2025届高三物理一轮复习教学设计：生活中的机械能守恒

高三物理一轮复习教学设计 主编人：廖峰 审稿人：高三物理备课组 第五章 第三讲 生活中的机械能守恒 一、教学目标 （1）能够解析生活具体情境，抽象出合适的运动过程模型，分析模型中的研究对象受力、做功情况，判断是否适用机械能守恒定律 （2）运用机械能守恒定律，并结合动力学规律解释、分析和求解具体运动情境的能量变化和动力学规律 二、重点与难点 重点：解析生活具体情境，抽象出合适的运动过程模型，分析模型中的研究对象受力、做功情况，判断是否适用机械能守恒定律 难点：运用机械能守恒定律，并结合动力学规律解释、分析和求解具体运动情境的能量变化和动力学规律 三、学习过程 教学环节和教学内容 教师活动 学生活动 设计意图 【引入环节】 总体概述生活中典型的机械能守恒的情境案例：即过山车和跳台滑雪 引入部分对于主题的描述： 我们生产生活中的机械运动时刻离不开机械能，因而面对生活中的情境典例从机械能转化与守恒的角度来分析，把握运动的初末状态，能够简化分析过程。我们今天主要从机械能的转化与守恒的角度，研究大家生活中比较熟悉的过山车和跳台滑雪项目中的机械能守恒关系。 观察两个典型的机械能守恒的情境案例 ①案例贴近学生生活，没有疏离感且让学生产生解析问题、运用原理解决问题的兴趣； ②对涉及到的典型情境问题进行总体分析方法的概括，有助于预设思维方法的主线，有助于情境模型的建构和问题解决。 典型情境（一）过山车 【思考猜想】 引导学生猜想（结合生活常识和已有知识）：要完成完整圆周运动对于释放位置和最高点位置的高度关系 【实验演示】观察演示实验，思考释放位置与最高点高度关系的原理 【理论验证与原理应用】分析该过程中高度关系背后的能量变化与守恒关系，并应用原理解决实际情境问题。 回顾机械能守恒定律的适用条件： ①物体系统只有重力或弹力做功时，系统机械能守恒；②物体系统只有动能和势能的转化时，系统机械能守恒。 解析实验中的基本原理，即为何需要释放位置比最高点高，同时设问：①到达最高点处的速度或动能要求是？②释放点的高度要求（需要多大高度）？ 引导设问（鼓励猜想）: 小球想要顺利滑过轨道最高点，其释放位置与最高点高度关系？（是两者等高吗）鼓励大家结合生活经验大胆猜想 演示实验： 请同学们注意观察释放位置的高度与小球状态： ①当释放位置与圆形轨道最高点 同高时，小球无法到达最高点； ②当释放位置比圆形轨道最高点略高时，小球能到达最高点，但会脱离轨道掉下 ③当释放位置比圆形轨道最高点高到某个值时，小球能够到达最高点且不脱离轨道完成完整圆周运动。 理论验证 小球在该过程中若看成只有重力做功，则该运动过程中机械能守恒，即等高静止释放时，由机械能守恒恰能到最高点，但无法满足圆周运动速度条件。若释放位置高一点，到达最高点后速度满足圆周运动规律，则可继续圆周运动下去。此过程中实际上还有摩擦阻力做功，要在最高点处达到速度要求，则需要释放点有更大的势能，对应更大的高度。 设问：①到达最高点处的速度或动能要求是？②释放点的高度要求？ 依据生活经验，大胆猜想释放点与圆形最高点等高 观察实验，惊奇发现①等高时小球竟然到不了最高点；②释放点略高时到了最高点，但是会掉落无法进行圆周运动；③只有释放点比最高点至少高出一定距离时才能到达最高点并完成完整的圆周运动 回顾机械能守恒定律的试用条件，并利用该规律理解刚才的实验现象（考虑摩擦阻力时）需要释放点比最高点高出更多，也让学生对于实际生活中的过山车运动有了更深刻的理解，只要释放位置足够高，就能安全完成圆周运动，物理就在身边。 解析实验中的基本原理，即为何需要释放位置比最高点高，同时设问：①到达最高点处的速度或动能要求是？②释放点的高度要求（需要多大高度）？ 为在以下两个实际体育/运动情境中运用机械能守恒来分析判断奠定思维基础。 以回顾知识来解析实验原理，让学生完整经历一个猜想、实验和验证解析的科学探究过程，也促进学生在面临实际情境问题时，能够快速把握问题核心、简化思维和构建物理模型，进而解决实际物理问题。 【解析情境】过山车轨道位于竖直平面内，该轨道由一段倾斜轨道和与之相切的圆形轨道连接而成，过山车从倾斜轨道上的点A由静止开始下滑。圆形轨道半径为R，可视为质点的过山车质量为m。 【问题1】忽略阻力作用，过山车从圆形轨道B点滑上圆轨道时，为保证过山车能够沿圆形轨道完整运行，在B点处对轨道的压力至少多大？。 【问题2】过山车的下滑起点A距离圆形轨道底部的高度h应满足什么条件？ 将问题1和问题2进行思维步骤分解，逐次进行解决 我们将过山车的演示实验简化为如图模型，请大家尝试解析该情境中的问题，逐次紧随分解问题将问题1和问题2完成 将问题1和问题2进行分解思维步骤，逐次进行解决①到达最高点处的速度或动能要求是？②释放点的高度要求（需要多大高度）？两个问题 解读情境，判断该过程中是否可以利用机械能守恒，跟随分解问题依次进行解析，完成问题1和问题2 将综合问题进行分解，使学生能够跟着分解问题的思路，逐次分析判断从而解决实际问题。 典型情境（二）跳台滑雪 【观看视频】思考典型问题 1.跳台滑雪雪道如何设置能够保证运动员飞行足够远，滞空时间足够长（观赏性强）？ 2.运动员滑行过程能量变化情况和运动情况如何分析、求解？ 抽象出重要过程的图景，帮助学生建构过程的物理模型 【情境解析】如图是简化后的跳台滑跳台滑雪雪道，整条雪道由倾斜的助滑坡AB和着陆坡CD，以及一段水平起跳台BC组成，且AB与BC 由一段平滑圆弧连接, 设质量为60kg的运动员从助滑坡AB上由静止开始下滑（该过程中可忽略阻力影响，重力加速度为g=10m/s2） 【赛道要求】该运动员到达点C时以一定速度水平飞出，要求腾空时间能够至少达到3s（腾空后最终落在CD段上） 【问题3】当CD段与水平方向成角37°时，求运动员落在CD边上F点处时的速度vf和位移大小S1？ 【问题4】AB段相对于BC段高度h的取值？ 将问题分解为易于求解的分解问题，引导学生思考 请各位同学认真观看我国滑雪小将宋琪武的跳台滑雪表演，关注其运动过程，尝试简化出跳台滑雪过程的简要模型 帮助同学梳理核心关键过程，抽象出简要模型 引导学生认识和理解跳台滑雪过程的基本模型，并尝试分析各过程中是否能够运用机械能守恒定律 请各位同学根据分解问题，利用运动学基本规律和机械能守恒定律进行分解问题的分析和求解。 观看视频，并关注其中的核心过程中的能量转化和守恒。初步抽象出跳台滑雪的基本模型。 理解数个基本运动过程，根据机械能守恒定律的适用条件判断各过程中机械能是否守恒 从演示视频中帮助学生抽象运动过程的基本模型，并将综合问题简化为分解问题，降低学生的思维难度，帮助学生逐次解决问题最终解答典型问题。 【思路求解】解决实际情境中机械能守恒问题的思路 1.分析实际情境，构建简要、合理的运动模型； 2.选择恰当研究对象，受力分析与运动分析，判断是否符合机械能守恒条件 3.选择恰当过程，结合动力学基本规律，应用机械能守恒定律分析求解 请各位同学跟着我一起总结归纳下这两类实际运动情境的问题中的解决思路。 首先我们要分析实际情境，从中抽象概括和构建出合理的运动过程模型；其次我们选择合适的研究对象，进行受力和运动分析，判断是否符合机械能守恒条件；最后选择恰当的研究过程，结合动力学基本规律，应用机械能守恒定律分析求解 认真倾听老师的总结和归纳，在脑中思索刚才两个情境的分析和求解思路 及时总结解决实际情境中的机械能守恒问题的思路，后续即使遇到新情境或机械能不守恒的情况，仍能正确抽象模型，分析受力与运动过程，做到举一反三，发展学生科学思维的目的。 【课后练习】 变式提升：若该过山车的新轨道（断层轨道）如右图所示，过山车由A下滑后，从平台BC水平飞出后恰无碰撞由E点进入圆O轨道中，圆轨道半径为R， EO连线与竖直方向成角θ=53°，且恰能完成圆周运动从D点飞出进入新轨道（未画出），且CD处于同一水平线上。试分析倾斜轨道AB高度h应满足什么条件。 问题分解①有几个运动过程？各过程机械能守恒吗？ ②过山车能够圆周运动到D点的速度要求是？ ③E到D过程机械能守恒，E点速度是？ ④C到E过程是平抛运动，E点速度与C点速度关系是？ ⑤A到C过程机械能守恒吗？ 1．跳台滑雪是冬奥会比赛项目，被称作“勇敢者的运动”，其场地的简化图如图所示。雪坡OB段为倾角为α=30°的斜面，某运动员从助滑道的最高点A由静止开始下滑，到达起跳点O时借助设备和技巧，保持在O点的速率沿与水平方向成θ角的方向起跳，最后落在雪坡上的B点，起跳点O与落点B之间的距离OB为此项运动的成绩。已知A点与O点之间的高度差h=50m，该运动员可视为质点，不计一切阻力和摩擦，g=10m/s2.求 （1）该运动员在O点起跳时的速度大小； （2）该运动员以多大的起跳角θ起跳才能取得最佳成绩，最佳成绩为多少； （3）在（1）问中，该运动员离开雪坡的最大距离。 2.游乐场游玩之后，某高一学习小组把游乐场的过山车（如甲图所示）抽象为如图乙所示的模型；大弧形轨道的下端N与竖直圆轨道平滑相接，P为圆轨道的最高点。现将质量为m=100g的小球（可视为质点）从大弧形轨道某位置滚下，进入竖直圆轨道后沿圆轨道内侧运动，小球经过最高点P时恰好不脱离轨道的速度，重力加速度大小为。不考虑小球运动过程中所受阻力。求： （1）圆形轨道半径r； （2）若小球经过最高点恰好不脱离轨道，小球从M点静止滚下的高度h； （3）若小球经过P时受到轨道的弹力大小为4N，小球到达最低点N点时对轨道压力F多大。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$