金加團(tuán)

摘 要：機(jī)械能守恒定律是高中物理很重要的一條規(guī)律，只有新授課的學(xué)習(xí)是不完整的。只經(jīng)歷新授課學(xué)習(xí)的學(xué)生，其知識(shí)結(jié)構(gòu)單一，還不能有效解決稍復(fù)雜一些的問題。在新授課的基礎(chǔ)上，需要通過復(fù)習(xí)課進(jìn)一步優(yōu)化學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)。本文是在高中物理“基本經(jīng)歷、基本知識(shí)、基本思想方法和基本技能”教學(xué)目標(biāo)視野下進(jìn)行的專項(xiàng)復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)嘗試。

關(guān)鍵詞：“四基”目標(biāo)；教學(xué)設(shè)計(jì)；機(jī)械能守恒定律

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）9-0073-4

機(jī)械能守恒定律是學(xué)生在對(duì)動(dòng)能和勢能有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)之后提出來的，在高中物理的能量學(xué)習(xí)中有重要的地位。從前后聯(lián)系來看，這節(jié)課的內(nèi)容有利于學(xué)生對(duì)功能關(guān)系的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。在理論推導(dǎo)的過程中，有利于強(qiáng)化學(xué)生對(duì)動(dòng)能定理的理解。從思維方式上分析，能使學(xué)生初步建立守恒的思想。并且在探究、推理過程中，有利于培養(yǎng)學(xué)生的演繹推理能力、分析歸納能力和探索發(fā)現(xiàn)能力，領(lǐng)悟物理學(xué)研究方法和提高創(chuàng)造性思維能力。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生不難掌握機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式和運(yùn)用機(jī)械能守恒定律求解比較簡單的問題，但對(duì)具體問題中機(jī)械能守恒條件是否滿足還有一定的困難，因此，對(duì)機(jī)械能守恒定律條件的理解是本節(jié)內(nèi)容的難點(diǎn)。運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解答相關(guān)的問題，這一內(nèi)容在整個(gè)高中力學(xué)中起著承前啟后的作用，在物理學(xué)理論和應(yīng)用方面十分重要，不同運(yùn)動(dòng)形式的轉(zhuǎn)化和守恒的思想能指引我們揭示自然規(guī)律、取得豐碩成果。但這種思想和有關(guān)的概念、規(guī)律，由于其抽象性強(qiáng)，學(xué)生不易理解、掌握，學(xué)生要真正地掌握和靈活運(yùn)用還是很困難的。因此，需要先學(xué)習(xí)比較簡單的機(jī)械能守恒定律，然后再在復(fù)習(xí)課中逐步深入。

1 復(fù)習(xí)課教學(xué)目標(biāo)的確定

學(xué)生在新課階段習(xí)得的知識(shí)是局部的，與整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)是分離的。例如，在新課學(xué)習(xí)時(shí)，雖然學(xué)生習(xí)得了機(jī)械能守恒定律的表達(dá)式和條件，但如果我們仔細(xì)分析學(xué)生已有基礎(chǔ)和最終目標(biāo)定位（能解決與機(jī)械能守恒定律應(yīng)用相關(guān)問題），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生缺乏機(jī)械能守恒定律應(yīng)用的程序與規(guī)范，缺乏機(jī)械能守恒定律與其他物理規(guī)律選擇時(shí)的策略，缺乏除重力（彈力）外的其他力做功不能分析時(shí)對(duì)機(jī)械能是否守恒的判斷，還缺乏靈活選擇機(jī)械能守恒定律應(yīng)用時(shí)機(jī)的策略。

基于以上的認(rèn)識(shí)，確定機(jī)械能守恒定律的復(fù)習(xí)課的“四基”教學(xué)目標(biāo)如下：

基本經(jīng)歷：觀察小球下落后細(xì)繩繃緊實(shí)驗(yàn)，感受細(xì)繩繃緊時(shí)機(jī)械能的損失；觀察小球下落后細(xì)繩被釘子擋住實(shí)驗(yàn)，感受細(xì)繩被擋時(shí)機(jī)械能并不會(huì)損失。

基本知識(shí)：加深對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解，能夠從總量和變化量角度表達(dá)機(jī)械能守恒定律；能區(qū)分機(jī)械能守恒定律和動(dòng)能定理的適用條件。

基本思想方法：能夠針對(duì)不同的情況選擇機(jī)械能是否守恒的判斷方法，例如，分別從除重力和彈簧彈力外其他力不做功，能量只有在動(dòng)能和勢能之間轉(zhuǎn)化，運(yùn)動(dòng)過程中是否出現(xiàn)細(xì)繩繃緊這種導(dǎo)致機(jī)械能損失的現(xiàn)象。能夠在整個(gè)過程機(jī)械能不守恒，而局部過程機(jī)械能守恒的情況下，把握守恒時(shí)機(jī)，運(yùn)用守恒定律。

基本技能：在運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解決問題時(shí)，依照規(guī)定的程序進(jìn)行求解，例如，明確研究對(duì)象，進(jìn)行三分析（受力分析、運(yùn)動(dòng)分析、做功分析），列方程求解。

2 復(fù)習(xí)課教學(xué)過程

問題情境1：如圖1所示，傾斜角為θ的斜面固定在水平面上，若表面光滑，質(zhì)量為m可視為質(zhì)點(diǎn)的物體，從斜面上高度為h處從靜止開始下滑，求物體滑到底端的速度大小。

問題情境2：如圖2所示，曲面固定在水平面上，若表面光滑，質(zhì)量為m可視為質(zhì)點(diǎn)的物體，從高度為h處自靜止開始下滑，求物體滑到底端的速度大小。

展示學(xué)生的求解方法：

討論與小結(jié)：由于物體沿曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體受到的合外力是變力，無法用牛頓第二定律求得加速度。但由于曲面的支持力始終與速度方向垂直，下滑過程只有重力做功，用動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒仍能得到結(jié)果。說明了在解決變力和曲線運(yùn)動(dòng)的物理問題時(shí)，能量方法具有優(yōu)越性，也應(yīng)該是首選的方法。

問題情境3：如圖3所示裝置。BC為半徑為R的圓弧軌道，豎直軌道與圓弧軌道相切于B點(diǎn)。AB間距離為h，h可調(diào)。彈珠從水平地面上A點(diǎn)豎直向上射出并能沿軌道運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)h高度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)h=2R時(shí)彈珠恰能從C點(diǎn)水平飛出。忽略一切摩擦，重力加速度為g。

（1）求彈珠從槍口射出時(shí)的速度。

（2）調(diào)節(jié)h，可以改變彈珠落點(diǎn)。試求彈珠剛好脫離軌道時(shí)彈珠落點(diǎn)離A的最遠(yuǎn)距離。

為了突出判斷機(jī)械能守恒的條件，引導(dǎo)學(xué)生思考：

①子彈從A經(jīng)B到C運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷幾個(gè)階段？有哪些力做了功？

②為了表達(dá)機(jī)械能的大小，應(yīng)該選何處為零勢能點(diǎn)？

③子彈恰好從C飛出，速度為多少？

④子彈從C飛出，做什么運(yùn)動(dòng)？水平位移與哪些物理量有關(guān)？

⑤如果不規(guī)定零勢能點(diǎn)，是否可以求解上述問題？

討論與小結(jié)：一般來說，運(yùn)用機(jī)械能守恒定律和牛頓第二定律解決問題應(yīng)該遵循下列程序與規(guī)范：（1）確定研究對(duì)象和過程；（2）進(jìn)行受力和做功分析；（3）選定零勢能點(diǎn)；（4）立式求解；（5）分析結(jié)果的合理性。如果用機(jī)械能守恒定律的另一表述方式，即動(dòng)能減小量等于勢能增加量立式，求解時(shí)可以不規(guī)定零勢能點(diǎn)，具有簡潔性。

運(yùn)用動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律的條件是除重力和彈簧彈力外其他力不做功，是否所有問題中除重力和彈簧彈力外其他力做不做功都是可以通過分析確定呢？

問題情境4：如圖4所示，在沒有彈性的棉質(zhì)細(xì)繩一端系一小鋼球，另一端固定。在固定點(diǎn)下方固定一枚釘子，拉直細(xì)繩，讓小球從某一位置靜止釋放。

問：細(xì)繩在碰到釘子前后機(jī)械能是否守恒？

生：碰到釘子前后，細(xì)繩的拉力方向始終和小球的速度方向垂直，細(xì)繩拉力不做功，故機(jī)械能始終不變。