对“验证机械能守恒定律”教材分析及教学建议，本文主要内容关键词为：机械能论文,守恒定律论文,教材论文,建议论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
依据《普通高中物理课程标准（实验）》，对人教版高中物理教科书必修2第七章第9节“实验：验证机械能守恒定律”进行教材分析。
一、科学内容分析
1.本节知识内容的地位
动力学观点、能量、动量是解决物理问题的三种重要的方法，由此可见能量是高中物理的核心内容之一。虽然这一章的核心是能量守恒，但编者是通过对机械能守恒这个具体规律来渗透能量守恒这一思想。机械能守恒定律是能量守恒的特殊表现形式，故本章的知识核心是机械能守恒定律。下面给出本章整体知识结构（图1）以做具体分析。
从上面的内容结构框架图可以明显地看到本章的线索是寻找“守恒量”。在本章中始终借助“通过做功来探究能量”这一思路，通过探究得到了重力势能、弹性势能、动能、动能定理，进而得出了机械能守恒定律，在章末的最后一节提到了“能量守恒定律”，从结构上看是回应了本章第1节提出的“追寻守恒量”这一问题。本节实验安排在学习了机械能守恒定律之后，目的是让学生进一步加深对机械能守恒定律的理解，让学生通过实际观测、计算来理解机械能守恒定律。
2.本节知识内容结构
本节的知识内容结构如图2。
本实验通过自由落体运动来验证机械能守恒定律，对获得的纸带进行数据处理，比较从释放物体到下落至某点的动能和重力势能的变化，从而验证机械能守恒定律，如果误差太大需要进行误差原因分析，改进后重新进行验证。
3.关于本节的重点、难点说明
物理实验是高中物理教学的重要内容，在高中物理实验中应重视学生对物理实验的理解。学生实验时，应该让学生在明确实验目的、理解实验原理的前提下进行独立操作。本实验的重点是对实验原理的理解，即为什么通过比较下落过程中动能与势能的变化就可以验证机械能守恒定律。这也是对上一节所学知识的应用，是重点也是难点。
难点1 所打纸带上有很多的点，比较谁？（这里强调的是某一过程，对得到的纸带来说就是两个点）。如何计算比较？（通过比较建立等量关系，从而验证自由落体过程机械能是否守恒）。
难点2 对于“守恒”的理解。只有通过多个过程的分析计算才能更深刻的理解“守恒”这一概念。
难点3 纸带上某点重力势能如何来确定。重力势能涉及参考平面的选取，如何在这个模型中选取参考平面。
难点4 对实验结论的评估和误差原因分析。
二、科学思维及能力分析
物理实验不仅仅是为了巩固所学知识，更是对学生观察、思维和创新能力的培养。本节实验训练了学生的建模、数学、观察和实验操作、分析等方面的能力。
1.建模能力
教材对实验的设计采用了自由落体这一过程模型。还有在解释为什么要通过“比较物体在某两点间的动能变化和势能变化，就能验证机械能是否守恒”时也需要构建模型。在学生的物理学习中强化了模型在解决问题中的重要作用。
2.数学能力
反证法思维在试验设计中的体现。如果在某一过程中机械能守恒，那么能够推得这一过程中动能变化和势能变化相等。通过对在这一过程中动能变化和势能变化的比较看是否相等来验证机械能守恒。其次，数据的处理计算可以提高学生的数据处理能力。
3.分析能力
在对实验所得数据比较的基础上要思考、分析实验误差，改进实验操作来减小误差，这是本实验非常显著的一点。
三、情感态度价值观分析
1.渗透STS思想，激发学生物理兴趣、增加学生对社会和科技进步的关注
本节课后习题第2题中以游乐场过山车的生活实例为题，并将其抽象为已经学过的圆周运动模型。注重了物理知识与生活、技术和社会的联系，能够激发学生对物理的兴趣，引导学生在日常生活中观察、思考身边的物理现象。
2.注重实验素质，培养科学精神
对学生的思维、操作、运算观察等能力进行训练，培养了学生实事求是的学习、生活态度。如，对所打点纸带的处理，学生可能会凑数据，教师要强调数据是研究实验和规律的基本依据，也是检验评价试验结果的依据，要尊重原始测量数据，这是良好实验素质和科学精神的具体表现。
四、本实验中的探究要素分析
这是一个验证性实验，但也包含了诸多的探究要素，来提升学生的科学探究能力，提高学生的科学素养。本实验自身含有的探究要素分析如下：从该实验的题目“验证机械能守恒定律”可知，一开始就提出了研究的问题，即含有“提出问题”这个探究要素；实验内容中明确建议通过自由落体来完成本实验，说明含有“制定计划与设计实验”这个探究要素；课文中给出了实验方法、注意问题，这表明含有“进行实验和收集数据”这个探究要素；实验中写明如何比较数据这是“分析与论证”这个探究要素；对实验误差分析，这含有“评估”这个探究要素；要求写出实验报告，这含有“交流合作”这一探究要素。在这6个要素中明确要求学生参与的有“进行实验与收集证据”、“分析与论证”、“评估”、“交流与合作”4个探究要素。
从上分析可见本实验属于引导型实验，即教师参与半数以上的探究要素，并在整个过程中对学生进行引导和提示，学生在教师的陪同下完成实验。对于不同的小组在实验时会碰到不同的问题，对于问题的解决也同样经历着各个探究要素。
五、教学建议
1.利用先行组织者教学策略，促进学生知识自我建构，实现实验原理的自我突破
先行组织者是通过适当的语言文字表述或通过某种媒体呈现出来的与当前所学内容相关的“原有观念”。这能够帮助学生认识到当前所学内容与自己头脑中原有认知结构的哪一部分有实质性联系，从而有效促进有意义学习的发生和习得意义的保持。在本实验前学生已经使用过打点计时器、求过纸带上点的速度，学过了机械能守恒定律。但一些知识已经学过有一段时间了，学生可能有些生疏。故教师在本实验的前一次布置作业时就要将下列材料让学生处理，建议作业如下：
（1）给一道关于打点计时器使用及注意事项的习题，以便让学生回忆、熟悉打点计时器的使用。
（2）给出一段已打点的纸带让学生计算纸带上部分点的速度。要求学生用Excel设计表格，速度的计算由Excel完成。这样做有如下理由：其一，我们知道在实际纸带的计算中测量数据都是随机的，这样会导致学生的计算量很大，如果用计算机这个工具，会使学生的数据运算量大大减小，也使数据比较变得容易，从而让学生有更多的时间来对实验进行思考和改进。其二，这也是与信息技术结合的过程，学生特别喜欢去操作计算机，能使学生学到的信息技术知识灵活应用。应用计算机处理数据也是新课标教材中始终体现的一个倾向。
（3）利用机械能守恒定律完成下列习题。
如图3，质量为m的小球从与桌面相平齐的O点由静止释放后做自由落体运动，下落过程中经过A、B点，A、B两点距桌面的距离为
，速度分别为
。求：（1）O、A、B三点机械能；（2）O、A、B三点机械能有什么关系？写出表达式。
该题目的是让学生进一步巩固机械能守恒定律的内容，理解参考平面的选择。其次为理解验证机械能守恒定律实验原理做好脚手架工作，以促进知识的顺利迁移，突破重难点。
2.做好分组与组员责任分工，发展学生团队协作能力
这是一个学生分组实验，教师应带领学生在实验室内进行实验，让每个学生都动手、动脑参与实验。本着组间同质、组内差异的原则将班里学生按每组5名进行事先分组。小组的每个成员都要有明确的任务分工。如，1人进行实验设备安装，1人进行纸带选点测量，2人进行数据计算分析，1人对自己组的整个实验过程和结果进行汇报交流（包含实验报告的展示）。让学生在“动手”的基础上更好的“动脑”。这样可以提高学生的实验参与和团队协作能力、在实验过程中也培养了学生的人际交往能力，促进学生情感态度和价值观的发展。
每个小组为了做好实验，都会去精心准备，那么对于课本中“比较重物在某两点间的动能变化与势能变化，就可以验证机械能是否守恒”就会主动思考、交流，结合前面的作业学生就能很好的理解这句话；对于实验原理学生就会主动的解决。
3.形成思维冲突，发展学生的的批判性思维，培养学生的科学探究能力
（1）进入实验室后，经教师组织引导学生开始着手自己小组的实验。每组学生很快就会获得打点的纸带。然后测量，把测量结果输入自己设计的Excel表格中。通过计算、比较发现重物在某两点间的动能变化与势能变化相差很大，这与理论相矛盾。是什么问题造成的？每个小组都会产生这样的问题，这样便形成了思维冲突。学生就会再次审视、思考自己的实验过程，促使成员、小组之间的交流。
（2）通过观察、思考、讨论。学生会提出各类问题，如纸带与限位孔的摩擦；g的取值；钩码质量的测量；开始点的确定；开始点能否从其他点开始算起等。组内组间都会思考、质疑这些问题，并提出相应的整改措施。然后再次进行实验，对实验结果进行再次评估、交流。
正是由于学生间对实验操作、测量、计算所得结果与理论上不一致这一冲突，导致学生再次对自己实验操作过程的思考。恰恰是这一过程，学生已经悄然经历了提出问题→猜想与假设→制定计划与设计实验→进行实验与收集证据→分析与论证→评估→交流合作这些探究要素。也实现了学生知识与技能、过程与方法和情感态度价值观的三维目标发展。
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