机械能守恒定律教学设计

《机械能守恒定律》教学设计
【课题】机械能守恒定律
【课型】新授课
【课标解读】
普通高中物理课程标准要求:通过实验,验证机械能守恒定律．理解机械能守恒定律．用机械能守恒定律分析有关问题．
关键词是:实验、理解、分析问题．关于验证机械能守恒定律的验证过程可以放在下一课时进行．所以本节课在引入、实验探究、理论探究和实际应用等各环节都要充分利用生产和生活中的问题．为了让学生理解机械能守恒定律，要充分发挥学生的自主能动性，让学生自主推导定律，并总结出机械能守恒定律的条件，然后进行巩固练习．
【高考考试说明】Ⅱ级要求
【学情分析】
通过初中的学习学生已经知道什么叫机械能，机械能的构成因素．通过前几节内容的学习，学生在此前已经历了探究守恒量，重力势能的概念和弹性势能的表达式的学习，学生知道了重力做功会引起重力势能的变化，弹簧的弹力做功将使弹性势能发生变化，合外力的功将引起物体动能的变化．学生对于初中阶段学过的一些定性的东西逐渐找到了定量方面的联系，对功能关系的认识加深了，也萌发了继续探究的兴趣．那么，在动能、重力势能和弹性势能都参与转化的过程中，情况又将如何呢？这是学生急待解决的问题，机械能守恒定律的建立也倒了水到渠成的时候了．
【教材分析】
《机械能守恒定律》是人教版高中物理（必修二）第七章《机械守恒定律能》第八节的内容．本章逻辑结构是：“追寻守恒量”从上位概念是为引入能量概念为目的，从下位概念是揭示机械能守恒，基于学生认知发展顺序，教材采取了不完全归纳的思维体系，第四节到第七节“重力势能”“探究弹性势能的表达式”“实验：探究功与速度的变化关系”“动能和动能定理”是关于功和能关系的具体讨论．重力势能的概念和弹性势能的表达式的学习，学生知道了重力做功会引起重力势能的变化，弹簧的弹力做功将使弹性势能发生变化，合外力的功将引起物体动能的变化．该课节是对前面几节的综合．
机械能守恒定律一节的内容与本章其他各节的内容有紧密的逻辑关系，是全章知识链中重要的一环，机械能守恒定律的探究建立在前面所学知识的基础上，而机械能守恒定律又是普遍的能量守恒定律的一种特殊情况，守恒定律在物理学理论和实际应用中都十分重
要．教学过程回顾已学知识，通过几个具体事例，先明确动能和势能的相互转化关系，引出对机械能守恒定律及守恒条件的理论探究，联系重力势能变化跟重力做功以及弹性势能变化跟弹力做功的关系的知识，由定性分析到定量计算，逐步深入，最后得出结论，并通过应用使学生领会定律在解决实际问题时的优越性．
本节教学内容的重点是通过机械能守恒定律的推导知道机械能守恒定律的内涵，理解机械能守恒定律的条件，学会应用机械能守恒定律解决实际问题；而正确分析物体系统所具有的机械能，判断研究对象在所经历的过程中机械能是否守恒，以及定律的应用是学生学习中的难点．在教学设计时，力图通过生活和生产中的实例，展示相关情景，既激发学生的求知欲，又使学生体会到“物理就在我身边，身边处处有物理’，体现“从生活中学习物理，物理应用于生活”的理念．通过建立物理模型，由浅入深进行探究，让学生领会科学的研究方法，并通过规律的应用巩固知识，初步运用机械能守恒定律解释物理现象，体会自然界中的守恒规律和科学中的守恒思想，体会物理规律对生产和生活实践的作用，领悟运用机械能守恒定律解决问题的优越性，形成科学价值观．
【不同版本比较】
沪科版：必修二第四章《能量守恒与可持续发展》中的第二节《研究机械能守恒定律》，教材先介绍了机械能的概念，通过重锤下落分析论证机械能守恒定律，然后通过两个方案进行实验验证，然后应用机械能守恒定律分析生活中的一些问题．
司南版：必修二第二章《能的转化与守恒》中的第三节《能量守恒定律》，教材先运用实验进行动能和重力势能的转化和守恒关系的探究，再通过自由落体运动进行理论推导，然后进行应用．
人教版：人教版必修二第七章《机械能守恒定律》第八节《机械能守恒定律》，教材先通过生活实例分析了动能和势能的相互转化，再利用小球沿光滑曲面滑下的过程进行理论推导，然后解决一些实际问题．下一节再通过实验验证机械能守恒定律．
与旧教材相比，过去是计算物体自由下落时的能量，从而得知机械能守恒，进而推广到普遍的机械能守恒定律．新教材重视理论联系实际，增加了许多生活中的实例，先定性地分析若干具体事例，猜测动能与势能在变化过程中的定量关系，然后定量计算物体只在重力作用下动能和势能各自的变化情况以及总机械能的不变性，最后得出机械能守恒的定量关系．综上所述，我认为人教版的安排更合理，因为在有理论推导的情况下，无论是探究性实验还是验证性实验，都很难在一个课时完成目标．另外在三个版本的教材中，都对机械能守恒定律的适用条件一带而过，而这恰是本节的难点，所以本节课在理论推导的过程中从不同
情景来得到规律，进而得到适用条件，这对于学生全面理解和应用机械能定都是有利的．【教学目标】
1．通过对生活中一些常见现象的观察与分析进一步明确机械能的各种形式，能够利用动能和势能之间的相互转化来分析一些现象产生的原因．
2．能够利用动能定理和重力做功与重力势能变化间的关系，通过自主与合作相结合的方式推导出机械能守恒定律的表达式，总结出机械能守恒的条件，并能利用精确的语言表述出机械能守恒定律的内容.
3．能够运用机械能守恒定律分析生活中一些常见的物理现象，并能将其转化为简单的物理模型，领悟运用机械能守恒定律解决问题的优越性．
4．通过理论推导和对生活中一些物理现象的分析,进一步体会功是能量转化的量度，能够从机械能有没有和其它形式的能发生相互转化的角度进一步理解机械能守恒．
【教学重点、难点】
1．通过物理现象的分析和机械能守恒定律的推导过程，能理解机械能守恒定律的内容和守恒的条件．
2．会判定具体问题中机械能是否守恒，能运用机械能守恒定律分析一些简单的实际问题．【评价目标】
1．通过课堂引入的视频、演示实验等完成教学目标1；
2．通过实验推导和理论推导的过程完成教学目标2；
3．通过实际应用、目标3评价和课后作业等完成教学目标3；
4．通过单摆的演示实验，理论推导的过程，实际应用、课堂引入、目标4评价等完成教学目标4．
【教学方法】自主思考、合作探究、即时评价．
【教学过程】
【创设情境，导入新课】
【目标1】通过对生活中一些常见现象的观察与分析进一步明确机械能的各种形式，能够利用动能和势能之间的相互转化来分析一些现象产生的原因．
播放世界上最美的瀑布、全球最陡的过山车运动、何雯娜2008年奥运会蹦床决赛等视频,把学生引入相关情景并激发学生的兴趣．上述视频中，能量分别是怎样转化的？
【温故知新】
1．动能定理的内容和表达式是什么？
2．重力所做的功与物体重力势能有什么关系？
3．弹簧的弹力做的功与弹簧弹性势能有什么关系？
4．在能量转化的过程中，功扮演着怎样的角色？
动能、重力势能、弹性势能之间可以相互转化，具有密切的联系，我们把它统称为机械能．动能和势能的转化是否存在某种定量关系？请看下面的实验．
【实验探究】
如图所示的装置，悬挂摆球的铁架台上固定一只水平放置的横杆，实
验时:调整横杆的高度使小球从不同位置摆动，观察小球摆动的情
况．用一把直尺在P点挡住悬线，看看这种情况下小球所能达到的最
大高度．分析：（1）分析小球在摆动过程中受力情况，各力做功情况．
（2）在小球的摆动过程中能量如何转化？
教师总结：实验中小球在摆动过程中通过重力做功，势能与动能互相
转换．
小球下降时：重力做正功，重力势能减少，动能增加；
小球上升时：重力做负功，重力势能增加，动能减少．
【设问】小球摆动过程中总能回到原来高度，好像“记得”自己原来的高度，说明什么?
说明在摆动过程中有一个物理量是保持不变的，是什么呢？重力势能与动能的总和保持不变，也就是机械能保持不变．要想实现这一不变，前提条件是什么？
下面我们从理论上研究一下，生活中很多的物理情景在忽略一些次要因素的时候，都可以简化为我们熟悉的物理模型．比如下落的物体在忽略空气阻力时可以简化成自由落体运动，高空滑雪运动员在飞翔时可以简化成平抛运动，滑雪运动员在倾斜的赛道上比赛时可以简化成沿光滑斜面的运动，极限运动员在U型赛道上比赛时可以简化成沿光滑曲面下滑的运动，还有在弹簧的作用下小球的运动也可以简化成如下运动．下面请大家根据学案中提供的物理情景以及简化的模型，完成学案表格中的问题．
【理论探究】
【目标2】能够利用动能定理和重力做功与重力势能变化间的关系，通过自主与合作相结合的方式推导出机械能守恒定律的表达式，总结出机械能守恒的条件，并能利用精确的语言表述出机械能守恒定律的内容.
1．创设情景，任意选两个位置，让学生分析受力和运动情况，机械能及相互转化情况,然后完成学案中的表格，请把过程写在表格中．
h 1 h 2 A B v 1 v 2 （全班分成5个大组，每个小组完成一个情景）
由动能定理得到，A 到B 过程中外力做
功与动能改变的关系
A 到
B 过程中，重力做功与重力势能改
变的关系
W G ＝ 由上述两式得到关系式
始、末状态机械能
（以地面作为零势能参考面）
A 处机械能表达式
B 处机械能表达式 E A ＝ E B ＝ A 、B 两处机械能的关系
结论
情景1.一个自由下落的物体，由A 位置运动到B 位置,可以得到以下能量
关系:
情景2. 滑雪运动员腾空飞跃建立模型：一个做平抛运动的物体，由A 位置运动到B 位置,可以得到以下能量关系:
情景3. 滑雪运动员在倾斜赛道上的运动建立模型：一个沿光滑斜面下滑的物体，由A 位置运动到B 位置,可以得到以下能量关系:
情景 4. U 型υ0 h 1
υ1 υ2
h 2 m A B h1 h2
赛道上运动员的运动建立模型：一个沿光滑曲面下滑的物体，由A 位置运动到B 位置,可以得到以下能量关系:
情景5.在光滑的杆上运动的物体，由A 位置运动到B 位置, 可以
得到以下能量关系:
2．根据学案表格，引导学生研究合外力做功与动能变化之间的关系 对于情景1、2，物体由于只受重力，所以21222121mv mv W G -=
，根据重力做功跟重力势能的关系，21mgh mgh W G -=，所以2122212121mv mv mgh mgh -=-，移项后得到1212222121mgh mv mgh mv +=+（1），由此得到A 、B 两处机械能相等．
对于情景3、4，虽然物体受到重力和弹力两个力，但由于弹力不做功，所以得到跟情景1、2相同的结论．
对于情景5，物体虽然受到重力、支持力和弹簧施加的弹力，但只有弹簧的弹力做功，所以得到跟前面相同的结论．
【实验验证情景5】请大家观察气垫导轨上小球的运动过程，小球好像 “记得”自己每次的初始位置．
3．引导学生得出机械能守恒的条件
只有重力或弹力做功的物体系统
【目标2评价】在下列的物理过程中，小球的机械能守恒的有（均不计空气阻力）.
A ．小球在水中匀速下落
l 0 C
A B △x 1 △x 2 v 2 v 1 h 1h 2v 2
v 1A B
B．沿水平方向抛出一颗小球
C．用细绳拴着一个小球，使小球在竖直面内做圆周运动
D．在光滑水平面上运动的小球碰到一个弹簧，把弹簧压缩后，又被弹回来
【目标4评价】通过理论推导和对生活中一些物理现象的分析,进一步体会功是能量转化的量度，能够从机械能有没有和其它形式的能发生相互转化的角度进一步理解机械能守恒．伽利略在他的理想实验中认为,在没有摩
擦阻力的情况下,小球从斜面的一定高度滚下,
必然在一个对接的斜面上冲到同样地高度,且
不因这个斜面的倾角变化而变化,如图所示,
你能用功能转化以及守恒的观点来解释伽利
略的想法吗?
4．学生总结概括
在只有重力做功或弹力做功的物体系统内,动能与势能发生相互转化,而总的机械能保持不变．（板书：机械能守恒定律的内容、表达式、使用条件．）
（1）内容：在只有重力或(弹簧)弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变．
（2）表达式：E K1＋E P1＝E k2＋E P2
E1=E2
（3）适用条件：只有重力做功或弹力做功的物体系统.
【实际应用】（板书）
【目标３评价】能够运用机械能守恒定律分析生活中一些常见的物理现象，并能将其转化为简单的物理模型，领悟运用机械能守恒定律解决问题的优越性．
分析荡秋千运动，思考下列问题:
（1）如果人坐在秋千板上不动，秋千摆动的幅度越来越小，秋千和人组成的系统机械能守恒吗?为什么?如果不守恒，机械能转化为什么形式的能量了？机械能守恒的实质是什么？（2）人坐在秋千板上不动而自由摆动的过程中，如果阻力可以忽略，秋千和人组成的系统机械能守恒吗? 为什么?动能的变化量的绝对值与重力势能的变化量的绝对值有什么关系？若把人看成质点，我们可以把这个情景简化成怎样的物理模型？
（3）在（2）中所描述的情景中，设秋千的绳长为l ，最大偏角为θ，人运动到最低位置时的速度是多大，请根据机械能守恒定律，尝试计算一下．
学生总结：应用机械能守恒定律，只需要考虑运动的初状态和末状态，不必考虑两个状态间过程的细节．
（4）请总结一下应用机械能守恒定律解决问题的基本步骤.（板书）
①明确研究对象
②对研究对象做受力分析，判断机械能是否守恒.
③选定参考平面，确定物体在始、末状态的机械能.
④根据机械能守恒定律列方程求解.
【课后作业】
【目标3评价】
1．下列关于机械能是否守恒的叙述正确的是（ ）
A ．被吊车匀速吊起的物体机械能守恒
B ．做匀变速直线运动的物体的机械能可能守恒
C ．合外力对物体做功为零时机机械能守恒
D ．只有重力对物体做功，物体的机械能一定守恒
2．质量为10kg 的物体，从20m 高处自由落下，运用已经学过的知识，把下表填好．g 取10m/s 2 物体所 在位置
动能E K （J ）
重力势能E P （J ） 动能与重力势能的和（E K +E P ）（J ） A
0 2000 B
1500 2000 C
2000 2000 3．如图所示，把一块质量是0．5kg 的石头，从20m 高处的山崖上以30°角斜向上方抛出，初速度是5．0m ／s ．不计空气阻力．
C
B 520A
（1）石头落地时速度是多大？请用机械能守恒定律和动能定理分别讨论．
（2）石块落地时速度的大小与下列哪些因素有关？（）
A．石块的质量 B．石块初速度的大小
C．石块初速度的仰角 D．石块抛出时的高度
4.质量为m的小球从一定高处自由落下，落到直立的下端固定的弹簧上，请思考：
（1）系统中涉及几种形式的能量？
（2）小球受到哪些力？这些力对小球做功了吗？
（3）系统的机械能守恒吗？
（4）小球运动过程中能量守恒吗？
【板书设计】
第八节机械能守恒定律
一、机械能守恒定律
1.内容
2.表达式
3.适用条件
二、实际应用
1.分析荡秋千运动
2.基本步骤
【延伸阅读】机械能守恒定律发现的过程
1755年至1807年间，瑞士物理学家欧拉提出了与速度和重力有关的“力函数”、“速度势”概念，法国物理学家拉格朗日则给出了“重力势函数”；1807年英国著名物理学家托马斯·杨在《自然哲学与机械技术》讲义中，最先提出了能量的概念，指出产生运动需要的功等于“物体的质量和速度的二次方积”；1829年，法国物理学家科里奥利建议将托马斯·杨提出的“能量”乘以1/2，称为动能，这很快得到了公认；同年，物理学家庞斯莱明确提出了动能定理．
1834年至1835年间，爱尔兰数学物理学家哈密顿提出了哈密顿原理，阐明了保守力场中动能和势能的转化及它们的总和保持不变．这就是机械能转化与守恒定律．
早在力学初步形成时，就已经有了能量守恒的萌芽，例如，伽利略研究斜面问题和摆的运动，斯梯芬(Stevin，1548—1620)研究杠杆原理，惠更斯研究完全弹性碰撞等都涉及能量守恒问题．17世纪法国哲学家笛卡儿已经明确提出了运动不灭的思想．以后德国哲学家莱布尼兹(Leibniz，1646—1716)引进活力(Visviva)的概念，首先提出活力守恒原理，他认为用mv2度量的活力在力学过程中是守恒的，宇宙间的“活力”的总和是守恒的．D．伯努利(DanielBernoulli，1700—1782)的流体运动方程实际上就是流体运动中的机械能守恒定律．1801年，戴维发现电流的化学效应；1820年奥斯特发现了电流的磁效应；1821年，塞贝克发现了温差电现象；至19世纪20年代，力学的理论著作强调“功”的概念，把它定义成力对距离的积分，并澄清了它和“活力”概念之间的数学关系，提供了一种机械“能”的度量，这为能量转换建立了定量基础．1831年，法拉第发现了电磁感应现象；1835年哈密顿(W．R．Hamilton，1805—1865)发表了《论动力学的普遍方法》一文，提出了哈密顿原理．至此能量守恒定律及其应用已经成为力学中的基本内容．1840年，焦耳发现了电流的热效应；1842年，迈尔表述了能量守恒定律，并计算了热功当量的数值，建立了力与热的联系；1843年，焦耳测定了热功当量的数值，确立了力与热的联系；1847年，亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律．通过大量是实验，到1847年，已经形成了完整的能量守恒定律．期间，机械能守恒定律往往被演化为各种方程和原理．。