高中物理：重力势能

重力势能一、素质教育目标（一）知识教学点1．知道重力势能的定义。

2．理解重力势能的计算公式，知道重力势能是标量，单位是焦耳。

3．理解重力做功与重力势能的关系。

4．知道重力势能的值是相对的，理解重力势能正负的含义。

5．了解弹性势能，知道弹簧的弹性势能的决定因素。

（二）能力训练点1．据重力做功的特点，推导重力势能的表达方式。

2．从能的转化角度和功能关系来解释和分析物理现象（三）德育渗透点1．培养热爱科学，崇尚科学的品质2．注意观察和分析生活中的有关的物理现象，激发和培养探索自然规律的兴趣。

（四）美育渗透点让学生体会到从自然现象中概括了来的物理概念具有的自然美，严谨的科学美。

二、学法引导通过典型事例分析和实验演示来分析讨论，指导学生总结、归纳。

三、重点·难点·疑点及解决办法1．重点重力势能大小的确定2．难点重力势能的相对性的理解，参考平面的选择方法。

3．疑点如何理解重力对物体做功等于物体重力势能增量的负值。

4．1．演绎推导物体重力势能的定义表达方式。

2．类比分析，举例释疑。

四、课时安排1课时五、教具学具准备弹簧、铁球、木球、玻璃缸、细沙、长木板，木块六、师生互动活动设计1．教师利用实例来引入问题，利用实验来引导学生讨论问题，利用讲解来加深对概念的进一步认识。

2．学生观察、分析、讨论、总结，并通过实例分析来形成能力。

七、教学步骤（一）明确目标（略）（二）整体感知在复习初中掌握的重力势能有关知识的基础上，进一步根据功的定义，推导出重力势能的计算公式，并通过实例分析，理解重力势能的相对性、正负含义等，并能准确地计算重力势能值．（三）重点、难点的学习与目标完成过程【引入新课】放录像并讲解：俄罗斯“和平号”空间站于2001年3月23日北京时间14时0分12秒所有残片都已成功安全地坠入预定的南太平洋海域，坠毁过程极为壮观美丽，137吨的庞然大物分解燃烧，天空中出一条条长长的金色轨迹．这是一个完美的告别，“和平号”的15年风雨历程将成为人类永恒的记忆．“和平号”的功绩将永载史册．现提问：“和平号”空间站坠落时，为什么会燃烧？碎片燃烧时，温度可达3000℃，其能量由什么能量转化而来？现在，就讲重力势能1．重力势能回忆初中的知识，可知（l ）定义：物体由于被举高而具有的能量．演示实验，用木球和铁球先后从同一高度处自由下落，落入玻璃缸中的细沙中，观察到什么现象？这说明了什么？（铁球深入细砂中的距离比木球要长，这说明，质量大的物体在相同的高度时，重力势能大，克服细砂阻力做功要多）用铁球在不同的高度处自由下落，先后落入玻璃缸中的细砂里，观察到什么现象，这又说明了什么？（铁球在比较高的地方落下来，深入砂中的距离也比较长，这说明，同一个物体在比较高的地方重力势能较大，克服细砂阻力做功要多）综上所述，物体的重力势能的大小与物体的质量和物体所处的高度有关．现在来推导重力势能的定量表达式：投球的质量为m ，从高度为1h 的A 点下落到高度为2h 的B 点，如图所示，重力所做的功为21mgh mgh h mg W G -=∆=（2）重力势能的表述式mgh E p = 物体的重力势能等于物体的重量和它的高度的乘积，重力势能是标量，也是状态量，其单位为J（3）重力做功与重力势能的关系重力做功也可以写成p p G E E W -=1当物体下落时，重力做正功，0>G W ，可设p p E E >1，这说明，重力做功，重力势能p E 减少，减少的值等于重力所做的功．同理，当物体上升时，重力做负功，重力势能E 增加，增加的值等于重力所做的功，要注意的是，重力做负功也可以说成物体克服重力做功．这种功能关系不仅适合于直线运动，也适合于曲线运动，重力做功只跟物体的运动过程中初、末位置的高度差有关，而与运动的路径无关．提问：一个物体的质量为10kg ，把它置放在2楼的一张1m 高的桌面上，若楼房的每层楼高3m ，求此物体的重力势能值？（无法计算，因为没有说明物体的高度是以什么位置为零高度，从地面算起，物体的重力势能4001=p E J ，若从二楼楼面算起，物体的重力势为100=p E J ．对于不同的零高度点物体所对应的重力势能值也各不相同）2．重力势能具有相对性正如上例所述，要确定物体重力势能p E 的大小，首先必须确定一个参考平面为零势能面，若定了零重力势能参考平面，物体在此平面的下方，物体的重力势能就为负，如上例把三楼底板为零重力势能平面物体的重力势能2003-=p E J由此看来，物体重力势能的正负还表示重力势能的大小，在参考水平面以上的物体的重力势能一定大于参考平面以下物体的重力势能．要特别指出的是：重力势能的变化县与零重力势能参考平面选择无关，就好像物体的高度值与选择哪一点作为测量起点无关．至于选择哪个水平面作为参考平面，可视研究，解决问题的方便而定．与重力势能相类似，还有弹性势能．3．弹性势能演示实验：把水平放置的轻弹簧一端固定，另一端系一木块，压（或拉）木块，使弹簧缩短（或伸长）再释放木块，让弹簧的作用力带动木块在水平面上运动．可知，发生弹性形变的物体能对外界做功，因而具有能量，这种能量就叫弹性势能，它存在于发生弹性形变的物体之中．举出除弹簧以外的弹性势能存在的实例弹性势能的大小，与物体的性质（如劲度系数）和形变量有关，可用实验演示弹簧形变量越大对外界做功可越多来说明．势能又叫位能，它是由相互作用的物体的相对位置决定．机械运动中的势能是重力势能和弹性势能的统称．（四）总结、扩展1．势能有多种，与高度有关的重力势能和与形变有关的弹性势能是力学中的两种，在热力学中有分子势能，在电磁学中有电势能等．2．势能是存在于有相互作用的物体之间，它是属于有相互作用两部分物体即物体系的，但不是有相互作用物体之间就有势能存在，比如物体间的相互作用是摩擦力，但它们就不存在什么势能．3．势能都是相对量，只有先走零势能参考平面，势能才有确定的值．八、布置作业P146练习四（2）（4）（5）九、板书设计1．重力势能（1）定义：物体由于被举高而具有的能量．（2）重力势能的表达公式．mgh E p =（3）重力做功与重力势能的关系．21p p G E E W -=物体下落 210p p G E E W >> 物体上升 210p p G E E W <<2．重力势能具有相对性．定了参考平面，物体重力势能才有确定值．重力势能的变化与参考平面选择无关．3．弹性势能十、背景知识与课外阅读用能量最低原理求解两例物理题高中化学中讲到“能量最低原理”在不违背泡利原理的情况下，核外电子总是尽先安排布在能量最低的轨道上，电子在该轨道上，处于稳定状态，其实，能量最低原理也适用于物体系物体系的稳定状态与系统的势能有关，势能越小则状态越稳定．物体系在不受外力的情况下，总处在势能最小的状态，即稳定状态．下面利用能量最低原理，求解两例物理题． ［例1］ 一质量均匀不可伸长的绳索，重为 G ，A 、B 两端固定在天花板上，如图所示．今在最低点C 施加一竖直向下的力将绳拉至D 点，在此过程中，绳索AB 的重心位置（ ）A ．逐渐升高B ．逐渐降低C ．先降低后升高D ．始终不变解析：由能量最低原理知，物体在静止情况下，总处于能量最低状态（即稳定状态）．该状态下重力势能最小．故施力F 后，细绳重心上升，故选答案A ．［例2］ 如图所示．容器A 、B 中各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水．大气压恒定，A 、B 底部由带阀门K 的管道相连，整个装置与外界绝热，原先A 中的水面比B 中的高，打开阀门，使A 中的水逐渐向B 中流，在这个过程中（ ）A ．大气压力对水做功，水的内能增加B ．水克服大气压力做功，水的内能不变C ．大气压力对水不做功，水的内能不变D ．大气压力对水不做功，水的内能增加解析：由能量最低原理可知，打开阀门见水达到平衡时应具有最小势能，故在打开阀门至平衡过程中，水的重力势能减小．又由题意知整个装置与外界绝热，因此由能量守恒得，重力势能的减少量转化为水的内能．故选答案D ．十一、随堂练习1．下面关于重力势能的说法中，正确的是（ ）A ．地球上的任何一个物体的重力势能都有一个确定的值．B ．从同一高度将某一物体以相同的速率平抛或下抛，落到地面时，物体的重力势能 变化是相同的．C ．在不同高度的物体具有的重力势能可能相同．D ．低于零重力势能面的物体的重力势能一定小于在零重力势能平面以上物体的重力 势能．2．如图所示，质量为m 的物体置于水平地面上，其上表面竖立直着一根轻弹簧，弹簧长为0L ，劲度系数为k ，下端与物体相连接，现将弹簧上端缓缓竖直向上提起一段距离L ，使物体离开地面，这时物体重力势能增加 ．3．一根质量分布不均匀的金属链条重30N ，长1m ，盘曲在水平地面上，当从链条的A 端慢慢提起链条到使它的另一端B 恰好离开地面需做功12J ，如改从B 端慢慢提起链条使链条A 端恰好离开地面需要做功多少？4．如图所示，桌面高为h ，质量为m 的小球从离桌面高为H处自由下落，不计空气阻力，假设桌面处的重力势能为零，则小球落到地面前瞬间的机械能为（ ）A ．B ．C ．D ．5．如图所示，物体从A 点出发，沿3条不同的轨道运动到B 点，则在移动的过程中重力做功的情况是（ ）A ．沿路径运动，重力做功最多B ．沿路径运动，重力做功最多C ．沿路径运动，重力做功最多D ．无论沿哪条路径，做功都一样多6．质量为1kg 的物体做自由落体运动，下落1s 时，物体的动能为 ，物体的重力势能减少了 ．答案：1．BCD 2．⎥⎦⎤⎢⎣⎡--k mg L L mg 0 3．18J 4．B 5．D 6．50J 50J。