“机械能守恒定律”教学设计分析

蔡杰

[摘 要]机械能守恒定律是高中物理的重要内容，是能量法解决力学问题的重要规律。文章结合教学实践，对机械能守恒定律的教学设计进行了分析探讨。

[关键词]机械能守恒；教学设计；规律归纳；简单应用

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 16746058（2017）32004202

“機械能守恒定律”一直是高中物理教学的重点，也是学生学习的难点，不少学生对机械能守恒定律及其守恒条件理解把握不准。笔者从实际教学出发，对该节内容进行了调整和设计，与大家分享。

一、分析具体实例中势能和动能的转化

播放视频：①荡秋千；②射箭。

师：荡秋千和射箭的过程中，动能和势能是怎样转化的？通过什么方式实现？

生：小孩在下降过程中，重力势能转化为动能；在上升过程中，动能转化为重力势能。箭被射出去的过程中，弹性势能转化为动能。动能、势能（重力势能、弹性势能）统称为机械能。通过重力或弹簧弹力做功，机械能可以从一种形式转化为另一种形式。

二、寻找动能和势能转化过程中所遵循的规律

1.动能和重力势能之间的转化

（1）实验1.摆球实验

将小钢球用细线悬挂起来，把小球拉到一定高度的A点，然后放开，让小球在同一平面内摆动，观察小球所达到的最大高度。

在某个位置P挡住悬线，看一看这种情况下小球所能达到的最大高度。将小钢球换成泡沫球，再次重复实验。

师：

实验现象是什么？实验说明了什么？

小球受哪些力？哪些力做功？

根据实验现象，说说动能和势能转化过程中所遵循的规律，可提出怎样的猜想？

生：小钢球能到达的最高处与释放处是等高的，说明小钢球在摆动的过程中某一物理量不变。泡沫球到达的高度越来越低。

小钢球受重力和绳子的弹力作用，但只有重力做功。泡沫球受重力、绳子的弹力和空气阻力，除了重力做功外，还有空气阻力做功。

在只有重力做功时，小钢球的机械能保持不变。

（2）理论推导

一个质量为m的小球沿着光滑的曲面滑下，在A点时速度为v1，高度为h1；在B点时速度为v2，高度为h2。选择地面为参考平面，请比较小球在A、B处的机械能大小。

师：根据动能定理写出小球从A到B的过程中，合力做功与动能变化的关系。

写出小球在A点的机械能E1和B点的机械能E2。

比较小球在A点和B点的机械能，能得到什么结论？

所以，在只有重力做功的物体系统内，动能和重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。

2.动能和弹性势能之间的转化

实验2.水平弹簧振子实验

利用气垫导轨做弹簧振子实验，用软弹簧连接滑块，将滑块拉离平衡位置后放手，观察滑块的振动范围。

师：实验现象是什么？实验说明了什么？

滑块受哪些力？哪些力做功？

根据实验现象，说说动能和弹性势能转化过程中所遵循的规律，可得到怎样的结论？

生：滑块可以回到原来释放的初始位置，说明滑块在滑动过程中遵循着某一个物理量的守恒规律。

滑块受重力和弹簧弹力作用，但只有弹簧弹力做功。

在只有弹簧弹力做功的物体系统内，动能与弹性势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。

3.动能、重力势能和弹性势能之间的转化

实验3.倾斜弹簧振子实验

将气垫导轨一端垫起，重复实验2。

师：实验现象是什么？实验说明了什么？

滑块受哪些力？哪些力做功？

根据实验现象，说说动能、重力势能和弹性势能转化过程中所遵循的规律，可得到怎样的结论？

生：滑块可以回到原来释放的初始位置，说明滑块在滑动过程中遵循着某一个物理量的守恒规律。

滑块受重力和弹簧弹力作用，在只有重力和弹力做功的物体系统内，动能与重力势能、弹性势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。

笔者认为，由于有第1种情况作为基础，学生是可以理解第2、3种情况的，所以不需要理论推导。

三、机械能守恒定律的归纳

结合前面的三种情况中，对规律的总结，引导学生归纳守恒定律，应让学生在充分理解事物的本质的基础上进行，切不可把规律的内容生硬地灌输给学生。这样做学生不可能理解规律的真正含义。

师：机械能守恒的内容，请同学们做进一步的说明。

生：对单个物体，重力势能和动能相互转化，而机械能保持不变。

对水平放置的弹簧和物体构成的系统，弹性势能和动能相互转化，而机械能保持不变。

对非水平放置的弹簧和物体构成的系统，重力势能、弹性势能和动能相互转化，而机械能保持不变。

师：守恒的条件是什么？

生：对单个物体，只有重力做功。

对水平放置的弹簧和物体构成的系统，只有弹簧弹力做功。

对非水平放置的弹簧和物体构成的系统，只有重力和弹簧弹力做功。

重力势能的减少等于动能的增加，用这种方法解题不用确定零势能面。

在这节课的教学设计中，可把机械能守恒分为三种情况。

①只有重力做功时，单个物体的动能和重力势能相互转化，但动能和重力势能的和（机械能）不变。

②只有弹簧对物体做功时，水平方向的弹簧与物体所构成的系统内，动能和弹性势能相互转化，但动能和弹性势能的和（机械能）不变。

③只有重力和弹簧的弹力做功时，弹簧与物体所构成的系统内，动能、重力势能和弹性势能相互转化，但动能、重力势能和弹性势能的和（机械能）不变。

（责任编辑 易志毅）