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刹车装置中的科学知识——九年级物理上册《机械能》教学过程记录
发布时间: 2020-08-12 来源:中国教育报

教学背景

《机械能》是九年级物理上册第三章第二节的内容。这节课内容多、难度大,大多数教师在上完一章的新课以后,会安排《机械能》的专题复习,以期将所学概念结构化、系统化。整节课围绕“刹车装置”进行研究,并设计了三个任务。从经典实验中的“刹车装置”到汽车的“刹车装置”,再到 “刹车装置”的设计。通过“刹车装置”的情境线,进行动能大小的表达、动能的转化等知识的深度学习,使学生的思维达到关联拓展水平。

教学实录

师:10月1日,小明全家一起坐车到外地游玩,在高速公路上发现汽车的刹车失灵,一家人顿时陷入恐慌。下面我们一起观看一下当时的视频,在观看的过程中思考这样两个问题:视频中失控的汽车具有什么能?物体有“能”可以对外做功,我们可以通过什么来判断失控汽车“能”的大小?

生:视频中失控的汽车具有动能。

生1:发生车祸时,可以通过汽车损坏程度来判断当时动能的大小。

师:视频中,汽车的什么装置失灵了?

生2:刹车装置。

师:刹车装置的作用是什么?

生2:是将汽车的动能减小,将汽车的动能转化成其他形式的能。

师:好,今天我们就一起来研究一下刹车装置。

典型任务一:通过类比汽车,感受实验中的“刹车装置”

师:请大家看一个经典实验视频(截图如下),并思考以下几个问题。

师:该实验的研究对象、研究目的是什么?

生1:该实验的研究对象是小球,研究物体的动能与什么因素有关。

师:小球的动能大小与什么因素有关?

生2:与小球的速度和质量有关。

师:在实验过程中,小球的动能是在变化的,我们研究小球哪一点的动能?

生3:在碰撞点B时的动能大小。

师:小球在B点的动能从何转化而来?观察桌面仪器,思考转化动能的其他方法。

(学生分小组进行交流)

生4:用手推,使小球在B点形成动能。

生5:用弹簧推,使小球在B点形成动能。

生6:用单摆推,使小球在B点形成动能。

师:想法很有创意,大家可以用桌面的仪器尝试一下。

(学生根据桌面仪器开始实验)

师:不同的方法都使小球在B点处有动能,能否说一下与斜面产生小球动能的区别?

生7:用手推使小球在B点形成动能,不能做到每次都一样。

生8:用弹簧推使小球在B点形成动能,不能做到每次都能碰撞小木块。

生9:用单摆推使小球在B点形成动能,不能做到每次都能碰撞小木块。

师:这些办法都用了能量的转移和转化,但是准确度和成功率不如课本上的实验高。

师:小球从B点到C点,速度减小到0,小球减小的动能到哪里去了?

生10:由于小球的推力,小木块克服摩擦力做功,小球的动能最终转移且转化为小木块的内能。

师:此过程中可以通过什么反映小球在碰撞点B点的动能大小?

生10:小木块的移动距离。

师:很好,这是科学探究中的常用方法,我们称为转换法。

师:小球动能的大小还能转化成哪些可以直接测量的物理量?

生11:可以让小球去撞击面粉团、橡皮泥,测量凹陷深度。

生12:可以让小球去撞击积木,计量撞倒的积木数量。

生13:可以让小球在手巾上滚动,测量滚动的距离。

师:实验中的小球在木块作用下停下,汽车在刹车系统作用下停车,如果将运动的小球看成奔驰的汽车,小木块相当于汽车的刹车装置。小球没有木块将无法快速停下,为了及时停车,汽车要有刹车装置。

(设计意图:突出转换法、类比法、模型法的应用。类比法的作用是“由此及彼”,类比思维的过程就是一个推理过程。学生将高速行驶的汽车减速过程转化为小球的运动过程,利用物理模型简化实际复杂过程,突出主要因素,体现了从生活走向物理的重要思想)

典型任务二:通过阅读材料,了解汽车中的“刹车装置”

师:为了及时停车,汽车要有刹车装置,下面我们观看视频并思考几个问题。

(学生观看汽车刹车装置的工作原理和视频,阅读有关汽车刹车装置的介绍)

师:飞奔的汽车紧急制动时,动能怎样变化?

生:汽车的动能减小。

师:动能转化成了刹车系统什么形式的能了?

生1:内能。

师:因此在盘山公路下坡时,由于经常刹车,刹车系统内能增加,刹车盘温度升高,会影响刹车的效果,引发事故。

师:轮胎与地面不打滑时,汽车的刹车距离与哪些物理量有关?

生2:增大刹车距离的量:汽车的总动能(m,v);减小刹车距离的量:刹车盘与钳的摩擦力(f ), 刹车盘的大小。

师:大货车、小汽车为什么不能超载、超速?

生3:超载、超速时汽车的动能增大,能对外做更多功。刹车时刹车盘克服摩擦力做功,相同摩擦力下动能大的车刹车盘转动的圈数增加,汽车要经过更长的距离才能停下。

师:为什么在同样道路上,不同的车型限速不一样?

生4:不同的车型在同样道路上动能不同,刹车系统也不同。刹车后,汽车必须在一定范围内停下,这就需要一定的限速,不同的车型不同的限速。

师:F1赛车为什么最高速度这么高?

生5:因为F1赛车有更好的刹车系统,使得调速行驶的赛车也可以在规定距离内停车。

(设计意图:为什么不能超载、超速是一个系统问题,学生应该站得更高才能回答得更准确。学生通过资料了解汽车刹车装置的工作原理,了解现代汽车工业的刹车系统设计,拓展知识面,激发学习兴趣)

典型任务三:通过分组讨论,设计汽车中的“刹车装置”

师:刹车装置对于驾驶者而言就是生命的保障,请同学们结合实验和资料思考并讨论如何设计安全的刹车装置?

生1:加大刹车盘直径,可以提高刹车的效果。

生2:加大盘与钳的压力和粗糙程度,可以提高刹车的效果。

生3:要选择好的轮胎,不容易打滑。

生4:刹车盘耐高温,长时间下坡汽车的刹车效果不会失灵。

生5:要增加油门和刹车的误踩装置,增加汽车的限速装置。

师:有的车主把车轮改大一号,看起来可以更威武,是否合理?

生6:不合理,刹车装置如果不加强,会影响刹车效果。

师:有的车主把汽车的动力改大,可以开得更快一些,是否合理?

生6:也不合理,刹车装置与汽车的动力是要匹配的,只改动力会增加刹车距离。

师:万一在高速公路上刹车失灵怎么办?

生7:在高速公路的长下坡、急弯、事故频发地段有缓冲带,开上去就可以停车。

师:很好,这类缓冲带通常由沙、石、泥土依势而建,专用于制动失效车辆的驾驶员主动“撞”上这些沙石堆以达到减速的目的。

师:作为初中生,我们怎样安全出行?

生8:不闯红灯,提醒亲人不超速、不超载,高速公路不停车,刹车盘在服务区自然冷却。

(设计意图:学生通过小组讨论,设计改良汽车刹车装置,深度了解汽车工业设计的魅力,从物理走向生活。学生讨论安全出行的要点,从原理上理解生活中如何避免交通事故发生,让学生学以致用)

教学反思

复习课要上出新意,从知识走向知识的应用;用知识来解决问题、解释现象;从知识走向获得知识、研究未知的方法。在复习课上让学生温故而知新,要注重物理知识与现代科技的结合,用书本知识来解释工程、设计、设备中的原理。

上课开始,教师以“小明全家一起开车到外地游玩,在高速公路上发现汽车的刹车失灵”作为开篇引入,用相关视频引起学生注意。学生进入状态后,教学步步深入,以“刹车装置”为线索进行知识与方法的深度学习。

在任务一中,核心知识是“研究动能大小与什么因素有关的实验”,包括实验目的、原理、步骤、结论;核心方法是:转换法、控制变量法;思维水平达到多点结构水平。任务完成后提出:实验中的小球在木块作用下停下,汽车在刹车系统作用下停车,如果将运动的小球看成奔驰的汽车,小木块相当于汽车的刹车装置。小球没有木块将无法快速停下,为了及时停车,汽车要有刹车装置,引出第二个任务。

在任务二中,学生通过阅读事先准备的材料了解刹车装置,材料中的核心知识是:刹车装置是一个将动能转化为内能的装置,并且是通过摩擦力做功的方法;核心方法是:类比法、模型法;思维水平达到关联结构水平。

在任务三中,通过分组讨论,设计汽车中的“刹车装置”。用知识解决实际问题,学生分组讨论设计刹车装置,并讨论刹车失灵怎么办?讨论安全出行的要点等。

本节课设计的知识主线中暗藏方法副线,强调了转换法,复习了控制变量法,引出了类比法,演示了模型法。本节课的设计也比较重视思维的提升,依SOLO分类分析,学生的思维结构从单点结构到多点结构再到关联,最后到抽象拓展结构,水平逐渐提高,符合认知规律。