设疑激趣 逐步探究——以“机械能守恒定律”教学为例

(南京大学附属中学,江苏 南京 210008)

1 创设情境，设疑激趣

图1

如图1所示，笔者演示了“巨型摆球”实验,先将一铁球通过长为1.5m的细绳系在天花板上,将它从一定的角度自由释放,可将一块玻璃撞碎,从而对学生在心理上产生震惊效果,为后续的“勇气测试”游戏(铁球冲鼻实验)做好铺垫。请一位同学将铁球拉至鼻子下方释放,在铁球再次荡回来的时候,他因惧怕向后退缩,其他同学神情也非常紧张,笔者适时提问：这位同学有没有后退的必要呢?铁球会撞到他的鼻子吗?这里笔者通过创设游戏情境以惊激趣,以趣生疑,以疑引思,迅速激起学生的兴趣,激发探究欲望。接着引导学生分析铁球在摆动过程中动能和重力势能之间的转化,引出本节课探究主题:在动能和势能相互转化过程中,机械能是否守恒？

换一个“温柔”的小刚球,将小球拉至某一高度释放,观察小球能否到达另一侧同一高度。学生们通过观察交流，认识到：若无空气阻力时,摆球能摆到相同的高度,由此大胆猜想在忽略阻力的情况下,摆球的机械能守恒。

2 实验探究,找寻规律

2.1 自主设计实验

直接测铁球的动能和势能不太现实,所以引入模型化的摆锤实验,借助DIS光电门传感器测量摆球经过A、B、C、D点的速度、高度，计算出相应的动能、势能、机械能大小(如图2)。鉴于学生对DIS实验系统比较熟悉,笔者将设计方案的权利交给学生,给学生充足的时间去交流,提醒学生设计实验时应注意的几点:需要测量的数据，必要的实验步骤，如何利用数据验证猜想。

图2

2.2 运用实验验证猜想

学生急于检验刚才的猜想是否正确,各小组立即根据实验方案行动起来。整个教室里讨论很热烈,学生带着愉悦的心情、强烈的求知欲、积极的思维、友好的合作态度进行实验操作。笔者在教室里巡回指导,提醒学生在释放小球的过程中注意减小阻力的影响。每个小组完成任务后,小组汇报、交流实验结果。多数小组表示测得A、B、C、D点重力势能依次减小,动能依次增大,在实验误差允许范围内,总的机械能不变。表1为某一小组的实验结果。

表1

也有少数小组汇报他们小组机械能是变小的,这时笔者对他们坚持实事求是的科学态度表示赞许,并请学生分析这种现象的原因可能是什么,有学生提出是因为摆锤在摆动时不和板面平行。

2.3 理论探究

图3

著名物理学家杨振宁说:科学就是猜想,猜想是否正确,就得由实验来验证,而要证明猜想的正确性,可以有多种多样方法。教师引导学生从理论推导的角度进一步验证猜想。创设问题情境如下:如图3所示，一个摆球在摆动过程中(忽略阻力),经过离地面h1的位置1时速度为v1,下落到高度为h2的位置2点时速度为v2,试判断在位置1的机械能E1和位置2的机械能E2的关系。

2.4 总结归纳

接下来要突破本节课的难点:机械能守恒的条件——只有重力做功。经过实验和理论探究得到在忽略空气阻力时,摆球的机械能守恒,至此学生很容易陷入“只要没有阻力，机械能就守恒”的认识误区,为此笔者又设计了一个演示实验:用一拉力使小铁球缓慢向上做匀速圆周运动,分析机械能如何变化?共同分析得知阻力不做功,拉力做正功,重力势能增加,动能不变,机械能相应地增加。这样就自然而然地进入以下教学环节:机械能守恒的条件究竟是什么?结合上一环节利用动能定理和功能关系的推导，机械能守恒条件为：只有重力做功的情况下,系统机械能守恒。鼓励、引导学生将机械能守恒定律内容准确地表达出来,培养了学生表述的科学性和严谨性。

3 运用规律,学以致用

再请学生上台进行“勇气测试”游戏,此时让学生解释不再害怕的原因,首尾呼应,加深了学生对机械能守恒定律的理解。

如图4所示，笔者演示实验,将小球从轨道一端不同高度开始释放，发现释放高度要满足一定的条件,才能安全通过圆环,这其实就是“过山车”模型，学生思维再次活跃起来。最后提出一个课外探究课题:如果你是一个设计师,请你做过山车轨道的设计,已知圆环半径为R,如果不计阻力,为了保证过山车安全通过圆环,至少要从多高的位置释放?将此研究课题作为本节课的留白,引导学生利用课堂得出规律对课题进行研究,既能应用、内化规律,又能培养学生实践能力。

图4

4 结语

本节课开始时利用铁球碰鼻的实验激起疑问，引出探究的主题；然后借助DIS，通过实验探究摆锤机械能守恒(忽略阻力)；接着从理论角度进行推导，并得出机械能守恒的条件是只有重力做功,突破了本节课的难点；最后运用所学知识解决课堂刚开始的铁球碰鼻游戏,在整个教学过程中学生运用了实验探究和理论探究的科学方法,强调学生的自主探究,重视定律的建构过程,培养了学生的科学思维和科学探究能力。