基于物理建模的《重力势能》教学设计

摘 要：重力势能概念的抽象性导致重力势能教学逻辑存有缺陷，本文从物理建模的角度将《重力势能》这一节进行再设计。从生活实际例子出发，应用物理知识，借力于数学工具，按科学研究方法进行物理建模，建构概念的发展过程。本文选取学生感到困难、老师容易忽略的“影响重力势能大小的因素”作为难点进行突破并收到了很好的效果。

关键词：物理建模；重力势能；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）4-0031-5

1 教材分析

《重力势能》是人教版高中《物理》必修2第七章《机械能守恒定律》的第四节，也是本章的基础知识之一。学生前面已经学习了功的概念和计算方法，本章从重力做功和重力势能的变化过程开始讨论功和能的关系。本节讨论的是有关重力势能的问题，而解决重力势能离不开重力做功。

本节教材首先提出重力势能的基本定义，指出物体由于被举高而具有的能是重力势能，接着引出在物体被举高的过程中，伴随着重力做功，然后通过分析重力做功与路径无关的特点，推导得出重力势能的表达式。对于物体沿任意曲线运动的情况，可以加深对极限微元思想的认识。最后，教材又安排了重力势能的相对性以及重力菽苁俏锾逵氲厍蛳低彻灿械奶氐阏獠糠种识，以便完善和加深学生对重力势能的理解。本节的讲解思路也为学生以后学习电势能、分子势能打下坚实的基础，因此这一部分内容具有重要的承上启下的作用。

2 学情分析

2.1 思维基础

高一学生开始从感性认识向理性认识过渡，从具体思维向抽象思维过渡，但思维还是与感性经验直接联系，仍需具体形象的图片来支持。

2.2 知识基础

学生在初中时已接触过重力势能的概念并且已学习了功的概念和计算方法，在此要定量地学习重力势能并体验建立过程，通过重力做功的计算来判断重力势能的变化。

2.3 能力基础

学生对EP=mgh会进行公式化处理，出现只认公式不认理的现象，研究探索、质疑提问能力还比较薄弱。

3 教学策略选择与设计

《重力势能》一节是高中第一次定量地研究能量，它在教材中的地位是不言而喻的，它的研究方法将会对今后的学习产生深远的意义。在发现规律、提出物理量表达式的过程中，既要得到结论，又要知道结论是怎样得出的，这一节内容就很好地体现了这一点。对于能量是如何定义的或量度的，是这节课首先要解决的问题。本节课主要从以下两方面进行设计。

3.1 揭示重力势能的基本特征

通过对演示实验的分析，引导学生讨论重力势能的基本特征和量化重力势能的条件：一是重力势能的变化与重力做功存在直接的因果关系；二是只有当重力做功与路径无关时，我们才能通过从重力做功的计算量化某一位置的重力势能；三是重力势能只与物体对地的相对位置有关，即确定位置有确定的势能。

3.2 领悟合乎科学性和逻辑性的探究思路

抓住事物的外在表现特征进行探究得出结论，是一种科学的探究思想，所以按重力势能的特征探究能使探究的思路变得清晰顺畅而具有逻辑性。

首先，将势能的一般含义与生活中的演示实验结合，猜想重力势能与什么因素有关（mg、h）重力势能的基本特征1（物体的高度越高，质量越大，重力势能越大）按特征1确定方案1用筷子插入细沙的深度来寻找规律发现重力势能的基本特征2（重力势能的变化与重力做功存在因果关系）按特征2确定方案2（从重力做功的计算考虑）发现重力做功与路径无关，符合特征3（即势能的引入条件）揭示mgh的特殊意义，定义重力势能表达式建立重力做功与重力势能的变化关系。

4 教学目标

4.1 知识与技能

（1）理解重力势能的概念，会用重力势能的定义进行计算；

（2）理解重力做功与重力势能的关系，知道重力做功与路径无关；

（3）知道重力势能的值是相对的，理解重力势能正负号的含义。

4.2 过程与方法

（1）通过控制变量法、实验观察法得到影响重力势能的因素；

（2）体会用“实验法”和“理论推导”相互验证问题的方法；

（3）通过所学功的概念推导重力做功与路径的关系，亲身感受知识的建立过程。

4.3 情感、态度与价值观

通过对生活中有关物理现象的观察，感受从现象到本质得到物理结论的方法。

5 教学重难点

5.1 教学重点

（1）重力势能概念的得出；

（2）重力做功跟物体重力势能改变的关系。

5.2 教学难点

如何探究影响重力势能大小的因素。

6 教学过程（如表1）

参考文献：

[1]林正范.大学心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2001.

[2]王较过.物理教学论[M].西安：陕西师范大学出版社，2003.

[3]唐飞.浅谈有效思维课堂的构建――以《重力势能》一课为例[J].延边教育学院学报，2014，28（6）：138-140.

[4]任虎虎.基于原始物理问题建构理想化模型[J].物理教学探讨，2017，35（2）：41-44.（栏目编辑 邓 磊）