高中8.机械能守恒定律教学设计

“机械能守恒定律”科学探究的教学设计

高中物理新课程将科学探究列为课程目标和课程内容，并作为学生自主学习物理的一种有效学习方式。科学探究是学生在物理课程或现实生活的情境中，通过自己去发现问题、调查研究、动手操作、表达与交流等探究活动，获得知识、技能、方法的学习方式和学习过程。科学探究的目的是让学生经历探究的过程，获得理智与情感的体验，积累科学知识与方法。科学探究的目的是把学生置于动态、开放、生动、多元的学习环境中，在自主学习、探索中，获得学习体验。

一、设计思想

“只有重力做功时，物体的动能和重力势能可以相互转化，总的机械能如何变化？”是高一学生经常遇到的一个问题。这节课按照科学探究的要求，组织高一学生根据力学知识，制定实验计划，设计方案和进行操作。通过科学探究，使学生对机械能守恒定律的得出、含义、适用条件有一个明确的认识；学会应用科学探究的方法研究物理问题，探索物理规律，加深对科学的本质和价值的理解。运用计算机辅助，使学生亲身体验现代科技的影响，掌握将信息技术作为知识获取工具的方法。

二、教学设计

（一）教学目标

1．知识与技能：能理解机械能守恒定律的内容；在具体问题中，能判定机械能是否守恒；培养学生的科学探究能力。

2．过程和方法：通过对科学探究过程的参与，学会获取知识和实验技能的方法；能从能量转化和守恒的观点来解释物理现象，分析问题。

3．情感、态度、价值观：分组探究，能引起学生对自然和科技的关注，激发应用物理知识探究科学问题的热情，培养学生实事求是的科学态度和相互合作交流的精神。

（二）教学重点

运用所学的力学知识，制定实验计划，设计方案，确定操作步骤，进行数据处理。

（三）学法教法

教师提出目标，学生分组探究，并互相交流评估。

（四）教学器材

刻度尺、天平、铁架台、打点计时器、纸带、夹子、铅球、重物、带孔的小钢珠、细线、DIS装置、秒表、皮卷尺、弹簧秤 、斜面、滑块、计算机

（五）教学过程

1引入课题：引导学生回忆已学过的力学知识—匀变速直线运动规律，单摆等，回忆用过的相关仪器。

 2科学探究过程

2．1/提出问题

同学们都荡过秋千，在荡秋千的过程中，能量怎样变化？大家回答动能和重力势能相互转化。那么，在此过程中，忽略阻力，当只有重力做功时，人的机械能总量怎样变化？

2．2猜想和假设 

学生回忆荡秋千的过程，相互议论并推测结果。有的学生认为荡秋千时，秋千上升的高度逐渐降低，最后停下来，因此总机械能逐渐减小；有的学生说秋千在不同的高度，摆动的快慢不同，故机械能变化，且机械能的大小与高度有关；还有学生分析，荡秋千的最大高度逐渐降低，是因为人受到阻力，若忽略阻力，只有重力做功，人的机械能守恒。众说纷纭，教师提出，这节课就让学生科学探究只有重力做功时，物体的机械能总量如何变化。

2．3制定计划与设计实验

学生分析出实验需测量的物理量有三个：高度、速度和质量，这样就可定量研究机械能的变化。教师发动学生来讨论解决这些问题的方法，并要求每组至少设计出一种实验方案，每种方案有仪器和操作步骤等，然后分组介绍交流。有些学生提出的实验方案有多种，也有少数学生提不出方案，在交流中让学生充分参与，并让学生筛选出比较好的方案。

学生设计出比较好的方案有以下四种：

（1）器材：秒表、皮卷尺、天平、重物

操作：测出重物的质量，让它从某一高度处自由下落，测出下落的高度h，及时间t，求出落到地面的速度v=gt,从而探究1/2mv2是否等于mgh。

（2）器材：秒表、皮卷尺、天平、滑块、斜面

操作：测出滑块的质量，让它从光滑斜面下滑，记录下从顶端下滑到底端的时间t，再测出斜面的高度h和长度l，求出末速度v，探究机械能是否守恒。

（3）器材：秒表、皮卷尺、铅球

操作：在高h处水平抛出一个铅球，记下铅球落地所需时间t；测出下落的高度h和水平前进的距离s,计算出初速度v0和末速度vt，探究初机械能1/2mv02+mgh和末机械能1/2mvt2是否相等。

（4）器材：自由落下的重物和打点计时器，见图1

操作：纸带上两点之间的距离等于重物下落的高度，选定几个计数点，测出他们之间的距离和重物在各点的速度，探究：机械能是否守恒。

教师让学生思考能否设计出更精确易行的实验方案，学生经过阅读课本和老师的启发，知道了第五种实验方案。

（5）单摆和DIS装置：见图2

将DIS（数字化信息系统）装置中的光电门先后放在A、B、C、D各点，测出各点的速度v，再测出各点对点D的高度。运用所得数据探究：单摆的机械能是否守恒。学生都认为利用DIS装置可以有效的增进实验教学效果，借助计算机采集，处理数据，可以简化实验步骤。

2．4进行实验与收集数据

因受时间限制，每组选取一种方案分组实验（有的组可在室外）操作，通过观察收集实验数据，把测量数据填入下表。

教师巡视时发现，有很多学生仅在草稿纸上随意写上几个记录数据，没有设计表格。

2．5分析数据，得出结论

部分学生在实验中发现：物体减小的重力势能总是大于增加的动能，让学生分析实验误差的来源。师生交流讨论后，得出原因：物体在下落过程中存在着阻力的作用，物体克服阻力做功要损失一部分机械能。在忽略阻力作用的情况下，得出了机械能守恒定律：只有重力做功时，物体的动能和势能可以互相转化，但其机械能的总量不变。

2．6评估

为什么有些学生假设与探究结果不符？学生分析后，懂得了机械能“守恒”的条件是：只有重力做功。回顾以上操作，看看有什么不妥的地方：要不要测出物体的质量？学生进行数据处理时，发现不需要知道动能和势能的具体数值，所以不需要测量其质量。部分学生做了无用功，因为制定方案时没有认真分析。实验操作时怎样减小实验误差？采用前三种方案的同学，测时间和长度时，采取了多次测量取平均值。用打点计时器的同学认为使误差最小的关键是：一是保证纸带无初速释放，二是先接通电源，再释放纸带，三是要减小摩擦力：要用密度较大些的重锤以减小空气对纸带的阻力，且打点计时器应竖直架稳固定,纸带竖直拿高以减小限位孔对纸带的阻力，复写纸应放在纸带的上面使振针间接接触纸带,以减小振针对纸带的阻力。按哪种方案进行实验，误差最小？学生们在交流中发现用DIS装置提高了实验的准确性，误差最小。既然科学探究实验中运用DIS装置，比传统实验方法有很大的优越性，若利用计算机辅助，能否改进前四种方案？学生积极思考，在班里展开开放式讨论，形成了新的探究方案。如有的学生提出可用运动传感器、数据采集器与图形计算器相结合，来探究球上升下降过程中机械能的变化。第四种方案中可用计算机处理数据。

2．7交流与合作

各个小组把实验的过程和结果写成实验报告，并分别在班上报告本组的实验结果。这时教师对没有设计表格的学生，特别设计一栏：记录方式，并对学生进行一丝不苟的科学态度教育。在进行交流时要求能准确表述自己的观点，能认真倾听别人的意见，把其中的合理因素，尽量吸收到自己的方案中，完善和改进自己的探究方案。科学探究时，为使各个环节顺利完成或得到优化，必须发挥探究小组的整体力量，因此科学探究培养了学生的合作精神。