1、第七章第七章 机械能守恒定律机械能守恒定律 本章设计本章设计 在具备了运用牛顿运动定律和运动学知识来解决力学问题的基础上,物理问题的研究开始 由力的观点向能的观点发展和深化引入功和能(动能、势能)等重要物理量和动能定理、机械能 守恒定律等重要规律.在应用时,不仅省略了对物理过程的分析和运算,而且从更高的角度驾驭 物理情景,为我们解决力学问题开辟了新的途径. 守恒关系是自然界中十分重要的关系,通过“追寻守恒量”的学习,加强学生对守恒关系的认 识,并把这种思想渗透在能量学习的全过程.在教学中,通过“功和能”的学习,培养学生的科学思 路和研究方法,强化学生的逻辑思维能力.在探究弹性势能的实验中,启迪
2、学生通过自主探索,变 未知为已知.鼓励学生调查自己周围常见的各种机械,了解其功率,探讨功率的影响因素,加深对 功率这一常见概念的认识、理解. 本章的重点是正确理解功和能的概念和掌握功能关系.因此,逐步加深理解功和能的概念 以及功能关系是学习本章的基本线索. 本章的难点是变力的功,以及动能定理和机械能守恒定律的正确应用.在学习功的概念时, 要注意区分物体的位移和力的方向上的位移.学习动能定理和机械能守恒定律时,要抓住功能 关系这一主线,从中体会功与能的转化与转移. 全章共 10 节,建议用 12 课时.各节课时建议安排如下： 1 追寻守恒量 1 课时 2 功 1 课时 3 功率 2 课时 4 重
3、力势能 1 课时 5 探究弹性势能的表达式 1 课时 6 实验:探究功与速度变化的关系 1 课时 7 动能和动能定理 2 课时 8 机械能守恒定律 1 课时 9 实验:验证机械能守恒定律 1 课时 10 能量守恒定律与能源 1 课时 1 追寻守恒量追寻守恒量 整体设计整体设计 功和能量转化的关系不仅为解决力学问题开辟了一条新的重要途径,同时它也是分析解决 电磁学、热学等领域中问题的重要依据.但是学生在能量概念的建立上没有概念基础,所以教材 在第一节设立追寻守恒量,旨在让学生对能量能够有清晰的认识.教材从著名物理学家的理论 出发,展示伽利略的斜面实验,逐步引导能量的概念建立.继而利用生活中的实例
4、,给出势能和动 能的概念.教材具体说明了引入能量概念的必要性. 在实际教学中,逐步渗透物理学家研究待认识问题的方法:设法找出所研究现象是否存在 物理量守恒的情况,一旦发现某种物理量守恒,就首先用以整理过去的经验和知识并总结成定 律,然后在新的现象或事例中对总结出的守恒定律进行检验,如果定律得以证实就可以借助它 解决问题,甚至作出新的预见,追寻和研究守恒量是物理学的一种重要研究方法. 守恒关系是自然界中十分重要的关系,通过本节课的学习,加强学生对守恒关系的认识,并 把这种物理思想渗透在能量学习的过程中. 教学重点教学重点 理解动能、势能的含义,体会能量转化、守恒的普遍存在性. 教学难点教学难点
5、培养创新能力,使学生在发现了能量转化、守恒的普遍存在性后,能意识到存在的巨大使用 前景. 课时安排课时安排 1 课时 三维目标三维目标 知识与技能 1.理解动能、势能及能量的概念与意义. 2.能独立分析伽利略理想斜面实验的能量转换和守恒关系. 3.能列举不同形式的能量可以相互转化并守恒的实例. 过程与方法 1.体会伽利略分析问题的精妙,学习分析事物本质的方法. 2.在列举事例过程中体会费恩曼所说话的深刻内涵,体会转化与守恒的普遍性. 情感态度与价值观 1.通过动能、势能间的相互转化来研究生活中的物体的运动,培养热爱生活的情趣. 2.通过“追寻守恒量”,使学生了解守恒思想的重要性,初步树立能量转
6、化与守恒的观点,学会从物 理现象中探求事物本质的科学态度和研究方法. 3.通过学习,要善于把实际问题理想化. 课前准备课前准备 多媒体课件、学案、滚摆、单摆. 教学过程教学过程 导入新课导入新课 实验导入实验导入 如图所示,一个用细线悬挂的小球从 A 点开始摆动.记住它向右能够达到的最大高度.然后 用一把直尺在 P 点挡住摆线,看一看这种情况下小球所能达到的高度. 这个实验现象说明了什么?它是否说明在小球摆动的过程中某种“东西”是不变的?这种“东 西”会是什么? 通过本节课的学习,同学们就能理解这一实验现象了. 故事导入故事导入 新华社 2000 年 12 月 31 日和中央电视台 2001
7、年元月 6 日先后报道：在 20 世纪的最后几 分钟里，一项新的多米诺骨牌吉尼斯世界纪录，在北京颐和园体育健康城综合馆和网球馆诞 生了.中国、日本和韩国的 62 名青年学生成功地推倒了 340 多万张骨牌，一举打破了此前由荷 兰人保持的 297 万张的世界纪录.从电视画面可看出，骨牌瞬间依次倒下的场面蔚为壮观，其 间显示的图案丰富多彩，令人惊叹.其中蕴含着一定的科学道理,这就是“多米诺骨牌效应”.该效 应产生的能量是十分巨大的.这种效应的物理道理是：骨牌竖着时，重心较高，倒下时重心下 降，倒下过程中，将其重力势能转化为动能，它倒在第二张牌上，这个动能的一部分就转移 到第二张牌上，第二张牌将第一
8、张牌转移来的动能和自己倒下过程中由本身具有的重力势能 转化来的动能之和，再传到第三张牌上所以每张牌倒下的时候，虽然有部分能量损失， 但具有的动能都比前一块牌大，因此它们的速度一个比一个快，也就是说，它们依次推倒的 能量一个比一个大.你可以设想一下,如果牌的个数足够多,那么最后一个牌的速度将是怎样的 大！场面又是何等的壮观! 故事中应用到了动能、 势能及其转化.今天,我们就来学习追寻守恒量这节课,学习问题中展 示的能量问题,探索其中的奥秘. 问题导入问题导入 “挽弓当挽强,用箭当用长;射人先射马,擒贼先擒王.”这是一首杜甫的诗.跳高运动员总是要 充分地助跑才能取得好的成绩.请同学们思考下面的问题
9、: (1)为什么强弓就射得远?跳高运动员是以高度来计成绩的,而他们为什么要提高自己的速度呢? 难道速度和高度之间有什么联系吗? (2)这体现了一种什么过程? 推进新课推进新课 一、伽利略斜面实验 牛顿是经典力学的奠基人,他提出了三个定律和万有引力定律,但是他没有研究过能量(至 少没有深入研究),所以当时人类对自然的认识还很有局限.但在伽利略的实验中,已经有了“能 量”的影子. 能量概念的形成和发展,始终是和能量守恒定律的建立过程紧密相连的.能量守恒定律的 发现告诉我们,尽管物质世界千变万化,但这种变化不是没有规律的,基本的规律就是守恒定律. 这一节课我们从一个较高的角度去认识这个问题. 教师指
10、导:让一位学生朗读教材开头费恩曼的话,让学生体会能量守恒定律的重要性. 活动探究活动探究 课件展示 1:大屏幕投影展示伽利略理想实验的 flash 模拟动画. 问题:1.当小球沿斜面从高处由静止滚下时,小球的高度不断减小,而速度不断增大,说明了什么? 2.当小球从斜面底沿另一个斜面向上滚时,小球的位置不断升高,而速度不断减小,说明了什么 问题? 学生观察交流、讨论并总结: 明确：1.说明小球凭借其位置而具有的物理量不断减少,而由于运动而具有的物理量不断增大. 2.说明小球凭借位置而具有的物理量不断增加,而由于运动而具有的物理量逐渐减少. 课件展示 2：利用动画模拟实验,将斜面调整,引导学生观察
11、小球的运动情况.指导学生自己组织 语言,描述看到的物理现象.学生通过阅读并观察、讨论、总结:让小球沿一个斜面从静止开始滚 下,小球将滚上另一斜面,如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度.减小后一斜面的倾角,小球在 这个斜面上仍达到同一高度,但这时他要滚得远些.若继续减小后一斜面的倾角,小球达到同一 高度,但滚得更远些. 教师设疑：若将后一斜面放平,小球的运动情况将是怎样? 引导学生讨论、交流,大胆猜想. 参考结论：小球好像“记得”自己的起始高度,但又永远达不到原来的高度,所以将永远滚动下去. 点评：点评：教师通过动画展示,让学生感受到“有某一量是守恒的”.教师逐步引导,让学生体会“守恒 量”的追
12、寻过程,进一步激发学生的探究意识和学习的欲望. 二、物体的动能和势能 实验演示：演示滚摆实验和单摆实验,进一步强化,如果没有摩擦和介质阻力,物体好像“记得”自 己初始的高度,即某一量是守恒的. 引导学生根据以上示例,举出生活中其他关于此种现象的事例. 公园里的秋千,游乐园里的海盗船,乒乓球自高处落到水泥地面上后的运动,在没有摩擦和 空气阻力的情况下,都能达到一定的高度.这说明,将实际生活中的问题理想化后,确实存在着某 一物理量是不变的. 通过学生列举实例,让学生体会生活中的普遍规律. 教师点评：点评：在物理学中,我们把以上这一事实说成是“有某一量是守恒的”,并把这个量叫做 能量或能. 通过阅读
13、体会,给出动能与势能的概念,体会动能与势能转化并守恒的普遍存在. 教师引导学生认识,伽利略的发现今天看来就是我们学习过的能量转化与守恒的思想.其 中与高度有关的量,我们称为势能;与速度有关的量我们称为动能. 课件展示实例,指导学生分析物体动能和势能之间的转化情况. 滚摆 1.视频展示:秋千与海盗船. 2.视频展示:滚摆与落下的乒乓球. 学生详细分析:讨论总结并由代表发言. 阶段小结: 1.能量:“有某一量是守恒的”,这个量叫做能量或能. 2.势能:相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫做势能. 3.动能:物体由于运动而具有的能量叫做动能. 视野拓展视野拓展 2004 年 12 月 26 日，国
14、际标准时间 00：58：50，一股压抑许久的“怒气”从印度洋深处狂 躁地迸发而出，里氏 9.0 级(美国地震局测定)地震劈开周围的海水,形成一道道相距百十公里的 弧形水幕，以每小时 800 公里的起始速度排山倒海般向四周袭去巨浪呼啸，以摧枯拉朽 之势，越过海岸线,越过田野，迅猛地袭击着岸边的城市和村庄，瞬时人们都消失在巨浪之中. 港口所有设施、被震塌的建筑物，在狂涛的洗劫下，被席卷一空.事后，海滩上一片狼藉，到 处是残木破板和人畜尸体.地震海啸给人类带来的灾难是十分巨大的 试查阅有关资料，谈一谈此次海啸中存在哪些能量. 例例 以竖直上抛的小球为例说明小球的势能和动能的转化情况.在这个例子中是否
15、存在着能的 总量保持不变? 参考解析参考解析：竖直上抛运动的小球,首先由动能转化为势能,达到最高点时,动能为零,势能达到最 大;在下落时,势能逐渐减小,动能逐渐增大,势能又转化为动能.在小球运动过程中,小球的机械 能总量保持不变. 点评：点评：本实例探究可以应用受力情况来作分析,亦可根据实际运动情况总结,紧紧抓住高度影响 势能,速度影响动能这一关键进行分析. 课堂训练课堂训练 如图所示,一根不可伸长的细绳拴着一个小球在竖直平面内摆动,图中 a、b、c 三点分别表示小 球摆动过程中的三个不同位置,其中 a、c 等高.在小球摆动的整个过程中,动能最大时是在 _点,在_点势能最大;如果没有空气阻力的
16、影响,小球在 a 点的动能_(填 “大于”“等于”或“小于”)在 c 点的动能. 解析：解析：在小球来回摆动时,动能与势能不停地相互转化但总量不变.在 a、c 两点时位置最高,势 能最大,速度为零,动能为零.在 b 点时位置最低,势能最小,速度最大,动能最大. 答案：答案：b a、c 等于 方法总结方法总结：在某一过程中,若仅涉及动能和势能的转化,若能判断出其中一种能量正在减小或增 大,则另一种能量一定正做相反变化,且一种能量为零时,另一种能量达到最大值. 课堂小结课堂小结 1.物体由于位置高度而具有的能量叫做重力势能.对于同一水平面而言,物体被举得越高、质量 越大,物体具有的重力势能就越大.
17、 2.物体由于运动而具有的能量叫做动能.动能是由物体的质量和速度共同决定的,物体运动的速 度越大、质量越大,它的动能就越大. 3.动能和势能统称为机械能.动能可以转化为势能,势能也可以转化为动能.在只有重力做功时, 动能和势能的相互转化过程中,总的机械能不变. 布置作业布置作业 1.通过各种途径查找资料,了解人类对能量的研究过程. 2.在其他自然学科中列举出几个能量转化与守恒的实例;转化与守恒的思想(不仅仅是能量)在 生产生活中的实例.(例如水资源) 板书设计板书设计 1 追寻守恒量 一、伽利略斜面实验 二、物体的动能和势能 1.势能:相互作用的物体凭借其位置而具有的能量 2.动能:物体由于运
18、动而具有的能量 三、追寻守恒量的意义 活动与探究活动与探究 课题:能量的应用. 内容:古代战争中常用滚木和檑石作为武器来阻止敌人的进攻,你能利用所学的知识说明其中 的科学道理吗?这种战术适用于哪种情况?怎样才能使杀伤力更大?为什么? 方法:利用动能与势能的转化思想. 参考答案：参考答案：滚木和檑石的重力势能转化为动能,利用其动能来杀伤敌人;这种战术适用于居高防 守;提高其高度、增大其质量才能有更大的杀伤力. 习题详解习题详解 解答:做自由落体运动的物体在下落过程中,势能不断减小,动能不断增加,在转化的过程中,动能 和势能的总和不变. 设计点评设计点评 学生是知识的主动建构者,学生对所研究问题的热情程度及在探究过程中所表现出来的精 神状态和情绪,直接影响教学的效果.本设计利用学生生活中常见的秋千、 海盗船,由静止下落的 乒乓球引入新课,用伽利略理想斜面实验,引发学生的思维能力,使学生产生求知的兴趣与热情. 通过感悟斜面实验的科学现象,重走追寻守恒量的科学之路,完成教学目标的情感态度这一难 度要求.继而通过滚摆、 单摆的视频资源调动探求动能与势能转化的关系,体会能量的守恒思想.
