【同步備課】2020年高中物理教學設計(新人教必修二)7.7《動能和動能定理》3

7動能和動能定理整體設計動能定理是本章教學重點，也是整個力學的重點，《課程標準》要求“探究恒力做功與物體動能變化的關系.理解動能和動能定理，用動能定理解釋生活和生產中的現(xiàn)象”.因此，在實際教學中要留意全體同學的進展，轉變學科本位的觀念，留意科學探究，提倡學習方式的多樣化、強調過程和方法的學習，以培育同學的“創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和實踐力量”為根本動身點，激勵同學“在教學過程中的主動學習和探究精神”，調動同學學習的主動性、樂觀性，促進其共性全面健康地進展和情感態(tài)度與價值觀的自我體現(xiàn).在實際學習中同學對動能概念的理解較為簡潔，能夠把握外力對物體做的功與物體動能的變化之間的定性關系，能夠理論推導它們之間的定量關系，但真正從深層次理解存在困難.在前幾節(jié)的學習中，同學已經建立了一種生疏，那就是某個力對物體做功肯定對應著某種能量形式的變化.本節(jié)就來查找動能的表達式.由于有前幾節(jié)的基礎，本節(jié)可以放手讓同學自己去推理和定義動能的表達式.讓同學經過感性生疏到理性生疏的過程，教學的起始要求不能太高，要循序漸進，從生活中眾多實例動身，通過分析、感受真正體驗動能定理的內涵.通過實例分析、試驗設計、器材選擇、動手操作、老師演示等環(huán)節(jié)，讓每一位同學都樂觀參與課堂教學，每一位同學都能享受成功的喜悅.動能定理是一條適用范圍很廣的物理定理，但教材在推導這肯定理時，由一個恒力做功使物體的動能變化，得出力在一個過程中所做的功等于物體在這個過程中動能的變化.然后逐步擴大幾個力做功和變力做功及物體做曲線運動的狀況.這個梯度是很大的,為了掛念同學真正理解動能定理，老師可以設置一些具體的問題，讓同學查找物體動能的變化與哪些力做功相對應.教學重點理解動能的概念；會用動能的定義式進行計算.教學難點1.探究功與物體速度變化的關系,知道動能定理的適用范圍.2.會推導動能定理的表達式.課時支配1課時三維目標學問與技能1.理解動能的概念.2.嫻熟計算物體的動能.3.會用動能定理解決力學問題，把握用動能定理解題的一般步驟.過程與方法1.運用演繹推導方式推導動能定理的表達式，體會科學探究的方法.2.理論聯(lián)系實際，學習運用動能定理分析解決問題的方法.情感態(tài)度與價值觀1.通過演繹推理的過程，培育對科學爭辯的愛好.2.通過對動能和動能定理的演繹推理，使同學從中領會到物理等自然學科中所蘊含的嚴謹?shù)囊?guī)律關系，反映了自然界的真實美.教學過程導入新課視頻導入利用大屏幕投影呈現(xiàn)風力發(fā)電與龍卷風的視頻片斷，讓同學觀看、自主提問、分組探討.老師引導參考問題：1.風力發(fā)電是一種重要的節(jié)能方法，風力發(fā)電的效率與哪些因素有關？2.龍卷風給人類帶來了極大的災難，龍卷風為什么具有那么大的能量呢？故事導入傳奇早在古希臘時期(公元前200多年)阿基米德曾經利用杠桿原理設計了投石機，它能將石塊不斷拋向空中，利用石塊墜落時的動能，打得敵軍頭破血流.同學們思考一下，為了提高這種裝置的殺傷力，應當從哪方面考慮來進一步改進？學習了本節(jié)動能和動能定理，就能夠理解這種裝置的應用原理.問題導入英國傳統(tǒng)跑車的代表品牌蓮花也是以制造小排量、車體極度輕量化的速度機器而著稱.一輛蓮花Elise,排量只有1.8L，由于重量只有675kg，卻可以制造出百公里加速5.9s的驚人紀錄.使蓮花跑車速度達到100km/h需要對它做多少功？假如這一過程是以恒定的額定功率實現(xiàn)的，那么該車發(fā)動機的額定功率大約應是多少？推動新課一、動能的表達式功是能量轉化的量度，每一種力做功對應一種能量形式的變化.重力做功對應于重力勢能的變化，彈簧彈力做功對應于彈簧彈性勢能的變化，前幾節(jié)我們學習了重力勢能的基本內容.“追尋守恒量”中，已經知道物體由于運動而具有的能叫做動能，大家舉例說明哪些物體具有動能.參案：奔馳的汽車、滾動的足球、搖擺的樹枝、投出的籃球等運動的物體都具有動能.老師引導：重力勢能的影響因素有物體的質量和高度，今日我們學習的動能影響因素有哪些？通過問題啟發(fā)同學探究動能的影響因素.同學思考后總結：汽車運動得越快，具有的能量越多，應當與物體的速度有關;相同的速度，載重貨車具有的能量要比小汽車具有的能量多，應當與物體的質量有關.即動能的影響因素應當是物體的質量和速度.問題：如何驗證物體的動能與物體的質量和速度的關系？演示試驗：讓滑塊A從光滑的導軌上滑下，與木塊B相碰，推動木塊做功.1.讓同一滑塊從不同的高度滑下，可以看到：高度大時滑塊把木塊推得遠，對木塊做的功多.2.讓質量不同的木塊從同一高度滑下，可以看到：質量大的滑塊把木塊推得遠，對木塊做的功多.師生總結：物體的質量越大，速度越大，它的動能就越大.即質量、速度是動能的兩個影響因素.問題：動能到底跟質量和速度有什么定量的關系呢？動能的表達式是怎樣的？情景設置一：大屏幕投影問題一架飛機在牽引力的作用下（不計阻力），在起飛跑道上加速運動，速度越來越大，問：1.飛機的動能如何變化？為什么？2.飛機的動能變化的緣由是什么？3.牽引力對飛機所做的功與飛機動能的變化之間有什么關系？同學爭辯并總結回答：1.在起飛過程中，飛機的動能越來越大，由于飛機的速度在不斷增大.2.由于牽引力對飛機做功，導致飛機的動能不斷增大.3.據功能關系：牽引力做了多少功，飛機的動能就增大多少.由于牽引力所做的功和動能變化之間的等量關系，我們可以依據做功的多少，來定量地確定動能.情景設置二：大屏幕投影問題，可設計如下抱負化的過程模型:設某物體的質量為m，在與運動方向相同的恒力F的作用下發(fā)生一段位移l,速度由v1增加到v2，如圖所示.提出問題：1.力F對物體所做的功是多大？2.物體的加速度是多大？3.物體的初速度、末速度、位移之間有什么關系？4.結合上述三式你能綜合推導得到什么樣的式子？推導：這個過程中，力F所做的功為W=Fl依據牛頓其次定律F=ma而=2al,即l=把F、l的表達式代入W=Fl,可得F做的功W=也就是W=依據推導過程老師重點提示：1.mv2是一個新的物理量.2.是物體末狀態(tài)的一個物理量，是物體初狀態(tài)的一個物理量,其差值正好等于合力對物體做的功.合力F所做的功等于這個物理量的變化，所以在物理學中就用這個物理量表示物體的動能.總結：1.物體的動能等于物體質量與物體速度的二次方的乘積的一半.2.動能的公式：Ek=mv2.3.動能的標矢性：標量.4.動能的單位：焦（J）.老師引導同學分析動能具有瞬時性，是個狀態(tài)量：對應一個物體的質量和速度就有一個動能的值.引導同學學會從試驗現(xiàn)象中思考分析，最終總結歸納出結論.同時留意試驗方法——把握變量法.例質量為2kg的石塊做自由落體運動，求石塊在第1s末、第2s末的動能是多少？解析：先求出第1s末和第2s末的速度再求出動能值，明確變速運動的物體動能是時刻變化的.v1=gt1=10×1m/s=10m/s,v2=gt2=10×2m/s=20m/sEk1=mv12=100J,Ek2=mv22=400J.答案：100J400J或者先求出石塊1s內和2s內的位移，再確定重力做功的對應值，重力做功的值就是石塊動能的增加量，即石塊的動能值（由于石塊的初動能為0）,從而進一步理解功是能量轉化的量度.二、動能定理課件呈現(xiàn)：通過大屏幕投影呈現(xiàn)足球運動員踢球的場面，讓同學觀看，運動員用力將足球踢出，足球獲得了動能；足球在草地上由于受到了阻力的作用，速度越來越小，動能越來越小.問題：1.若外力對物體做功，該物體的動能總會增加嗎？2.假如物體對外做功，該物體的動能總會削減嗎？做功與動能的轉變之間到底有什么關系呢？推導：將剛才推導動能公式的例子改動一下：假設物體原來就具有速度v1，且水平面存在摩擦力f，在外力F作用下，經過一段位移s，速度達到v2，如圖，則此過程中，外力做功與動能間又存在什么關系呢？外力F做功：W1=Fs摩擦力f做功：W2=-fs外力做的總功為:W總=Fs-fs=ma·=Ek2-Ek1=ΔEk.師生總結：外力對物體做的總功等于物體在這一運動過程中動能的增量.其中F與物體運動同向，它做的功使物體動能增大；f與物體運動反向，它做的功使物體動能削減.它們共同作用的結果，導致了物體動能的變化.同學依據課本供應的問題情景，運用牛頓其次定律和運動學公式獨立推導出外力做功與物體動能變化的關系.思維拓展將上述問題再推廣一步：若物體同時受幾個方向任意的外力作用，狀況又如何呢？引導同學推導出正確結論并板書:力在一個過程中對物體所做的功,等于物體在這個過程中動能的變化，這個結論叫動能定理.用W總表示外力對物體做的總功，用Ek1表示物體初態(tài)的動能，用Ek2表示末態(tài)動能，則動能定理表示為：W總=Ek2-Ek1=ΔEk.分組爭辯：依據動能定理的表達形式，提出下列問題，加強對動能定理表達式的理解:1.當合力對物體做正功時，物體動能如何變化？2.當合力對物體做負功時，物體動能如何變化？同學總結分析：1.當合力對物體做正功時，末動能大于初動能，動能增加.2.當合力對物體做負功時，末動能小于初動能，動能削減.學問拓展1.外力對物體做的總功的理解有的力促進物體運動，而有的力則阻礙物體運動.因此它們做的功就有正、負之分，總功指的是各外力做功的代數(shù)和；又由于W總=W1+W2+……=F1·s+F2·s+……=F合·s，所以總功也可理解為合外力的功.2.對動能定理標量性的生疏定理中各項均為標量，因此單純速度方向轉變不影響動能大小.如勻速圓周運動過程中，合外力方向指向圓心，與位移方向始終保持垂直，所以合外力做功為零，動能變化亦為零，并不因速度方向轉變而轉變.3.對定理中“變化”一詞的理解由于外力做功可正、可負，因此物體在一運動過程中動能可增加，也可能削減.因而定理中“變化”一詞，并不表示動能肯定增大，它的精確?????含義為末態(tài)與初態(tài)的動能差，或稱為“轉變量”,數(shù)值可正，可負.4.對狀態(tài)與過程關系的理解功是伴隨一個物理過程而產生的，是過程量；而動能是狀態(tài)量.動能定理表示了過程量等于狀態(tài)量的轉變量的關系.5.對適用條件的理解：動能定理的表達式是在物體受恒力作用且做直線運動的狀況下得出的，但對于外力是變力，物體做曲線運動的狀況同樣適用.例2一架噴氣式飛機，質量m=5.0×103kg，起飛過程中從靜止開頭滑跑.當位移達到l=5.3×102m時，速度達到起飛速度v=解法一：以飛機為爭辯對象，它做勻加速直線運動且受到重力、支持力、牽引力和阻力作用F合=F-kmg=ma①又v2-02=2al,所以a=②由①和②得:F-kmg=F=kmg+=0.02×5×103×10N+5×103×N=1.8×104N.解法二：以飛機為爭辯對象，它受到重力、支持力、牽引力和阻力作用，這四個力做的功分別為WG=0，W支=0，W牽=Fl，W阻=-kmgl.據動能定理得：Fl-kmgl=mv2,代入數(shù)據，解得F=1.8×104N.方法比較：解法一是用牛頓其次定律和勻變速直線運動的公式求解的，而解法二是用動能定理求解的，那么同學們比較一下，這兩種解法有什么區(qū)分呢?同學爭辯比較后得到：解法一接受牛頓運動定律和勻變速直線運動的公式求解，要假定牽引力是恒力，而實際中牽引力不肯定是恒力.解法二接受動能定理求解，由于動能定理適用于變力，用它可以處理牽引力是變力的狀況.而且運用動能定理解題不涉及物體運動過程中的加速度和時間，因此用它來處理問題時比較便利.課堂訓練質量為m的物體靜止在水平桌面上，它與桌面之間的動摩擦因數(shù)為μ，物體在水平力F作用下開頭運動，發(fā)生位移s1時撤去力F，問物體還能運動多遠？解析：爭辯對象：質量為m的物體.爭辯過程：從靜止開頭，先加速，后減速至零.受力分析、過程草圖如圖所示，其中mg（重力）、F（水平外力）、N（彈力）、f（滑動摩擦力），設加速位移為s1，減速位移為s2方法一：可將物體運動分成兩個階段進行求解物體開頭做勻加速運動位移為s1，水平外力F做正功，f做負功，mg、N不做功；初始動能Ek0=0，末動能Ek1=依據動能定理：Fs1-fs1=-0又滑動摩擦力f=μN,N=mg則：Fs1-μmgs1=-0物體在s2段做勻減速運動，f做負功，mg、N不做功；初始動能Ek1=,末動能Ek2=0依據動能定理：-fs2=0-,又滑動摩擦力f=μN,N=mg則：μmgs2=0-即Fs1-μmgs1-μmgs2=0-0s2=.方法二：從靜止開頭加速，然后減速為零,對全過程進行求解.設加速位移為s1,減速位移為s2；水平外力F在s1段做正功，滑動摩擦力f在（s1+s2）段做負功，mg、N不做功；初始動能Ek0=0，末動能Ek=0在豎直方向上:N-mg=0滑動摩擦力f=μN依據動能定理：Fs1-μmg（s1+s2）=0-0得s2=.方法總結：在用動能定理解題時，假如物體在某個運動過程中包含有幾個運動性質不同的分過程，此時可分段爭辯，也可整體爭辯；在整體爭辯時，要留意各分力做功所對應的位移.動能定理解題的方法和步驟：(1)確定爭辯對象；(2)分析物體的受力狀況，明確各個力是否做功，做正功還是做負功，進而明確合外力的功;(3)明確物體在始末狀態(tài)的動能;(4)依據動能定理列方程求解.課堂小結本節(jié)課主要學習了：1.物體由于運動而具有的能叫動能，動能可用Ek來表示，物體的動能等于物體的質量與物體速度的二次方的乘積的一半.2.動能是標量，也是狀態(tài)量.3.動能定理是依據牛頓其次定律和運動學公式推導出來的.4.動能定理中所說的外力，既可以是重力、彈力、摩擦力,也可以是任何其他的力，動能定理中的W是指全部作用在物體上的外力的合力的功.5.動能定理的表達式是在物體受恒力作用且做直線運動的狀況下得出的，但對于外力是變力，物體做曲線運動的狀況同樣適用.布置作業(yè)教材“問題與練習”第3、4、5題.板書設計7動能和動能定理活動與探究課題：估測自行車受到的阻力目的：自行車仍是我國主要的代步工具，依據動能定理估測自行車行駛過程中所受阻力，既加強對基礎學問的理解，又可以使同學形成學以致用的思想.方法：騎自行車時，假如停止用力蹬腳蹬，設此時自行車的速度為v0，由于受到阻力f作用，自行車前進一段距離l后將會停下來，依據動能定理，有-fl=0即阻力f=試驗中需測出人停止用力后自行車前進的距離l，自行車和人的總質量m，以及初速度v0.初速度可以通過以下三種方法測得：1.在停止用力前，盡可能使自行車做勻速直線運動，通過測量時間和距離，計算出平均速度，以它作為停止用力時的初速度.2.測出自行車從停止用力到靜止時前進的距離和時間，再依據勻減速運動的規(guī)律，求出初速度.3.停止用力時從車上釋放一個小石塊，測出釋放的高度和石塊在水平方向通過的距離，即可求得初速度.習題詳解1.解答：a.動能是原來的4倍.b.動能是原來的2倍.c.動能是原來的8倍.d.動能不變.2.解答：由動能定理W=Ek2-Ek1=m()可知，在題目所述的兩種狀況下，()較大的，需要做的功較多.速度由10km/h加速到20km/h的狀況下：()=（202-102）（km/s）2=300（km/s）2速度