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普通高中课程标准实验教科书物理教材介绍·必修2（第七章机械能及其守恒定律）课程标准的要求(l)举例说明功是能量变化的量度，理解功和功率。关心生活和生产中常见机械功率的大小及其意义。(2)通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。理解动能和动能定理。用动能定理解释生活和生产中的现象。(3)理解重力势能。知道重力势能的变化与重力做功的关系。(4)通过实验，验证机械能守恒定律。理解机械能守恒定律。用机械能守恒定律分析生活和生产中的有关问题。(5)了解自然界中存在多种形式的能量。知道能量守恒是最基本、最普遍的自然规律之一。(6)通过能量守恒以及能量转化和转移的方向性，认识提高效率的重要性。了解能源与人类生存和社会发展的关系，知道可持续发展的重大意义。一、本章教材概述本章通过对功能关系的讨论，完成对能量概念的更深入的认识。本章是高中阶段物理学习的基础内容之一，它既是力学问题的基础和综合，也是学习其他物理学知识的重要基础。本章共有10节课组成。具体在结构上的设计如下。第1节“追寻守恒量”以引入能量概念为目的；第2节“功”和第3节“功率”是为功能关系的讨论打基础；从第4节到第7节的“重力势能”“探究弹性势能的表达式”“实验：探究功与速度变化的关系”“动能和动能定理”是关于功和能关系的具体讨论；第8节“机械能守恒定律”和第9节“实验：验证机械能守恒定律”是前面各节内容的综合，同时又成为下一节的基础；第10节“能量守恒定律与能源”是在机械能这一特例性守恒量讨论的基础上，阐述能量守恒定律建立的历史过程。在编写本章时有以下一些思考：1．能量概念的引入能量的概念十分抽象，而功的概念比较具体，也容易量度，在物理学中人们总是通过做功了解能量的变化，从而认识能量。新教科书反复突出了这个思想。但是，在以往的教科书中，一般是先定义功的概念及其表达式，然后说“一个物体能对外做功，就说它具有能”。接着举例说明，做功伴随着能量的变化，从而得出“功是能量变化的量度”。这样处理，很容易使人感到，定义“功”是为了定义“能”，先有功的概念，才会有能的概念。但是，在物理学中能量并不是由功定义的。能量概念是在人类追寻“守恒量是什么”的过程中发展起来的。能量概念之所以重要，就是因为它是一个“守恒量”。而守恒关系一直是自然界中客观存在着的一种十分重要的关系。近代物理学的发展更是伴随着对守恒量的追求。本书力求渗透这种思想，希望加强学生对守恒关系的认识。根据这种认识，本书将“追寻守恒量”放到了具体的概念如重力势能、弹性势能、动能之前，即从追寻守恒量出发，引出能量概念。同时，把守恒思想的渗透贯穿于能量学习的全过程。2．功能关系的讨论功的概念起源于早期工业革命的需要。当时人们需要寻找一种能够比较蒸汽机效益的办法。在实践中，人们逐渐认同用机器举起物体的重量与高度之积来量度它，并把它称为“功”。19世纪初，法国科学家科里奥利明确地把作用力和受力点沿力的方向的位移的乘积叫做“运动的功”。当功和能量这两个概念在具体的物理过程中“汇合”时，人们才进一步认识到，功的重要意义在于它可以决定能量的变化。因而，它为研究能量的转化过程奠定了定量分析的基础。这就是今天的物理学总把“功”和“能”捆绑在一起的原因。本书对力学中功能关系的讨论给予了极大的重视。(1)重力势能的表达式本章是从重力做功和重力势能的变化过程开始讨论功和能的关系的。在发现规律、提出物理量的表达式的过程中，我们不仅告诉学生结论，而且告诉学生结论是怎样得出来的，这就是重视科学过程的做法。这既是一种教学思路，也是一种科学思维之路，因而对培养学生的逻辑思维能力和研究方法是有益的。另外，本书在此还认真分析了WG与路径无关的问题。如果物体从A至B，不同路径下WG不同，Ep还有意义吗？提出这个问题的目的是希望有助于学生形成严肃认真的科学态度。物理教学应培养“追根问底”的思维习惯，“自圆其说”应是最起码的逻辑思维要求。(2)探究弹性势能的表达式关于弹性势能的表达式，在课程标准中没有明确提出要求，本书中设置这个内容的原因是，希望学生通过自主的探索行为，经历变未知为已知的过程。由于科学探究是否会有实验，不是其本质特征。弹性势能表达式的探究活动，不含实验。本书中设置这个内容意在检验以下两点：第一，知道重力势能的表达式是通过重力做功的分析得出的，那么，弹性势能的表达式能否通过弹力做功的分析而得出。第二，从前面利用极限思想的思路中受到启发，能否自主解决变力做功的问题。这里讨论的仍然是功和能的关系问题，所需的知识、方法（含科学思想），以及对科学探究的认识，都是高中物理的基本内容；而本探究的结论，即并不重要。所以，这个表达式在课文中没有出现，课后也没有用它来解的题目。(3)探究动能的表达式探究功与速度变化的关系，是企图通过实验，利用已经从个案中有所领悟的功能关系，探究另一种能量动能的表达式。因为动能与速度相关是动能的基本特征之一，而这一点已在第1节中就明确了。但是，这一实验探究最多只能得到Ek与物体的v2成正比，并不能得出Ek的表达式。因此，功与速度变化关系的测量只是达到目的的一个桥梁，实验并不可能解决一切问题。这样有必要将实验的思路转换成理论性研究，即质量为m的物体，在恒力F的作用下发生了一段位移l，并且速度由Vl变为V2，试研究在这一过程中，力对物体做的功与物体速度变化的关系。从研究结果中可以看出：第一，式中的与v相关，因而与动能EK相关，且与v2成正比也与上面的探究相一致。第二，的始末两态之差与力做的功w相等，因而与前面重力势能表达式的研究相一致，即功是动能的变化的量度。至此，我们可以定义，并且得到。新课程重视科学过程，这有两重意义。一是要适当展示前辈科学家建立科学概念、发现科学规律的过程；二是要在学生自己的学习中有根据、合乎逻辑地进行学习，了解知识是怎样得来的。3．机械能守恒定律本章的第1节就是“追寻守恒量”，在学习势能、动能之前就通过伽利略的工作介绍了“守恒”的思想，能量守恒是物理学家追求的目标。本教科书在得到机械能守恒关系时，没有涉及Ep和Ek的具体表达式，因而更具普遍意义。“验证机械能守恒定律”的实验，采用了不给具体步骤给思路、进行难点提示的写法。这样做的目的是，即使是验证性的实验，也应该体现科学探究的思想。在前面的实验中，测速度时都是用两点间的平均速度代表其中某点的瞬时速度，在第九节证明了“做匀速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于与它相邻的两点间的平均速度。”前面没有使用这种方法，目的是使学生更多地通过实验认识瞬时速度，同时也是为了避免盲目追求精确度的倾向。在过去的教学中，这个结论是以一个习题的形式出现的，这里做了正式证明。这也是为了给学生加深这样的印象：无论做什么事情，采用一种新的方法，必须有可靠的证据，不能草率行事。4．能量守恒定律与能源本章第10节简述了发现能量守恒定律的历史，基本思想是：能量守恒定律的发现不是偶然的，它是人类对自然认识发展到一定阶段的产物。除了物理学外，其他学科对能量守恒定律的发现也有重要贡献，本节还谈到了能量转化和能量转移的方向性。过去的中学物理课程不涉及这个问题，新课程更多地与社会实际相联系，因此对能源问题做了讨论，而研究能源，从物理学的角度看自然要谈宏观过程的方向性。在必修模块中这只是简单地提一提，如果学生继续学习物理，在选修1-2和选修3-3中还有深入一些的讨论。第1节追寻守恒量1．教学目标(1)知道守恒是自然界的重要规律，初步领会能量转化、变中有恒的思想；(2)了解势能、动能的概念；(3)领会寻找守恒量是科学研究的重要思想方法；(4)会分析生活中有关机械能转化的问题。2．教材分析与教学建议“追寻守恒量”主要是观念性教育的内容，目的是对学生进行方法和观念的教育，使学生了解守恒思想的重要性。它从一个较高的角度入手，给学生一种观点，并希望学生在今后的学习中用这种观点去认识问题。守恒是自然界普遍遵循的重要基本规律，“能量”是牛顿没有留给我们的少数力学概念之一，究其原因是能量及其守恒的思想与牛顿的力学研究思路有所不同，能量及其守恒的思想从更抽象层次上反映了物质运动和相互作用的本质。“人的认识发展往往与科学发展的历程有着惊人的相似”。“力和运动”及“能量”观点虽然是高中学生应该掌握的两种基本和重要的观点，但“力和运动”观点对于学生来说比较直观和具体，“能量转化和守恒”观点则更加抽象。学生通过前面几章的学习后往往会产生这样的想法，物体的运动用“力和运动”的观点和规律都可以得到解释和解决，为什么还要引入能量概念，从能量角度进行研究呢？为了激发学生对本章知识的学习的兴趣，使学生领会引入能量概念的目的和意义，教科书首先引用了诺贝尔物理学奖获得者费恩曼有关能量的一番论述，来说明物理学中能量概念和能量守恒的思想的重要性。能量的转化与守恒是自然科学的核心规律之一。在物理学的发展过程中，能量概念的形成和发展，始终是和能量守恒定律的探究过程紧密相连的。能量的概念是伴随人类对能量守恒的认识同步发展起来的。能量概念是物理学中一个极为普遍、极为重要的概念，能量这一概念之所以有这样重要的地位，在于它转换与转化时的守恒性。能量的转化与守恒是普遍适用的规律，其正确性经受了“历史的考验”，物理学发展史上不止一次地发生过这样的情况，在某类新现象里似乎有一部分能量消失了或凭空产生出来，后来物理学家们总能确认出一种新的能量形式，使能量的守恒定律得以保持，在其基础上建立起来的理论，又进一步推动了物理学的发展。能量守恒规律的发现，使科学家更加坚信了守恒关系是自然界中十分重要的一类关系，寻找守恒量成为科学研究中的重要思想方法。能量转化与守恒规律虽然是适合各个领域的普遍关系，规律本身与规律的发现过程具有丰富的内涵，但考虑到学生的基础，本节课的教学内容宜限定在学生比较容易理解和接受的机械能范围，对规律本身与规律发现过程丰富的内涵的发掘与阐述也应充分考虑学生能够理解与体会的程度。通过初中的学习，学生已经知道能量有各种形式，也初步学习了动能、势能和机械能的概念，这为本节相关问题的探究时直接引用动能、势能概念奠定了基础，通过初中的学习，学生了解了各种能量间可以互相转化以及机械能守恒的观点，这可能使学生在进行本节相关问题的探究时，对猜想有了定向，教师在教学中既要利用好这种定向，又要避免由于这一定向可能带来的对思维的束缚。本节的教学目的主要是让学生感受和体会对于守恒量的认识和探究过程，应该避免单纯的科学探究史的讲述，宜采用问题、实验和教科书内容的有机结合进行本节内容的教学。第2节功1．教学目标(1)初步认识做功与能量变化的关系；(2)理解功的概念，知道做功的两个要素；(3)明确功是标量，知道的适用范围，会用功的公式进行计算；(4)理解正功、负功的概念，会根据公式计算多个力的总功；(5)初步理解化变力为恒力、处理变力做功的思想方法。2．教材分析与教学建议(1)功的概念的建立“功”是本章知识链中非常重要的一环。课程标准中要求学生“能举例说明功是能量变化的量度”，教科书在处理这一课程目标时，不是简单地提出这一结论，而是让学生在全章的学习中，经过对功和能量变化关系的多次探究体验，逐步加深理解。就本章的知识结构来说，功是为进一步提出“能”这个更为广泛、更为重要的概念服务。做功过程反映了能量的变化过程。因此，只有准确认识“功”这节内容在教科书中的地位，才能很好地把握教学要求和深广度。本节内容是初中学习的继续和提高，沿着初中物理的思路，仍然强调功与能量变化的联系，因此在第一次出现“功”时，教科书就提出“如果物体在力的作用下能量发生了变化，那么这个力一定对物体做了功”。本节中介绍了做功两个不可缺少的因素和功的计算公式，功的概念和功的计算公式是本节的重点。教科书采用由特殊到一般的探究思路，先分析力与位移同方向，逐步深入到力与位移成一角度时做功的探究，通过力的平行四边形定则推导功的表达式。然后进行辨析讨论，通过对实例的分析应用达到巩固和深化。(2)正功和负功①公式中各字母的正负取值：F和分别指“力的大小”和“位移的大小”，即公式中F和恒取正值。公式应写作，对于不同的情况，cosa可正可负，使得