高中物理新课标人教版必修2优秀教案：机械能守恒定律

高中物理新课标人教版必修2优秀教案：机械能守恒定律

8 机械能守恒定律 整体设计 本课教学从动能和势能的复习入手，引导学生观察生活现象，思考动能和势能的变化之 间的关系.机械能守恒定律是本章教学的重点内容，重点是使学生掌握物体系统机械能守恒的 条件；能够正确分析物体系统所具有的机械能；能够应用机械能守恒定律解决有关问题.进而 利用动能定理推导出机械能守恒定律的表达式. 分析物体系统所具有的机械能，尤其是分析、判断物体所具有的重力势能，是本节学习 的难点之一.在教学中应让学生认识到，物体重力势能大小与所选取的参考平面(零势面)有关； 而重力势能的变化量是与所选取的参考平面无关的.在讨论物体系统的机械能时，应先确定参 考平面.要启发学生注意，势能的变化是由于重力或弹力做功而引起的.如果重力作为外力对物 体做正功，重力势能减少，动能增加，意味着重力势能转化为动能；反之，如果重力做负功， 重力势能增加，动能减少，意味着动能转化为重力势能.这样可以帮助学生理解教材中所说的 “通过重力或弹力做功，机械能可以从一种形式转化为另一种形式”. 能否正确运用机械能守恒定律解决问题是本节学习的另一难点.通过本节学习应让学生认 识到，从功和能的角度分析、解决问题是物理学的重要方法之一；同时进一步明确，在对问 题作具体分析的条件下，要能够正确选用适当的物理规律分析、处理问题. 教学重点 1.机械能守恒的条件. 2.在具体的问题中能判定机械能是否守恒,并能列出数学表达式. 教学难点 1.判断机械能是否守恒. 2.灵活运用机械能守恒定律解决问题. 课时安排 1 课时 三维目标 知识与技能 1.理解动能与势能的相互转化. 2.掌握机械能守恒定律的表达式. 过程与方法 经过机械能守恒定律的实际应用，进一步理解机械能守恒的条件. 情感态度与价值观 培养理论联系实际的思想，通过规律、理论的学习，培养学以致用的思想. 课前准备 1.自制课件、学案. 2.麦克斯韦滚摆、单摆、弹簧振子. 教学过程 导入新课 影片导入 课件展示翻滚过山车的精彩片断，激发学生学习的兴趣，引出本节课的学习内容. 在学生观看过山车的同时,教师提醒学生分析过山车在运行过程中动能和势能的变化情 况. 游戏导入 教师利用事先准备好的演示器材，请两个同学配合，指导他们完成一个小游戏，让同学 们认真观察并思考游戏里面的科学道理. 器材：细线、小钢球、铁架台. 演示过程：将小钢球机固定在细线的一端，细线的另一端系在铁架台上，使小球与细线形成 一个摆.让一个同学靠近铁架台，头稍低，另一同学把小球由该同学的鼻子处释放，小球摆动 过程中能否碰到该同学的鼻子，提醒注意安全，并思考里面的科学道理.如左下图. 实验导入 如右上图所示，悬挂单摆的铁架台上增加一个横杆 P 和一把水平放置的尺子 AB，实验时 ①调整横杆 P 的高度,观察小球摆动的情况；②调整水平尺子的高度使小球从不同位置摆动， 观察小球摆动的情况.将各次实验现象进行概括，思考这些现象说明什么问题.也可以将单摆悬 挂在小黑板上，然后在小黑板上画上若干条水平横线，手持短尺替代横杆. 推进新课 一、动能与势能的相互转化 前面我们学习了动能、势能和机械能的知识.在初中学习时我们就了解到，在一定条件下， 物体的动能与势能(包括重力势能和弹性势能)可以相互转化，动能与势能相互转化的例子在生 活中非常多，请同学们举出生活中的例子来说明动能与势能的相互转化. 参考:1.从树上掉下的苹果（势能向动能转化）； 2.自行车猛蹬几下自由冲上斜坡（动能向势能转化）； 3.拉弓射箭（势能向动能转化） 4.运动会上撑竿跳高运动员在跳起的过程中（人的动能转化为杆的弹性势能,后杆的弹性势能 转化为人的重力势能）. …… 实验演示：依次演示麦克斯韦滚摆、单摆和弹簧振子，提醒学生注意观察物体运动中动能、 势能的变化情况，即转化过程中物理量的具体变化. 通过观察演示实验，学生回答物体运动中动能、势能变化情况. 教师小结：物体运动过程中，随着动能的增大，物体的势能减小；反之，随着动能的减小， 物体的势能增大. 学生通过实例感受、实验演示，切实感受到机械能的两种形式（动能与势能）之间可以相互 转化.而且，转化过程中有力做功. 重力做功：动能←→重力势能 弹力做功：动能←→弹性势能. 二、机械能守恒定律 问题：动能和势能的相互转化是否存在某种定量的关系呢？上述各运动过程中，物体的机械 能是否变化呢？ 引导学生通过具体的实例进行理论推导分析.先考虑只有重力对物体做功的理想情况. 情境设置：质量为 m 的物体自由下落过程中，经过高度 h1 处速度为 v1，下落至高度 h2 处速度 为 v2，不计空气阻力，分析由 h1 下落到 h2 过程中机械能的变化(引导学生思考分析). 分析：根据动能定理，有: 2 1 2 2 2 1 2 1 mvmv  =WG 下落过程中重力对物体做功，重力做功在数值上等于物体重力势能的变化量.取地面为参考平 面，有 WG=mgh1-mgh2 由以上两式可以得到 2 1 2 2 2 1 2 1 mvmv  =mgh1-mgh2 移项得 2 22 1 mv +mgh2= 2 12 1 mv g+mgh1 引导学生分析讨论上面表达式的物理意义：等号的左侧表示末态的机械能，等号的右侧表示 初态的机械能，表达式表明初态跟末态的机械能相等.即在小球下落的过程中，重力势能减小， 动能增加，减小的重力势能转化为动能. 问题：此表达式具有普遍意义吗？还是仅在只受重力的自由落体运动中成立？引导学生自己 推导竖直上抛、平抛的过程是否成立. 引导学生关注在上述过程中物体的受力情况.可以证明，在只有重力做功的情况下，物体动能 和势能可以相互转化，而机械能总量保持不变. 思维拓展 在只有弹力做功的牨体系统内呢？ 课件展示：展示弹簧振子（由于弹簧振子概念学生还没有接触，教师可以不提弹簧振子的概 念）的运动情况，分析物理过程. 教师设疑：在只有重力做功的情况下，机械能是守恒的；同样作为机械能组成部分的势能， 是否在只有弹力做功的情况下，机械能也能守恒呢？ 学生在推导过程中可能会存在一定的困难，教师适当加以辅助推导.对弹簧与小球的运动 过程简要分析，得到动能与势能的转化关系，并明确：在只有弹力对物体做功时物体的机械 能守恒. 通过上面只有重力做功与只有弹力做功两个部分的推导，师生总结机械能守恒定律的内 容： 在只有重力或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. 表达式：Ek2+Ep2=Ep1+Ek1 教师引导学生理解表达式中各量的物理意义，并回顾机械能守恒定律推导过程，加深认 识. 三、机械能守恒定律的条件 思维拓展 通过以上内容的学习，我们理解了机械能守恒定律的表达式，但真正应用到解题过程还 是有限制的. 大屏幕投影机械能守恒定律的内容，并用不同颜色展示“在只有重力或弹力做功的物体系 统内”，突出强调守恒的受力前提.引导学生自己总结守恒的条件. 有的学生认为守恒条件应该是只受重力或弹力; 有的学生认为守恒条件应该是只有重力或弹力做功. 在肯定两位学生认真思考的基础上，教师质疑两位学生的意见，激发他们思考的积极性： 两位同学说的有什么不同吗？ 学生讨论：只有重力或弹力做功，还包含这样的意思：可能还受其他力，但其他力不做功. 思维追踪：机械能守恒定律的条件应该怎样表述呢？举例说明. 学生总结：机械能守恒定律的条件可以表述为: 1.只受重力（弹力），不受其他力.如自由落体的物体. 2.除重力（弹力）以外还有其他力，但其他力都不做功.如做单摆运动的物体. 例题 在距离地面 20 m 高处,以 15 m/s 的初速度水平抛出一小球，不计空气阻力，取 g=10 m/s2， 求小球落地速度大小. 引导学生思考分析，提出问题： 1.前面学习过应用运动合成与分解的方法处理平抛运动，现在能否应用机械能守恒定律解决这 类问题？ 2.小球抛出后至落地之前的运动过程中，是否满足机械能守恒的条件？如何应用机械能守恒定 律解决问题？ 3.归纳学生分析的结果，明确：小球下落过程中，只有重力对小球做功，满足机械能守恒条件， 可以用机械能守恒定律求解；应用机械能守恒定律时，应明确所选取的运动过程，明确初、 末状态小球所具有的机械能. 取地面为参考平面，抛出时小球具有的重力势能 Ep1=mgh，动能为 Ek1= 2 1 mv02.落地时,小球的 重力势能 Ep2=0,动能为 Ek2= 2 1 mv2. 根据机械能守恒定律,有 E1=E2,即 mgh+ 2 02 1 mv = 2 1 mv2 落地时小球的速度大小为 v= 20102152 22 0  ghv m/s=25 m/s. 课堂训练 1.如图所示，下列四个选项的图中，木块均在固定的斜面上运动，其中图 A、B、C 中的斜面 是光滑的，图 D 中的斜面是粗糙的，图 A、B 中的 F 为木块所受的外力，方向如图中箭头所 示，图 A、B、D 中的木块向下运动，图 C 中的木块向上运动.在这四个图所示的运动过程中 机械能守恒的是（ ） 2.长为 L 的均匀链条放在光滑的水平桌面上，且使其长度的 1/4 垂在桌边，如图所示.松手后链 条从静止开始沿桌边下滑，则链条滑至刚刚离开桌边时的速度大小为多大？ 参考答案 1.解析：机械能守恒的条件是：物体只受重力或弹力的作用，或者还受其他力作用，但其他力 不做功，那么在动能和势能的相互转化过程中，物体的机械能守恒 .依照此条件分析,A、B、 D 三项均错. 答案：C 2.解析：链条下滑时，因桌面光滑，没有摩擦力做功.整根链条总的机械能守恒，可用机械能 守恒定律求解.设整根链条质量为 m，则单位长度质量（质量线密度）为 m/L. 设桌面重力势能为零，由机械能守恒定律得 22 1 84 2 LmgmvLgL mL  解得 v= gL16 15 . 点拨：求解这类题目时，一是注意零势点的选取，应尽可能使表达式简化，该题如选链条全 部滑下时的最低点为零势能点，则初始势能就比较麻烦.二是灵活选取各部分的重心，该题开 始时的势能应取两部分（桌面上和桌面下）势能总和，整根链条的总重心便不好确定，最后 刚好滑出桌面时的势能就没有必要再分，可对整根链条求出重力势能. 课堂小结 1.在只有重力或弹力做功的物体系统内，物体的机械能总量不变. 2.应用机械能守恒定律的解题步骤 (1)确定研究对象; (2)对研究对象进行正确的受力分析; (3)判断各个力是否做功，并分析是否符合机械能守恒的条件; (4)视解题方便选取零势能参考平面，并确定研究对象在始、末状态时的机械能; (5)根据机械能守恒定律列出方程，或再辅之以其他方程，进行求解. 布置作业 1.教材“问题与练习”第 1、3、4 题. 2.观察记录生活中其他的物理情景，判断其是否符合机械能守恒定律. 板书设计 8 机械能守恒定律 一、动能与势能的相互转化 重力做功：动能←→重力势能 弹力做功：动能←→弹性势能 二、机械能守恒定律 在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以相互转化，而总的机械能保持不 变. 三、机械能守恒定律的条件 1.只受重力（弹力），不受其他力.如自由落体的物体. 2.除重力（弹力）以外还有其他力，但其他力都不做功.如做单摆运动的物体. 活动与探究 课题：从能量的角度探究机械能守恒定律的条件 目的：进行课堂拓展，让学生自主设置情景，自主探究，重温机械能守恒定律条件发现的过 程，加深对课本内容的理解. 方法：指导学生自主设置情景，从能量的角度判断机械能守恒. 参考情境: 1.瀑布是水流从高处落下形成的美丽自然景观，水流在下落过程中的能量转化过程.（不计一 切阻力） 2.流星从高空向地球坠落的过程中，在进入大气层之前，可以看作只受地球的引力作用，流星 这一过程能量的转化. 3.射箭的时候，运动员先把弓弦拉满，然后放手释放弹性势能.分析放手后，箭和弓组成的系 统中，能量如何转化. 习题详解 1. 解 答 ：（ 1 ） 小 球 在 从 A 点 下 落 至 B 点 的 过 程 中 ， 根 据 动 能 定 理 W=ΔEk ， mg(h1-h2)= 2 1 2 2 2 1 2 1 mvmv  . （2）由 mg(h1-h2)= 2 1 2 2 2 1 2 1 mvmv  ，得 mgh1+ 2 12 1 mv =mgh2+ 2 22 1 mv . 等式左边表示物体在 A 点时的机械能，等式右边表示物体在 B 点时的机械能，小球从 A 点运动到 B 点的过程中，机械能守恒. 2.答案：BC 飞船升空的阶段，动力对飞船做功，飞船的机械能增加. 飞船在椭圆轨道上绕地球运行的阶段，只有引力对飞船做功，机械能守恒. 飞船在空中减速后，返回舱与轨道分离，然后在大气层以外向着地球做无动力飞行的过程中， 只有引力做功，机械能守恒. 进入大气层并运动一段时间后，降落伞张开，返回舱下降的过程中，空气阻力做功，机械能 减少. 3.解答：（1）石块从抛出到落地的过程中，只有重力做功，所以机械能守恒.设地面为零势能 面，根据机械能守恒定律： 2 02 1 mv +mgh= 2 2 1 tmv ，得 vt= 1010252 22 0  ghv m/s=15 m/s 根据动能定理：W=Ekt-Ek0 即 mgh= 2 0 2 2 1 2 1 mvmvt  vt= vtghv 22 0  =15 m/s. （2）由 vt= ghv 22 0  知，石块落地时速度大小与石块初速度大小和石块抛出时的高度有关， 与石块的质量和石块初速度的仰角无关. 4.解答：根据题意，切断电动机电源的列车，假定在运动中机械能守恒，要列车冲上站台，此 时列车的动能 Ek 至少要等于列车在站台上的重力势能 Ep. 列车冲上站台时的重力势能：Ep=mgh=20m m2/s2 列车在 A 点时的动能：Ek= 2 1 mv2×m×72 m2/s2=24.5m m2/s2 可见 Ek＞Ep，所以列车能冲上站台. 设列车冲上站台后的速度为 v1,根据机械能守恒定律，有 Ek=Ep+ 2 12 1 mv 2 12 1 mv =Ek-Ep=24.5m m2/s2-20m m2/s2=4.5m m2/s2 可得 v1=3 m/s. 设计点评 本节课通过教师给出撑竿跳、滑雪、过山车等材料，给学生感性认识，让学生对能的转 化以初步认识，然后对动能和势能的转化关系进行猜想，为定量探究打下基础.引导学生通过 具体情境的设置来推导机械能守恒定律的表达式，探究过程中，激发、鼓励学生大胆思考， 开发学生的创造潜能，启发学生思维，使学生参与到教与学的活动中去.对守恒条件的教学， 本教学设计采用了逐步引导的方法，引导学生向守恒条件步步靠拢，最后师生共同总结，具 体展示了守恒定律的发现过程，有助于探究过程方法的学习.教学设计最后通过具体的例题讲 解与课堂训练，对本节内容进行巩固加深，收到良好效果.