(jī)械能不會(huì)憑空消失;

猜想2:冬天搓手會(huì)熱,說(shuō)明摩擦產(chǎn)生熱量,這里應(yīng)該是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能.

小結(jié):這個(gè)過(guò)程中機(jī)械能和內(nèi)能之和守恒.

設(shè)計(jì)說(shuō)明:由于空氣阻力、摩擦阻力等的存在,生活中的運(yùn)動(dòng)物體最終都會(huì)停下來(lái),這與原有的知識(shí)產(chǎn)生矛盾,機(jī)械能不再守恒.那么,這個(gè)過(guò)程中有沒(méi)有守恒量呢?由此將學(xué)生的思維活動(dòng)引導(dǎo)到更高的層次:不同的能量形式可以轉(zhuǎn)化.

5.5 生活中能量轉(zhuǎn)化的事例剖析

為了使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到能量轉(zhuǎn)化和守恒的普遍性及其科學(xué)、社會(huì)的價(jià)值,筆者又向?qū)W生展示了涉及人類(lèi)生命活動(dòng)中能量的消耗以及太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能等利用的圖片(共2組8幅),供學(xué)生們思考、討論,以進(jìn)一步加深認(rèn)識(shí)和理解(限于本文的篇幅,這些投影圖片的內(nèi)容從略了).

設(shè)計(jì)說(shuō)明:(1)人類(lèi)的生命生活伴隨著大量的能量消耗;(2)使用清潔能源能有效減少溫室氣體的排放,保護(hù)地球環(huán)境.

5.6 小結(jié)

(1)動(dòng)能、勢(shì)能、內(nèi)能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、電能等都是能量的表現(xiàn)形式.19世紀(jì)中葉,人們認(rèn)識(shí)到了它們之間的聯(lián)系——在傳遞和轉(zhuǎn)化的過(guò)程中總量是守恒的,最終確立了能量守恒定律.

(2)之前分析物理問(wèn)題的時(shí)候,是從牛頓運(yùn)動(dòng)定律進(jìn)行分析的.今天我們知道了自然界中能量是守恒的,不同的能量可以進(jìn)行轉(zhuǎn)化,因此,這里提供了一種分析問(wèn)題的方法:即以能量的觀點(diǎn)進(jìn)行分析.

6 教學(xué)反思

(1)本節(jié)課的定位很重要,既不是講能量守恒定律,也不是講人們發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的歷史.主要是使學(xué)生領(lǐng)會(huì)尋找守恒量是科學(xué)研究的重要思想及方法,也是物理學(xué)家們的不懈追求.通過(guò)教學(xué)使學(xué)生初步樹(shù)立能量守恒與轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn),同時(shí)通過(guò)展示自然、生活和生產(chǎn)中的例子,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到能量轉(zhuǎn)化與守恒的普遍性.

(2)新課引入是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié),對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性和激發(fā)求知欲,都有不可估量的作用.這節(jié)課中,通過(guò)創(chuàng)設(shè)情景,從對(duì)生活現(xiàn)象的思考出發(fā),進(jìn)而引出今天的課題:尋找科學(xué)研究中的守恒量.在教學(xué)的過(guò)程中,不是直接告訴學(xué)生追尋守恒量的方法,而是通過(guò)文中介紹的“天平實(shí)驗(yàn)”讓大家歸納守恒的特點(diǎn),并進(jìn)一步探索尋找守恒量的方法,接著應(yīng)用這個(gè)方法去猜想伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)中的守恒量,最終得出普遍的結(jié)論.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)和安排充分顯示了物理學(xué)及其研究方法之美.

(3)本節(jié)課在整體設(shè)計(jì)思路上,從機(jī)械能守恒→機(jī)械能+內(nèi)能守恒→能量守恒,守恒的范圍逐漸增大,不但說(shuō)明守恒是有范圍的,也說(shuō)明守恒是自然界的普遍規(guī)律,因此人們尋找守恒量是可行的,也是很必要的.

2010-06-09)