基于核心素养的物理实验教学设计—以验证机械能守恒定律的为例

基于核心素养的物理实验教学设计—以验证机械能守恒定律的为例

王璐

广东省梅州市梅江区梅州中学 514011

物理学科核心素养是学生在接受物理教育的过程中逐步形成的适应个人发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的关键成分。实验教学是物理教学的重要组成部分，是落实物理学科核心素养培养的重要途径，是提高物理教学质量的核心手段，基于核心素养的实验教学体现了物理课程目标的价值追求。

如何有效地开展高中物理实验教学，促进学生核心素养的提升？是每一位物理教师值得深思的问题。本文以《验证机械能守恒定律》为例，探究在物理实验中提升学生核心素养的策略。

【设计思想】

“只有重力做功时，物体的动能和重力势能可以相互转化，总的机械能如何变化？”是高中学生经常遇到的一个问题。本文按照科学探究的要求，组织学生根据力学知识，制定实验计划，设计方案和分组进行操作，通过科学探究，使学生对机械能守恒定律的得出、含义、适用条件有一个明确的认识；学会应用科学探究的方法研究物理问题，探索物理规律，加深对科学的本质和价值的理解；运用计算机辅助，使学生亲身体验现代科技的影响，掌握将信息技术作为知识获取工具的方法。

【教学目标】

（一）知识与技能：

1、会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。

2、掌握验证机械能守恒定律的实验原理。

（二）过程与方法：

1、让学生亲自经历实验方案的讨论与设计过程；

2、通过分组实验，培养动手能力、协作意识，提高解决实际问题的能力。

（三）情感、态度与价值观：

1、通过实验探究激发学生的求知欲和创新精神；

2、学会与他人合作、交流，具有团队意识和团队精神；

3、体会守恒思想的重要意义。

【教学重点】

1.验证机械能守恒的实验原理；

2.实验的方案设计和操作过程。

【教学难点】

实验数据的处理、误差分析及减少误差的改进措施。

【教学过程】

一、创设情境，激发学生学习热情

师：观察相关视频（体育运动），提出问题：如果不计空气阻力，这些物体的机械能是否守恒？

设计意图：从现实生活中存在的现象入手对物理实验进行拓展，由此开发出的物理实验，不仅能激发学生学习物理的兴趣，让学生认识到物理就在身边，增强物理的应用意识，懂得物理学的真正价值，而且还可以在此基础上引导学生不断进行实验反思，通过形式多样的创新实践训练，培养学生的创新思维、创新意识和创新能力，促进学生全面发展。

二、建立模型，设计实验

通过提问的方式，把实验的难点逐一分解，逐层深化，可以更好促进学生的理解。

问题1：使用什么模型来验证机械能守恒定律呢？

生：自由落体运动，单摆，光滑的斜面上物体下滑等等。

设计意图：引导学生发散思维，回顾更多的例子，对机械能守恒有更深入的认识。

问题2：选择一个简单的模型，下面以自由落体为例，

（1）如何验证出机械能守恒呢？

（2）是否需要测出物体的质量？

（3）选择重物时，有什么要求？

（4）如何测量自由落体运动物体的重力势能的减少量？如何测量相应过程动能的增加量？

生：（1）测算出物体运动过程的动能的增加量和重力势能的减少量，看是否相等来验证机械能守恒定律是否成立。

（2）mgh=1/2mv²→gh=v² ，不需要测出物体的质量，

（3）我们要求重物作自由落体运动，而阻力是不可避免地存在的，为了减少阻力对实验的影响，应采用密度较大的重物。

（4）计算下落的高度h和末速度v即可。

如果实验要求计算势能和动能的具体数据，那就必须要知道物体的质量。

设计意图：层层深入、由感性到理性、由定性到定量的探究实验，既让学生充分理解了教材知识，又能通过这种真实的探究培养学生的科学素养。培养学生自主学习习惯，提高总结归纳能力。

问题4：为增加实验结果的可靠性，应该怎样做？

生：多次实验。

设计意图：让学生注意一个过程的多点测量与多个过程的测量结果是否存在相同的规律。培养学生缜密思维与务实精神。

三、提供器材，分组实验

提供实验器材：

数字计时器、电火花打点计时器（或电磁打点计时器）、220V交流电源(或学生电源)、重物、纸带、铁架台、刻度尺等

第一小组（利用打点计时器验证机械能守恒定律）：

1 ．按图安装实验器材，接通电源前，用手提升纸带至重锤靠近打点计时器处。

2．先接通电源，再松开纸带，让重物自由下落。关闭电源，取下纸带备用。

3．重复步骤两次，打出3条纸带。

4．取点迹清晰，且第一、二点距离接近2mm的纸带进行测量。先将第一点记为O点，然后在纸带上任取5个连续的点（或间隔点数相同的点）1．2．3．4．5，如下图所示。

5．验证O点到2点过程机械能守恒的方程为：

，其中

T为1点到2点之间的时间间隔，如果在误差允许的范围内等式成立，实验就是成功的。同理，可以验证O点到3点过程、O点到4点过程的机械能是否守恒。

第二小组（利用数字计时器和光电门验证机械能守恒定律）

1．按图安装实验器材，光电门和数字计时器相连，重物上面系上遮光条

2 ．测量遮光条的宽度L和下落位置到光电门的高度h，数字计时器先接通电源，剪断绳子，让重物自由下落，记录下落时间t。

3．改变高度，重复步骤几次，记录时间。

4．根据 计算出速度，画出h-v²的图象，验证

机械能是否守恒。

四、处理数据，得出结论

依据刚才的实验，我们采集整理以下信息：

画出h-v²的图象

结论：由图可知直线斜率为0.053,在误差允许范围内与1/2g近似相等。

五、误差分析

1、偶然误差：测量长度时会带来误差.

2、系统误差：第一组实验：重物和纸带下落过程中要克服阻力（主要是打点计时器的阻力）做功，故动能的增加量ΔE_K必定稍小于势能的减少量ΔE_P，第二组实验：无明显系统误差。

【小结】

基于学科核心素养的实验教学是进一步提高物理教学质量的关键途径，可以培养学生的创新精神和实践能力。教师通过创新实验设计、规范实验的操作以及学生亲身演示实验，来提高学生的终身学习能力、解决问题的能力、探寻事物本真的能力、适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力。