机械能守恒定律教学设计

第1页共6页机械能守恒定律教学设计镇江市谏壁中学物理组（212006）刘宇成【教材分析】机械能守恒定律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，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应用方面十分重要，不同运动形式的转化和守恒的思想能指引我们揭露自然规律、取得丰硕成果．物质运动的转化是普遍的，守恒反映了运动转化间的关系，没有转化就不会有守恒．教学过程回顾已学知识，通过几个具体实例，先明确动能和势能的相互转化的关系，引出对机械能守恒定律及守恒条件的理论探究，联系重力势能和重力做功及弹性势能与弹力做功的关系的学习，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。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，知道机械能的概念，了解力做功过程也是能量从一种形式转化为另一种形式的过程，这些知识是本节内容学习的基础。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含义，理解机械能守恒定律的条件和机械能守恒定律的实际应用；而正确分析物体系统内所具有的机械能，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，力图通过生活实例，展示相关情景，激发学生的求知欲，引出对机械能守恒定律的探究，体现“从生活走向物理”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，并通过规律应用巩固知识，初步掌握运用能量转化和守恒来解释物理现象及分析问题的方法，体会科学探究中的守恒思想，体会物理规律对生活实践的作用，领悟机械能守恒规律解决问题的优点，形成科学价值观。【学情分析】通过前几节内容的学习，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。使学生看到曾在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已经到了“水到渠成”的时候了。从知识发展的线索来看，本节内容，既是对前面几节内容的总结，也是对能量守恒定律的铺垫。通过本节内容的学习，学生对功是能量变化的量度会有更加深刻地理解，也为从不同角度处理力学问题提供了良好的途径。本节内容是本章的重点内容。通过学习，学生不难掌握机械能守恒的表达式和运用机械能守恒定律求解比较简单的问题，但对具体问题中机械能守恒条件是否满足的判断还有一定困难，因此，对机械能守恒定律条件的理解是本节内容的难点。第2页共6页【教学目的】㈠知识与技能1、知道什么是机械能，理解物体的动能和势能可以相互转化；2、理解机械能守恒定律的内容和适用条件；3、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实际问题㈡过程与方法1、学习从物理现象分析、推导机械能守恒定律及适用条件的研究方法2、初步掌握运用能量转化和守恒来解释物理现象及分析问题的方法。㈢情感、态度与价值观体会科学探究中的守恒思想，养成探究自然规律的科学态度，领悟机械能守恒规律解决问题的优点，形成科学价值观。【教学重点】1、机械能守恒定律的推导与建立，以及机械能守恒定律含义的理解；2、机械能守恒定律的条件和机械能守恒定律的实际应用。【教学难点】1、机械能守恒的条件及对机械能守恒定律的理解。2、能正确分析物体系统内所具有的机械能，判断研究对象在所经历的过程中机械能是否守恒。【教学器材】钢球、细线、小球、钉子，铁架台、弹簧振子、气垫导轨等。【教学过程】一、导入新课1、提出课题—机械能守恒定律。（板书）2、力做功的过程也是能量从一种形式转化为另一种形式的过程，物体的动能和势能总和称为机械能，例举：通过重力或弹力做功，动能与势能相互转化。（展示图片和视频）……分析上述各个过程中能量转换及重力、弹力做功的情况（学生描述。【实验1】钢球用细绳悬起，请一同学靠近，将钢球偏至同学鼻子处释放，摆回时，观察该同学反应，并让学生分析会不会碰到鼻子。二、新课教学1、探究守恒量瀑布（自由落体）：重力势能动能过山车：动能重力势能动能荡秋千：动能重力势能撑杆跳高动能弹性势能、重力势能动能第3页共6页h1h2ABv1v2【实验2】将小钢球用细线悬挂一端固定在的小黑板上部，让小球摆动，通过实验发现，小球可以摆到跟释放点等高处，再用一钉子固定在小黑板上某点挡住细线，再观察，发现仍等高。引导学生讨论探究摆动中能量转换，分析实验现象所展示的能量转化特点，实验1和实验2中小球在摆动过程中通过重力做功，势能与动能互相转换：重力做正功，重力势能减少，动能增加；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。2、探究规律，并找出机械能不变的条件。提出研究方法：在探究物理规律时，应该是由简单到复杂，逐步深入，先对简单的物理现象进行探究，然后加以推广深化。（1）只受重力作用分析情景1：如图所示，质量为m的物体在空中自由落体运动，当物体距离地面高度为h1的A点时，物体的速度为v1，当物体距离地面高度为h2的B点时，物体的速度为v2。试分析:①在运动过程中物体受哪些力，有哪些力做功，并用两种方法求解所做的功。②下落过程中A、B两位置的机械能之间的数量关系。【共同分析讨论】A点到B点，WG=21mv22-21mv12=EK2-EK1由重力做功和重力势能变化的关系有WG=mgh1-mgh2=EP1-EP2得到EK2-EK1=EP1-EP2移项后，得EP1+EK1=EP2+EK2①即E1=E2【结论】物体在运动过程中，动能和势能之和即总的机械能保持不变，即机械能守恒。（2）只有重力做功分析情景2:如图所示，质量为m的小球，以速度v1从光滑圆弧轨道的A点下滑，当滑至最低点B时，物体的速度为v2，已知A点距离地面的高度为h1，B点距离乙甲ABCAv1v2h2h1AB第4页共6页地面的高度为h2。分析:①在运动过程中物体受哪些力，有哪些力做功，并用两种方法求解所做的功。②下落过程中A、B两位置的机械能之间的数量关系。【共同分析讨论】由于圆弧轨道光滑，小球在A到B的过程中只受到重力和弹力的作用，而弹力的方向与速度方向垂直，因此，在此过程中只有重力做功。A点到B点，WG=21mv22-21mv12=EK2-EK1由重力做功和重力势能变化的关系有WG=mgh1-mgh2=EP1-EP2得到EK2-EK1=EP1-EP2移项后，得EP1+EK1=EP2+EK2即E1=E2【总结】通过对以上两种情景的分析我们得到这样的结论：物体在只有重力做功的系统内，物体的动能和重力势能可以相互转化，但机械能的总量保持不变。（3）只有弹力做功分析提出问题：势能包括重力势能和弹性势能，只有弹力做功时，机械能与守恒吗？【动画模拟演示】水平弹簧振子，观察振动过程。【问题】小球在和弹簧组成的系统中运动，哪些能量之间发生了转化（学生讨论回答）【情景3】如图所示，弹簧的一端固定，另一端连有一质量为m的小球，小球的套在光滑的金属杆上，现将小球水平向右拉离一段距离，然后放手，当小球运动到伸长△x1时，速度为v1，当小球运动到伸长△x2时，速度为v2。①结合前面已经探究过的弹力做功与弹性势能的关系，类比重力做功，进行分析弹簧对小球做的功。②通过上节课学的动能定理分析弹力对小球做的功。（学生思考，回答）【共同分析讨论】根据弹力做功与弹性势能的变化关系：PEW＝弹得到：22212121xkxkW＝弹根据动能定理得：21222121mvmvW＝弹上述过程都是弹力做功的表达式，因此两式相等，变形后得到：2222212121212121xkmvmvxk＝即：E1=E2l0ABC△x1△x2v2v1第5页共6页【结论】物体在只有弹力做功的系统内，物体的动能和重力势能可以相互转化，但机械能的总量保持不变。3、机械能守恒定律的内容和条件（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）公式：EP1+EK1=EP2+EK2（E1=E2）（板书）（3）条件：系统内只有重力（或弹力）做功。思考“只有重力（或弹力）做功”是否就是物体只受重力（或弹力）的作用？引导学生分析，加深对“只有重力（或弹力）做功”的理解：“只有重力（或弹力）做功”并不是物体只受重力（或弹力）的作用。这句话包含以下情况：①物体只受重力（或弹力）作用，且做功。②物体除了受重力（或弹力）作用外，还受到其他力的作用，但其他力对物体不做功。③物体除了受重力（或弹力）作用外，还受到其他力的作用，其他力也做功，但其他力对物体所做功的代数和为零。三、例题分析例1：分析下列情况下机械能是否守恒，并说明理由A．跳伞运动员从空中匀速下落过程B．物体以8m/s2在空中下落过程C．物体作平抛运动过程D．物体在重力作用下沿光滑斜面上滑过程例2：下列情况中，物体的机械能有可能不变的是A．物体所受合外力为零，重力对物体做正功B．物体所受合外力为零，重力对物体做负功C．物体以5m/s2的加速度做直线运动D．物体以不变的速率在竖直平面内做曲线运动【点评】上述两个例题是在具体的情景中判断机械能受否守恒。我们判断机械能守恒可以从机械能守恒的条件去判断，利用守恒条件判断的重要依据是分析在物体运动过程中受否受到其他力的作用，其他力是否做功。当然还可以从机械能的表达式去进行判断，例如例题1中的A选项，运动员匀速下落，动能不变，但重力势能减小，因此机械能不变。四、小结，布置作业五、教后反思1、能够很好地引导学生举例说明动能与重力势能之间的转化和动能与弹性势能之间的转化，并分析在能的转化过程中什么力做功，什么力不做功。第6页共6页2、利用单摆做的鼻尖实验观察学生的生理反应的演示试验设计很成功，学生很快就能进入这节课的主题。3、能较好地引导学生在只有重力做功以及只有重力做功的情况下，利用动能定理推导出机械能守恒定律的数学表达式，并初步理解机械能守恒的物理意义及定律成立的条件。4、在讲解只有弹簧弹力做功的系统内机械能守恒的数学表达式时，学生的理解相比较在只有重力做功的系统内机械能守恒的数学表达式困难。5、在进行课堂练习时，学生回答问题积极，教学反馈及时，但学生齐答的时间较多，个别发言较少。