《探究弹性势能的表达式》教学设计.doc

探究弹性势能的表达式教学设计江苏省羊尖高级中学 卞耀东【教材分析】1.本次探究活动意在检验以下两点：第一，既然学生已经知道功是能量变化的量度，而且重力势能的表达式是通过重力做功的分析得出的，那么能否想到可以通过对弹力做功的分析来研究弹性势能的表达式；第二，是否能够从以前计算匀变速直线运动物体位移的经验中受到启发而产生认知的迁移，从而突破用微分、积分思想求解拉力所做的功这一难点。2课程标准对弹性势能的表达式无任何要求，即不需要学生利用Ep=kl2/2去解题。学习本节课的主要目的并不是要求学生掌握探究的结论，而是要着重让学生体会探究的过程和所用的方法。 “探究弹性势能的表达式”在探究类型中属于逻辑推理型。学生的科学探究并不意味着只是动手操作，进行实验活动。凡是有利于学生“构建知识”、形成“科学观念”、领悟“科学研究方法”的各种活动都属于科学探究范畴。因此，本节教材在教学中重点应放在物理方法的教学及加深学生对科学探究的体会和理解上。【教学目标】1知识与技能 理解弹性势能的概念及意义，学习计算变力做功的思想方法。 2过程与方法 （1）用与重力势能类比的方法，猜测决定弹性势能大小的因素；（2）利用所学知识与技能进行迁移，自主探究弹性势能的表达式；（3）让学生经历由猜测到理论探究，再到实验证实的一般的科学发现过程。3情感态度与价值观通过对弹性势能表达式的探究过程，培养学生探究知识的欲望和学习兴趣，体味弹性势能在生活中的意义，提高物理在生活中的应用意识。 【重点难点】1.教学重点：探究弹性势能公式的过程和所用方法。2.教学难点：如何进行合理的类比和推理；推导拉伸弹簧时，用微分、积分思想并借助图象求解出拉力所做功的表达式。【设计思路】1.“做功的过程就是能量转化过程”，这是本章教学中的一条主线。对于一种势能，一定对应于相应的力做功。类比研究重力势能是从分析重力做功入手的，研究弹簧的弹性势能则应从弹簧的弹力做功入手。然而弹簧的弹力是一个变力，如何研究拉力做功是的一个难点，引导学生对比匀变速直线运动位移的求法，进行知识迁移，利用图象得到弹簧的弹性势能的表达式，逐步把微分、积分的思想渗透到学生的思维中。2.本节课通过教师给出生活中的撑杆跳高、拉弓射箭和网球拍击球等实例，给学生感性认识，再让学生对弹性势能的决定因素进行猜想，进行初步的定性探究，为定量探究打下基础。引导学生通过类比重力做功与重力势能的关系引出弹簧的弹性势能与弹簧的弹力做功的关系，但弹力做功和重力做功的不同点就在于弹力是变力，激发、鼓励学生大胆思考，开发学生的创造潜能，启发学生思维，使学生参与到教与学的活动中去，学生在自己思考的前提下，在教师适当的指导和帮助下，通过小组合作设计出自己的探究方案，完成定量探究，同时进一步证实定性探究的正确性，体验探究的过程，初步体会微分、积分思想在物理学中的应用。【教学过程】教学流程设计教学内容师生互动设计设计意图引入新课同学们，你知道女子撑竿跳中的“布勃卡”、5.01米的世界纪录的保持者-俄罗斯撑竿跳女皇“伊辛巴耶娃”吗？ （女子跳高 2.09米 科斯塔迪诺娃 (保加利亚) 1987.08.30 地点:罗马）1.教师播放视频短片:2007年9月28日上海田径黄金大奖赛中伊辛巴耶娃的比赛画面。2.教师设疑：撑竿跳为什么能够比普通跳高跳得高出那么多？ 3.学生思考、讨论、交流。知道“伊娃”的学生可能并不多，但这并不重要。目的激发学生的兴趣，引发学生下一步思考。讨论多媒体展示一些图片（各类弹簧、张弓射箭、网球拍击球等）压缩的弹簧可以把小球弹出很远、拉开的弓可以把箭射出、网球拍可以把球击得很远等这些现象说明什么？1.教师提出问题。2.学生思考、讨论、回答。（压缩的弹簧、拉开的弓、张紧的网面中具有弹性势能。通过弹力做功，把弹性势能转化为物体的动能。）3.教师仔细听，不马上补充或下结论。给学生充分思考空间和展示自我的机会。得出概念弹性势能：发生弹性形变的物体的各个部分之间，由于有弹力的相互作用而具有势能，这种势能叫做弹性势能。1.教师提问：“什么是弹性势能？”2.学生总结叙述。学生根据已有知识可以得出弹性势能的概念。开始新课教学前面我们学习了实验探究的几个课题，同学们回忆一下实验探究的一般程序是什么？研究弹簧的弹性势能的表达式。 1.猜想弹簧的弹性势能与什么因素有关。2.类比：研究重力势能是从分析重力做功入手的。1.学生回忆：提出问题假设猜想设计实验进行试验分析数据交流评估2.教师提问：猜想弹簧的弹性势能大小可能与什么因素有关？研究重力势能是从何处入手的？ 3.学生思考、讨论、交流；教师倾听、引导。猜测是科学发现的开始，激发学生对科学的好奇心与求知欲，使学生有主动探究的迫切心情。给出探究的目标，学生进行定向探究，教师适时引导而不代替。探究1 （定性）与弹簧的弹性势能有关的因素：弹簧的形变量、弹簧的劲度系数等。1.教师提出问题：如何验证你们的想法？” 2.学生思考、讨论、交流。3.学生设计实验粗略验证：弹性势能与弹簧拉伸量（压缩量）有关。弹性势能与弹簧的劲度系数有关。（为控制时间，可由教师演示。）调动学生积极性，尊重学生自己的判断和创见，引导学生探索解决问题的途径。（选择较易操作的实验。）探究2 （定量）由定性探究转为定量探究。教师提出问题：1.“同学们刚才设计的实验只能粗略的说明弹簧的弹性势能与形变量和劲度系数有关,是否与其它因素还有关系？”2.“如何找出弹簧的弹性势能的定量表达式？”引导学生进一步的思考。通过类比重力做功与重力势能的关系引出弹簧的弹性势能与弹簧的弹力做功的关系。（假设弹簧处于原长时，弹簧的弹性势能为零）1.学生讨论、交流。2.教师倾听，适当提醒或点拨：“研究重力势能是从何处入手的？”3.学生明确：从拉力做功入手研究弹簧的弹性势能。类比法是物理学研究的常用方法；培养学生的知识与技能的迁移能力。探索、推导拉力做功的表达式。1.教师提出：“当弹簧处于原长时，拉长或压缩弹簧，弹簧的弹性势能都增加，我们可以设弹簧处于原长时，弹簧的弹性势能为零，从弹簧处于原长时开始研究。”2.教师提出：研究弹簧拉长或压缩情况均可，我们先选择一种情况研究。（建议学生选择弹簧拉长的情况）。渗透归纳探究的方法。利用微元法，把变力做功问题转化为恒力做功问题。OlF（通过v-t图像进行知识迁移，引导学生利用F-t图像下的面积代表功。）多媒体投影学生的推导过程，回答学生可能提出的问题：弹力做功等于阴影部分面积1.教师提出问题：“如何写出拉力做功的表达式？”2.学生讨论：“当缓慢拉动弹簧时，拉力的大小等于弹簧的弹力大小，弹簧的弹力是变力F=kl（强调“l”是弹簧的形变量的大小）。无法直接用W=Flcos求拉力做功，怎样解决？”学生分组讨论。3.教师点拨：“变力做功如何解决？”4.学生讨论后：“可以把变力功问题转化为恒力功问题来解决。把拉伸的过程分为很多小段，它们的长度是l1、l2、l3在各个小段上，拉力可以近似认为是不变的，它们分别是F1、F2、F3所以，在各个小段上，拉力做的功分别是F1l1、F2l2、F3l3拉力在整个过程中做的功可以用它在各个小段做功之和来表示F1l1+F2l2+F3l3，”5.教师给学生以鼓励。“你（们）是怎样想到这种方法的？”6.学生可能提到：受研究匀加速直线运动位移的启示。7.教师鼓励点拨：“同学们运用了知识迁移法，很好，那么下面我们该如何求各个小段做功之和？”8.学生讨论提出作F-l图像。9、教师适当引导：利用F-l图像下的面积来代表功。培养学生知识迁移能力。进一步体会微分和积分思想。结论在假设弹簧处于原长弹性势能为零的前提下，弹簧被拉长（或压缩）l时克服弹力做的功等于弹簧被拉长（或压缩）l时弹性势能的值，可得出弹簧弹性势能的表达式：Ep=kl2/21.教师总结、学生思考、体会。2.教师提出：“刚才我们研究的是弹簧拉伸的情形，压缩的情形会是怎样的？”3、教师点拨：“对于同一个弹簧，如果弹簧的压缩量和伸长量相等，弹簧的弹性势能相等。”进一步培养学生的归纳、迁移能力。验证用弹性势能的表达式Ep=kl2/2，说明在定性探究中，猜想与探究的结论是正确的，弹簧的弹性势能只与弹簧的形变量和劲度系数有关。教师提示：“弹性势能的表达式Ep=kl2/2，说明弹簧的弹性势能与哪些因素有关？”学生：“说明弹簧的弹性势能只与形变量和劲度系数有关，与定性探究相一致。”前后呼应，让学生体会到探究结果与逻辑推理结果的统一性。总结谈本节课的收获，让学生概括科学探究应具有的过程和可能用到的方法。学生总结，教师倾听并适当强调和提示。引导学生重点总结本节课中运用的科学思想方法和探究的过程与方法。学生通过自己总结所学内容，从而构建他们自己的知识框架，既培养学生概括总结能力，也对科学探究的过程和方法有更深入地了解。作业讨论：能不能规定弹簧的任意长度势能为零势能？课外研究性学习小组“活动与探究”有兴趣的同学课后讨论一下。教师：下发“活动与探究”材料（见附录）拓展学生的思维能力，不做统一要求。本题为研究性学习课题，供学生进行课后探究。板书： 课题：探究弹性势能的表达式一、弹性势能：1.概念：发生弹性形变的物体的各部分之间，由于有弹力的相互作用而具有势能。2.产生条件：物体发生弹性形变。二、探究弹性势能的表达式1.探究方法：通过研究弹力做功来确定弹性势能。2.猜想：弹性势能的大小是由弹簧的“软硬”（劲度系数）和弹性形变程度（形变量）决定。3.探究思路：利用“无限分割”法来计算弹簧发生微小形变时弹力做的功，再利用图象法来计算各段微小形变弹力做功之和，从而确定弹性势能。4.表达式：（设弹簧处于原长时，弹簧的弹性势能为零）式中弹性势能；弹簧劲度系数；弹簧形变量。附录：活动与探究把一个带喷水口的塑料瓶装满水，用手挤压可以使水从喷口射出，你可以估测手挤压瓶时所做的功吗？请你做一做，具体说明需要哪些器材，需要测量哪些物理量，并推导出功表达式。步骤研究性学习小组活动教师指导目的1弄清楚实验原理，并根据实验原理设计出实验步骤。提供实验所需的仪器1锻炼学生设计实验能力和动手能力；2培养学生的合作能力；3进一步体验科学探究的一般程序。2根据实验步骤进行实验，记录相关的实验数据。解答学生提出的问题3根据实验数据得出结论，写出实验报告。指导学生写出实验报告，对报告进行点评。【教学反思】1.探究是通过学生自己的探索活动，变未知为已知的学习过程。探究的目的是开发学生的创造潜能，启发学生思维，使学生参与到教与学的活动中来。学生在自己思考的前提下，结合老师的启发和提示，小组合作后设计出探究方案。方案可以包括实验，也可以不包括实验。“探究弹性势能的表达式”就是一个不需要实验的探究。 2.在整个教学过程中，教师作为一个引导者，要创设情境，激发学生的学习欲望，要让全体学生都主动参与探究的全过程，成为学习的主体。同时，教师作为参与者，在探究过程中，要及时进行点拨，引导学生去发现问题，并启发学生寻找解决问题的方法，让学生体验到探索自然规律的艰辛和喜悦。在探究弹簧的弹性势能的表达式时，会发现学生感觉弹力做功不好