設(shè)疑激趣 逐步探究
——以“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)為例

(南京大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南京 210008)

1 創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)疑激趣

圖1

如圖1所示，筆者演示了“巨型擺球”實(shí)驗(yàn),先將一鐵球通過(guò)長(zhǎng)為1.5m的細(xì)繩系在天花板上,將它從一定的角度自由釋放,可將一塊玻璃撞碎,從而對(duì)學(xué)生在心理上產(chǎn)生震驚效果,為后續(xù)的“勇氣測(cè)試”游戲(鐵球沖鼻實(shí)驗(yàn))做好鋪墊。請(qǐng)一位同學(xué)將鐵球拉至鼻子下方釋放,在鐵球再次蕩回來(lái)的時(shí)候,他因懼怕向后退縮,其他同學(xué)神情也非常緊張,筆者適時(shí)提問(wèn)：這位同學(xué)有沒(méi)有后退的必要呢?鐵球會(huì)撞到他的鼻子嗎?這里筆者通過(guò)創(chuàng)設(shè)游戲情境以驚激趣,以趣生疑,以疑引思,迅速激起學(xué)生的興趣,激發(fā)探究欲望。接著引導(dǎo)學(xué)生分析鐵球在擺動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能和重力勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化,引出本節(jié)課探究主題:在動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中,機(jī)械能是否守恒？

換一個(gè)“溫柔”的小剛球,將小球拉至某一高度釋放,觀察小球能否到達(dá)另一側(cè)同一高度。學(xué)生們通過(guò)觀察交流，認(rèn)識(shí)到：若無(wú)空氣阻力時(shí),擺球能擺到相同的高度,由此大膽猜想在忽略阻力的情況下,擺球的機(jī)械能守恒。

2 實(shí)驗(yàn)探究,找尋規(guī)律

2.1 自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

直接測(cè)鐵球的動(dòng)能和勢(shì)能不太現(xiàn)實(shí),所以引入模型化的擺錘實(shí)驗(yàn),借助DIS光電門(mén)傳感器測(cè)量擺球經(jīng)過(guò)A、B、C、D點(diǎn)的速度、高度，計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能大小(如圖2)。鑒于學(xué)生對(duì)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比較熟悉,筆者將設(shè)計(jì)方案的權(quán)利交給學(xué)生,給學(xué)生充足的時(shí)間去交流,提醒學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意的幾點(diǎn):需要測(cè)量的數(shù)據(jù)，必要的實(shí)驗(yàn)步驟，如何利用數(shù)據(jù)驗(yàn)證猜想。

圖2

2.2 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想

學(xué)生急于檢驗(yàn)剛才的猜想是否正確,各小組立即根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案行動(dòng)起來(lái)。整個(gè)教室里討論很熱烈,學(xué)生帶著愉悅的心情、強(qiáng)烈的求知欲、積極的思維、友好的合作態(tài)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。筆者在教室里巡回指導(dǎo),提醒學(xué)生在釋放小球的過(guò)程中注意減小阻力的影響。每個(gè)小組完成任務(wù)后,小組匯報(bào)、交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。多數(shù)小組表示測(cè)得A、B、C、D點(diǎn)重力勢(shì)能依次減小,動(dòng)能依次增大,在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi),總的機(jī)械能不變。表1為某一小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1

也有少數(shù)小組匯報(bào)他們小組機(jī)械能是變小的,這時(shí)筆者對(duì)他們堅(jiān)持實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度表示贊許,并請(qǐng)學(xué)生分析這種現(xiàn)象的原因可能是什么,有學(xué)生提出是因?yàn)閿[錘在擺動(dòng)時(shí)不和板面平行。

2.3 理論探究

圖3

著名物理學(xué)家楊振寧說(shuō):科學(xué)就是猜想,猜想是否正確,就得由實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證,而要證明猜想的正確性,可以有多種多樣方法。教師引導(dǎo)學(xué)生從理論推導(dǎo)的角度進(jìn)一步驗(yàn)證猜想。創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境如下:如圖3所示，一個(gè)擺球在擺動(dòng)過(guò)程中(忽略阻力),經(jīng)過(guò)離地面h1的位置1時(shí)速度為v1,下落到高度為h2的位置2點(diǎn)時(shí)速度為v2,試判斷在位置1的機(jī)械能E1和位置2的機(jī)械能E2的關(guān)系。

2.4 總結(jié)歸納

接下來(lái)要突破本節(jié)課的難點(diǎn):機(jī)械能守恒的條件——只有重力做功。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論探究得到在忽略空氣阻力時(shí),擺球的機(jī)械能守恒,至此學(xué)生很容易陷入“只要沒(méi)有阻力，機(jī)械能就守恒”的認(rèn)識(shí)誤區(qū),為此筆者又設(shè)計(jì)了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn):用一拉力使小鐵球緩慢向上做勻速圓周運(yùn)動(dòng),分析機(jī)械能如何變化?共同分析得知阻力不做功,拉力做正功,重力勢(shì)能增加,動(dòng)能不變,機(jī)械能相應(yīng)地增加。這樣就自然而然地進(jìn)入以下教學(xué)環(huán)節(jié):機(jī)械能守恒的條件究竟是什么?結(jié)合上一環(huán)節(jié)利用動(dòng)能定理和功能關(guān)系的推導(dǎo)，機(jī)械能守恒條件為：只有重力做功的情況下,系統(tǒng)機(jī)械能守恒。鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生將機(jī)械能守恒定律內(nèi)容準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái),培養(yǎng)了學(xué)生表述的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

3 運(yùn)用規(guī)律,學(xué)以致用

再請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)進(jìn)行“勇氣測(cè)試”游戲,此時(shí)讓學(xué)生解釋不再害怕的原因,首尾呼應(yīng),加深了學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒定律的理解。

如圖4所示，筆者演示實(shí)驗(yàn),將小球從軌道一端不同高度開(kāi)始釋放，發(fā)現(xiàn)釋放高度要滿(mǎn)足一定的條件,才能安全通過(guò)圓環(huán),這其實(shí)就是“過(guò)山車(chē)”模型，學(xué)生思維再次活躍起來(lái)。最后提出一個(gè)課外探究課題:如果你是一個(gè)設(shè)計(jì)師,請(qǐng)你做過(guò)山車(chē)軌道的設(shè)計(jì),已知圓環(huán)半徑為R,如果不計(jì)阻力,為了保證過(guò)山車(chē)安全通過(guò)圓環(huán),至少要從多高的位置釋放?將此研究課題作為本節(jié)課的留白,引導(dǎo)學(xué)生利用課堂得出規(guī)律對(duì)課題進(jìn)行研究,既能應(yīng)用、內(nèi)化規(guī)律,又能培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力。

圖4

4 結(jié)語(yǔ)

本節(jié)課開(kāi)始時(shí)利用鐵球碰鼻的實(shí)驗(yàn)激起疑問(wèn)，引出探究的主題；然后借助DIS，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究擺錘機(jī)械能守恒(忽略阻力)；接著從理論角度進(jìn)行推導(dǎo)，并得出機(jī)械能守恒的條件是只有重力做功,突破了本節(jié)課的難點(diǎn)；最后運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決課堂剛開(kāi)始的鐵球碰鼻游戲,在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)探究和理論探究的科學(xué)方法,強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主探究,重視定律的建構(gòu)過(guò)程,培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。