高中物理(必修二)課時(shí)教案

7.8 機(jī)械能守恒定律

教學(xué)目標(biāo)
1、知識(shí)與技能目標(biāo)
　?、爬斫鈾C(jī)械能和機(jī)械能總量的概念（動(dòng)能、勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能，它們的總和即為機(jī)械能總量）；
　?、普莆諜C(jī)械能守恒定律的內(nèi)涵（由對(duì)象、條件、結(jié)論組成）和外延（宏觀、低速，慣性參考系成立）；
　?、抢斫鈾C(jī)械能守恒定律條件的實(shí)質(zhì)（能量只在機(jī)械動(dòng)能和勢(shì)能之間轉(zhuǎn)化）；
　?、瘸醪綍?huì)用定律分析實(shí)際過(guò)程機(jī)械能是否守恒（功法和能量轉(zhuǎn)化法）。
2、過(guò)程與方法目標(biāo)
　?、爬斫鈾C(jī)械能守恒定律的得來(lái)過(guò)程：提出問(wèn)題→實(shí)例探究→發(fā)現(xiàn)結(jié)論→理論推證→總結(jié)規(guī)律→初步應(yīng)用，領(lǐng)悟發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的一種科學(xué)方法——實(shí)例探究+演繹推理法，提高探索發(fā)現(xiàn)能力；
　?、评斫鈽?gòu)建機(jī)械能守恒定律結(jié)構(gòu)的方法及其意圖（機(jī)械能守恒定律來(lái)龍去脈結(jié)構(gòu)化，使學(xué)生形成知識(shí)組塊，提高直覺(jué)思維能力）。
3、情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)
　?、懦醪綐淞⒆冎杏泻恪⒛芰渴睾恪⑽镔|(zhì)不滅等辨證唯物主義觀點(diǎn)；
　　⑵初識(shí)尋找守恒量的意義；
　?、浅踝R(shí)機(jī)械能守恒定律的空間對(duì)稱美。
教學(xué)重點(diǎn)
　　1、掌握機(jī)械能守恒定律的推導(dǎo)、建立過(guò)程，理解機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容；
　　2、在具體的問(wèn)題中能判定機(jī)械能是否守恒，并能列出定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
教學(xué)難點(diǎn)
　　1、從能的轉(zhuǎn)化和功能關(guān)系出發(fā)理解機(jī)械能守恒的條件；
　　2、能正確判斷研究對(duì)象在所經(jīng)歷的過(guò)程中機(jī)械能是否守恒，能正確分析物體系統(tǒng)所具有的機(jī)械能，尤其是分析、判斷物體所具有的重力勢(shì)能。
教學(xué)方法
（一）教學(xué)手段的選用
　　投影儀和電腦。其作用有：將物理情境、規(guī)律的推理過(guò)程、機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容和機(jī)械能守恒定律知識(shí)方法結(jié)構(gòu)，形象、直觀地展示出來(lái)，幫助學(xué)生思考、分析、推理、理解和領(lǐng)悟。
（二）教學(xué)方法的選擇
　　1、指導(dǎo)思想：(1)有利于學(xué)生參與對(duì)概念、規(guī)律等內(nèi)容的探究認(rèn)識(shí)過(guò)程(主體性、探究性)；(2)順應(yīng)學(xué)生認(rèn)知、能力、心理和情感發(fā)展規(guī)律（發(fā)展性、和諧性）；（3）遵循發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的一般程序、思維方法和實(shí)驗(yàn)依據(jù)（方法性和規(guī)律性）。
　　2、教學(xué)方法：教師指導(dǎo)與學(xué)生探究相結(jié)合的發(fā)現(xiàn)法。
教學(xué)工具
　　投影儀、細(xì)線、小球、帶標(biāo)尺的鐵架臺(tái)、彈簧振子。
教學(xué)過(guò)程
（一）引入新課
　　碰鼻實(shí)驗(yàn)：如圖所示，把懸掛重球拉至鼻尖由靜止釋放，實(shí)驗(yàn)者立于原位不動(dòng)，小球來(lái)回?cái)[動(dòng)，學(xué)生觀察者怕重球碰壞了鼻子，可事實(shí)重球碰不到鼻尖。
　　為什么？解釋這種現(xiàn)象要用到新的力學(xué)理論——機(jī)械能守恒，今天學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律，用多媒體展示出課題。
　　讓一位學(xué)生上臺(tái)表演重球?qū)嶒?yàn)，以驚激趣，以趣生疑，以疑引思，迅速激起學(xué)生的興趣，集中注意力，激發(fā)探究欲望。
（二）進(jìn)行新課
1、動(dòng)能與勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化
　　演示實(shí)驗(yàn)1：如右圖，用細(xì)線、小球、帶有標(biāo)尺的鐵架臺(tái)等做實(shí)驗(yàn)。
　　把一個(gè)小球用細(xì)線懸掛起來(lái)，把小球拉到一定高度的A點(diǎn)，然后放開(kāi)，小球在擺動(dòng)過(guò)程中，重力勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化。我們看到，小球可以擺到跟A點(diǎn)等高的C點(diǎn)，如圖甲。
　　如果用尺子在某一點(diǎn)擋住細(xì)線，小球雖然不能擺到C點(diǎn)，但擺到另一側(cè)時(shí)，也能達(dá)到跟A點(diǎn)相同的高度，如圖乙。
　　問(wèn)題：這個(gè)小實(shí)驗(yàn)中，小球的受力情況如何？各個(gè)力的做功情況如何？這個(gè)小實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？
　　學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)，思考問(wèn)題，選出代表發(fā)表見(jiàn)解。
　　小球在擺動(dòng)過(guò)程中受重力和繩的拉力作用。拉力和速度方向總垂直，對(duì)小球不做功；只有重力對(duì)小球能做功。
　　實(shí)驗(yàn)證明，小球在擺動(dòng)過(guò)程中重力勢(shì)能和動(dòng)能在不斷轉(zhuǎn)化。在擺動(dòng)過(guò)程中，小球總能回到原來(lái)的高度?？梢?jiàn)，重力勢(shì)能和動(dòng)能的總和保持不變。即機(jī)械能保持不變。
　　演示實(shí)驗(yàn)2：如圖，水平方向的彈簧振子。
　　用彈簧振子演示動(dòng)能和彈性勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化。
　　問(wèn)題：這個(gè)小實(shí)驗(yàn)中，小球的受力情況如何？各個(gè)力的做功情況如何？這個(gè)小實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？
　　學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)，思考問(wèn)題，選出代表發(fā)表見(jiàn)解。
　　小球在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，豎直方向上受重力和桿的支持力作用，水平方向上受彈力作用。重力、支持力和速度方向總垂直，對(duì)小球不做功；只有彈簧的彈力對(duì)小球能做功。
　　實(shí)驗(yàn)證明，小球在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈性勢(shì)能和動(dòng)能在不斷轉(zhuǎn)化。小球在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中總能回到原來(lái)的高度，可見(jiàn)，彈性勢(shì)能和動(dòng)能的總和應(yīng)該保持不變。即機(jī)械能保持不變。
　　總結(jié)、過(guò)渡：通過(guò)上述分析，我們得到動(dòng)能和勢(shì)能之間可以相互轉(zhuǎn)化，那么在動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，動(dòng)能和勢(shì)能的和是否真的保持不變？下面我們就來(lái)定量討論這個(gè)問(wèn)題。
2、機(jī)械能守恒定律
㈠介紹概念
　　提問(wèn)什么是機(jī)械能與機(jī)械能總量？
　　學(xué)生易答：動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能，它們的總和即為機(jī)械能總量。
　　簡(jiǎn)易內(nèi)容教師不必講解，學(xué)生回答正確即可。
㈡提出問(wèn)題
　　現(xiàn)實(shí)物理世界存在著大量的動(dòng)能與重力勢(shì)能（或彈性勢(shì)能）相互轉(zhuǎn)化的實(shí)例，如自由落體下落過(guò)程重力勢(shì)能不斷減小，動(dòng)能不斷增加，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；豎直上拋的物體在上升過(guò)程中則相反，動(dòng)能減小，重力勢(shì)能增加，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能；拉緊的箭在未離開(kāi)弦出射過(guò)程中，弓弦的形變減小，彈性勢(shì)能減小，箭的動(dòng)能增大，彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，等等。那么，物體的動(dòng)能與勢(shì)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化時(shí)機(jī)械能總量是變還是不變呢？
　　例1、物體作豎直上拋運(yùn)動(dòng)，空氣阻力不計(jì)，試探究拋出點(diǎn)、最高點(diǎn)和上升過(guò)程中任意一點(diǎn)，物體機(jī)械能的關(guān)系。
　　探究：取地面為重力勢(shì)能零勢(shì)能面，設(shè)拋出點(diǎn)的機(jī)械能為E₁，最高點(diǎn)的機(jī)械能為E₂，任意點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高度為h，物體對(duì)應(yīng)的速度為v，機(jī)械能為E₃，
　　

　　例2、如圖所示，物體沿固定斜面下滑，由1→2→3（空氣阻力不計(jì)，1、2之間光滑，2、3之間粗糙），試分析1、2、3三個(gè)位置機(jī)械能的關(guān)系。
　　探究：取地面為重力勢(shì)能零勢(shì)能面，則
　　

　　例1用豎直上拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)分析，例2用動(dòng)能定理和重力做功特點(diǎn)分析，一方面可培養(yǎng)思維的發(fā)散性、靈活性，另一方面可提高學(xué)生對(duì)結(jié)論的可信度。根據(jù)維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”理論，例1讓基礎(chǔ)一般的學(xué)生分析探究，例2讓基礎(chǔ)較好的學(xué)生探究，下面的理論推證應(yīng)引導(dǎo)讓更好一些的學(xué)生作答，具體過(guò)程用多媒體展示，讓不同層次的學(xué)生均有表演的機(jī)會(huì)，獲得成功感。
㈢初得結(jié)論
　　物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果只有重力做功，機(jī)械能的總量保持不變，如果還有其他力做功（總功不為零），則機(jī)械能的總量要變。
　　通過(guò)具體特例探究，讓學(xué)生歸納發(fā)現(xiàn)結(jié)論，是學(xué)生養(yǎng)成探究習(xí)慣，提高探索發(fā)現(xiàn)能力的有效途徑。
㈣理論推證
　　提問(wèn)：上述結(jié)論是否具有普適性呢？
　　設(shè)置一個(gè)一般過(guò)程作進(jìn)一步分析與研究。如圖所示，物體從空中豎直面的高為h₁的位置1運(yùn)動(dòng)到高為h₂的位置2，速率由v₁變化到v₂，受力有重力mg和空氣阻力f，假設(shè)還受一個(gè)拉力F作用（F為動(dòng)力）。

　　
　　在W_其它力=0中，如果其它力始終不做功，即只有重力做功，則機(jī)械能始終不變（即機(jī)械能守恒），由此可得機(jī)械能守恒定律。
　　發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律有三種基本方法：實(shí)驗(yàn)歸納法、演繹推理法和類比、臻美推理法。要向?qū)W生指出，這里采用演繹推理法，在定律的推理分析過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和邏輯推理能力。通過(guò)物理概念、規(guī)律教學(xué)，要讓學(xué)生領(lǐng)悟研究物理的科學(xué)方法，提高學(xué)生的思維能力和類科研能力。
㈤總結(jié)規(guī)律
　　機(jī)械能守恒定律：
　　對(duì)象：系統(tǒng)（物體與地球組成的系統(tǒng)）
　　條件：只有重力做功（即沒(méi)有阻力做功、其它力不做功）
　　結(jié)論：能量只在動(dòng)能和重力勢(shì)能之間轉(zhuǎn)化，機(jī)械能總量保持不變。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

　　mv₂²/2+mgh₂=mv₁²/2+mgh₁（空間對(duì)稱美的體現(xiàn)）
　　或mv²/2+mgh=恒量

　　范圍：在低速、宏觀領(lǐng)域適用，相對(duì)于慣性參照系成立。
　　對(duì)定律條件的實(shí)質(zhì)性理解：沒(méi)有滑動(dòng)摩擦阻力做功，保證機(jī)械能不向其他形式能（如熱能）轉(zhuǎn)化；其它外力不做功，保證系統(tǒng)與外界沒(méi)有能量交換，從而保證系統(tǒng)機(jī)械能守恒。
　　同理可知，物體和彈簧組成的系統(tǒng)，在物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果只有彈力做功，那么總機(jī)械能（動(dòng)能與彈性勢(shì)能之和）也保持不變。
　　綜合歸納：物體系（運(yùn)動(dòng)物體、彈簧、地球）在狀態(tài)變化過(guò)程中，如果只有重力和彈力做功，那么，物體系的動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的總和保持不變——機(jī)械能守恒定律的一般表述。
　　把機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容分為定律對(duì)象、條件、結(jié)論和使用范圍進(jìn)行表達(dá)和對(duì)定律條件作實(shí)質(zhì)性的分析，一是可避免部分學(xué)生死背定律內(nèi)容，二是有利于學(xué)生從能轉(zhuǎn)化的高度真正理解和掌握機(jī)械能守恒定律條件的物理意義。機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容總結(jié)得與教材不同，且以教師敘述、解釋為主，體現(xiàn)教師的主導(dǎo)性和創(chuàng)造性。
㈥規(guī)律應(yīng)用
　　1、開(kāi)頭的演示實(shí)驗(yàn)：重球在擺動(dòng)過(guò)程中克服空氣阻力做功，機(jī)械能不斷減少轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以重球擺動(dòng)不到初始高度，碰不到鼻尖。而且，擺動(dòng)次數(shù)越多機(jī)械能損失越多，重球離鼻尖越遠(yuǎn)（能量轉(zhuǎn)化法分析）。
　　經(jīng)過(guò)緊張思維活動(dòng)，得到機(jī)械能守恒定律，至此，學(xué)生能應(yīng)用定律解釋開(kāi)始的演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能對(duì)實(shí)際問(wèn)題機(jī)械能是否守恒作出分析判斷，學(xué)生臉上露出了成功的喜悅。
　　2、如圖所示，人拉物體沿光滑斜面勻速上升，物體的機(jī)械能不守 恒，因?yàn)槿死矬w做功，人有能量轉(zhuǎn)化為物體的機(jī)械能，因此，物體的機(jī)械能增加。若物體上滑過(guò)程中不受人的拉力，則物體的機(jī)械能守恒（能量轉(zhuǎn)化法分析）。
　　3、彈簧上端固定，下端懸掛小球作上下振動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)物體和彈簧系統(tǒng)，因?yàn)橹挥兄亓蛷椓ψ龉?，所以機(jī)械能守恒（功法）。
　　4、火箭起飛階段加速上升，向下噴出的氣體作用于火箭的上升力，對(duì)火箭做正功，火箭的機(jī)械能增加（功法）。
　　通過(guò)以上四例的分析，可總結(jié)出判斷機(jī)械能是否守恒的兩種方法：功法（是否滿足只有重力和彈力做功）和能量轉(zhuǎn)化法（有無(wú)機(jī)械能與其他形式能發(fā)生轉(zhuǎn)化）
　　通過(guò)具體問(wèn)題的分析，總結(jié)出方法，提高學(xué)生的直覺(jué)遷移能力、分析解決問(wèn)題的能力。
情感態(tài)度與價(jià)值觀教育：
　　1、尋找守恒量的意義：自然界千變?nèi)f化，但有些物理量在一定條件下是守恒的，可以用這些“守恒量”表示自然界的變化規(guī)律。尋找“守恒量”已經(jīng)成為物理學(xué)研究中的重要方面，“守恒”既是一種思想，也是一種方法。
　　2、通過(guò)機(jī)械能守恒定律的教學(xué)，讓學(xué)生初步樹立變中有恒、能量守恒的思想和物質(zhì)不滅等辨證唯物主義觀點(diǎn)，今后還將學(xué)習(xí)能量守恒定律、電荷守恒定律等等。
　　3、認(rèn)識(shí)機(jī)械能守恒定律的空間對(duì)稱美，使學(xué)生意會(huì)物理學(xué)科處處隱含美，激發(fā)學(xué)生心靈深處熱愛(ài)物理學(xué)的情感，逐步培養(yǎng)為人類的科技進(jìn)步事業(yè)和人類的文明和幸福，學(xué)好物理學(xué)、探索物理學(xué)，將來(lái)獻(xiàn)身物理學(xué)的優(yōu)秀品質(zhì)和科學(xué)精神。
　　挖掘物理知識(shí)的思想性、方法性、哲理性和審美性，發(fā)揮物理知識(shí)的教育性、綜合性（文理綜合）功能（略講）。
板書與小結(jié)
7.8機(jī)械能守恒定律
一、動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能。
二、機(jī)械能守恒定律：
1、在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，物體的動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，但機(jī)械能的總量保持不變。
2、表達(dá)式：
三、機(jī)械能守恒定律的條件：
1、從能量轉(zhuǎn)化的角度看，只有系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，無(wú)其它形式能量之間（如內(nèi)能）轉(zhuǎn)化。
2、從系統(tǒng)做功的角度看，只有重力或彈力做功。
布置作業(yè)

課本“問(wèn)題與練習(xí)”中1～5題．

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