高中物理必修二教案-7.1追寻守恒量——能量7-人教版

教学设计方案
课题：追寻守恒量）
教学设计思路：
本节教学从惯性的概念入手，目的是想引出自然规律的简洁性；提出生活中几个守恒的例子，指出在自然界中普遍存在着“不变量”，并举牛顿提出万有引力定律的例子，鼓励学生努力去追求自然规律的简洁和统一。

新课教学过程中，没有首先举伽利略的理想斜面实验，主要考虑的是该试验可操作性不强，缺乏给学生的直观感受，取而代之的是用单摆的试验，单摆受空气阻力的影响较小，且学生较易排除阻力影响得出无阻力时的运动结论，适合探究。

为了让学生真正了解某些运动过程中存在守恒关系，我们引导学生定量分析了自由落体运动，平抛运动、伽利略理想斜面实验，最终推断单摆试验中也会存在此关系，举多个例子目的主要还是反应着自然规律的统一性，运动形式不同，但都有守恒量的存在，同时也是对牛顿运动定律应用的再次巩固。

在学生探究过程中，注意培养学生探究方法的灵活应用，如类比法、由浅入深的方法，微元法等，对类似的更简单的个例进行分析，有助与我们探究复杂问题时能更具方向性，让学生体会面对一个问题我们可从何入手进行探究。

当然对单摆运动中存在的守恒关系式，让学生设计实验具体验证，并不是本节教学所着重关注内容，只是稍带而过，留在本章后续内容继续研究。

在本节教学最后，给学生一个反思的机会，我们确实能通过某些运动过程的分析得出能量的概念，但这个思考是否绝对正确，思考中还有哪些不足之处，目的是培养学生批判性的了解新理论的一种素养，并让学生知道为了完善新的理论，我们可以从我们遇到的问题中不断修正，不断完善，不断丰富。

教学目标：
1.加强学生对自然规律追求简洁和统一的思想性教育。

2.领会寻找守恒量的科学思想方法。

3.了解势能、动能概念。

4.会定性分析生活中有关机械能的转化的问题。

教学重点：
1.领会寻找守恒量的科学思想方法。

2.了解势能、动能概念。

教学难点：
1.领会寻找守恒量的科学思想方法。

2.培养学生追求自然规律简洁统一的热情。

教学资源：
单摆“机械能守恒.swf”的flash影片来自于网络
教学流程图：
教学过程：
（一）新课引入：
惯性是什么？
生：……
物体总有保持原来运动状态的性质。

相比于不变，变化总是略显复杂的，既然物体自身具有保持原有物理量不变的性质，我们可以理解为物体对自身的追求也是愿意更简单一点，自然规律有其简单的一面。

变化总是会发生的，变化中是否有着简单的不变的一面呢？生活中有没有“变中不变”的情况？
生：……
生活中有很多变化过程中，依然有着不变的关系，如水的物态变化中质量守恒，摩擦起电过程中，电量守恒。

那这样守恒规律是否统一着整个自然界呢？
追求自然规律的简洁统一，前人已经给我们树立了很多的榜样，如同学们较为熟悉的牛顿万有引力定律的提出，他思考过地球对地表附近的物体的吸引力，思考过天体之间的吸引力，为了追求两者的统一，经过科学的研究，提出了万有引力定律，并最终由实践检验证明之。

为航天事业的发展提供了理论指导。

还有麦克斯韦的电磁波理论，爱因斯坦的相对论等。

在我们物理运动学中是否也有着某种守恒量呢？
同学们，对自然规律追求简洁和统一，你们有这样的热情和信念吗？今天我们就本着如此的热情和信念，来试着找寻运动学中的守恒量。

（二）新课教学：
观察现象
学生实验：观察单摆的运动。

请大家谈谈自己对单摆运动的观察结果。

生：…………
小结：单摆运动过程中，摆球运动的高度位置越低，速度越大；忽略空气阻力，将摆球从某一高度位置静止释放，摆球最终会摆到和原来同一高度的位置上。

此处摆球的高度和速度似乎保持着此消彼涨的现象。

你觉得速度和高度之间可能有怎样的关系？
生：…………
理论分析辅助猜想
如果有合理的理论指导，将会帮我们更准确，更有方向的去验证我们的猜测。

但此处单摆的运动过程中比较复杂，且不易直接入手理论研究，怎么办？
生：…………
（建议同学找寻与此类似的简单的运动过程，从中找出一点启示。

）
结合我们所学过的运动学知识，还有类似与此的运动过程吗？即物体运动过程中高度和速度之间发生着相应的变化。

（自由落体运动、平抛运动等……）
那我们就先拿自由落体运动来分析分析，速度和高度之间的关系。

可视为质点的小球自由落体运动，途径1、2两位置，设位置1处，小球的速度大小为1v ，离地高度为1h ，设位置2处，小球的速度大小为2v ，离地高度为2h ，试找寻高度与速度之间的关系。

（学生得：2221122v v h h g
--= 引导其找寻守恒关系式得：22121222v v h h g g +=+）
平抛运动过程中是否也有此类守恒关系。

可视为质点的小球以0v 的初速度做平抛运动，途径1、2
两位置，设位置1处，小球的速度大小为1v ，离地高度为1h ，
设位置2处，小球的速度大小为2v ，离地高度为2h ，试找寻
高度与速度之间的关系。

（学生得：2212212()g h h v v -=- 引导其找寻守恒关系式得：22121222v v h h g g
+=+）
伽利略的理想斜面实验与我们的单摆运动有一点接近，此实验当中是否也有此关系？
可视为质点的小球从某一高度静止释放，途径1、2两位置，设位置1处，小球的速度大小为1v ，离地高度为1h ，设位置2处，小球的速度大小为2v ，离地高度为2h ，试找寻高度与速度之间的关系。

（学生得： 2221122v v h h g
--=
1
2
引导其找寻守恒关系式得：22121222v v h h g g
+=+） 根据理论分析提出相应猜想
如何让理想斜面试验与我们的摆球运动更接近呢？
生：……
如果将理想斜面的直面改成光滑圆弧面，守恒关系还存在吗？
由自由落体运动到平抛运动，一个是直线运动，一个是曲线运动，在受力情况相同时，直线变为曲线运动后，运动过程中守恒的物理量还存在。

理想斜面试验中也有此守恒量，此时物体受到重力和始终与速度方向垂直的弹力，如果将物由原来的直线运动变为曲线运动，而小球依然受到是重力和始终垂直与速度方向的弹力，所以我们没有理由不相信此时守恒关系很可能依然存在。

理想斜面的直面改成光滑圆弧面后，其实和单摆的模型应该相同，所以现在我们可以大胆猜想单摆的运动过程中也有此类守恒关系？你怎样证明？
生：……
证明猜想假设
设计实验检验证明：
我们可以用试验来验证，具体设计我们在本章后续内容再一起探究。

理论证明： 小球在如图所示的一光滑斜面上运动过程中,途径1、2、3两位置，1、
3位置中是否还存在上述所述的高度和速度的关系呢？
既然存在上述关系，我们可以采取极限的方法，将单摆运动过程中的
圆轨迹无限分隔成无穷多的直线，“划曲为直”，从理论上验证之。

上述几个运动过程中，总是存在着一个守恒量，有时候它完全以与高度有关的形式出现，有时候以与速度和高度都有关的形式出现，也就是说这个物理量可以出现不同的表现形式，就如一定质量的水一样，可以是固态，也可以是液态，还可以是气态，我们将这个守恒量取名为“能量”。

就像水一样，不同形态之间，在一定条件下可以相互转换，不同形式的能量之间存在着相互转换，根据其表现形式的不同，我们可以将其进行相应的分类，分别冠以不同的名称。

势能：相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫做势能。

动能：物体由于运动而具有的能量叫做动能。

机械能：物体势能与动能的总和。

你能用能量的观点解释摆球的运动吗？
生：……
（忽略空气阻力，整个过程总能量守恒，从高到底，摆球的势能不断向动能转化，所以速度越来越大，在同一高度摆球具有相同的势能，必定具有相同的动能，所以小球速度为零时，小球一定回到原来的高度位置上。

）
课堂总结：
今天我们通过几个运动学个案的探究，从中找出了一种守恒量——能量，我们能用能量守恒理论初步对某些运动情况定性的加以解释。

当然我们更希望能用这种理论解释整个自然规律，届时我们会发现自然规律会显得那么的和谐统一。

这种理论只能单纯的解释个别现象是远远不够的，我们的探究过程还有很多不够缜密的地方，还有很多现象不大明朗，你认为还有什么问题？
生：……
诸如运动的物体在水平面上受摩擦力的作用而逐渐停止，它的动能又跑到哪儿去了？能量变化涉及到了力的作用，怎样的力可以使能量发生变化？各种形式的具体能量的表达式大小会是怎样的呢？我们的运动学中的能量守恒在什么条件下才会存在？……
我们需要不断丰富这种理论，这种理论如何升华到对运动定量的解释，如何扩展到解释更多的运动现象，乃至跟多的自然现象，需要大家更多的探究和完善。

（三）作业布置：
书本第52页“问题与练习”。

教后反思：
可取之处：
课题引入从已有的非常熟悉的自然规律“惯性”入手，选取的是一种与以前迥然不同的角度，对变与不变的，对统一性的谈论，很能引起学生的兴趣与共鸣，引入效果良好。

对学生的情感与态度的教学目标的实现较好。

学生摆球运动过程试验感受中，摆球来回一次摆动时间相对较短，学生对高度越低、摆球速度越快的直观感受不强，通过多媒体软件进行视频逐帧回放，前后对比，非常有效的增强了实验说服效果。

从自由落体运动动过渡到平抛运动，两者共同存在着守恒关系，以此为例，进行类比，让学生从伽利略理想斜面试验过渡到摆球运动试验，也能联想到两者会有共同的守恒关系，这种类比迁移，学生掌握度，认可度较好。

不足之处：
提出如何对摆求运动中定量分析速度与高度之间的问题后，学生有点一无所措，无法直接联想，或不敢联想到更为简单的运动，而由教师引导，与预想效果有所偏差。

整个教学过程虽然能够完成，但设计的时间似乎有点紧张，在学生应用微元法分析摆球运动过程中，学生自行分析过程过少，少了一点学生的主体意识。

对最后探究过程的总结分析时，学生不能顺利的提出在探究过程中还有哪些欠缺的问题，由老师直接提出，觉得没有必要，其实可以让学生课后再自行思考。

改进思考：
在教学过程中需对学生分析处理复杂物理问题时的研究方法，应该着重加强指导，让学生善于从类比中寻求研究方法、方向。

学生的思考空间理应充分的还给学生，关注学生的主题意识，总结分析的思考完全可以让学生课后探索。