机械能守恒定律(第一课时)

《机械能守恒定律》（第一课时）执教教师：上海市北蔡中学李群一、背景和教学任务简介上海市北蔡中学是浦东新区的一所普通完中，我所执教的学生能在教师的引导下对问题进行初步的探究，但学生学习能力的差异性较大。我们使用的教材是由上海科学技术出版社出版的高中物理试用本。本节课是高中一年级第五章“机械能”中的最后一节“机械能守恒定律”。教材在这一节安排了实验——用DIS研究机械能守恒定律，是新课标规定的学生实验。本节课的教学任务是：引导学生由定量实例探究到定性理论推导，归纳得出机械能守恒的条件，同时结合DIS学生实验和PASCO教师演示实验进一步探究阐释机械能守恒的实质。在整堂课中，让学生充分体验领悟物理学科思想和研究方法。二、教学目标1．知识与技能（1）知道物体在运动中动能和势能可以相互转化。（2）理解机械能守恒定律的内容。（3）学会用DIS实验验证机械能守恒定律。2．过程与方法（1）在机械能守恒定律条件的探究中，经历在不同的现象中寻找共性，体会归纳的研究方法。（2）在机械能守恒定律的探究中，感受用科学探究的方法来研究物理问题和探索物理规律，领悟物理学科思想和探究物理规律的科学方法。3．情感、态度与价值观激发学生学习物理的热情，培养学生实事求是的科学态度，促进学生思维发展。三、教学重点和难点1.重点：机械能守恒定律的推理分析过程、定律的内容和定律条件的实质性理解2.难点：根据定律的推理分析过程归纳总结出机械能守恒定律四、教学设计思路和教学流程“机械能守恒定律”是高中物理教学中的一个重点，也是一大难点。这一节的内容与本章的各节内容有紧密的逻辑关系，是全章知识链中重要的一环，它的探究建立在前面所学知识的基础上。由于机械能守恒定律有较强的适用条件，因而在学生学习的过程中比较难于理解。本节课根据我校学生学习情况，设计了三个主要的教学环节。第一环节：创设情景，复习动能和势能，并通过铁球碰鼻实验，激发学生学习的兴趣，引出要探究的问题，提出是不是所有的运动机械能都是守恒的。第二环节：通过理论探究和实验探究建立机械能守恒定律。这一环节是教学的重点，我设置了6个学生活动。从具体计算自由落体运动中动能势能的值，到用演绎的方法证明物体在光滑斜面上下滑的过程中机械能守恒，引导学生从“功是能量转化的量度”来思考动能和势能相互转化的原因，帮助学生搭建思维的脚手架，归纳出机械能守恒的条件。然后又从DIS学生实验引导学生分析数据，寻找摆锤运动过程中机械能接近守恒的原因，并进一步把阻力带来的效果放大，通过设计PASCO演示实验，展示物体沿粗糙斜面下滑过程中动能、势能、机械能的变化情况，引导学生寻找机械能不守恒的原因，从而从另外一个角度得出机械能守恒定律，突破教学难点。本节课根据机械能守恒定律本身的特点，在考虑学生学习过程中可能出现的困难的基础上，采用了充分体验、感知的教学策略，理顺知识逻辑关系，为学生的学习铺设台阶，使学生收获的不仅仅是理解机械能守恒定律，更主要的是学生充分体验感受到了物理学科思想，促进了学生的思维发展。教学流程图五、学习资源和器材的准备1、学生实验：机械能守恒实验器、DIS实验系统（光电门传感器、数据采集器、计算机）情景1：观察铁球摆动，引导提问活动1：猜测结论，演示铁球碰鼻实验，引入新课活动2：计算并寻找自由落体运动中机械能的变化规律活动3：用演绎方法证明物体沿光滑斜面下滑过程中机械能守恒活动4：分析归纳机械能守恒定律的条件活动6：PASCO演示实验，讨论机械能减少的原因活动7：进一步推断机械能守恒定律活动8：解释铁球碰鼻实验活动5：DIS学生实验，寻找机械能接近守恒的原因演示实验：碰鼻实验（大铁球，绳子）、PASCO实验（数据采集器、运动传感器、力学轨道、小车、铁架台等）2、多媒体课件六、教学过程教学过程点评(一)创设情景引入新课师：前几节课学习了“能”，我们一起来观察铁球现在具有什么能？生：势能。师：势能具有相对性，你是以哪个面作为零势能面的？生：地面。师：如果以铁球运动的最低点作为零势能面，那么铁球在摆动的过程中动能、势能是怎样变化的？生：铁球从高处往下摆动的过程中，动能增加，势能减少；铁球从低处向上摆动的过程中，动能减少，势能增加。师：也就是小球在摆动过程中动能和势能相互转化。同学们是否能根据铁球运动过程中能的变化来提出一个研究的问题呢？同学们讨论一下。生：铁球在摆动中动能减少，势能增加；动能增加，势能减少，那么动能的变化量是否等于势能的变化量呢？生：铁球在摆动过程中，总的能会不会变呢？师：这两个问题提得很好，其实他们提的是一类问题，就是在铁球摆动的过程中，我们能通过观察速度的大小，定性地得出动能的变化；能通过观察高度的变化，定性地得出势能的变化，但动能和势能的和，机械能将是怎样的呢？这值得我们探讨。首先请同学们根据铁球摆动的过程猜想一下，你认为机械能会怎样变化呢？生：机械能可能保持不变。师：如果机械能保持不变的话，铁球从静止开始从这一高度摆动，那么再次回到这个位置它的高度会变吗？生：不会变。师：下面我们就请一位同学上来试试看，让铁球从他鼻子处静止释放，当铁球再一次摆回来时，会不会碰到这位同学的鼻子呢？（一学生上台演示）生：铁球没有碰到鼻子。师：那么是不是所有的运动都是机械能守恒呢？最好我们从一个最简单的运动开始研究。最简单的又能反映出动能势能相互转化的是什么运动呢？生：自由落体运动。师：为什么自由落体运动是最简单的而且又能反映出动能势能相互转化的运动呢？生：因为自由落体运动只受重力作用。（二）探究动能和势能相互转化中，机械能是否守恒1、物体作自由落体运动师：我们就从自由落体运动开始探究。假如说现在有一个质量为1千克的物体自由下落，已知A点的高度为40米，B点的高度为25米，经过A点时速度为10米/秒，请填写表格并思考从这道题中你得到哪些结论。动能势能A点B点师：自由落体运动AB两点的高度已知，AB两点的势能就可以算出；A点的速度已知，A点的动能能求出。B点的动能怎么算呢？生：利用运动学公式求出B点的速度。V=20米/秒。h1h2v1v2AB（学生计算。请一位学生将计算结果填入电脑表格中）师：从表格中，你们得到了哪些结论呢？生：AB点动能势能的值是不同的，但是动能和势能的变化量是相同的，动能增加了150J，势能减少了150J，势能转化成了动能。师：好，根据他的叙述，我就用这样一个表达式来表示。EK=EP还可以进一步得到什么结论呢？生：动能势能的和保持不变。师：根据他的叙述，我们也可以用一个表达式来表示。生：EKA+EPA=EKB+EPB，EA=EB师：我们研究的是一种最简单的运动——自由落体运动，它在运动中只受重力的作用，经过计算我们得出它在动能和势能相互转化中机械能守恒。如果受力情况复杂一些，受到两个力的作用，机械能将会怎样呢？下面我们来研究从光滑斜面上下滑的物体。2、物体沿光滑斜面下滑师：首先对研究对象受力分析，它受到几个力的作用？生：重力和弹力。师：物体在下滑的过程中，动能和势能是怎样变化的呢？生：动能增加，势能减少。师：接下去我们通过已学过的知识来寻找一下不同位置机械能变化的规律。在前面的学习中，我们知道重力做功它的特点是什么？生：重力做功，重力势能减少。师：所以物体从A到B运动的过程中，我们可以列出怎样的表达式？生：WG=EP=mgh1-mgh2师：学习了动能定理后，我们又知道合外力对物体所做的功等于物体动能的变化量，所以我们可以列出怎样的表达式？生：W总=WG=EK=mv22/2-mv12/2。师：动能的变化量和势能的变化量都等于WG，所以我们可以得到：EP=Ek,等式的右边也必然相等，即mgh1-mgh2=mv22/2-mv12/2，整理后得到：mv12/2+mgh1=mv22/2+mgh2=E1=E2师：从整个推导过程中，我们思考一下，是否能用文字来叙述一下结论？生：物体在光滑的斜面上运动，受到两个力的作用，通过理论推导，发现物体动能的变化量与势能的变化量相等，机械能是守恒的。师：我们将前面所研究的两种运动通过表格放在一起来分析，是否能归纳出机械能守恒与什么因素有关呢？请同学们讨论一下。（表格前三行显示，学生讨论填写）运动类型自由落体运动沿光滑斜面下滑的物体机械能守恒守恒受力情况Ｇ重力ＮＧ重力、支持力做功的力重力重力师：从前面的研究中我们得出，作自由落体运动和沿光滑斜面下滑的过程中物体的机械能都是守恒的，通过分析它们的受力情况我们发现物体只受重力作用或者受重力、弹力作用机械能都守恒，看来机械能是否守恒与物体受力情况没有关系，那么机械能守恒的条件到底是什么呢？生：┅┅师：同学们是否记得，前面我们学了一条很重要的规律：功是能量变化的量度，我们能否通过动能势能相互转化的过程中力做功的情况来找出规律来呢？生：自由落体运动只有重力做功；沿光滑斜面下滑的物体弹力不做功，也只有重力做功。动能势能转化实（表格全部显示）师：现在我们是否可以得出机械能守恒的条件来呢，请同学来叙述一下。生：只有重力做功的情况下，机械能守恒。师：很好。刚才我们一上来就提到了摆球的运动，同学们猜测摆球在运动中机械能守恒，那我们是否能用实验来验证它在运动中机械能是守恒的呢？3、DＩＳ实验：摆锤的运动师：我们来看这个实验。这个实验的研究对象就是摆锤，摆锤被磁铁夹吸住了，当释放磁铁夹，摆锤做曲线运动。我们要验证摆锤摆动的过程中机械能是否守恒，肯定要测出机械能。如何测出机械能呢？生：机械能等于动能与势能的代数和，要求出动能，必须知道这一点的瞬时速度，要求出势能，必须知道这一点离开零势能面的高度。师：这个实验系统已经为大家设定了ＡＢＣＤ四个点，而且默认了Ｄ为势能为零的点，每一点的高度都已经设定好了，势能也就知道了。系统默认A点的速度为0，A点的动能为零，也就表示摆锤从A点静止释放，现在我们只要测出BCD三点的速度，那它对应的动能就能求出，机械能也能求出了。那么如何测量瞬时速度呢？生：用光电门。师：为了精确定位摆锤的初始位置A和光电门分别在BCD三点的位置，实验为大家配备了测平器，测平器使用有它的使用方法和注意点。下面我们请一位同学根据我的叙述将如何使用测平器给大家做一示范。（一学生上讲台示范）师：首先确定摆锤的初始位置A——将测平器与标尺盘横线对齐，将测平器尖端与摆锤的中线位置相对。摆锤初始位置A确定好以后，接下去根据系统的顺序要测摆锤在D点的速度，如何做呢？生：只要将光电孔直接对准红线就可以了。师：接下去要测C点的速度。——将光电门放在D点，将测平器的尖端与光电孔相对。释放摆锤，摆锤通过D点的速度就能测出。测CD点的速度采用同样的办法，要注意每一次测量速度时，都要按“开始记录”。最后按“数据统计”就能求出这四点的机械能了。下面请大家开始实验。（电脑广播系统向全班展示各小组得出的数据）师：通过实验测得的数据我们可以得出什么结论呢？生：摆锤从A点向D点运动中，势能减少，动能增加，机械能减少。师：从大家的实验数据中我们看到：机械能虽然减少，但很接近。同学们有没有思考过为什们这四点的机械能会有一些差异呢？生：有空气阻力。还存在一些操作误差。师：是不是正如同学们所想的有阻力，机械能就不守恒了呢？这个实验中摆球所受的空气阻力很小，如果我们将阻力作用放大一点，机械能是否就减少得多一点呢？4、PASC0实验：小车沿粗糙斜面下滑的过程师：请大家看这个装置。铁架台将力学轨道架起来，形成一个斜面。为了形成粗糙的斜面，在力学轨道上铺上一块丝绒布，在斜面的一端安装与电脑相连接的运动传感器。我们用PASC0实验来研究，PASC0实验它能通过运动传感器测出每一时刻相对应位置的高度，得到X-t图像，然后转化成V-t图像，又通过软件处理得到每一位置的动能、势能和机械能，并用图像实时显示出来，相当直观。请一位同学帮我一起完成实验，请其他同学观察屏幕上的图线。师：屏幕上出现了三根图线，这三根图线表示什么呢？我们一起来观察图像旁的显示，咖啡色图线表示动能；绿色图线表示势能；紫色图线表示机械能。小车沿粗糙斜面下滑，动能、势能、机械能发生怎样的变化呢？生：动能增加，势能减少，在动能和势能相互