张建国

一、教学内容分析

人教版高中物理教材必修2，第七章《机械能守恒定律》，相对于传统教材，最显著的变化就是多出了《1.追寻守恒量——能量》《6.实验：探究功与速度变化的关系》两节内容。

人教版教材中《机械能守恒定律》一章的核心是认识势能、动能、机械能等各种形式的能量。能量概念之所以重要，就是因为它是一个“守恒量”。所以教材先有《1.追寻守恒量——能量》。

但是“能量”是一个非常抽象的概念，好在相对于抽象的能量，我们还早早地就认识了形象的“功”。而做功的过程就是能量转化的过程，功是能量变化的“量度”——功能关系。用形象的“功”量度抽象的“能量”。

所以本章教材2，3节安排了功、功率。接下来第4节——根据功能关系，通过理论推导，定量探究重力势能表达式；第5节——根据功能关系，通过理论推导，定性探究弹性势能表达式；第6节——通过实验，探究动能与速度的定量关系；第7节——再根据功能关系，定量推导出一个能量的表达式，由于学生通过实验已经认识到动能与速度的平方成正比，这样很自然地确认上述能量就是我们要找寻的“动能”。这几节教材一气呵成，使学生既系统认识了几种能量形式，又系统领悟了科学探究的过程与方法！

二、教学对象分析

(1)学生通过本章第4，5节的学习，经历了重力势能、弹性势能表达式的理论探究过程，初步掌握了“用形象的‘功’量度抽象的‘能量’”这种思维方法。所以已有相关知识储备。

(2)学生具备了一定的探究能力、逻辑思维能力、归纳演绎能力。

三、教学目标

1.知识与技能

(1)明确动能的决定因素及表达式，理解动能概念；(2)理解动能定理；(3)会用动能、动能定理解释生活和生产中的现象。

2.过程与方法

(1)通过亲历《实验：探究动能与速度、质量的关系》的全过程，进一步熟知科学探究的各环节；(2)通过理论探究，明确动能的表达式及动能定理，使学生认识到科学探究不一定都要做实验；(3)初步掌握传感器、DIS(数字化信息系统)的操作和使用方法。

3.情感态度与价值观

(1)通过使用传感器和DIS(数字化信息系统)，增强数字化、信息化科学意识；(2)采用小组合作形式，通过多媒体教学网络广播系统共享实验结果，享受分享和成功带来的喜悦、提高学生合作共享意识。

四、教学重难点

1.教学重点

(1)动能的概念和表达式；(2)动能定理的理解与简单应用。

2.教学难点

(1)DIS(数字化信息系统)的使用；(2)探究动能与速度、质量的关系实验原理的理解；(3)实验器材的操作技能、实验数据的采集和处理。

五、教学策略设计

(1)采用传感器和DIS(数字化信息系统)定量获取动能与速度、质量的关系，进而找寻出动能的表达式、导出动能定理，完成采用传统教学手段一课时难以实现的教学目标。(2)重探究、巧串联：将《动能与速度、质量的关系》的实验探究与动能表达式、动能定理的理论探究巧妙串联起来，解决了实验探究与理论知识学习不能得兼的难题。 (3)采用小组合作形式，通过多媒体教学网络广播系统共享实验结果。

六、教学设备

25组友高探究动能量度公式实验仪、友高数字化实验系统、多媒体教学网络广播系统、多媒体课件展示。

七、情景引入

视频播放《特种部队2》“上帝之杖”天基动能武器系统摧毁伦敦震撼画面。

“上帝之杖”天基动能武器系统：该系统由位于太空轨道的两颗卫星平台组成，一颗负责通信和锁定目标，另一颗则搭载有大量被称为“上帝之杖”、用于打击地面目标的长杆型金属“动能弹”。该金属棒由钨、钛或铀金属制成，直径30厘米、长6.1米，重量可达几吨。

【教师】

动能——物体由于运动而具有的能量。动能武器为什么威力巨大？分析天基动能武器系统的部署方案，请猜测物体动能的大小是由哪些因素决定的呢？

【学生】

“上帝之杖”重达几顿，部署在太空，由太空进入大气层时速度巨大，所以威力巨大！由此推测，质量越大，物体动能就越大；速度越大，物体动能就更大！所以物体的动能大小是由物体的质量和速度决定的。

【设计说明】

震撼情景引入，激发学生研究动能表达式的兴趣。

八、实验探究——物体动能与速度的关系

1.提出问题

【教师】

(1)今天我们首先实验探究探究物体动能与速度、质量的关系。

(2)划分6个研究小组，每组4套实验器材和友高数字化实验系统。

【学生】

熟悉小组成员，选出小组长。

【设计说明】

小组合作。

2.设计实验

(1)方案设计

【教师】请各实验小组根据各自实验台上的友高探究动能量度公式实验仪(如图1所示)和实验手册设计实验方案。

图1　探究动能量度公式实验仪

注意解决3个问题：一是如何探究小车动能与速度、质量两个物理量的关系？二是如何测量小车的速度和质量？三是在不知道动能表达式的情况下，如何间接测量小车的动能？

【学生】

分组讨论。

【设计说明】

①提高学生实验设计能力；②利用学生前两节“用形象的‘功’量度抽象的‘能量’”这种相关知识储备。

(2)方案论证

【学生】

①采用控制变量法：a保持小车质量一定，探究小车动能与速度的关系；b保持小车速度一定，探究小车动能与小车质量的关系。②用打点计时器或光电计时器均可测量小车的速度，根据实验器材，我们选用精度较高的光电计时器结合友高数字化实验系统自动测量小车速度。

第一，根据功能关系，物体在阻力作用下动能的减少等于过程中物体克服阻力所做的功，即-Wf= 0-Ek，Ek=Wf，这样就把物体动能测量问题转化为阻力功的测量。

第二，如果物体所受阻力恒定，则Wf= fs∝s，这样就把阻力功的测量问题转化为减速滑行距离s的测量问题；概括两式得：Ek=Wf∝s。

第三，为了保证小车质量改变时，物体系统所受阻力恒定，我们让小车与摩擦铲碰撞并黏合在一起，共同减速滑行，记录摩擦铲起始位置和停止位置，计算出物体系统减速滑行距离s。

【教师】同步展示学生设计实验过程装置图(如图2、图3所示)。

图2　小车速度的测量与摩擦铲起始位

图3　摩擦铲停止位置

(3)方案改进

【教师】

摩擦铲的阻力恒定，但当小车质量改变时，小车阻力就会发生改变，怎么消除这个因素？

【学生】

垫高长木板左端，平衡小车所受的摩擦力。

【教师】

小车与摩擦铲碰撞并黏合在一起的过程中，有能量损失，必须保证摩擦铲质量远小于小车质量，才能忽略这种能量损失，请测量现有的实验装置是否满足此条件。

【学生】

摩擦铲质量m0= 15.5 g、我们组小车质量m= 356.0 g，满足此条件。

【教师】

在数字化时代，我们利用光电计时器、友高数字化实验系统替代手工记录和坐标纸完成此实验探究。

【学生】

阅读《研究动能的量度公式》操作指南。

【设计说明】

采用传感器和DIS，提高效率，完成传统实验器材不可能完成之任务。

3.数据收集

(1)分组实验：保持小车质量一定，探究小车动能与速度的关系

【学生】

分组实验：同一实验小组小车和配重码的总质量相同，且在改变小车速度时保持不变。但6个实验小组小车和配重片的总质量不同，分别为156.0 g，206.0 g，256.0 g，306.0 g，356.0 g，406.0 g。

【教师】

①指导学生打开软件、按操作指南要求收集数据、保存实验，暂不关闭，等待分享实验数据；②巡回指导；利用多媒体网络广播系统了解各组实验进度情况。

(2)成果分享

【教师】

通过广播系统向全体同学展示6个小组实验结果。

【学生】

观察、对比、尝试找寻s–v关系，即Ek–v关系。

【设计说明】

采用差异化的实验器材，既提高了实验效率，又使实验具有了普遍性。

4.结论评估

【教师】

展示某实验小组数据窗口(如图4所示)，请学生尝试找寻s–v关系，即Ek–v关系。

图4　数据窗口

【学生】

(1)s–v图线为曲线，而s–v2图线为过原点的直线；

(2)结论：s∝v2，即Ek∝v2。

九、实验探究——物体动能与质量的关系

1.数据收集

(1)分组实验：保持小车速度一定，探究小车动能与质量的关系

【学生】

操作要点：如图5所示，反复调整释放前小车左端弹簧圈与挡板挤压时形变量的大小，保证每次改变小车配重片的质量后，小车速度均达到设定值(如v = 0.40 m/s)，记录相应的小车和摩擦铲碰后减速滑行的距离s。

图5　弹簧圈与挡板挤压

【教师】

利用多媒体网络广播系统了解各组实验进度情况。

(2)成果分享

【教师】

通过广播系统向全体同学展示6个小组实验结果。

【学生】

观察、对比、尝试找寻s – m关系，即Ek– m关系。

2.结论评估

【教师】

展示某实验小组数据窗口(如图6、图7所示)，请学生尝试找寻s – m关系，即Ek– m关系。

图6　数据窗口上半部

图7　数据窗口下半部

【学生】

(1)在误差允许的范围内，s–m图线为延长线过原点的直线。

(2)结论：s∝m，即Ek∝m。

【教师】

请学生尝试论证造成这种误差的原因。

【学生】

小车与摩擦铲碰撞并黏合在一起的过程中，有能量损失，必须保证小车质量远大于摩擦铲质量，才能减小这种能量损失。在图7中，越往图线左端，小车质量越小，这种损失就越大。所以我猜测如果没有动能损失，真实的图线就如同图线中虚线所示。

【教师】

这位学生的猜想是完全正确的，虽然由于知识所限，我们暂时还不能从理论上证明这种猜测。顺便明确一下，在上一个“小车质量一定，探究小车动能与速度关系”的实验中，由于小车质量一定，碰撞中动能损失的比率不变，所以这个问题才没有暴露出来！请学生概括两个探究实验的结论。

【学生】小车质量一定时：Ek∝v2；速度一定时：Ek∝m，所以Ek∝mv2。

十、理论探究——物体动能表达式

【教师】通过实验探究，我们已经得出Ek∝mv2，那么动能的具体表达式究竟是怎么样的呢？为此我们参照重力势能、弹性势能表达式的获取方法，通过理论探究实行这个目标。

设某物体的质量为m，在与运动方向相同的恒力F的作用下发生一段位移s，速度由v1增加到v2，如图8所示，这个过程中力F做的功W=Fs。

图8　力F对物体做功

那么根据功能关系：功是能量转化的量度，你能得到什么结果？

【学生】

根据牛顿第二定律：F= ma

十一、自主建构——动能、动能定理

1.动能、动能定理

指导学生自修人教版高中物理教材必修2第P72页，提炼概念、规律。

(1)动能

物体由于运动而具有的能量。

动能是标量，它的单位与功的单位相同，在国际单位制中都是焦耳(J)。

(2)动能定理

动能定理不仅适用于恒力作用下的直线运动，对变力做功和曲线运动也同样适用，所以在解决一些实际的力学问题时，它得到了广泛的应用。

2.动能、动能定理的理解与应用

反馈训练1：质量为m1= 10.0 g的子弹，以v1=600 m/s速度飞出枪膛；质量为m2= 2.0 t的轿车，在高速路上以v2= 120 km/h的速度高速行驶；试计算并对比二者此时的动能。

答案：Ek1=1.80×103J，Ek2=1.11×106J，Ek1＜ Ek2。

【设计说明】

对军事和生活中的动能以感性认识、激发学生的学习兴趣。

反馈训练2：上题中，(1)求火药推力在枪膛中对子弹所做的功；(2)假设轿车在平直的高速路上从静止起动，经过s = 150 m达到最大行驶速度v2= 120 km/h，在此过程中，轿车所受阻力是轿车重量的0.02倍，求轿车所受的牵引力。

答案：(1)W=1.80×103J；(2)F = 7.81×103N。

【设计说明】

(1)利用动能定理，可以将求功问题转化为求动能的变化；(2)应用动能定理解决某些问题比用牛顿第二定律和运动学公式来的简单。

十二、课堂小结

【教师】

引导学生回顾、归纳总结。

知识小结：动能、动能定理。

方法小结：实验探究、控制变量法、图线法、数字化。

【设计说明】

比知识更重要的是方法！

十三、作业布置

【教师】

(1)课本 P74页1，3，5题；(2)请各实验小组利用课外活动时间参照本节教材P70页的参考案例完成探究实验；(3)网上查阅“天基动能武器系统”资料，估算其威力，感悟“威慑保和平”理念。

【设计说明】

三道作业题分别对应“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”三维目标。

[1]张建国.培养学生核心素养的一节好教材[J].湖南中学物理,2016,31(12):42-43.

[2]刘茂军,张勇.中学物理实验与传感器整合研究述评[J].物理教师,2015,36(11):68-72.

[3]张建国.运用DIS探究《力的分解》教学设计[J].湖南中学物理,2017,32(5):86-89.

[4]张建国.运用DIS探究“导体的伏安特性”教学设计[J].物理教学探讨,2015,33(480):73-78.