实验探究和理论推证的完备结合——“弹性势能”的教学，本文主要内容关键词为：势能论文,完备论文,弹性论文,理论论文，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。
一、教学任务分析
本节课的教学内容是全日制普通高级中学教科书（必修加选修）物理第一册第六章机械能第五节。教学对象是北京市首批示范性高中北京师大附中高一实验班的学生。本节课是在新课程即将在北京市全面展开之前所做的一次研究课，同时还是清华同方全国基础教育巡回展北京站的示范课，为物理教学和信息技术整合提供案例。
二、教学目标
1.知识与技能
(1)知道什么是弹性势能，理解弹力做功与弹性势能变化的关系，理解弹性势能的表达式；
(2)学会用实验的方法去探究弹性势能的表达式；
(3)学会变力做功的计算方法，初步学会用功能关系原理处理问题。
2.过程与方法
(1)学生通过经历弹性势能表达式的探究过程，感受等效转化、图像运用和逻辑推理等科学方法；
(2)学生通过参与探索的过程，感受猜想假设、设计方案、实验探究、理论推证、得出结论的科学探究过程。
3.情感、态度与价值观
(1)通过合作探究，体验合作的成功与喜悦，学生懂得合作的重要性，增强合作意识；
(2)通过多媒体动画和Excel数据表格软件，学生领略信息技术的便捷、快速、直观；
(3)通过参与对弹性势能大小的探究，学生树立了科学观点。
三、教学重点和难点
重点：弹力做功与弹性势能变化的关系、影响弹性势能大小的因素及弹性势能与形变量间的定量关系。
难点：弹力做功与弹性势能变化的关系、变力做功的计算方法。
四、教学资源
器材：塑料尺，弹弓，长木板，弹簧，小车，乒乓球，弹簧测力计，刻度尺，钩码，计算机等。
课件：多媒体视频，多媒体动画，数据表格软件等。
五、教学设计思路和流程
教学设计的基本思路：以重力势能的概念和功能关系为基础，通过实验观察和多媒体视频播放，初步理解弹性势能的概念，初步理解弹力做功与弹性势能变化的关系；以弹性势能的大小跟什么因素有关、有什么关系为线索，引发探究；以弹力做功与弹性势能变化的关系为探究弹性势能大小的依据，指导探究；以实验、视频为载体，强化感性认识；以观察猜想、实验探究、理论推证、分析归纳为手段，得出弹性势能的表达式，感受科学探究的一般方法；以设置与猜想相矛盾的实验，引起学生认知上的冲突，激发学生进一步探究的愿望；以解决实验猜想中的冲突问题为反馈，巩固加深本节课所学知识；以图像法解决变力做功问题为契机渗透极限的思想，发展学生的思维；以信息技术为支持，确保探究的科学性和高效性，让学生领略信息技术的优越性。完成以上教学设计的内容需1课时。
教学设计主要分为七个环节。
第一环节，学生通过观察实验和观看视频，强化感性认识，理解弹性势能概念。
第二环节，通过实验演示和与重力势能的对比，根据功是能量转化的量度这一思想，学生初步建立起弹力做功与弹性势能变化的关系，从而确定探究弹性势能大小的依据和思路。
第三环节，通过实验，让学生大胆地猜想，弹性势能大小跟什么因素有关？是什么关系？引起学生认知上的冲突，激发学生的探究愿望，培养学生的学习兴趣。
第四环节，通过实验，定量探究弹性势能与形变量的关系，初步得到弹性势能的表达式。让学生感受“自主、合作、探究、交流”的过程。
第五环节，通过多媒体课件，理论上推证弹性势能的表达式，渗透极限思想，学会运用图像解决问题的方法。
第六环节，运用探究所得结论去重新分析曾引起学生认知冲突的实验，巩固加深对所学知识的理解和运用，同时让学生体验成功的喜悦，树立科学的观点。
第七环节，学生通过对本节课探究过程的梳理小结，了解科学探究的一般过程，掌握科学探究的一般方法。
六、课堂实录
1.新课引入
通过观察实验和观看视频引入弹性势能概念。
师：通过实验观察，发生形变的物体在恢复原状时会产生什么样的效果？
教师演示实验：弹簧推小车、钢尺弹出橡皮、弹弓发射子弹
教师播放视频：形变的撑杆、形变的弓箭、形变的跳板
生：观察实验现象，并理解发生弹性形变的物体具有对外做功的本领，因此具有能量。
2.进行新课
(1)理解弹性势能的概念
师：发生形变的物体，在恢复原状时能够对外做功，因而具有能量，这种能量叫弹性势能。我们为什么不叫弹性能，而叫弹性势能，这里有什么讲究吗？
生：通过重力势能的学习，我们知道势能是一种位能，是由物体的相对位置决定的。
生：重力做功多少与路径无关，只取决于物体的初末态位置。根据功是能量转化的量度，因此可以确定一个与位置相对应的能，这就是重力势能。
生：弹性势能是与弹力做功紧密相关，弹力做功也应当与路径无关。
师：肯定学生的观点，对学生的类比学习、迁移学习表示赞赏。通过实验简要说明弹簧弹力做功与路径无关。
(2)引导学生理解弹性势能大小与弹力做功的关系
师：实验演示弹性势能减少时，弹力对外做功；弹性势能增加时，克服弹力做功。根据功是能量转化的量度，弹力做功与弹性势能变化的关系该怎样准确地描述？
生：弹力做了多少正功，弹性势能就减少多少；克服弹力做了多少正功，弹性势能就增加多少。
师：如果把弹簧原长时具有的势能规定为零，那么形变的弹簧储存有多少弹性势能该怎样通过功来表示？
生：形变的弹簧储存有多少弹性势能，就看它完全释放时能对外做多少功；也可以理解为它在获得这一弹性势能的过程中，外界克服弹力做了多少功。
师：按照上述思路，我们就可以进一步去研究弹性势能的大小问题了。
(3)提出探究弹簧弹性势能的大小问题
①猜想：弹簧弹性势能大小可能跟什么有关？
师：今天我们就以弹簧为例来研究弹性势能大小。弹簧的弹性势能大小可能跟什么有关？通过实验来猜想一下。
教师演示小车将弹簧压缩不同的形变量后释放的实验。
生：猜想弹性势能跟形变量有关。
师：请两位同学演示把不同的弹簧压缩同一形变量后释放乒乓球的实验。
生：猜想弹性势能跟劲度系数有关。
②实验探究弹性势能与形变量的关系
师：弹性势能和形变量会是什么关系呢？会是正比关系吗？通过下面实验来看一下。
实验装置示意图（图1）。
图1
师：用木块将弹簧压缩1个单位时，释放后弹簧将木块推开一段距离s；现用木块将弹簧压缩2个单位时，释放弹簧后推出的木块能否击中2s外的目标？
生：猜测结果为不能。
师：演示实验，发现能击中目标，与同学们的猜测不太一致。看来弹性势能大小与形变量的关系不是简单的正比关系。下面让同学们亲自通过实验来做进一步定量的研究。
师：向同学介绍实验装置及辅助动画（图2）。把重物从弹簧原长处由静止释放，弹簧的最大形变量可以从弹簧标尺上读出，这时的弹性势能就等于克服弹力所做的功，也就是重力所做的功。重力做的功等于
。如果换用不同的钩码，就能得到不同的形变量及对应的弹性势能，然后用电脑中Excel软件处理数据，就可以找到弹性势能和形变量的关系。
图2
师：请一位同学上来做示范操作，指导学生怎样释放重物，怎样读数。
生：总结出操作要领。
师：下面各组开始实验，用Excel电子表格软件处理实验数据。
附电子表格（表1）。
生：分组实验
师：巡视指导
师：把各组得到的关系式写在黑板上，总结实验结论，各组通过实验均得到弹性势能大小和形变量的平方成正比，只是比例系数稍有一些差异。因为时间关系，不做弹性势能与劲度系数关系的探究，大家通过表达式可以思考一下，弹簧的劲度系数体现在什么地方？
生：劲度系数就是表达式中的正比例系数。
师：果真是这样吗？我们通过实验测出劲度系数，做一个比较。
生：正比例系数差不多是劲度系数的一半。
师：这样我们可以初步得到弹簧弹性势能的表达式
。
③理论探究弹性势能表达式
师：这个表达式是否可靠，需依赖于理论上的推证。弹簧在某一形变量x处的弹性势能等于外界克服弹力所做的功，即拉力做的功。拉力做功如何求？能用kx乘以x来计算吗？
生：不能，拉力是个变力。
师：变力做功怎么求？需要用到什么思想？
生：把位移分成无数小段，每一小段的力可以当作恒力，可以采用恒力做功的公式求出每一小段的功，最后相加得到总功。
师：这里用到了极限的思想。下面用图像法来体现这种思想。启用多媒体课件。
师：在F-x的图像里，图像所围面积就是变力F所做的功。根据三角形的面积公式，我们就从理论上证明了弹性势能的表达式为。
附多媒体课件（表2）：
表2
(4)用弹性势能的表达式解释前面的实验现象
师：有了弹性势能的表达式，我们可以对开始的实验进行分析。
生：将弹簧压缩1个单位与2个单位相比，弹簧的弹性势能是1:4，这样弹簧对小车做功之比、小车克服摩擦力做功之比、小车滑行距离之比均为1:4。
3.新课总结与布置作业
师：通过这节课的学习，我们体验了探究这种学习方式，这节课是怎样进行探究的？探究中涉及什么方法？
生：首先提出探究问题，然后进行实验猜想、实验探究和理论推导，最后归纳得出结论。探究中运用了等效转换、逻辑推理、图像等方法，探究中还涉及极限思想。
师：重力势能具有相对性，重力势能的大小是相对于参考平面的，而参考平面的选取是任意的。我们在研究弹性势能大小时，规定弹簧原长时的势能为零势能。能不能规定某一任意长度时的势能为零势能？希望同学们下去继续探究。
七、课后反思
教材将“弹性势能”和“重力势能”安排在一节内容，对于弹性势能的处理非常简单，只是将其与重力势能类比，给出弹性势能的概念及影响弹性势能大小的因素；但很显然忽视了其对培养学生能力的作用。新课程显然注意到了这一点，在课本中增加了一节“探究弹性势能的表达式”。这种变化无疑体现了新课程的理念，在新课改背景下，物理教学应该做到在教学目标上，要从知识本位回归到三维目标；在教学内容上，要由学术形态深入到教育形态；在教学方法上，要让学生重演知识的发生过程。新课程“探究弹性势能的表达式”的呈现方式主要限于理论上的探究，突出变力做功的求解思想。
为了充分体现学生“主动、合作、探究和创新”的学习方式，基于对弹性势能教材的深入分析，同时受到新课程的启迪，决定整合、重构教材，努力使“静态”的教材赋予活力，充分发挥其对发展学生能力的功效，“小题大做”，使教材产生“增值效应”，构建民主、和谐的物理课堂。
“弹性势能”以探究的方式学习，就需要充分挖掘有效探究的元素，尝试将新课程的“理论探究”转变为“实验探究加理论推证”，更加强调实验在探究活动中的重要作用。实验分演示实验和分组实验。需要特别指出的是其中的分组实验是通过计算重力的功来表示弹性势能大小，使弹性势能大小的实验探究成为可能，算是实验上的一个创新和突破。
实践证明，“弹性势能”探究式教学，是一次成功的尝试，收到了很好的效果。这节课给学生提供了一次很好的科学探究机会，让学生通过手脑并用的探究活动，体验探究过程，学习科学探究的方法，发展科学探究所需要的能力并增进对科学探究的理解，初步养成通过科学探究进行学习和解决问题的习惯，初步理解科学本质，形成科学态度、情感与价值观。
这节课在知识目标上突破了弹力做功与弹性势能变化的关系这个教学难点。传统的做法是通过重力做功与重力势能变化关系进行类比，这样虽然不失为一种好的方式，但学生只是接受式的，学生的理解谈不上深刻。而这节课的探究活动自始至终就是建立在弹力做功与弹性势能变化关系的基础之上，使学生觉得这一功能关系十分可信，并且真正懂得什么是势能。