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1.功的教材分析 新课程更加注重物理量的引入与确立,这也为实现立体化教学目标服务。广东版高中物理(必修二)第五章非常重视概念与规律的探究过程。守恒定律的探究必然涉及能量的转化过程。要进一步研究能量的转化,最终得到机械能守恒定律,功的知识掌握就显得尤为重要。本章第一节对功的引入,为进一步探究能量做了铺垫,让学生自然而然地想到功与能量是紧密联系的。因此,在教学设计中,教师可以围绕“功是能量转化的量度”这条主线展开,这样不仅能让学生理解“为什么要引入功”,还可以利用这个结论去探究功是标量还是矢量。 同时也为后续研究引力势能、探索弹性势能的表达式、动能定律等知识奠定了坚实的基础。可以说
2.“功是能量转换的尺度”是贯穿整个第五章的主旋律贝语网校,教学设计探索过程始终围绕这一主旋律展开。教学设计思路从生活中物质生产的基本动作和学生参与的互动实验中,探索“功”的由来和功不可缺少的因素;再通过特殊情况引入一般情况,运用等效思路借鉴两个特殊情况,推导出功的一般表达式;通过对功的一般表达式的深入研究,得出功可以为正也可以为负;从功的正负推导出功是矢量还是标量,并通过“功是能量转换的尺度”探索功是标量;通过实例,得出几个力所作的功和它们合力所作的功之间的关系;通过实例的拓展,得出适用条件,为以后探索弹性势能的表达式打下基础。本课教学流程图如右图所示。 整个教学设计和课堂教学过程也应该紧紧围绕课程目标三个维度。
三、拓展教学目标 (一)知识与技能 1、知道功的由来,掌握做功的两个必要因素。 2、能由具体到一般、由一般到具体推导功的一般表达形式,并知道功的单位。 3、掌握只适用于恒力,应为地面的位移。 (二)过程与方法 1、通过论证与实例,同时通过启发式探索,让学生了解“功”的由来,掌握做功的两个因素。 2、在推导过程中,通过由具体到一般、再由一般到具体等猜想、理论论证,培养学生的科学论证和推理能力,并渗透等效思想,有意识地培养学生的科学思维和科学方法。 (三)情感态度与价值观 1. 通过“为什么要引入功”、“功”的由来等探究高中物理功的教学设计,让学生体会到物理来源于生活,让学生体验物理学家在追求守恒定律和守恒定律过程中的研究过程。
4.2.通过科学探究教学,培养学生科学探究的兴趣和积极性。 教学工具 弓箭、砝码、锯子、木板、锤子、钉子、螺丝刀 教学过程 1.引入新课:不同形式的能量可以相互转化,能量变化的过程必然伴随着做功的过程,可见,功与能量是两个密切相关的物理量。因此,在本章追寻守恒定律的过程中,我们首先学习了功。 问题:为什么要引入功? 2.通过启发式探究,让学生了解“功”的由来,掌握做功的两个因素。 功的英文单词是“work”,“work”不是“work”吗?那么“”和“doing work”的意思是一样的吗? 引出本课要探讨的第二个问题:“work”的由来及做功的因素。 互动演示:让学生端着或拿着一桶纯净水。 老师“命令”:“今天你的任务是拿着这桶纯净水站一个小时。”
5、问学生:“这个同学做功了吗?”“他有没有改变这桶纯水的能量?”围绕“功是能量转换的量度”,让学生理解这种情况是“无功劳动”,对纯水桶的动能没有影响。因此,学生可以从对物体能量变化有无影响的角度来理解“功”的由来。现在我们来探究影响功的因素。请考虑一辆车刹车的情况。通过引导,学生会理解,为了使两辆以相同速度行驶的相同汽车停下来,可以采用两种方法,考虑阻力的大小和位移的大小。一种是用较大的阻力和较小的位移使汽车停下来;另一种是用较小的阻力通过较长的位移使汽车停下来。两种方法在改变汽车动能方面是等效的,因此可以看出做功是一样的。可以看出做功与两个因素有关。
6、联系在于一个是力,一个是力方向上的位移。其实,物理学家在定义功的过程中,也考虑了很多实际生产中的功。实例:锯木头、锤钉子等功。我们说物理来源于生活,功的定义也是如此。比如,锯木头可以分为“推锯子”和“拉锯子”两个动作;锤钉子可以分为“举锤子”和“打钉子”两个动作。物质生产功都是由一些简单的动作构成的。甚至一些比较复杂的功,其实也只是推、拉、踏、转等一些简单的动作,按照一定的规律连续进行。推是向前施力,拉是向后施力,踏是向下施力,提是向上施力,转是同时推拉,打是快速推或拉,拉是向后“推”。 综上所述,所有这些简单的动作都可以说是向不同方向的“推动”,而“推动”显然是
7、是一切做功的基本单位。推这个动作之所以能构成,必须有两个内容,一是力,二是移动的距离,两者缺一不可。显然,把功定义为力和力方向上位移的乘积,这个定义非常准确,这也是物理学源于生活,又与生活统一的一个很好的例子。而这,正是做功不可缺少的两个因素。四、由特殊到一般,再由一般到特殊,借鉴等效的思想,引导学生探究功的一般表达式。特殊场景一:如图所示,物体在水平恒定力F作用下,向前移动了位移L,力F做了多少功?特殊场景二:如图所示,用垂直向上的升力,将一个水桶水平提起,使之以l的匀速向前移动,升力对水桶做功吗?做了多少功? 一般情况3:一般情况下,力F的方向既不与运动方向一致,也不与运动方向的位移垂直,力F的方向与运动方向垂直。
8.当方向成一定角度时,力F对物体做功吗?若做功,做了多少功? a.提出假设:通过做功的两个必要因素,启发和引导学生提出假设,并交流假设。可提出几种假设:(1)力F所做功的大小与力与运动方向的夹角无关。(2)力F所做功的大小与力与运动方向的夹角有关。同样,不同方向的力F,对改变物体能量的影响也会不同。可从两个特殊情况进行定性分析,否定假设(1)。对于假设(2),提出用由特殊到一般的思维从理论上验证的思路。b. 师生交流协作,学生分析证明,验证假设:1.教师启发:利用向量分解高中物理功的教学设计,将一般情况问题转化为两个简单的特殊问题,同时渗透等价的思想。2.学生证明:c.优化证明结果的表达:一般情况下,力对物体所作的功等于
9、力的大小、位移的大小、力与位移夹角的余弦值的乘积。即由一般到具体,加深对讨论力做功的几种可能情况的理解: (1)当a=p/2,cos a=0,W=0时。表示力F的方向与位移l方向垂直时,力F不做功,物体的能量在这个力F作用下不发生变化(既不增加,也不减少) (2)当0 a 0,W0时。表示力F对物体做了正功。 (3)当p/2 ap,cos a 0,W 0时。表示力F对物体做了负功。功可以是正的,也可以是负的。 结合书本P5图5.2-5,进一步讨论正功、负功的含义(限于学生现有的知识水平,对运动只学过直线运动,因此对物体能量的讨论也仅限于运动物体的能量): (1)正功:力对物体做功
10、当做功为正时,力对物体来说是一种驱动力,它向物体输入能量,所以物体的能量增加。(2)负功:当力对物体做负功时,力对物体来说是一种阻力,它向物体输出能量,所以物体的能量减少。也可以表达为“物体为克服这个力做了功”。例如,一个力做了10J的功,就可以说物体为克服这个力做了10J的功。顺便说一下,在国际单位制中,功的单位是J,1J等于1N的力使物体沿力的方向位移1m时所做的功。即六功的延伸学习1:功是矢量还是标量?引导学生围绕“功是能量转换的尺度”这一主题,讨论功是标量还是矢量。 结论是,力做功的效果是,物体的能量在力的作用下发生变化(增加或减少)。也就是说,功使物体的能量增加(或减少)。而
11、能量是没有方向的。所以引起能量变化的力的作用——功,也是没有方向的。可见,功是一个标量,正负号不表示方向,只表示所做功的性质。通过实例,我们可以探究几种力对一个物体所作功的代数和等于这些力的合力对物体所作功。例如,一个质量为m的物体,沿倾斜角为a的光滑斜面滑下距离为L,斜面静止不动。各力对物体所作功有多少?物体的合力所作功有多少?解答:我们发现,合力对物体所作功恰好等于各力所作功的代数和。如果斜面粗糙,上述结论还成立吗?如果斜面粗糙,上述结论也成立。 因此,几个力对一个物体所作功的代数和等于这些力的合力对物体所作功。这再次验证了功是标量,运算遵循代数定律。在上面的例子中,如果物体在光滑的斜面上滑下,斜面同时向后移动。
12、回头试确定重力和支撑力所作功的性质。我们发现,对于同一个客观运动,相对于不同的参考系,其位移是不同的。因此,在中学物理中,我们一般都同意以地面作为计算功和位移的参考系。 七篇作品的扩展研究2 新问题情境: 如图所示:小木块受到水平向右拉力F=1N,在水平地面上向右移动l=1m后,再向左拉,回到原位,其大小不变。求:拉力F所作的功。 通过分析和引导,得出功的计算公式只适用于恒力所作的功。 拓展和促进研究,留下新的问题情境: 提出问题:功的计算公式不适用于变力所作的功。 那么,对于物体在变力作用下发生位移做功的情况,有没有新的理论和方法来计算变力所作的功? 例如,如果用水平力F将弹簧拉长L的距离,怎样计算这个变化的力所作的功?(留个悬念
13.这为第五节探究弹性势能的表达式做了很好的铺垫。 )这个问题留给我们以后的学习去解决。 板书设计为什么要介绍功? 1.功是能量转换的量度。 探究“功”的由来及功的因素。 2.功的两个不可缺少的因素:力和物体在力的方向上所作的位移。 由特殊的一般推导出功的一般表达式。(等效思维) 3.功的一般表达式 4.功是标量,正负不表示方向,只表示功的性质。 功的延伸学习1 功是矢量还是标量? 5.几个力对一个物体所作的功的代数和等于这些力的合力对物体所作的功。 a.计算功位移时以地面为参考系。 b.只适用于恒力功。 功的延伸学习2 变力所作的功怎样计算? (留待以后再学)F 教学后反思 学习功是为了追寻守恒定律,也为后面学习动能定理打下良好的基础。本节课通过五道问题的设置(见黑板框内容),一个接一个地推进,每一个问题的探究和下一个问题的引入都非常自然,符合学生的认知规律。特别是在前面对功的由来以及功的因素进行了探究,学生的探究热情非常高。不知不觉中,整节课的教学任务就自然完成了,为后面探索弹性势能的表现形式埋下了伏笔,让学生体会到功与能量是紧密联系的,自然而然地为后面的教学打下了良好的基础。