第四单元 功与机械能守恒定律-高中物理单元教学设计

113 << 第一单元  机械运动与物理模型 王  静　祁会玲　张战强　汪  静 【单元教学设计】 1. 单元素养目标 第四单元的素养目标如表 4-1 所示。 表4-1　第四单元素养目标 教学内容 核心素养目标 物理 观念 功、功率，重力势能、动能、 机械能 （1）学生能够建立能量观念，理解能量守恒和功能关 系。学生能对物体是做正功还是负功做出正确分析， 功和功率是建立功能关系的重要概念。学生只有准确 理解“功”才能更好地促进能量概念的建构。重力势能、 动能、机械能是建立功能关系，体现“功是能量转化 的量度”这一思想的重要内容。 （2）学生能够理解动能的内涵，能用动能定理解释生 产生活中的现象，解决一些实际问题 科学 思维 重力势能表达式的推导 ；动能 定理和机械能守恒定律的推导 学生能够推导数学公式 科学 探究 运用极限的思想推导瞬时功 率的表达式 ；探究汽车发动 机功率、速度以及牵引力三 者的关系 ；对实验现象进行 研究，推导出重力势能的表 达式，然后通过计算归纳重 力做功与重力势能变化的关 系 ；功能关系的建立 ；机械 能守恒定律的建立 学生能够基于观察和实验提出物理问题、形成猜想 和假设、设计实验制订方案、获取和处理信息、基 于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究过程 和结果进行交流、评估、反思 四 功与机械能守恒定律 张心悦　种建娜　李爱新 >> 114 续　表 　高中物理单元教学设计　 教学内容 核心素养目标 科学态度 与责任 物理学史、物体的相互作用、 人类对物理现象的描述是客 观的 本单元旨在培养学生认识物理实验与科学推理在物 理研究中的作用，逐步养成实事求是和持之以恒的 科学态度。学生能够体会合作的重要性。学生对自 己和他人的方案做出评价时能够体会尊重是有效交 流的前提 2. 学生情况分析 （1）物理观念方面：学生初中已经学习了功、动能、势能和机械能的概念，但 是缺乏对能量的定量描述，更不清楚定量的功能关系和能量的定量转换。 （2）科学思维方面：学生缺乏严谨的逻辑、定量推导能力，不具备建模能力。 （3）科学探究方面：学生初中阶段的科学探究基本上是在定性层面，定量实验 较少且不够充分。 （4）科学态度与责任方面：学生在初中阶段已经基本具备用物理知识解释生活 中现象的能力，对物理学与生产生活的紧密联系有一定体会。 【单元教学内容分析】 1. 本单元在力学部分的地位 本章是必修力学部分的最后一章，讲述功和能的概念，以及动能定理和机械能 守恒定律。这一章可视为牛顿力学的进一步展开，在牛顿运动定律的基础上，通过 引入功和能的概念，得出有关机械能的规律，特别是机械能守恒定律，使学生对自 然的认识更加深入，为解决力学问题开辟了新的途径。因此，这一章是力学部分的 重点章。 2. 单元内容分析 （1）单元的内容线索。第四单元的内容线索如图 4-1 所示。 图 4-1　第四单元内容线索 　第四单元 功与机械能守恒定律　 115 << （2）单元的内容进阶层级。第四单元的内容进阶层级如图 4-2 所示。 图 4-2　第四单元内容进阶层级 【单元教学任务设计】 1. 单元大任务 地铁在进站时要刹车，在出站时要加速，因此进出站会浪费一些能量。为提高 能量的利用率，请学生设计一到两种方案，地铁进站时把动能储存起来（当然不可 能是百分之百，可以是大部分），出站时再把动能释放出来。学生设计完成后彼此交 流一下，看看谁的能量利用率更高。 2. 单元小任务设计 任务一：功的计算公式的推导。 任务二：正功、负功及其意义。 任务三：认识功是标量。 任务四：平均功率与瞬时功率。 任务五：汽车启动问题讨论。 任务六：重力做功的特点。 任务七：重力势能。 >> 116 　高中物理单元教学设计　 任务八：弹性势能。 任务九：动能概念的建立。 任务十：探究恒力做功与动能改变量的关系。 任务十一：理论推导动能定理。 任务十二：追寻守恒量。 任务十三：动能与势能的相互转化。 任务十四：机械能守恒定律。 任务十五：验证机械能守恒定律。  5 主题八　机械能守恒定律 8.1　功与功率（1课时） 魏平军 【设计理念】 本教学设计采用“以任务为导向”的教学模式。根据大单元教学的要求，教师 设置了整个单元的教学任务完成标准。通过具体生活情境作为导入，教师把教学的 内容转化为以任务为驱动的形式。教师提出问题，组织学生通过逻辑推理、独立思 考和分组讨论相结合的方式得到答案。教师重视问题情境的创设和学生思维动机的 激发，引导学生主动探究和建构知识。 【教材分析】 功与功率是人教版高中物理必修第二册第八章第 1 节的内容。能量是贯串整个 物理学的一个重要概念。各种运动形式之间的转化，会伴随不同能量形式的转化， 但能的总量保持不变。新版高中物理机械能守恒定律这一章，删去追寻守恒量—能 量一节。初中功和机械能这一章中已经给出了功和功率的定义，以及功和功率的简 单计算。所以，新版高中物理教材将功和功率编为一节。 【学情分析】 本课之前学生已经学习过做功的概念，也知道功是能量转化的量度。本课的目 　第四单元 功与机械能守恒定律　 117 << 的是研究做功的快慢，利用比值定义法提出功率的概念。而且初中时期学生也学习 过功率的基础概念，所以理解起来并不困难。 【教学目标】 1. 物理观念 （1）学生能够初步认识做功与能量变化的关系。 （2）学生能够理解功的概念，知道做功的三个要素，知道功的计算公式和单位， 知道功是标量。 （3）学生能够理解功率的意义，知道功率的计算公式及其单位，知道额定功率 的意义。 （4）学生能够知道 W ＝ FLcosα 的适用范围，初步理解正功、负功的物理意义。 （5）学生能够在实际情景中区分平均功率和瞬时功率，理解 ∆t 很短时，P ＝ W t 表示的是瞬时功率。 2. 科学思维 （1）学生能够会根据公式计算多个力的总功。 （2）学生能够会根据功率的定义式和运动学公式导出 P ＝ Fv，会运用功率公式 解决简单的实际问题。 （3）学生能够分析当汽车发动机功率一定时，牵引力与汽车速度之间的关系， 会结合力和运动的关系定性分析机车以恒定功率启动和匀加速启动的问题。 3. 科学探究 （1）学生能够运用极限的思想推导瞬时功率表达式。 （2）学生能够探究汽车发动机功率、速度以及牵引力三者之间的关系。 4. 科学态度与责任 通过功与功率的教学，学生能够树立科学观点，能够理解和运用自然规律，并 能分析、解释生活中的现象。 【教学重点】 功的概念、正功与负功的意义、瞬时功率的概念。 【教学难点】 机车启动运动过程。 >> 118 　高中物理单元教学设计　 【教学方法】 启发式教学法、分组讨论法、总结归纳法、多媒体展示法。 【教学过程】 1. 任务一：功的计算公式的推导 问题情景：如图 4-3 所示，设马 对雪橇的拉力是恒定的力 F，拉力与 雪橇运动方向有一个角度 α。请问：                                                               图 4-3  马拉雪橇 （1）拉力是否做功？为什么？ （2）如果做功，做的功是多少？ （3）你能够用几种方法推导功的表达式？ （4）你推导的依据是什么？什么方法帮助了你？ 2. 任务二：正功、负功及其意义 问题情景：如图 4-4 所示，轮子与水平地面间的摩擦可忽略不计，人拉着车子 使车子加速前进；如图 4-5 所示，轮子与水平地面间的摩擦可忽略不计，人的脚与 地面间有较大的摩擦，使车子减速；如图 4-6 所示，高铁运行时，既受到向前的牵 引力，也受到空气、轨道的阻力。请问：       图 4-4  人拉车                    图 4-5  人脚刹车                   图 4-6  高铁运行图 （1） 图 4-4 中 的 拉 力 与 位 移 的 夹 角 是 哪 个？ 根 据 功 的 计 算 式 得 到 的 功 是 正 值吗？ 　第四单元 功与机械能守恒定律　 119 << （2） 图 4-5 中 的 拉 力 与 位 移 的 夹 角 是 哪 个？ 根 据 功 的 计 算 式 得 到 的 功 是 正 值吗？ （3）设想在光滑地面上有一沿直线做匀速直线运动的物体，施加一个怎样的力， 这个力才做正功？这种情况下物体的动能怎样变化？ （4）设想在光滑地面上有一沿直线运动的物体，施加一个怎样的力，这个力才 能做负功？这种情况下物体的动能怎样变化？ （5）功的正、负与物体能量的变化有关系吗？正功与负功的物理意义是什么？ （6）图 4-6 中牵引力和阻力分别做什么功？加速与减速时，正功与负功的值有 什么关系？ 3. 任务三：认识功是标量 问题情景：如图 4-7 所示，作用在物体上斜向上的拉力 F，与水平方向夹角为 α， 物体的位移为 l。如图 4-8 所示，作用在物体上斜向下的拉力，大小仍为 F，与水平 方向夹角仍为 α，物体的位移仍为 l；如图 4-9 所示，一个质量 m ＝ 15 kg 的雪橇， 受到与水平方向成 θ ＝ 37° 角斜向上方的拉力 F ＝ 500 N，在水平地面上移动的距离 l ＝ 5 m，地面对雪橇的阻力 F 阻＝ 100 N。请问： F α α Fl l F α α Fl l F θ   图 4-7  斜向上的力拉物体       图 4-8  斜向下的力拉物体            图 4-9 人拉雪橇 （1）图 4-7 与图 4-8 中拉力 F 的功相同吗？按功的计算式得到的结果相同吗？ 这与功的意义矛盾吗？ （2）图 4-9 中物体受到的各个力分别对物体做了多少功？合力对雪橇做了多少 功？合力做的功等于各分力功的代数和吗？这是巧合还是必然？ （3）力是矢量，已知分力求合力用什么定则？功也是这样的吗？ 4. 任务四：平均功率与瞬时功率 问题情景：图 4-10、图 4-11 分别为牛犁地图和拖拉机犁地图。请问： >> 120 　高中物理单元教学设计　                                  图 4-10  牛犁地                    图 4-11  拖拉机犁地 （1）如图 4-10、图 4-11 所示，牛和拖拉机谁做的功多？谁的功率大？ （2）拖拉机是否在任意时刻的功率均比牛大？ （3）怎样才能更加精确地描述做功的快慢？你能得到相应的表达式吗？ （4）有了瞬时功率这个概念后，以前我们说的功率其实是指什么功率？ 5. 任务五：汽车启动问题讨论 问题情景：汽车启动时逐渐加大油门，保持汽车牵引力不变，到达额定功率后 保持油门在一定位置继续行驶。请问： （1）汽车加油门与不加油门是生活用语，物理中比较对应的概念是什么？ （2）若将汽车在运动时的阻力看成恒定，若汽车启动时保持牵引力不变，速率 将如何变化？功率将如何变化？你能画出这种情况的 P-t 图像吗？ （3）某型号汽车发动机的额定功率为 60 kW，在水平路面上行驶时受到的阻 力是 1800 N，发动机在额定功率下汽车匀速行驶的速度多大？汽车行驶速度为 54 km/h 时发动机输出的实际功率是多少？ （4）汽车启动时，是先加大油门达到恒定功率再突然启动安全？还是逐渐加大 油门启动安全？为什么？ 8.2　重力势能（1课时） 武力强 【设计理念】 重力势能是建立功能关系，体现“功是能量转化的量度”的关键内容，所以这 一节的设计从重力做功和重力势能变化的视角，讨论功能关系，推理重力势能的表 达式，在讨论与推理过程中培养学生的逻辑思维能力。 【教材分析】 本节内容是人教版高中物理必修第二册第八章第 2 节的内容，是后面学习机械 　第四单元 功与机械能守恒定律　 121 << 能守恒定律的基础，是建立功能关系，体现“功是能量转化的量度”这一思想的重 要一节。上一节的“功”可以决定能量变化。本节对功能关系的讨论给予了极大的 重视，重视培养学生的逻辑思维能力。 【学情分析】 学生在初中接触过重力势能，对重力做功也有一定的理解。但对于重力势能与 重力做功的关系，学生则一无所知。本节课学生将真正意义上的第一次接触功能关 系，由于学生已经有了一定的知识储备，在逻辑上不会存在理解障碍，但从概念建 立的逻辑上讲会感觉比较困难。 【教学目标】 1. 物理观念 （1）学生能够理解重力势能的概念，知道重力做的功与路径无关。 （2）学生能够掌握重力做功与重力势能变化的关系。 （3）学生能够理解弹性势能。 2. 科学思维 本节在探究过程中渗透科学的研究方法—控制变量法、实验过程观察法及实验 结果分析法，体会用“实验法”和“理论推导”相互验证问题的方法。 3. 科学探究 学生能够从实验现象入手进行研究，推导出重力势能的表达式，然后通过计算 归纳重力做功与重力势能变化的关系。 4. 科学态度与责任 学生能够通过观察生活中有关的物理现象，得到物理结论。 【教学重点】 重力做功与路径无关，重力做功跟物体重力势能改变量的关系。 【教学难点】 重力势能表达式的得出过程，重力势能的系统性和相对性。 【教学方法】 讨论法、讲授法、引导法、体验法、理论推导法。 >> 122 　高中物理单元教学设计　 【教学过程】 1. 创设情境、引入新课 教师播放石家庄水上公园激流勇进的视频。 教师提出问题：如何计算上升和下滑两个阶段重力做功？人在最高点时具有的 重力势能是多少？ 2. 任务六：重力做功的特点 教师组织学生讨论不同情况下，重力做的功分别是多少？ 教师引导学生用微元法处理轨迹是曲线时重力做的功，帮助学生建立“化曲为 直”的模型。 教师根据激流勇进上升与下降的高度计算人的重力做的功。 3. 任务七：重力势能 教师提出问题：重力势能的大小与什么因素有关？ 教师组织学生实验，引导学生通过实验现象认识规律。 教师通过激流勇进分析上升和下滑两个阶段重力做功，学生能够体会重力做功 与重力势能的关系。教师引导学生发现物体的高度变化时，重力要做功。 教师进一步提出问题：若重力做的功与路径有关，还能把 mgh 叫作物体的重力 势能吗？ 教师引导学生分析以下问题，总结重力做功与重力势能的关系。 （1）教师引导学生分析重力势能是地球与物体所组成的“系统”所共有的。 （2）教师提出问题：选择不同的参考平面，物体的高度相同吗？ （3）教师追问：通过数据分析，你能归纳什么结论？ 4. 任务八：弹性势能 教师组织学生进行实验，感受弹簧压缩及拉伸时储存的能量。 教师提出问题：弹性势能与哪些因素有关？ 教师引导学生用弹簧秤测出弹簧劲度系数 k，画出弹力随形变量 x 的图像，推导 弹簧弹力的功。 教师用传感器模拟弹簧弹性势能变化图像。 　第四单元 功与机械能守恒定律　 123 << 8.3　动能和动能定理（2课时） 张丽媛 【设计理念】 本节创设多个情景，教师引导学生按以下步骤进行科学推理：直线运动单一恒 力做功—直线运动多个恒力做功—直线运动变力做功—曲线运动恒力做功。通过以 上四个过程，学生能够感受特殊到一般的研究过程。教师在设计本节时结合了无限 分割的物理思想，培养了学生科学推理能力。通过本节的学习，学生能够应用动能 定理解决问题，体会动能定理的优越性。 【教材分析】 本节主要包括动能和动能定理两部分内容。动能定理是高中物理中十分重要的 内容之一，是中学阶段处理功能问题使用频率最高的物理规律，是对前面研究恒力 做功地进一步深入，对变力做功也适用，并为进一步学习机械能守恒定律打下了基 础，因此这一节有承上启下的作用。 【学情分析】 本节课之前学生已经学习了功的计算、重力势能，了解了弹性势能，并对势能 的建立过程（某个力的功可以量度某个能量的变化）有一定的理解。这些知识为本 节课的推导和从合力做功引入动能奠定了基础。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够理解动能的内涵，能用动能定理解释生产生活中的现象，解决一些实 际问题。 2. 科学思维 学生能够利用动能定理解决动力学问题和变力做功问题。 3. 科学探究 学生能够通过理论推导得出动能定理的内容。 4. 科学态度与责任 通过对动能和动能定理的演绎推理，学生能够从中领略到物理等自然科学中所 蕴含的严谨的逻辑关系，有较强的学习和研究物理的兴趣。 >> 124 　高中物理单元教学设计　 【教学重点】 1. 功与动能变化的关系。 2. 动能定理的推导。 【教学难点】 动能定理在变力做功和曲线运动中的应用。 【教学方法】 演绎推理法、分析归纳法、交流讨论法。 【教学过程】 1. 导入新课 教师引导学生思考以下问题： （1）风力发电是一种重要的节能方法，风力发电的效率与哪些因素有关？ （2）龙卷风给人类带来了极大的灾难，龙卷风为什么具有那么大的能量呢？ 2. 任务九：动能概念的建立 教师引导学生思考：根据以下两个情境，猜想动能的大小与什么因素有关？ （1）质量相同的汽车，运动得越快，具有的能量越多。 结论：动能与物体的速度有关。 （2）相同的速度，载重货车具有的能量要比小汽车具有的能量多。 结论：动能与物体的质量有关。 教师引导学生思考：如何验证动能与质量和速度的关系？ 学生设计实验，观察实验现象，分组讨论，得出结论。 结论：物体的质量越大，速度越大，它的动能就越大，即质量、速度是动能的 两个影响因素。 3. 任务十：探究恒力做功与动能改变量的关系 实验目的：探究恒力做功与动能改变量的关系 实验原理：在钩码的拉动下，小车的速度发生了变化，也就是小车的动能发生 了变化。钩码对小车的拉力做了功，只要能求出小车动能的改变量、小车运动的位 移，以及钩码对小车的拉力（近似等于钩码的重力），就可以研究 W ＝ Fl 与 ∆E k 之 间的关系。 实验器材：一端带有滑轮的长木板、打点计时器、钩码若干、小车、纸带、刻 度尺、细线。 　第四单元 功与机械能守恒定律　 125 << 教师提出问题：还有其他力对小车做功吗？为了使钩码对小车做的功为合力功， 应该怎么办？ 学生回答：平衡摩擦。 教师提出问题：如何判断是否已经平衡完摩擦力了？ 学生回答：轻推小车，小车能匀速运动。 教师提出问题：绳子拉力等于钩码重力的条件？ 学生回答：M 车远大于 m 物。 实验步骤： ①将打点计时器固定在长木板上，把纸带的一端固定在小车的后面，另一 端穿过打点计时器。 ②改变木板倾角，使小车重力沿斜木板方向的分力平衡小车及纸带受到的 摩擦力，使小车做匀速直线运动。 ③用细线将木板上的小车通过一个定滑轮与悬挂的钩码相连，接通电源， 放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点。 ④改变悬挂钩码的数量，重复以上的实验，选择点迹清晰的纸带进行数据 分析。 ⑤数据处理：学生将实验测得的数据填入表 4-2 中。 表4-2  实验数据处理表 实验次数 实验数据 vA vC EkA EkC ∆E k W 第一次 第二次 第三次 ⑥实验结论：在误差允许的范围内，恒力做功等于动能的改变量。 4. 任务十一：理论推导动能定理 设质量为 m 的物体，在与运动方向总相同的恒力 F 的作用下发生一段位移 l，速 度由 v1 增加到 v2，如图 4-12 所示。试求这个过程中力 F 做的功与 v1、v2 的关系？ >> 126 　高中物理单元教学设计　 F F v1 v2 m m l 图 4-12  物体在恒力作用下运动 根据牛顿第二定律 F ma= （4-1） 由运动学公式 v v al2 1 2 2− = 2 （4-2） 把 F 和 l 的表达式代入 W ＝ Fl 得 W mv mv= −1 1 2 22 1 2 2 （4-3） 注意：动能定理说明了功和能的密切关系，即做功的过程是能量转化的过程。 等号并不意味着“功转化成动能”，也不是“功是动能的增量”，而是“功引起动能 的变化”。教师引导学生体会“功是能量转化的量度”这一句话的含义。 （1）对动能定理的理解。 ①动能定理既适用于直线运动，也适用于曲线运动；既适用于恒力做功， 也适用于变力做功；既适用于单个物体，也适用于多个物体；既适用于一个过 程，也适用于整个过程。 ②动能只有正值，但动能的变化有正负，动能的变化量为正值，说明合力 对物体做正功；动能的变化量为负值，说明合力对物体做负功，或者说物体克 服合力做功。 （2）动能定理与牛顿运动定律的比较。 ①动能定理不涉及运动过程中的加速度和时间，用它来处理问题要比牛顿 运动定律方便。 ②动能定理能够解决变力做功和曲线运动问题，而牛顿运动定律解决这样 一类问题非常困难。 　第四单元 功与机械能守恒定律　 127 << 8.4　机械能守恒定律（1课时） 张丽媛 【设计理念】 本节教学从动能和势能的复习入手，引导学生观察生活中的现象，思考动能和 势能的变化之间的关系。机械能守恒定律是本章教学的重点内容，重点是使学生掌 握物体系统机械能守恒的条件；能够正确分析物体系统所具有的机械能；能够应用 机械能守恒定律解决有关问题，进而利用动能定理推导出机械能守恒定律的表达式。 【教材分析】 机械能守恒定律是人教版高中物理必修第二册第八章第 4 节的内容，机械能守 恒定律属于物理规律教学，是对功能关系的进一步认识，是学生理解能量转化与守 恒的铺垫，为今后学习动量守恒定律、电荷守恒定律打下基础。教材通过多个具体 实例，说明势能和动能，先猜测动能和势能的相互转化的关系，引出对机械能守恒 定律及守恒条件的探究，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。 【学情分析】 本章是学生第一次从牛顿力学的思路中转移到守恒的思路上来，学生的思维上 有一个突然的转变，因为守恒的思想更抽象一些，所以学生接受起来更困难一些。 因此，教师在教学过程中，要多举实例，变抽象为形象，要让学生动手体验，以降 低学生的学习难度。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够知道什么是机械能，理解机械能守恒定律的内容，知道它的含义和适 用条件。 2. 科学思维 学生会从能量转化和守恒的观点来解释物理现象，理解机械能守恒的基本思路。 3. 科学探究 学生能够运用动能定理推导机械能守恒定律，体会做功在能量转化过程的用途。 >> 128 　高中物理单元教学设计　 4. 科学态度与责任 通过机械能守恒的教学，学生可以树立科学观点，可以理解和运用自然规律， 并用自然规律解决实际问题。 【教学重点】 1. 机械能守恒定律的推导、建立过程。 2. 机械能守恒定律的内容。 【教学难点】 1. 机械能是否守恒的判断。 2. 机械能守恒定律的基本应用。 【教学方法】 演绎推理法、分析归纳法、交流讨论法。 【教学过程】 1. 导入新课 教师提出问题：一辆过山车在下滑过程中，既然没有什么动力，为什么每次总 能如此准确的完成一连串有惊无险的动作呢？ 学生回答：这实际上是动能和势能之间发生了相互转化。 教师提出问题：那么你知道它们在转化的过程中遵守什么规律吗？ 2. 任务十二：追寻守恒量 能量对于科学研究和日常生活有着巨大的影响，要用一句话说清楚能量究竟是 什么却非易事。 教师提出问题：如果不采用能量的概念，你能描述伽利略的斜面实验吗？ 伽利略为了把小球从桌面提高到斜面上的某个位置，施加了与重力相反的力； 当他释放小球时，重力使小球滚下斜面 A ；在斜面的底部，小球由于惯性而滚上斜 面 B。 教师提出问题：不采用能量描述，能全面并准确表达伽利略的斜面实验吗？ 这样的描述不能直接表达一个最重要的事实：如果空气阻力和摩擦力小到可以 忽略，小球必将准确地终止于它开始运动时的高度，不会更高一点，也不会更低一 点。这说明某种“东西”在小球运动的过程中是不变的。 能量概念的引入是科学前辈们追寻守恒量的一个重要事例。 　第四单元 功与机械能守恒定律　 129 << 3. 任务十三：动能与势能的相互转化 （1）重力势能与动能的相互转化。 如图 4-13 所示，小球从 A 点由静止释放，在整个运动过程中，细绳始终伸直。 请分析小球在整个过程中的运动。 图 4-13　小球摆动图 A—B：在这个过程中，小球的速度增加了，表示小球的动能增加了。这说明， 小球原来的重力势能转化成了动能。 B—C：在这个过程中，这时重力对小球做负功，小球的速度减小，表示小球的 动能减少了。但由于小球的高度增加了，所以它的重力势能增加了。这说明，小球 的动能转化成了重力势能。 结论：小球的动能和重力势能可以相互转化。 （2）弹性势能与动能的相互转化。 由小球接触弹簧到速度为零的这一过程中，弹力做负功，弹簧的弹性势能增加， 而小球速度减小，动能减少。小球原来的动能转化成了弹性势能。 被压缩的弹簧具有弹性势能，当弹簧恢复原来形状时，就把跟它接触的小球弹 出去。在这一过程中，弹力做正功，弹簧的弹性势能减少，而小球得到一定的速度， 动能增加。小球原来的弹性势能转化成了动能。 结论：小球的动能和弹性势能可以相互转化。 （3）机械能。 重力势能、弹性势能与动能都是机械运动中的能量形式，统称为机械能。通过 重力或弹力做功，机械能可以从一种形式转化成另一种形式。 4. 任务十四：机械能守恒定律 其他力做功会引起机械能与内能等其他能量的相互转换，所以机械能守恒定律 是有条件的。 >> 130 　高中物理单元教学设计　 教师引导学生研究课本中的物体延光滑曲面滑下的例子，可以得出以下结论： 在只有重力做功的系统内，动能与重力势能互相转化时总的机械能保持不变。 思考与讨论：如果物体从位置 B 沿光滑曲面上升到位置 A，重力做负功。这种 情况下总的机械能是否还保持不变？ 学生推导并得出结论：这种情况下总的机械能还保持不变。 教师提问：如何理解只有重力做功？ 教师引导学生总结只有重力做功的情况：一是物体只受重力作用。二是物体除 受重力外还受到其他力的作用，但其他力不做功，或其他力做功的代数和为零。 教师请学生举一些例子。 学生分小组讨论并总结：平抛运动或其他抛体运动的物体只受重力；沿光滑斜 面下滑的物体受重力和支持力，但支持力不做功；沿粗糙斜面下滑的物体所受的拉 力 F 和摩擦力 f 大小相等方向相反，拉力 F 和摩擦力 f 做功的代数和为零。 同样可以证明，在只有弹力做功的系统内，动能和弹性势能互相转化时总的机 械能保持不变。 （1）机械能守恒定律内容：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能 发生互相转化，而总的机械能保持不变。 （2）表达式： Ek1+Ep1 ＝ Ek2+Ep2 （4-4） 或 E1 ＝ E2 （4-5） （3）机械能守恒的条件：物体系统内只有重力或弹力做功（其他力不做功），机 械能守恒。对于该条件可具体理解如下： ①系统不受外力。 ②系统受外力，但所有外力均不做功。 ③系统受外力，而且外力做功，但外力做功的代数和为零。 （4）应用机械能守恒定律解决问题的优点：只需考虑运动的初状态和末状态， 不必考虑两个状态间的细节，这样就简化了计算。 （5）特别提醒：机械能守恒的条件绝不是合力的功等于零，更不是合力为零； 判断机械能是否守恒时主要看是否只有重力或弹力做功。 　第四单元 功与机械能守恒定律　 131 << 8.5　实验：验证机械能守恒定律 陈军肖 【设计理念】 本节课是以学生实验为中心以教师引导、小组合作为主要方式的实验探究。实 验教学注重学生学习过程的体验，培养学生善于提出实验需要研究的问题，尝试对 物理实验结果进行预测判断，主动思考解决问题的办法，灵活地应用物理学的思想 与方法有效地解决问题，能正确地表述实验结果，并对实验数据和结果进行科学的 分析和评估。 【教材分析】 本节的目的是让学生在理论上学习机械能守恒定律之后，通过对实验数据的分 析处理，对机械能守恒定律及守恒条件有更深刻的认识。机械能守恒的前提是“只 有重力或弹力做功”，因此创设的情景一定要满足这一条件。 学生可以提出自由落 体运动、竖直上抛运动、平抛运动、物体沿光滑斜面的运动、单摆等符合机械能守 恒的情景，在充分讨论后确定合适的方案。 通过小组合作探究，学生可以正确的计算重物下落过程中动能的增加量和重力 势能的减少量，比较动能的增加量和重力势能的减少量是否相等来判断机械能是否 守恒。速度的测量是重点，教师组织学生分小组合作探究出测量瞬时速度的最好方 法。重物下落过程中会受到很多阻力，如何减少阻力对实验结果的影响？这个问题 可以让学生来讨论、分析，教师点拨归纳。 本节课按照科学探究的要求组织学生制订实验方案、研讨实验方法、探究操作 要领、小组合作完成实验、分析误差原因。 【学情分析】 学生已经掌握了动能、重力势能等概念，以及动能定理、机械能守恒定律等定理、 定律；知道功是能量转换的量度以及机械能守恒的条件。学生已具备一定的实验操作 技能，会用打点计时器等实验仪器，具备一定的数据处理能力。因此，在本节的教学 中，教师应注意知识的深化和科学研究方法、情感态度的教育，避免知识的简单重复。 【教学目标】 1. 物理观念 学生能够树立能量观念，理解实验的设计思路，明确实验中需要测量的物理量。 >> 132 　高中物理单元教学设计　 2. 科学思维 学生能够知道实验中选取测量点的有关要求，会测量下落高度和瞬时速度。 3. 科学探究 学生能够正确进行实验操作，能够根据实验数据的分析得出实验结论。 4. 科学态度与责任 本节通过实验及误差分析，培养学生实事求是的科学态度，激发学生对物理规 律的探知欲。 【教学重点】 设计实验方案、实验原理、速度的测量方法。 【教学难点】 实验误差分析的方法。 【教学方法】 演绎推理法、分析归纳法、交流讨论法。 【教学过程】 1. 导入新课 教师引导学生思考： （1）自由落体运动是否机械能守恒？ （2）机械能守恒的条件是什么？ 2. 任务十五：验证机械能守恒定律 （1）实验方案设计。 教师提出问题：请根据机械能守恒的条件，利用现有器材创设可行性验证机械 能守恒定律的方案。 （2）实验原理。 教师提出问题：①利用选定方案，请学生讨论实验原理和测量的数据。 ②重物的速度怎样测量？ （3）实验步骤。 ①安装置：将检查、调整好的打点计时器竖直固定在铁架台上，接好电路。 ②打纸带：将纸带的一端用夹子固定在重物上，另一端穿过打点计时器的 　第四单元 功与机械能守恒定律　 133 << 限位孔用手提着纸带使重物静止在靠近打点计时器的地方。先接通电源，后松 开纸带，让重物带着纸带自由下落。更换纸带重复做 3 ～ 5 次实验。 （4）数据处理。 教师巡视检查，指导学生处理数据。 （5）误差分析。 教师根据实际数据提出问题：通过数据分析，发现减少的重力势能稍大于增加 的动能，机械能略有减少，请分析机械能有损失的原因？ （6）注意事项。 请学生总结本实验的注意事项，最后教师加以总结。