人教版高中物理必修第二冊：必修第二冊：第8章第4節(jié)《機(jī)械能守恒定律》教學(xué)設(shè)計

1、人教版高中物理必修2教學(xué)設(shè)計課題 機(jī)械能守恒定律單元8學(xué)科物理年級高一教材分析機(jī)械能守恒定律是人教版高中物理必修2第8章第4節(jié)的內(nèi)容，機(jī)械能守恒定律屬于物理規(guī)律教學(xué)，是對功能關(guān)系的進(jìn)一步認(rèn)識，是學(xué)生理解能量轉(zhuǎn)化與守恒的鋪墊，為今后學(xué)習(xí)動量守恒、電荷守恒打下基礎(chǔ)。教材通過多個具體實例，說明勢能和動能，先猜測動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，引出對機(jī)械能守恒定律及守恒條件的探究，由定性分析到定量計算，逐步深入，最后得出結(jié)論，并通過應(yīng)用使學(xué)生領(lǐng)會定律在解決實際問題時的優(yōu)越性。教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)一、教學(xué)目標(biāo)1在已經(jīng)學(xué)習(xí)有關(guān)機(jī)械能概念的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律，掌握機(jī)械能守恒的條件，掌握應(yīng)用機(jī)械能守恒定律分

2、析、解決問題的基本方法2學(xué)習(xí)從功和能的角度分析、處理問題的方法，提高運(yùn)用所學(xué)知識綜合分析、解決問題的能力。二、核心素養(yǎng)物理觀念：首先從概念的角度出發(fā)，明確什么是機(jī)械能，在機(jī)械能守恒的情況下重力勢能與動能之間是相互轉(zhuǎn)化的，構(gòu)建能量觀念。科學(xué)思維：通過紙帶和打點(diǎn)計時器找到重力勢能的減少量與動能增加量之間的關(guān)系，從而驗證機(jī)械能守恒定律，體驗驗證過程和物理學(xué)的研究方法?？茖W(xué)探究：運(yùn)用動能定理推導(dǎo)機(jī)械能守恒定律，體會做功在能量轉(zhuǎn)化過程的用途?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過機(jī)械能守恒的教學(xué)，使學(xué)生樹立科學(xué)觀點(diǎn)，理解和運(yùn)用自然規(guī)律，并用來解決實際問題重點(diǎn)1.掌握機(jī)械能守恒定律的推導(dǎo)、建立過程，理解機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容

3、；2.在具體的問題中能判定機(jī)械能是否守恒，并能列出定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 難點(diǎn)1.從能的轉(zhuǎn)化和功能關(guān)系出發(fā)理解機(jī)械能守恒的條件；2.能正確判斷研究對象在所經(jīng)歷的過程中機(jī)械能是否守恒，能正確分析物體所具有的機(jī)械能，尤其是分析、判斷物體所具有的重力勢能。教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖導(dǎo)入新課思考：一輛過山車在下滑過程中，既然沒有什么動力，為什么每次總能如此準(zhǔn)確的完成一連串有驚無險的動作呢？出示圖片:翻滾過山車這實際上是動能和勢能之間發(fā)生了相互轉(zhuǎn)化，那么你知道它們在轉(zhuǎn)化的過程中遵守什么規(guī)律嗎？學(xué)生思考討論 了解過山車的運(yùn)動引出本節(jié)的課題講授新課一、追尋守恒量能量對于科學(xué)研究和日常生活有著巨大的

4、影響，但要用一句話說清楚能量究竟是什么卻非易事。思考討論1：如果不采用能量的概念，你能描述伽利略的斜面實驗嗎？伽利略為了把小球從桌面提高到斜面上的某個位置，施加了與重力相反的力；當(dāng)他釋放小球時，重力使小球滾下斜面 A ；在斜面的底部，小球由于慣性而滾上斜面 B。思考討論2：不采用能量描述，能全面并準(zhǔn)確表達(dá)伽利略的斜面實驗嗎？不能直接表達(dá)一個最重要的事實：如果空氣阻力和摩擦力小到可以忽略，小球必將準(zhǔn)確地終止于它開始運(yùn)動時的高度，不會更高一點(diǎn)，也不會更低一點(diǎn)。這說明某種“東西”在小球運(yùn)動的過程中是不變的。能量概念的引入是科學(xué)前輩們追尋守恒量的一個重要事例。二、動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化1.重力勢能與動能

5、相互轉(zhuǎn)化A-B：在這個過程中，物體的速度增加了，表示物體的動能增加了。這說明，物體原來的重力勢能轉(zhuǎn)化成了動能。B-C：在這個過程中，這時重力對物體做負(fù)功，物體的速度減小，表示物體的動能減少了。但由于物體的高度增加，它的重力勢能增加了。這說明，物體的動能轉(zhuǎn)化成了重力勢能。結(jié)論: 物體的動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化。2.彈性勢能與動能相互轉(zhuǎn)化.由小球接觸彈簧到速度為零的這一過程中，彈力做負(fù)功，彈簧的彈性勢能增加，而物體速度減小，動能減少。小球原來的動能轉(zhuǎn)化成了彈性勢能。 壓縮的彈簧 彈簧恢復(fù)原來形狀被壓縮的彈簧具有彈性勢能，當(dāng)彈簧恢復(fù)原來形狀時，就把跟它接觸的物體彈出去。這一過程中，彈力做正功，彈簧

6、的彈性勢能減少，而物體得到一定的速度，動能增加。物體原來的彈性勢能轉(zhuǎn)化成了動能。出示圖片:跳板跳水運(yùn)動員從跳板上彈起的過程中，跳板的_轉(zhuǎn)化為運(yùn)動員的_。答案：彈性勢能、動能結(jié)論: 物體的動能和彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化。3.機(jī)械能重力勢能、彈性勢能與動能都是機(jī)械運(yùn)動中的能量形式，統(tǒng)稱為機(jī)械能。通過重力或彈力做功，機(jī)械能可以從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式。思考與討論：一個小球在真空中做自由落體運(yùn)動，另一個同樣的小球在黏性較大的液體中由靜止開始下落。它們都由高度為 h1 的地方下落到高度為 h2 的地方，如下圖所示。小球在真空和油中的下落(1)在這兩種情況下，重力做的功相等嗎？(2)重力勢能的變化相等嗎？(

7、3)動能的變化相等嗎？(3)重力勢能各轉(zhuǎn)化成什么形式的能？參考答案：（1）這兩種情況下，重力做功相等；（2）重力勢能的變化相等；（3）動能變化不相等；（4）第一次減小的重力勢能完全轉(zhuǎn)化為動能，第二次減小的重力勢能除了轉(zhuǎn)化為動能外，還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。三、機(jī)械能守恒定律我們發(fā)現(xiàn)其它力做功會引起機(jī)械能與內(nèi)能等其他能量的相互轉(zhuǎn)換，所以機(jī)械能守恒定律是有條件的。例1：如圖物體沿光滑曲面滑下的情形。這種情形下，物體受到哪些力的作用？哪些力做功？重力和曲面支持力的作用，因為支持力方向與運(yùn)動方向垂直，支持力不做功，所以，只有重力做功。如圖所示物體在某一時刻處在高度為 h1 的位置A，這時它的速度是 v1

8、。經(jīng)過一段時間后，物體下落到高度為 h2 的另一位置 B，這時它的速度是 v2 。用 W 表示這一過程中重力做的功。從動能定理知道，重力對物體做的功等于物體動能的增加，即:另一方面，重力對物體做的功等于物體重力勢能的減少。即:從以上兩式可得：這就是說，重力做了多少功，就有多少重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。進(jìn)一步整理可得：等式左邊為物體末狀態(tài)動能與勢能之和，等式右邊為物體初狀態(tài)動能與勢能之和。結(jié)論：在只有重力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動能與重力勢能互相轉(zhuǎn)化時總的機(jī)械能保持不變。思考與討論：在上圖中，如果物體從位置 B 沿光滑曲面上升到位置 A，重力做負(fù)功。這種情況下上式的關(guān)系是否還成立？由動能定理得：:另一方面，重力

9、對物體做的負(fù)功等于物體重力勢能的增加。即:從以上兩式可得：這就是說，重力做了多少功，就有多少重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。進(jìn)一步整理可得：這種情況下上式的關(guān)系仍然成立。思考討論：如何理解只有重力做功？（1）物體只受重力作用。（2）物體除受重力外還受到其他力的作用，但其他力不做功，或其他力做功的代數(shù)和為零。平拋運(yùn)動或其它拋體運(yùn)動的物體。只受重力。沿光滑斜面下滑的物體受重力和支持力但支持力不做功。沿粗糙斜面下滑的物體，拉力F大小和摩擦力 f 大小相等，拉力F和摩擦力f 做功的代數(shù)和為零。同樣可以證明，在只有彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動能和彈性勢能互相轉(zhuǎn)化時總的機(jī)械能也保持不變。1.機(jī)械能守恒定律內(nèi)容在只有重力或彈力

10、做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能和勢能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能的總量保持不變。2. 表達(dá)式 EK1 + EP1 = EK2 + EP2 或E1E23.守恒條件物體系統(tǒng)內(nèi)只有重力或彈力做功(其他力不做功)，機(jī)械能守恒。對于該條件可具體理解如下：（1）系統(tǒng)不受外力。（2）系統(tǒng)受外力，但所有外力均不做功。（3）系統(tǒng)受外力，而且外力做功，但外力做功的代數(shù)和為零。如圖所示滑雪者沿斜面下滑時機(jī)械能守恒嗎？滑雪者沿斜面下滑時，斜面的支持力與運(yùn)動方向垂直，不做功；如果阻力做的功較少，可以忽略，則只有重力做功。此種情況下，動能與重力勢能可以互相轉(zhuǎn)化，總的機(jī)械能守恒。如果阻力做的功較大，不能忽略，則機(jī)械能不守恒?！纠}】把一

11、個小球用細(xì)線懸掛起來，就成為一個擺如圖所示，擺長為 l，最大偏角為 。如果阻力可以忽略，小球運(yùn)動到最低點(diǎn)時的速度大小是多少？分析 在阻力可以忽略的情況下，小球擺動過程中受重力和細(xì)線的拉力。細(xì)線的拉力與小球的運(yùn)動方向垂直，不做功，所以這個過程中只有重力做功，機(jī)械能守恒。小球在最高點(diǎn)只有重力勢能，動能為 0，計算小球在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)重力勢能的差值，根據(jù)機(jī)械能守恒定律就能得出它在最低點(diǎn)的動能，從而算出它在最低點(diǎn)的速度。解：以小球為研究對象。設(shè)最低點(diǎn)的重力勢能為 0，以小球在最高點(diǎn)的狀態(tài)作為初狀態(tài)，以小球在最低點(diǎn)的狀態(tài)作為末狀態(tài)。在最高點(diǎn)的動能 Ek10，重力勢能是Ep1mg（l l cos ）在最低

12、點(diǎn)的重力勢能 Ep2 0，而動能可以表示為：運(yùn)動過程中只有重力做功，所以機(jī)械能守恒，即：Ek2Ep2 Ek1Ep1把初末狀態(tài)下動能、重力勢能的表達(dá)式代入，得 mg（LL cos ）由此解出小球運(yùn)動到最低點(diǎn)時的速度大?。簭牡玫降谋磉_(dá)式可以看出，初狀態(tài)的 角越大，cos 越小，（1cos ）就越大，v 也就越大。也就是說，最初把小球拉得越高，它到達(dá)最低點(diǎn)時的速度也就越大。解題步驟：(1)確定研究對象(2)對研究對象進(jìn)行正確的受力分析(3)判定各個力是否做功，并分析是否符合機(jī)械能守恒的條件(4)視解題方便選取零勢能參考平面，并確定研究對象在始、末狀態(tài)時的機(jī)械能。(5)根據(jù)機(jī)械能守恒定律列出方程，或再

13、輔之以其他方程，進(jìn)行求解。應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解決問題的優(yōu)點(diǎn)：只需考慮運(yùn)動的初狀態(tài)和末狀態(tài)，不必考慮兩個狀態(tài)間過程的細(xì)節(jié)，這樣就簡化了計算。特別提醒！機(jī)械能守恒的條件絕不是合外力的功等于零，更不是合外力為零；判斷機(jī)械能是否守恒時主要看是否只有重力或彈力做功。課堂練習(xí)1.在下列情況中，機(jī)械能守恒的是 （ ） A飄落的樹葉 B沿著斜面勻速下滑的物體C被起重機(jī)勻加速吊起的物體 D不計空氣阻力，推出的鉛球在空中運(yùn)動的過程 答案：D2.關(guān)于機(jī)械能，下列說法中正確的是（ ）A做變速運(yùn)動的物體， 只要有摩擦力存在，機(jī)械能一定減少 B如果物體所受的合外力不為零，則機(jī)械能一定發(fā)生變化 C作斜拋運(yùn)動的物體，不計空氣

14、阻力時，機(jī)械能是守恒的。 因而物體在同一高度, 具有相同的速度 D在水平面上做變速運(yùn)動的物體，它的機(jī)械能不一定變化答案：D3.關(guān)于機(jī)械能守恒定律的適用條件，下列說法中正確的是( )A. 物體所受的合外力為零時，機(jī)械能守恒 B. 物體沿斜面加速下滑過程中，機(jī)械能一定不守恒C. 系統(tǒng)中只有重力和彈簧彈力做功時，系統(tǒng)的機(jī)械能守恒D. 在空中飛行的炮彈爆炸前后機(jī)械能守恒答案：C4. 如圖所示，某人用平行斜面向下的拉力F將物體沿固定斜面拉下，拉力大小等于摩擦力，則下列說法中正確的是（ ） A物體的機(jī)械能不變 B合外力對物體做功為零C物體做勻速直線運(yùn)動 D物體的機(jī)械能減小答案：A5在下列運(yùn)動過程中，物體機(jī)

15、械能守恒的是（）A核潛艇在海中勻速下潛 B隕石在大氣層加速下落 C神舟飛船在橢園軌道上繞地球運(yùn)行 D動車組在平直鐵軌上加速出站答案：C拓展提高1.直升飛機(jī)下掛一質(zhì)量為10Kg的重物，以v0=10m/s勻速上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)離地高h(yuǎn)=175m處時，懸掛重物的繩子突然斷裂，求：從繩子斷裂開始，重物經(jīng)_落到地面，重物落地時的機(jī)械能為_J（取地面為零勢能面，空氣阻力不計，g取10m/s2）答案： 7s； 180002.下列物體中，機(jī)械能守恒的是( )A做平拋運(yùn)動的物體 B被勻速吊起的集裝箱 C光滑曲面上自由運(yùn)動的物體 D以4g /5的加速度豎直向上做勻減速運(yùn)動的物體答案： AC學(xué)生閱讀課文思考討論學(xué)生思考討

16、論學(xué)生觀察單擺的運(yùn)動說出它的能量轉(zhuǎn)化學(xué)生觀察彈黃以及小球的運(yùn)動，說出它的能量轉(zhuǎn)化學(xué)生練習(xí)學(xué)生思考討論回答由學(xué)生推導(dǎo)、分析：物體沿光滑斜面或光滑曲面下滑時，受重力和支持力作用，支持不做功，只有重力做功在老師的引導(dǎo)下學(xué)生推導(dǎo)學(xué)生思考討論并推導(dǎo)思考討論：如何理解只有重力做功？學(xué)生總結(jié)機(jī)械能守恒的條件引導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)此題的解題要點(diǎn)、步驟。學(xué)生總結(jié)解題步驟學(xué)生練習(xí)鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和語言表達(dá)能力了解伽利略的運(yùn)動的描述和引入能量的必要性理解重力勢能與動能能相互轉(zhuǎn)化理解彈性勢能與動能能相互轉(zhuǎn)化幫助學(xué)生理解彈性勢能和動能的轉(zhuǎn)化理解能量之間的轉(zhuǎn)化，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力了解做功條件，為下面的推導(dǎo)打下基礎(chǔ)得出動能和勢能之和即總的機(jī)械能保持不變。鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力，驗證重力做負(fù)功時動能和勢能之和即總的機(jī)械能仍保持不變讓學(xué)生進(jìn)一步理解只有重力做功的含義理解掌握機(jī)械能守恒的條件讓學(xué)生體會機(jī)械能守恒定律不涉及運(yùn)動過程中的加速度、時間及速度方向，用它處理問題要比牛頓定律方便。了解利用機(jī)械能守恒解題的一般思路鞏固本節(jié)知識課堂小結(jié)1.機(jī)械能重力勢能、彈性勢能與動能統(tǒng)稱為機(jī)械能。2.機(jī)械能守恒定律內(nèi)容在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能和勢能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能的總量保持不變。3