基于物理情景创设的动能定理教学设计

杨川

摘   要：情景创设是物理概念教学的重要辅助手段。文章以动能定理的教学设计为例，通过增设实验情景，推导动能定理表达式;创设生活情景，加深对动能定理的理解;展示社会情景，帮助学生巩固动能定理的应用。以期帮助学生更好地掌握动能定理的相关知识，同时也希望能为教师的教学提供借鉴。

关键词：动能定理;情景创设;教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）1-0067-3

建构主义者提出了情境性认知的观点，强调学习、知识和智慧的情境性，认为知识是不可能脱离活动情境而抽象存在的，学习应该与情境化的社会实践活动结合起来[1] 。培养学生在真实情境中解决问题的能力，也是培养学生核心素养的重要手段。

《现代汉语词典》中，对“情境”的解释为“情景;境地”，对“情景”的解释为“（具体场合的）情形;景象”[2]。从内涵看，情境和情景意思相近，情景可以看作情境的具体化、细节化。物理学是一门自然科学，物理研究离不开观察和实验，物理教学也离不开情景创设。教师要创设与物理知识相关的具体情景，带领学生通过情景理解知识，通过情景掌握知识，通过实验情景、生活情景、社会情景将书本知识的学习变成一个直观、生动的体验过程。学生在直接经验的帮助下理解间接经验，在教师创设的情景中将知识融会贯通，并熟练运用。

《动能和动能定理》是人教版必修2第七章第七节的课程内容，课程标准对本节的要求为：理解动能的定义和推导动能定理，并应用动能定理解决实际问题。由于动能定理是高中物理考纲要求的主干知识，对后面机械能守恒定律和能量守恒定律有重要的启示和铺垫作用，因此，笔者决定在上一节实验课的基础上，得出决定动能的相关因素——质量与速度，再用熟悉的物理情景进行演示实验，探究功与动能的定量关系（推理、演绎、归纳），最后应用动能定理。

本文以“动能和动能定理”的教学设计片段为例，介绍三种物理情景的创设方法，帮助学生掌握动能定理的相关知识。

1    创设实验情景，推导动能定理表达式

教师将小车放在水平轨道上，一根细线穿过定滑轮，一端连在小车上，另一端连在钩码上。由于小车与轨道之间的摩擦力为滚动摩擦力，比较小，可以忽略不计，这样水平方向就只受拉力。请同学们注意观察这个过程，看小车做的是什么运动。然后思考：

情景一：质量为m的小车在绳拉力F的作用下（不计阻力），沿水平轨道发生一段位移l，速度从v1增加到v2。如图1所示，试寻求这个过程中拉力F做的功与m、v1、v2的关系？

让学生上台展示他的推导过程，老师点评。

然后开始做第二个演示实验，教师把小车倒过来，这个时候小车与轨道之间的摩擦就不再是滚动摩擦了。请同学们注意观察这个过程，看小车做的是什么运动。然后思考：

情景二：质量为m的小车在绳拉力F的作用下，沿粗糙水平面运动了一段位移l，受到的摩擦力为Ff，速度从v1变为v2。如图2所示，试寻求这个过程中合力做的功与m、v1、v2的关系？

引导学生根据这两个等式来猜测动能的表达式：

（1）由于前面已经知道物体的动能跟物体质量和速度有关，并且以上两个等式中的mv2跟质量和速度有关系，所以有理由相信它就是我们要找的动能表达式。

（2）我们知道做功是能量的量度，因此等式左边是力所做的功，右边必然是能量的变化，说明mv2应该是一种能量，基于这一点我们更加有理由相信它就是我们要找的动能表达式。

因此得出结论，mv2就是我们要找的动能表达式。

根据情景一和情景二中分析得到的这两个等式，提出问题：是否可以把这两个等式统一起来？

发现情景一中，物体所受绳的拉力就是物体所受的合力，这样就把这两个式子统一起来了。然后请学生用一句话来描述这个等式想告诉我们的物理规律：物体所受的合外力就等于物体动能的变化。这样就引出动能定理。

2    创设生活情景，加深对动能定理的理解

情景三：足球被踢出后的运动过程中，阻力对足球做了-5 J的功，那么在这个过程中足球的动能怎么变化？如图3所示。

通过这道题的分析，让学生总结出：合力对物体所做的功就是动能的量度，合力做多少功，动能就相应变化多少。

然后，引导学生来探索动能定理的适用范围：

前面在分析情景一和情景二的时候，发现这两种情景中物体受到的都是恒力，并且它们的运动轨迹都是直线，那就说明动能定理适用于直线运动和恒力做功，那它适用于曲线运动和变力做功吗？要解决这个问题，我们应该先建立一个实际的物理模型。

首先，给学生展示一个小朋友玩滑梯的情景（如图4），接着引导学生从物理的角度来分析一下小孩实际的运动特点，得出物理模型。

物理模型：小孩在变力作用下沿滑梯向下做曲线运动，那么在这个过程中动能定理成立吗？

引导学生用微元法来分析这个过程并得出结论：

既适用于直线运动，也适用于曲线运动;

既适用于恒力做功，也适用于变力做功。

既然动能定理适用于曲线运动和变力做功，因此接下来我们用动能定理解决以上物理模型的问题。

情景四：根据滑梯的国家标准GB6675.11-2007，6岁至9岁的儿童滑梯安全速度小于等于22 km/h，如果一个7岁的小孩质量m=20 kg，从静止开始从最高点沿滑梯向下运动，最高点到最低点的高度差h=2 m，整个过程摩擦力对小孩做了-150 J的功，请判断小孩滑到最低点时，是否安全？（g=10 m/s2）

请学生上台求解，老师再作补充。首先，将滑梯上的小孩看作质点，对其进行受力分析。然后，对小孩从最高点到最低点的运动过程运用动能定理进行计算。用动能定理解题时首先要明确研究对象，然后明确研究过程，这样我们就用动能定理解决了滑梯模型。

3    展示社会情景，帮助学生巩固动能定理的应用

接下来请学生看我国第一艘航母辽宁舰上舰载机起飞的画面，这标志着我国是继美国、俄罗斯、英国、法国之后第五个掌握舰载机技术的国家。舰载机技术之所以难以掌握，其中一点就是舰载机要通过很短的距离获得很大的动能，这对于动力以及轨道的要求是很高的。又由于舰载机在加速过程中受到的是变力，并且做的是曲线运动，所以如果我们要研究这个过程中位移、力、动能的关系，我们就需要运用动能定理。

教师总结提升：正是由于动能定理适用于变力做功以及曲线运动，所以在解决很多实际的力学问题中，动能定理得到了广泛的应用。

4    总  结

通过上节实验课的学习，学生可以具有这样的前概念：通过实验得出做功与物体速度的关系W∝v2，从而初步理解了做功可以改变物体的动能。高中生的认识规律是从感性到理性、从定性到定量，所以本节课设计了利用细绳拉动小车的运动实验来让学生自己推理、归纳动能和动能定理的内容，引导学生进行情景分析，培养其思考和创新能力，效果良好。

本节课难点在于动能定理的理解和运用，通过创设物理情景，将抽象的物理概念、物理定义、物理公式与学生在实际中看得见、摸得着的经验现象联系在一起，帮助学生通过情景体验物理，通过实际情景学习物理，逐步内化物理知识。在创设情景的时候，包含情景的多样性，从实验情景到生活情景，再推广到社会情景;在挑选例题的时候，注重其代表性，例题内容从恒力到变力，从直线到曲线，遵从由浅入深、层层递进的思路，帮助学生顺利完成动能定理的学习。

参考文献：

[1]張大均.教育心理学（第三版）[M].北京：人民教育出版社，2015：96.

[2]中国社会科学院语言研究所词典编辑室.现代汉语词典（第7版）[M].北京：商务印书馆，2016：1068.

（栏目编辑    张正严）