对机械能守恒定律理解及教学建议

1、对机械能守恒定律理解及教学建议摘要：本文就机械能守恒定律的教学，从实际出发，客 观分析教学中存在的问题，对不同版本、不同时期的教材内 容表述进行了分析，从大学物理的角度进行了知识再现，结 合教材、教师和学生情况提出教学建议，对中学教师理解与 把握教材有帮助作用，对课堂教学有指导作用。关键词：机械能守恒定律教学【中图分类号】g423【文献标识码】【文章编号】1问题的提出机械能守恒定律是高中物理力学中的一条重要规律，长 期以来广大物理教师年复一年的讲授着这个定律，研究着这 个定律。面对不同的教材、不同的学生、不同的环境与背景, 从灌输式到启发式再到探究式，在如何提高学生学习有效性 方面做着各种尝试

2、。在长期的教学实践中我们发现，关于机 械能守恒定律的教学困扰中学物理教师的原因主要有以下 几方面：一是教材编写的问题，不同时期、不同的教材关于 机械能守恒定律的表述不同，让中学老师难以把握；二是在 大学物理里面关于机械能守恒定律的描述很清楚，但是不能 直接照搬到中学课堂，如何通俗易懂又准确的让中学生理解 并会使用这个定律是教学设计的难点；三是我们的高中课 本，只讨论一个物体和地球组成的系统的机械能守恒的问 题，而不讨论更复杂的情况，可是高考总是涉及到这类问题, 这就出现了新课教学与高考复习的不协调问题。在实际教学 中老师们普遍感觉教材的表述比较简单，但教师的教学设计 和学生对定律的理解与应用并

3、不容易。在教学中还存在照本 宣科现象，让学生死记硬背守恒条件现象，遇到多体、多过 程的情况，学生无从下手的现象如何正确理解机械能守恒 定律并有效组织教学呢？围绕这一问题我们开展了同课异 构活动，并进行了课后反思，提出教学建议。2.关于机械能守恒定律的不同表述形式北京地区在课改前一直使用人教版教材，课改后增加了 教材的可选择性，东部地区使用教科版教材，西部地区使用 人教版教材。不论哪个版本哪个时期，教材对这部分教学内 容都非常重视。但是教科书对机械能守恒定律的表述却是不 尽相同的。下面将各种表述做一对比，从中可以看出人们对 科学规律的认识在不断深入，对科学规律的表述也更加科学 严谨。对人教版的三

4、种表述进行分析比较会发现，95版的表述 中“介质阻力”与“摩擦”在内涵上有重复，没有说明弹力 做功的情况，没有建立"系统"的概念。03版的表述强调了 只有重力做功，没有说明弹力做功的情况，同样没有建立 “系统”的概念。相对而言，人教版与教科版的新课标必修 内容表述是一致的，是最全面、最科学的。教材不断变化， 教师难以把握，这对教学的组织增加了难度。新课程要求教 师用好教材而不是教教材。要想有效组织教学，就要深刻理 解教材，只有理解了教材，才能结合学生的已有知识深入浅 出的组织教学活动。3.大学物理中对机械能守恒定律的表述大学物理导论中这样表述机械能守恒定律：如果外 力对系统

5、做的功为零，系统内部又没有非保守力做功，则在 运动过程中系统的机械能保持不变，即当w外力=0, w非保守力=0时,ek+ep二ek0+ep0二常量 这就是说，在只有保守内力做功的情况下，质点系的机 械能保持不变。这一结论叫机械能守恒定律。机械能守恒条件包含的意义是：w外力=0,表示外界物 体的能量与系统的机械能之间无能量的传递或转化；w非保 守力=0,表示系统内没有发生机械能和其他形式能量的转 化。在满足机械能守恒的条件下，系统的动能和势能可以相 互转化，移项后的表达式是：epoep= ek eko即系统势能的减少等于系统动能的增加。由于保守内力 做功，系统内各物体的动能还可以相互传递，系统的

6、一种势 能和另一种势能也可以相互转化。但是在运动的任一时刻或 者说系统处于任一状态时，动能和势能的总和都应有同一个 值。4教学中应弄清几个概念从上面的表述中我们不难看出中学阶段的机械能守恒 定律的条件不好讲，所以才演绎出各种力争与学生认知相符 的表述形式，究其原因是有几个概念在中学阶段讲不清楚。“系统”概念含糊不清，还有内力做功与外力做功问题以及 保守力与非保守力做功问题。“系统”是在一定环境条件下由相互作用着的若干质 点所构成的有特定功能的整体。简单地说就是由相互作用着 的物体组成的一个整体。新课标教材在机械能守恒定律的表 述中，加上了重要的两个字“系统”，这是我们中学教师要 好好领会的。一

7、般来说，系统的划分是任意的，对于只取一个物体作 为系统，它受到的所有作用力都是外力，对于取两个物体组 成的系统，它们间的相互作用力是内力，其他物体对该系统 的任一物体的作用力都是外力。显然所取的系统不同，某一 个力是外力还是内力就会不同。其次，外力是否做功还与参 考系的选取有关，这是因为某力做的功的正负与具体数值都 是与参考系的选取有关的，可能在某个参考系中，该力不做 功，系统的机械能是守恒的，但转换到另一个参考系中，这 个外力就变成做功的了，系统的机械能就不守恒了。例如： 如图所示，一个平板小车上固定一个斜面体q,小车在水平 地面上匀速运动，木块p沿着q的光滑斜面下滑。这个过程 中，如果选取

8、p及地球作为系统，斜面对p的支持力是外力, 但如果选取p、q及地球作为系统，则斜面对p的支持力和p 对斜面的压力就是内力，这时小车对q的作用力是外力。我 们选取p、q及地球作为研究对象，且以小车为参考系，只 有重力做功，内力中的支持力和压力做功的和为零，系统的 机械能守恒；但如果改为以地面为参考系，这个系统的机械 能就不守恒，这是因为小车对q的作用力做功。为什么在新课标版教材表述中有了 “物体系统内”的 说法？ 一是因为势能应属于以保守力相互作用着的整个质 点系统，不能说势能只属于某一个质点。内力分保守力和非 保守力，在中学阶段可以具体地说重力、弹力、万有引力以 及摩擦力等。重力、弹性力、万有

9、引力有一共同特点，他们 的功都与运动物体所经历的路径无关，仅由运动物体的起点 和终点的位置所决定。具有这种性质的力称为保守力，没有 这种特性的力称为非保守力。在中学阶段常见的摩擦力、空 气阻力做功就与路径有关，他们属于非保守力。只有对保守 力才能引进势能概念，保守力的种类不同，就有不同种类的 势能：重力势能、万有引力势能、弹性势能。 5教学 建议5. 1建立系统的概念讨论单个物体机械能守恒的情况是比较容易的，学生基 本能够掌握。但是到了高三进行一轮复习时就会发现，学生 遇到多体的情况往往无从下手，特别是多个物体、多个运动 过程的情况，学生要从中找出机械能守恒的过程并进行相应 的复杂计算，难度就

10、大大增加了。教学中建议首先要确定研 究对象是哪个系统，或说是由哪几个物体组成的系统。建议 分两步走，高一时只讲到三种简单的情况，等到了高三总复 习时才进一步提高到多体、多过程的系统机械能守恒这个高 度。要讲好系统问题最好是在讲动能和势能时做好铺垫，从 表达式入手讲清动能是物体的，而势能是系统的：，式中的m 就是研究对象“物体”，v就是它的速度，ek就是它的动能; ep=mgh,式中的m是''物体"，g是重力加速度，它是由于 地球的吸引而产生的加速度，没有地球就没有它；h是它距 离地面上所选取的参考点的高度，因此重力势能是物体与地 球组成的系统的。5. 2增加弹力做功的

11、实验教科版的导出过程是：观察荡秋千和撑杆跳高，定性的 让学生认识到动能和势能可以相互转化。然后采用类似单摆 的装置观察螺母的高度以研究动能和势能的相互转化。最后 对抛体运动的物体进行两个位置的动能和势能的定量计算 得到两个位置的动能与势能之和是相等的关系。由于学生对 自由落体运动和抛体运动中动能与势能相互转化比较熟悉，而对弹力做功的情况尚不熟悉，故应在教师引导下增加弹力 做功的实验，帮助学生从生活情景过渡到物理情景，定性、 定量分析弹性势能与动能的转化，加深对守恒条件的理解。5.3要对物体进行受力情况、做功情况、能量转化情况 的分析，然后加以总结归纳。这是培养学生良好的物理思维习惯的过程，不能忽略。要注意的是，外力做功是指某一个力做功，内力则总是成对 出现的，所谓内力是否做功，要看这一对内力分别对两个质 点是否做功，这两个功的代数和是否为零，如果代数和为零, 就叫这对内力没有做功。5.4给学生提供两种判断机械能守恒的方法，一是通过 做功判断，二是通过能量转化判断。要提醒学生，机械能守 恒是时时刻刻都守恒，不能是积累的结果。5.5遵循