促进科学思维发展的课堂教学实践——以“动能 动能定理”教学为例

赖世锵 赖集开

(1.广东仲元中学,广东 广州 511400;2.广东省博罗县博罗中学,广东 惠州 516100)

1 引言

“动能 动能定理”是在能量概念建立的基础上,建构“动能”概念，推导出“动能定理”,以引导学生形成能量观念。关于动能表达式的推导,教材让学生感知运动的物体具有能量的基础上,通过物体在水平桌面上受摩擦力做匀变速直线运动的分析得出动能的表达式。利用功能关系,物体克服摩擦力做了多少功就有多少能量发生变化,从而得出克服摩擦力的功与物体动能的改变的关系,得到动能的表达式。教材中“动能定理”表达式的推导的出发点是牛顿第二定律以及运动学公式,经历数学推导过程,构建物理模型,得到动能定理表达式。在实际学习中,可以放手让学生推导动能定理的表达式,进一步联系生产生活,理解动能定理并运用动能定理解决实际问题，从而让学生经历从感性认识到理性认识的过程。教学中要注重全体学生的发展,注重培养学生的科学思维与探究能力,培养学生的科学态度与责任,调动学生的主动性与积极性,促进其个性全面健康发展。

2 促进科学思维发展的课堂教学设计

2.1 学情分析

在知识层面学生在初中学习中初步了解到动能与物体的质量和速度有关；学生已学过功,能够计算各力以及合力外所做的功；知道做功可以改变物体的动能。此上，牛顿运动定律、运动学知识的学习等为学生从已学知识推导出做功与动能的关系做好了铺垫,为建立动能概念和学习动能定理准备了知识基础。

2.2 教学目标

物理观念:知道动能的定义、单位、表达式和矢标性;知道动能定理及其适用范围。

科学思维:运用动能定理分析、推理做功和动能变化的关系。

科学探究:运用理论探究的方式推导动能定理。

科学态度与责任:联系生活中物体动能变化的实例,分析汽车行驶的安全问题,认识科学技术对社会的影响。

2.3 教学策略

教学从学生的已有知识出发,感知运动的物体具有动能，推导动能表达式,进而推导出动能定理,最后运用生产生活实例理解动能定理。

2.4 课堂教学实施过程

2.4.1 创设情境,引入主题

情境：利用图片呈现击出的乒乓球、射出的子弹、运动的热气球、运动的行星、飞驰的汽车等。

师：这些物体具有什么能量？特点是什么？和做功有什么关系？

生：它们都在运动,因为运动而具有能量。

师：物体由于运动而具有的能量叫做动能。

设计意图：从生活现象出发创设情境,引导学生观察现象、思考问题，激发学习兴趣。

2.4.2 模型建构,形成观念

任务1 探究影响动能大小的因素

情境：从枪口射出的子弹杀伤力很大,而用手直接将子弹扔向目标,则杀伤力很小,这是为什么呢？乒乓球从对面高速飞来,可以轻易地接住它,如果是铅球高速飞来,你还敢去接吗？为什么？

师：物体的动能与什么因素有关？

生：物体的动能与其质量和速度有关。

设计意图：建立动能的概念,为动能表达式的推导作好铺垫。通过观察图片中的情境,归纳影响动能大小的因素。理解功是能量转化的量度,能量的大小反映物体做功的本领大小。

任务2 推导动能的表达式

师：功是能量转化的量度,那么动能和功有关吗？例如炮弹在推力的作用下速度越来越大,动能增加,这种情况下推力对物体做了功。

生：物体动能的变化与力的所做功有关。

建构模型:如图1所示,在粗糙桌面上,一质量为m、初速度为v的物体因受到摩擦力Ff的作用,运动一段位移s后停下来。求物体克服摩擦力做了多少功？物体的初始动能是多少？

图1

设计意图：通过模型建构,让学生经历演绎推理的过程，自觉寻找动能的表达式,建构物理概念,进而深化对功能关系的理解,促进学生的科学思维水平的发展。

任务3 动能表达式的理解

师：动能的单位是焦耳,简称焦,符号为J；动能是矢量还是标量？

生：沿着各个方向运动的物体,要使之停下来,就要克服摩擦力做相同的功,动能没有方向,只有大小，是标量。

师：如果物体的速度发生了变化,其动能一定会发生变化吗？反之,如果物体的动能发生了变化,其速度一定会发生变化吗？为什么？一辆匀速行驶的汽车里坐着一名乘客,他与汽车保持相对静止,那么,这名乘客的动能是否为零？[2]

学生讨论与交流；小组代表回答问题。

归纳总结：动能具有瞬时性,为状态量,对应物体在某一时刻的运动状态；速度是矢量,动能是标量,其数值始终大于零。

设计意图：深入理解动能的概念,强化功的概念和功能关系,培养学生科学思维能力,调动学生积极性与主动性。

2.4.3 模型建构,推导定理

模型建构:如图2所示,一质量为m的物体在恒力F的作用下,以初速度v1在粗糙的水平面上运动。经过一段位移s后,速度增加到v2。已知摩擦力Ff不变,求合外力的功，它与物体动能的变化有何关系？

图2

设计意图：通过建构模型,让学生运用演绎推理的方法得出动能定理,培养学生质疑创新的科学思维,进一步深化能量观念的认识。

2.4.4 科学推理,深化理解

师：物体的动能的变化等于什么呢？

生：合外力所做的功。

师：是的,合外力所做的功等于物体动能的改变,反映了功与能的关系。那么什么时候物体的动能增加？什么时候减少呢？

生：当合外力对物体做正功时,物体的动能增加,其他形式的能转化为动能；当合外力对物体做负功,物体的动能减少,动能转化为其他形式的能。

设计意图：通过问题解答与思考,深入了解动能定理的含义,从能量转化的角度认识并理解动能定理,形成必备知识与关键能力。

2.4.5 学以致用,思维深化

任务1 通过应用体会动能定理优越性

已知京港澳高速公路最高限速vmax=120km/h,假设前车突然停止,后车司机从发现情况到进行制动操作，汽车通过的位移s′=17m，制动时汽车所受的阻力为汽车所受重力的0.5倍,则该高速公路上汽车间的安全距离至少应为多大？

师：能否用牛顿运动定律来解答呢？试试看,并比较两种解法,谈谈自己的感受。

生：用牛顿运动定律求解过于繁琐,用动能定理可简便地求出制动距离。

师：在处理实际问题时,若不涉及到中间的量,如a、t等,优先考虑运用动能定理。请同学们总结动能定理的解题思路。

生：先选取研究对象,分析物体的受力情况与运动情况;再分析整个过程中外力所做的总功,分析初、末状态的动能;最后列方程求解。

设计意图：理论联系实际,学会应用物理知识解决实际问题。对比两种方法在解决实际问题中的异同,深化对能量观念的认识,体会动能定理的优越性。通过内化提炼,有助于发展学生科学推理与论证的科学思维能力,有助于形成物理观念,掌握必备知识与关键能力。

任务2 巩固提高,促进深度学习

实战训练：如图3所示,物体在外力作用下静止在粗糙斜面上,距离斜面底端5m,现撤去外力,物体由静止开始向下滑动,然后滑上与斜面底端平滑连接的粗糙水平面上(无动能损失),若物体与两接触面间的动摩擦因数均为0.4,斜面倾角为37°，求物体在水平面上滑行的距离。

图3

解析：此过程既可以分过程列方程求解,也可以对全过程列方程求解。

方法二:针对全过程运用动能定理求解，有：mgsin37°l1-μmgcos37°l1-μmgl2=0-0,解得：l2=3.5m。

设计意图:通过实践训练,使学生熟悉使用动能定理解决实际问题的一般思路与步骤,进一步理解和巩固动能定理,领会动能定理解题的优越性;会利用动能定理分析并求解物体多过程运动问题,培养学生科学思维能力。

3 结语

课堂教学采用学习进阶模式,让学生思维由低阶不断向高阶渐进，开展深度学习,充分调动学生学习的积极性、主动性,形成必备知识与关键能力。新课程强调学生的学习主体地位,学生自主建构知识才是有意义的学习。教师的任务是设计合理的问题,引导学生一步步建立模型,在教师的指引下学生调动所学知识达成课程目标,提升物理学科核心素养。