探究弹性势能表达式

新课程背景下高中物理科学探究教学的实践与思考

2005年9月江苏省高中全面进入新课程试验，这次课程改革与以往几次的最大不同在于将科学探究列入内容标准。在《普通高中物理课程标准》（以下简称《课标》）中，科学探究不仅是物理教学中的重要内容和学习方式，而且是物理教学的教学目标。怎样按照高中新课程的理念来实施科学探究，科学探究的本质和它的设计思想在教学中如何体现，采用什么样的探究方式组织教学等问题都值得广大一线物理教师深思。下面就人民教育出版社（以下简称“人教版”）普通高中课程标准实验教科书《物理》必修2第五章第5节“探究弹性势能表达式”为例，谈一谈对高中物理科学探究教学的粗浅看法。

一．课程标准对本节的教学目标

《课标》不仅规定了对知识和技能的要求，还规定了对于过程和方法，情感态度与价值观的要求，这节是为了通过科学探究来落实后两个课程目标而设定的。

《课标》没有对弹性势能的表达式提出要求，也就是说这个素材可以不受知识与技能目标的束缚，所以我们完全地把着眼点放在过程与方法上。这节课重在参与，结论的对错不再是心理负担，学生能够真正自由地进行一次探究。 人教版教科书的本节内容对22

1kx E p 没有任何要求，不要求用这个表达式去解题。 二．科学探究方式的研究

1．理论探究方式

人教版教材本节内容的呈现方式是理论探究，旨在改变一提到探究就是做实验的固有思维方式。采用理论探究方式，主要困难在于计算弹簧弹力做功的过程中，弹力是变力，如何求变力做功是一个难点。采用理论探究方式组织教学的建议如下：

（1）创设探究情景

向学生出示一根木条（或竹条）。

问题1：木条有能量吗？

问题2：将木条弯曲后，木条由于弯曲而具有能量吗？

通过对问题1和问题2的回答与解释，完成关于弹性势能概念的教学，为进一步探究弹性势能表达式打下基础。

向学生出示一对幸福猪（两只小猪中间用一细线相连），并演示实验现象——将两只小猪拉开后放在桌面上，结果两只小猪慢慢靠近，直到小猪的嘴唇相撞。

问题3：根据演示现象，猜想小猪内部的主要器材是什么？

问题4：什么形式的能在上述演示现象中进行相互转化？

打开小猪的外壳，让学生看清内部的主要器材是弹簧，小猪靠弹簧释放的弹性势能才慢慢靠近的。引发学生思考：弹簧的弹性势能大小与哪些因素有关呢？从而将学生的思维自然引入本节课的探究教学中。

（2）科学思想、科学方法的渗透

①利用类比思想，探究弹性势能。我们从重力做功入手，讨论重力势能；同理，从弹力做功入手，来分析弹性势能；参考对重力势能的分析与研究的方法，猜想弹簧的弹性势

能大小与那些因素有关。通过重力与弹力作类比，重力势能与弹性势能作类比，将学生的学习从已知领域带进未知领域，理解类比的思想方法。

②“微元法”在探究弹性势能表达式中的应用

弹力做功可以用弹力与弹力移动的距离乘积来表示，因为弹力是变力，求弹力做功要复杂些。引导学生思考，我们在求解匀变速直线运动的位移和重力做功时所采用的方法——“微元法”能否迁移、应用到求解弹簧的弹力做功中及如何应用“微元法”等问题让学生自己去思考，达到自我构建知识的目的。

2．实验探究方式

若条件允许，本节课还可以采用实验探究的方式，采用实验探究的最大困难在于用什么方法或技术来显示弹簧弹性势能的大小，如果不能直接显示，那么通过间接的方法能不能显示。

在学习“探究弹性势能表达”式之前，学生已经学习了功和能的概念，知道功和能是两个密切联系的物理量，即如果物体在力的作用下能量发生变化，那么这个力对物体做了功，反之，若物体对外做了功，那么它的能量就释放出来。沿着这一思路可设计出以下几种方法来显示弹簧弹性势能的大小。

方法一：

实验器材： 04009螺旋弹簧组（劲度系数分别为：0.025N/mm ，0.015N/mm ，0.01N/mm ，0.005N/mm ，0.0025N/mm ），托盘天平，钩码，直尺，铁架台，沙子。

实验原理：弹簧竖直悬挂，弹簧静止时，其自然长度为L 1，挂上质量为m 的钩码，当钩码静止时，弹簧的长度为L 2，弹簧的伸长量为L 2-L 1，钩码重力势能的减小量mg(L 2-L 1)转化为弹簧的弹性势能，即弹簧的弹性势能的大小为E p =mg (L 2-L 1)。实验数据略。

方法二：

实验器材：气垫导轨，气源，光电门，弹簧两根（劲度系数分别为0.024N/mm 和0.005N/mm ），细线，小支架。

实验装置：弹簧的一端固定，另一端通过细线与滑块相连，并将弹簧套在一根绷紧的细线上，使弹簧保持水平状态。

实验原理：将滑块拉到气垫导轨的另一端，打开气源，松手后，滑块在弹簧拉力作用下，获得一定的速度，利用光电门记录的时间和光电门的宽度可以算出滑块的速度大小，从而得到滑块的动能，滑块的动能大小即为弹簧的弹性势能，即E p =22

1mv 。实验数据略。 方法三：

实验器材：弹簧，物体A ，直尺。

实验原理：如图1所示，弹簧的一端固定，物体A 靠在弹簧的另一端，让A 压缩弹簧ΔL 1距离后松手，A 在粗糙水平面上滑行S 距离后停止运动，根据S 的大小可得到A 物体的动能大小，A 物体的动能大小即为弹簧的弹性势能，即E P =k /S ，其中k /是比例系数。

实验探究的过程由教师参照科学探究的要求有选择的进行，对实验数据要进行分析，分析数据的方法要加以指导。实验结束后，要组织学习小组对实验的方案、过程、结论等A 图1

方面进行思考、交流、评估，培养学生的评估意识，思考探究过程中未解决的矛盾，从中发现新的问题。

除了实验探究和理论探究外，还有调查研究的方式；如人教版教材必修1中的课题：交通工具的速度是不是越快越好等。

三．科学探究教学中值得深思的问题

（1）科学探究方式的选择

对科学探究要有一个正确的认识，不要一提到探究就是实验探究，事实上，对未知领域的探索、研究的过程就是科学探究，它既可以是实验探究，也可以是理论探究，或调查研究等等。至于选用什么探究方式，则由课题的内容、要求、特点等因素决定，它没有固定的模式。

例如为了迎接高中新课程的实施，目的是为新课程的实施提供思想、经验和方法，2005年4月江苏省举办了在科学探究理念指导下的创新大赛，从观看的录像课中可以发现，高中物理科学探究方式有：实验探究（课题：滑动摩擦力）、理论探究（课题：探究弹性势能表达式）、理论分析与实验验证（课题：示波器中的电偏转）、现象探究与解释（课题：全反射现象）、以“发现”为线索进行探究（课题：原子核式结构）等等。

（2）科学探究时间的调整

高中物理教学所涉及的科学探究是相对灵活的，没有固定、僵死的模式，大致可采用问题→猜想→实验→结论或采用问题→猜想→理论→实验验证→结论等方式进行，有时仅就其中的一、二个要素展开探究活动，所以科学探究的时间可长可短，时间的长短由探究的内容、探究的方式、学生特点等因素决定，无规律可循。

例如“探究弹性势能表达式”一节内容，若采用理论探究方式，一个课时就可以完成；若采用实验探究方式，一般需要两个课时。“探究求合力的方法”需1.5个课时，“探究加速度与力、质量的关系”需2课时。因此，建议物理课时安排采用灵活的方式，有时可以2个课时、甚至3个课时连排，以便科学探究的实施。

科学探究教学对教师提出了更高的要求，教师不仅要熟悉探究内容，相关知识背景，还需要提前到实验室进行探究活动，对探究活动中可能出现的新情景、新问题要有一定的预见性，对探究活动所需时间能作出合理安排。如果因为课题的不同要求或教学进度等因素使科学探究的时间由长变短，由短变无，那么科学探究就失去了其真实价值，新课程所倡导的独立思考、交流合作、师生互动的学习方式将失去意义。

（3）科学探究思想的挖掘

课堂上不仅要教科学探究内容，还要挖掘科学探究的设计思想，让科学探究的设计思想在课堂中得以体现；如人教版必修2第六章第三节“探究平抛运动的规律”，实验探究“竖直方向的运动规律”时为什么要多次改变小球距地面的高度？改变高度仅仅是为了多次测量得到正确结论吗？实验探究的目的是：平抛运动的小球在竖直方向做自由落体运动，两球同时落地，仅能说明它们空中运动时间相同，但还不能说明它们任一时刻在同一水平线上，因此，通过改变高度达到探究的目的。新教材中科学探究的内容比较多，教学中要对科学探究的设计思想进行研究，经加工、整理使这些探究的设计思想在课堂中得以体现，对学生进行科学思想的教育。

（4）科学探究价值的落实