第4节 机械能及其转化（第1课时）（表格式教学设计）物理新教材沪科版（五四学制）八年级下册

该初中物理教学设计聚焦“机械能及其转化”第1课时，围绕动能、重力势能、弹性势能的概念及影响因素展开。以风力发电情境导入，从生活实例分析做功引出能量概念，通过实验探究构建知识支架，衔接前后认知。 特色在于融合科学探究与生活实践，通过斜面钢球撞击木块、重物落沙坑等实验，结合《探究影响动能/重力势能大小的因素》等视频演示，培养科学思维与探究能力。联系限速、高空抛物等实例，强化能量观念与社会责任，助力学生理解应用，为教师提供清晰实验方案与教学思路。

第4节 机械能及其转化（教学设计）（第1课时） 年级 八年级下册 授课时间： 授课教师： 课题 第4节 机械能及其转化（第1课时） 教学 目标 1. 通过对生活实例的观察和分析，从做功的角度描述能量，了解能量和做功的关系。知道动能、重力势能和弹性势能的概念。能用能量的观点解释生产生活中的现象，初步形成能量的观念。 2. 通过分析现象和抽象概括建立动能、重力势能、弹性势能的概念，发展科学思维。 3. 基于生活经验，提出动能、势能相关的研究问题，经历实验探究过程，进行分析论证，提升科学探究能力。 4. 通过解释生活现象，学会从能量的视角分析物理问题，懂得遵循自然规律，增强社会责任感。 教材 分析 本节的主要内容和行文逻辑是： 1. 通过节首图所展示的风力发电情境，引发学生思考流动的空气为什么可以产生电能。 2. 通过实例，从做功的角度描述能量，了解能量与做功的关系。 3. 通过更多实例，定性地给出动能的概念；通过自主活动，了解动能与哪些因素有关。 4. 通过重力和弹力做功的实例，定性地给出重力势能、弹性势能的概念；通过自主活动，了解势能与哪些因素有关。 5. 直接给出机械能的概念，通过实例分析了解动能和势能的相互转化。 教学重点 研究影响动能和势能大小因素的实验。 教学难点 研究影响动能和势能大小因素的实验中，所测物理量的转换问题。 教学 器材 斜面（带槽）、质量不同的钢球、木块、刻度尺、沙子、玩具车等。 课件。包含视频资料：①视频演示—《探究影响动能大小的因素》；②视频演示—《探究影响重力势能大小的因素》；③课堂总结—《动能和势能》。 教学过程 导入新课 【教师提问】图是我国首个海上风电项目—上海市东海大桥10万千瓦风电场，作为亚洲第一座大型海上风电场，在我国风力发电建设发展史上具有里程碑意义。风是流动的空气，风力发电装置利用风蕴含的巨大能量发电。能量对我们来说已经不是陌生的名词， 风力发电过程中利用了哪种能量呢？ 学习新课 一、动能 1. 能量 （1）现象探究：什么情况下能做功。 【学生活动】分析图示做功的一些实例，归纳出能量的概念。 【分析归纳】 （2）能量的概念 如果一个物体能够对外做功，表示这个物体具有能量，简称能。上述事例中，流动的水、飞行的子弹、拉开的弓都具有能量。 （3）能量的单位：能量的单位与功的单位相同，都是焦耳（J）。 （4）理解能量 ①能量的实质：物体做功的过程就是能量的转化过程。功是能量变化的量度，一个物体能够做的功越多，说明该物体具有的某种能量转化为其它的形式的能量就越多，即表示这个物体的能量越大。所以能量是表示物体做功本领的物理量。 ②理解“能够对外做功” 物体“能够对外做功”并不等同于正在做功。有能量的物体不一定做功，但能够做功的物体一定有能量。例如：被举高的重锤在空中静止，它虽然现在没有做功，但当它下落时，可将木桩打入地下而做功，所以被举高的重锤具有做功的本领，它具有能量。 【例题1】关于能的概念，下列说法中正确的是（　A　） A．一个物体能够做功，就说这个物体具有能 B．一个物体已做过的功越多，说明这个物体具有的能越多 C．一个物体做了功，说明这个物体具有能 D．用线悬挂着的小球，没有做功，所以没有能 【详解】A．由能量的概念可知，一个物体能够做功，就说明这个物体具有能量，简称能，故A正确； B． 物体能量大，可以做更多的功，但一个物体已做的功越多，不能说明这个物体具有的能越多，故B错误； C．一个物体做了功，说明原来具有能量，但做功后不一定还具有能，故C错误； D．一用线悬挂着的小球，没有做功，但它有一定的高度，所以具有重力势能，故D错误。 2. 动能 （1）问题探究：运动的物体是否具有能？ 【学生活动】分析以下事例，看看运动的物体是否具有能量？ 【分析归纳】 现象分析：风、汽车、水流都在运动，且都能够做功，所以具有能量。 探究发现：运动的物体具有能量。 （2）动能的概念 物体由于运动而具有的能量叫做动能。物体的动能越大，它能对其他物体做的功就越多。 一切运动的物体都具有动能。例如，空中飞行的飞机、地上行驶的汽车、河水的流动等。 （3）研究物体的动能跟哪些因素有关 【学生活动】阅读教材第85页《自主活动》中的内容，思考以下问题，设计实验方案。 ①猜想动能的大小可能与哪些因素有关？ ②将同一小球分别从斜面上不同高度的两处由静止释放，撞击水平面上的木块。两种情况下，小球运动到水平面上时的速度大小相等吗？比较两种情况下木块移动的距离，你能得出什么结论？ ③将两个质量不同的小球分别从斜面上同一高度处由静止释放，撞击水平面上的木块。两种情况下，小球运动到水平面上时的速度大小相等吗？比较两种情况下木块移动的距离，你能得出什么结论？ 【猜想与假设】动能是由于物体运动而具有的能，子弹飞行的速度大，对物体的杀伤力也大（做功多），所以动能可能与物体的运动速度有关。 锤子击碎物体时，锤头的质量越大，破坏力越强（做功越多），动能的大小可能与物体的质量有关。 【实验过程】 （1）探究动能大小与速度的关系 ①控制钢球的质量m不变。 ②让同一钢球A分别从不同的高度由静止开始滚下，撞击木块B。 ③观察并测量木块被撞出的距离s。 ④实验记录表 次数 质量m/kg 高度h/cm 推动木块的距离s/cm 1 0.1 10   2 0.1 15   3 0.1 20   （2）探究动能大小与质量的关系 ①控制速度不变，即固定钢球在滑槽上的释放位置的高度h。 ②改变钢球的质量m。 ③观察并测量木块被撞出的距离s。 ④实验记录表 次数 质量m/kg 高度h/cm 推动木块的距离s/cm 1 0.1 10   2 0.2 10   3 0.3 10   【分析与论证】 探究（1）中：钢球质量相同，钢球达到斜面底端的速度越大，木块被撞击滑行的距离越远。说明：钢球的动能大小与速度有关，质量相同时，速度越大，动能越大。 探究（2）中：钢球达到斜面底端速度相同时，钢球质量越大，木块被撞击滑行的距离越远，说明：钢球的动能大小与质量有关，速度相同时，质量越大，动能越大。 【实验结论】大量实验表明： 物体的动能大小与它的速度和质量都有关系。质量相同的物体，速度越大，动能越大；速度相同的物体，质量越大，动能越大。 3. 与动能有关的现象及解释 【学生活动】思考讨论：某段道路的标示牌显示：小型客车最高行驶速度不得超过100km/h；大型客车、载货汽车最高行驶速度不得超过80km/h。请利用物理知识解释，为什么要对机动车的最高行驶速度进行限制？为什么在同样的道路上，对不同车型设定不一样的最高行驶速度？ 【分析】同一辆汽车，质量不变，速度越大，具有的动能越大，危害性大。所以限制机动车的最高行驶速度才能保证机动车行驶的安全性。 车型不同，载重量不同，如果载货车与小汽车的行驶速度相同，由于载货车的质量大，具有的动能大，则刹车时滑行的距离长，危害性大。所以质量大的大型货车最高行驶速度要小些。 【例题2】如图是小明在央视科技频道看到的场景，柔软的水通过多级增压后能够切割各种坚硬的材料，觉得不可思议。为了进一步了解，小明查阅资料后得知：（a）超高压水切割又称“水刀”，其应用的原理是基于高速水流具有极大的切割能量；（b）在水中加砂使之成为加砂“水刀”，可以增大质量；（c）切割能量越大，切割能力越强，可以切割硬度更大的材料。 （1）高速水流能切割坚硬材料的物体，是因为高速水流具有很大的 （选填“动能”或“重力势能”）； （2）结合所学的知识及上述信息，从能量角度解释“加砂水刀可以切割硬度更大的材料”的原因是： 。 【答案】 动能；加砂水刀的质量变大，在速度不变时，具有的动能就越大 【详解】（1）高速水流具有一定的质量和较大的速度，所以具有较大的动能。 （2）加砂水刀的质量变大，在速度不变时，具有的动能就越大，可以切割硬度更大的材料。 【例题3】如图所示，为了探究动能大小的影响因素。甲、乙、丙木板的粗糙程度相同，三次实验均让小球由静止沿光滑斜面滚下，所处高度h₁<h₂，小球撞击放在水平面上的木块，木块在水平面上移动一段距离后静止。 （1）实验中小球的动能大小是通过 来反映的； （2）比较甲、乙两次实验，可以探究小球的动能大小与 的关系； （3）进行图丙实验时，木块被撞后滑出木板掉落，由此可推断A、B两球的质量关系是：mA mB。为了实验安全，小东想在丙图实验中的水平木板上铺毛巾，再与乙图实验进行比较，你认为这样的做法 （选填“可行”或“不可行”）。 【答案】 木块移动的距离 速度大小 < 不可行 【详解】（1）实验中，小球和木块碰撞，推动木块向前运动，小球的动能大小是通过观察木块移动的距离来反映的，这是转换法的应用。 （2）由甲、乙两次实验可知，小球的质量相同，下滑的高度不同，到达水平面时速度不同，与木块撞击后，木块移动的距离不同，故甲、乙两次实验探究的是动能与速度的关系。 （3）由图乙和图丙可知，小球滚下的高度相同，到达水平面的速度相同，图丙实验时，木块被撞后滑出木板掉落，说明丙图中B球的动能较大，即B球的质量较大，即mA<mB。 给水平木板铺上毛巾，不能与乙控制相同的接触面，木块与接触面的摩擦力不同，不能确定木块克服摩擦做功的多少，也就无法比较小球动能的大小，这样的做法不可行。 学习新课 二、势能 1. 重力势能 【学生活动】分析图示的两个实例，探究被举高的物体能做功。 ①迎新春打年糕时，被高高举起的木锤下落时能把石臼里的糯米饭舂至绵软柔韧。 ②高空抛物现象曾被称为“悬在城市上空的痛”。它曾与“乱扔垃圾”齐名，排名第二。高空抛物，既伤人又伤物。 【分析归纳】 被举高的木锤能对糯米饭做功，高空的物体能够做功，说明高处的物体具有能量。 （2）重力势能 物理学中把物体由于受重力作用而具有的与高度有关的能量叫做重力势能。 山顶的巨石、举高的重锤都具有做功的本领，即具有势能。这种能量是物体由于受到重力产生的。 【学生活动】阅读教材第86页《自主活动》中的内容，思考以下问题设计实验方案。 ①将同一重物分别从不同的高度由静止落下，比较重物陷入沙中的深度，你能得到什么 结论？ ②将质量不同的重物分别从同一高度由静止落下，比较重物陷入沙中的深度，你又能得 到什么结论？ 【设计并进行实验】 探究一：探究重力势能的大小与高度的关系 让同一物体分别从不同的高度由静止下落，观察桌腿在沙坑下陷的深度。 探究二：探究重力势能大小与质量的关系 让质量不同的物体分别从同一高度由静止开始下落，观察桌腿在沙坑下陷的深度。 【分析与论证】 探究一中：同一物体从不同高度的位置下落时，桌腿在沙坑下陷的深度不同；位置越高，桌腿在沙坑下陷的深度越大。说明：质量相等的物体，位置越高，重力势能越大。 探究二中：质量不同的物体从同一高度下落时，质量越大，桌腿在沙坑下陷的深度越大。说明：位置高度相同时，物体的质量越大，重力势能越大。 【实验结论】大量实验表明：物体的重力势能与其质量和所处位置的高度有关。高度相同的物体，质量越大，重力势能越大；质量相同的物体，位置越高，重力势能越大。 2. 弹性势能 （1）现象探究：物体发生弹性形变与做功 【学生活动】思考下述两个问题并回答。 ①如图所示，运动员在参加射箭比赛时，拉弯的弓为什么能将箭射出？蹦床比赛中，运动员为什么可以 “跳” 这么高？ ②拉弯的弓与形变的蹦床具有什么形式的能量？ 【分析】被拉弯的弓和发生形变的蹦床可以把箭射出去、把人弹起，弓和弹簧能够对外做功，说明他们具有能量。共同特点：发生弹性形变的物体具有能量。 （2）弹性势能：物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能。例如，发生形变的网球拍能将网球弹出，具有弹性能量。 （3）影响弹性势能大小的因素 【学生活动】分析下列两个事例，总结影响弹性势能大小的因素。如图所示，图甲中橡皮筋的形变越大，“子弹”被弹射得越远；图乙中弹簧的形变越大，小车被弹得越远。 。 【分析】事实表明，弹性形变越大，物体的弹性势能就越大。 【结论】大量实验表明：影响弹性势能大小的因素是物体本身的材料和弹性形变的程度。在材料相同时，物体的弹性形变越大，它具有的弹性势能就越大。 3. 势能：重力势能和弹性势能统称为势能。 4. 机械能 机械运动中，物体往往同时具有动能和势能。图中沿高坡下滑的滑雪运动员，因运动而具有动能，也因受重力作用而具有重力势能。 物理学中将动能和势能统称为机械能，物体的机械能就是其动能与势能的总和。 【例题3】如图所示，“蹦床”不仅是奥运会的正式比赛项目，也是小朋友非常喜欢的游戏项目。小朋友通过对蹦床施力，蹦床发生弹性形变，因而具有 能；同时由于力的作用是 的，蹦床对小朋友也施力，把小朋友弹到高处，小朋友由于被弹到高处而具有 能，小朋友达到最高点时动能大小为 焦。 【答案】 弹性势 相互 重力势 0 【详解】物体发生弹性形变而具有的能叫弹性势能，小朋友落下接触到蹦床后，蹦床发生弹性形变，故具有了弹性势能。 由于力的作用是相互的，蹦床对小朋友施加反作用力，小朋友被弹起时，蹦床的弹性势能减小，减小的弹性势能转化为小朋友的动能，把小朋友弹到高处，动能转化为重力势能，所以小朋友由于被弹到高处而具有重力势能。 小朋友达到最高点时质量不变，速度为0，动能为0焦。 【例题4】同学们在探究“重力势能的大小与哪些因素有关”的实验时，提出了如下猜想： 猜想一：物体的重力势能与物体的质量有关； 猜想二：物体的重力势能与物体所在高度有关。 为了验证上述猜想，他们利用小桌、沙子、透明的箱子、质量不同的重物进行实验。把小桌放在平整的沙面上，让重物从高处落下，撞击桌面的中心部位，桌腿陷入沙子。图为实验过程中的有关情景。 （1）实验探究的是______（选填“重物”或“小桌”）的重力势能； （2）实验中通过比较___________来判断物体重力势能的大小； （3）通过比较_______（选填“甲乙”“乙丙”“丙丁”或“甲丁”）两图，可得出的实验结论是：___________________； （4）如图所示的实验，_______（选填“能”或“不能”）顺利验证两个猜想。 【答案】（1）重物；（2）桌腿陷入沙子的深度；（3）甲、乙，物体的质量相同时，所在高度越高，重力势能越大；（4）不能。 【解析】（1）与（2）实验探究的是重物的重力势能，重物下落撞在桌子上，桌腿陷入沙子中，重物的重力势能通过小桌陷入沙子的程度看出。 （3）重力势能与物体质量、高度有关，由图得，甲乙中控制重物的质量相同，改变物体下落的高度，物体下落高度越高，小桌陷入沙子中的深度较深，说明物体的质量相同时，所在高度越高，重力势能越大。 （4）如图所示的实验，通过比较甲乙实验，质量相同，下落高度不同，可以验证重力势能与高度有关；甲乙丙丁实验中，重物下落高度都不同，无法验证重力势能与高度的关系。 课堂练习 1. 体积相同的实心铅球和木球（ρ铅 > ρ木），它们以相同速度匀速在水平面上滚动，比较它们的动能大小说法正确的是（　　） A．铅球动能大 B．木球动能大 C．铅球和木球的动能一样大 D．无法判定 【答案】A 【详解】铅球的密度比木球的大，且体积相同，据m=ρV知，m铝>m木。两球在水平上滚动的速度相同，所以铅球的动能大于木球的动能，故A正确，BCD错误。故选A。 2. 如图所示，驮着货物匀速上山过程中的智能机器狗（　　） A．动能增大 B．动能减小 C．重力势能增大 D．重力势能减小 【答案】C 【详解】智能机器狗驮着货物匀速上山过程中，质量不变，速度不变，则动能不变；高度升高，则重力势能增大，故C符合题意，ABD不符合题意。故选C。 3. 如图所示，是我国某地的等高线图，若把同一物体分别放在A点和B点，那么在哪一点时，此物体的重力势能大（　　） A．在A点时大 B．在B点时大 C．在两点时一样大 D．条件不足，无法判定 【答案】B 【详解】由题图可看出，A点所在的海拔为995m，B点所在的海拔为1040m，而对同一个物体，它的位置越高，重力势能越大，故物体在B点时重力势能大。故ACD不符合题意，B符合题意。故选B。 4. 如图所示为高速公路旁的一处紧急避险车道，实则为向上的斜坡。当高速运行的车辆遇刹车失灵时，可以冲上避险车道使车辆停止。请你用所学科学知识分析： （1）因为车辆具有 ，所以车辆刹车时无法立即停下。 （2）避险车道上铺上砂石，增大了 ，从而增大了摩擦力，使汽车能很快的停下来。 （3）相同的汽车遇到刹车失灵，高速行驶时产生的后果比低速行驶时要严重的多，其原因是高速行驶状态下 。 【答案】（1）惯性；（2）接触面的粗糙程度；（3）物体的动能更大 【详解】（1）一切物体都有保持原有运动状态不变的惯性，因为车辆具有惯性，所以车辆刹车时无法立即停下。 （2）在避险车道上铺上砂石，是在压力一定时，增大接触面的粗糙程度，从而增大了摩擦力，使汽车能很快的停下来。 （3）相同的汽车质量相同，速度越大时动能越大，因此高速行驶时产生的后果比低速行驶时要严重的多。 5. 热爱劳动的津津，在家学做天津特色菜“贴饽饽熬鱼”时，一个饮料瓶不小心落到了松软的玉米面团上，在面团上留下较深的痕迹。于是他灵机一动，利用玉米面团和装有水的饮料瓶，依次做了如图所示的实验，对如下两个问题进行了探究。 问题一：压力作用效果跟哪些因素有关 问题二：重力势能大小跟哪些因素有关 （1）做实验①②③是为了探究 （选填“问题一”或“问题二”）； （2）利用实验④⑤可探究重力势能大小与 是否有关； （3）《民法典》中规定“禁止从建筑物中抛掷物品”，生活中更要杜绝“高空抛物”这种严重危害公共安全的行为，“高空抛物”危害性大的原因，可通过分析实验⑤⑥得出的结论来解释，请你写出该结论： 。 【答案】 问题一 质量 质量相同的物体，位置越高，重力势能越大 【详解】（1）由图中可知，实验①②中，压力不同，而受力面积相同，实验②③中，压力相同，而受力面积不同，故可知做实验①②③是为了探究问题一。 （2）由实验④⑤可知，瓶子下落的高度相同，而瓶子和水的总质量不同，故可探究重力势能大小与质量是否有关。 （3）由实验⑤⑥中可知，瓶子和水的质量相同，而瓶子下落的高度不同，面团的凹陷程度不同，故可知“高空抛物”危害性大的原因是：质量相同的物体，位置越高，重力势能越大。 6. 某同学在探究“动能的大小与哪些因素有关”的实验中，设计了如图所示的甲、乙、丙三次实验。他分别将甲、乙、丙三个小球从同一斜面的不同高度处由静止释放，三个小球的质量m甲=m乙>m丙，高度h1>h2，小球分别推动同一纸盒运动一段距离后静止，纸盒移动的距离s1>s2>s3。    （1）根据如图所示的现象可以分析出 小球的动能最大（选填“甲”、“乙”或“丙”），理由是 ； （2）乙丙两图中，让不同的小球从同一高度滚下是为了控制 相同； （3）分析比较（a）、（b）所示的现象可以得到的初步结论是 ； （4）分析比较（b）、（c）所示的现象可以得到的初步结论是 。 【答案】 甲 甲小球把纸盒推动的距离最大 小球下滑到水平面时的速度 在质量一定时，速度越大，动能越大 在速度一定时，质量越大，动能越大 【详解】（1）小球把纸盒推出的距离越长，说明小球的动能越大，这是一种转换的方法。已知纸盒移动的距离s1>s2>s3 故甲小球的动能最大，原因是甲小球把纸盒推动的距离最大。 （2）物体的动能大小与物体的质量和速度有关，研究动能与其中一个因素的关系时，要控制另外一个因素不变。乙、丙两图中，让不同的小球从同一高度滚下，目的是控制小球下滑到水平面时的速度相同。 （3）分析比较（a）、（b）所示的现象可知，小球的质量相同，滚下的高度不同，h1>h2，到达水平面时甲球的速度大，推动纸盒移动的距离远，甲球的动能越大，故可以得到的初步结论是：在质量一定时，速度越大，动能越大。 （4）分析比较（b）、（c），因m乙>m丙，小球滚下的高度相同，到达水平面时的速度相同，乙球质量大，乙球推动纸盒移动的距离远，乙球动能越大，故可以得到的初步结论是：在速度一定时，质量越大，动能越大。 板书设计 第4节 机械能及其转化 一、能量 1. 定义：如果一个物体能够对外做功，表示这个物体具有能量。 2. 实质：物体做功的过程，就是能的转化过程。 3. 单位：焦（J）。 二、动能 1．定义：物体由于运动而具有的能量叫做动能。 2. 影响因素：物体的速度越大，质量越大，动能就越大。 三、势能 1．重力势能 ①定义：物体由于受重力作用而具有的与高度有关的能量。 ②影响因素：物体的质量越大、位置越高，重力势能越大。 2. 弹性势能 ①定义：物体由于发生弹性形变而具有的能量。 ②影响因素：弹性形变越大，具有的弹性势能就越大。 课堂总结 本节的主要内容和行文逻辑是： 1. 通过节首图所展示的风力发电情境，引发学生思考流动的空气为什么可以产生电能。 2. 通过实例，从做功的角度描述能量，了解能量与做功的关系。 3. 通过更多实例，定性地给出动能的概念；通过自主活动，了解动能与哪些因素有关。 4. 通过重力和弹力做功的实例，定性地给出重力势能、弹性势能的概念；通过自主活动，了解势能与哪些因素有关。 5. 直接给出机械能的概念，通过实例分析了解动能和势能的相互转化。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $