8.2 重力势能 教学设计-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

教学设计 课题 重力势能 课型 新授课☑章/单元复习课□专题复习课□ 习题/试卷讲评课□学科实践活动课□其他□ 1.教学内容分析 一、教材地位与前后关联 本节是人教版高中物理必修二第八章机械能守恒定律的核心内容，上承重力做功的知识与“功是能量转化的量度”的研究思路，下启动能、弹性势能及机械能守恒定律的学习，是构建机械能知识体系、建立功能关系认知的关键环节，为后续各类势能、能量守恒问题的学习奠定方法与知识基础。 二、课程标准要求 结合高中物理新课标，要求学生理解重力势能的概念，掌握重力势能的表达式；明确重力做功与重力势能变化的关系；理解重力势能的相对性与系统性，能运用相关知识分析简单的实际力学问题，落实物理观念、科学思维的核心素养培养目标。 三、教学内容核心重难点 1.教学重点：重力势能的概念建构、重力势能表达式推导、重力做功与重力势能变化的定量关系。 2.教学难点：理解重力势能的相对性（参考平面选取）、重力势能属于物体和地球组成的系统，以及利用功能关系分析实际问题。 四、内容逻辑与编排思路 教材从生活情境（高处物体具有做功能力）入手，先推导重力做功的特点（与路径无关，只与初末位置高度差有关），再由重力做功的表达式引出重力势能的定义与公式，进而剖析重力势能的特性、重力做功和势能变化的关系，最后拓展重力势能的系统性，遵循“情境导入—规律探究—概念建构—规律应用”的认知逻辑，符合高一学生的物理学习思维规律。 五、内容育人价值 通过重力势能的探究，渗透“从做功角度研究能量”的物理方法，培养学生的科学推理、归纳总结能力；结合生活实例分析，帮助学生建立能量观念，体会物理知识与生活的联系，提升运用物理知识解决实际问题的能力。 2.学习者分析 一、认知基础分析 1.知识储备：学生已掌握重力、功的计算及重力做功的基本特点，具备“力能改变物体运动状态”的认知基础，为理解“重力做功与能量变化”搭建了基本框架。 2.能力水平：高一学生初步具备逻辑推理能力，能通过简单实例归纳规律，但对抽象概念（如势能相对性）和数学推导（如化曲为直思想）的理解仍需依托具体情境支撑，抽象思维尚未完全成熟。 3.认知特点：处于从具象思维向抽象思维过渡阶段，对生活关联场景（如落体、举升物体）兴趣浓厚，需通过直观演示、实例分析降低概念理解难度。 二、学情特点与重难点应对 1.核心困惑：易混淆“重力做功”与“势能变化”的因果关系，对“势能属于系统共有”“参考平面的任意性”等抽象特性理解困难，易出现公式套用忽略参考系的错误。 2.学习需求：需通过实验探究（如物体下落做功模拟）、对比分析（不同路径下重力做功对比）等活动，突破抽象概念壁垒，强化对规律的深层理解。 3.素养落点：通过本节课学习，需重点培养能量观念（建立功与能量的本质联系）、科学推理能力（推导势能表达式）及科学思维（辩证看待势能的相对性），契合高中物理核心素养培养目标。 三、学习动机与教学适配 1.学生对生活中的物理现象（如跳楼机、瀑布能量）好奇心强，可通过真实情境导入激发探究欲；同时，学生正处于升学关键阶段，对知识的实际应用价值（如解决力学题型、解释生活问题）关注度高，教学中需强化“学以致用”的导向。 2.结合学生理科逻辑思维+文科感性认知的混合特点，教学中可兼顾物理规律的严谨性与生活案例的通俗性，兼顾不同学科基础学生的接受能力。 3.学习目标确定 物理观念 1.知道重力势能的表达式，知道重力做功与重力势能变化的关系，进一步深化功能联系的观点； 2.知道重力势能的大小与参考平面的选取有关，即具有相对性；知道重力势能的变化量与参考平面的选取无关； 3.知道重力势能是物体与地球共有的，即具有系统性； 4.知道弹性势能的概念及影响因素 科学思维 1.会从重力做功角度确定重力势能的表达式； 2.能利用“化曲为直”的思想分析推导出曲线路径中重力做功的表达式，归纳出重力做功与路径无关的特点； 3.能计算常见规则物体的重力势能及其变化量；能解决重力做功和重力势能的常见问题 科学态度与责任 知道重力势能的利和弊，形成运用和防范的意识 4.学习重点难点 重点：知道重力势能的概念及重力做功与重力势能变化的关系。 难点：知道如何探究重力势能的表达式及重力势能的相对性。 重难点说明： 重力势能的概念是能量观念的重要一环，同时也是后续机械能学习的必要基础；重力做功是本节势能表达式推导的重要手段，也是帮助学生理解功能关系的重要载体。探究重力势能的表达式对科学思维中的模型构建、科学推理等要素的要求较高，具有较大难度；参考平面的选择对重力势能的应用意义重大，合理选取参考平面对物理观念中的空间观念、科学思维中的模型构建等要素提出了较高的要求，因此探究重力势能的表达式、理解重力势能的相对性是学习难点。 重难点教学策略： 学生初中已经学过能量概念，重力势能是对能量概念的进一步细化。重力势能概念的建立过程与通常新概念的建立过程不同，先通过各种实例让学生结合生活体验猜想重力势能的相关因素，为探寻势能的表达式打好基础。然后利用功能联系的观点，结合学生已有的恒力做功的计算方法，设计始末位置确定的不同路径（竖直线、斜线＋水平线、曲线＋水平线），推导重力做功的表达式。 5.学习评价设计 本次学习评价围绕人教版高一物理必修二《重力势能》的学习目标，以物理学科核心素养为导向，融合过程性评价与终结性评价，从物理观念、科学思维、科学态度与责任三个维度，全面评估学生的学习效果，具体说明如下： 一、评价维度与指标 （一）物理观念维度 1. 评价内容：考查学生对重力势能表达式、重力做功与势能变化关系的掌握程度，对重力势能相对性、系统性的理解，以及对弹性势能概念和影响因素的认知。 2. 评价指标：能准确说出重力势能公式Ep=mgh及各物理量含义；能表述重力做功与重力势能变化的关系WG=Ep1-Ep2；能解释重力势能的相对性和系统性。 3. 评价方式：课堂提问、随堂小测、概念辨析题作答。 （二）科学思维维度 1. 评价内容：考查学生从重力做功角度推导重力势能表达式的能力，利用“化曲为直”思想分析重力做功特点的能力，以及计算重力势能、解决重力做功相关问题的能力。 2. 评价指标：能独立推导不同路径（直线、曲线）下重力做功的表达式，归纳出重力做功与路径无关的特点；能正确计算规则物体的重力势能及变化量；能解决“确定参考平面后计算势能”“重力做功与势能变化关联”等基础题型。 3. 评价方式：探究活动报告、推导过程书写、计算题解题步骤展示。 （三）科学态度与责任维度 1. 评价内容：考查学生对重力势能在生活中应用（利与弊）的认知，以及形成的运用和防范意识。 2. 评价指标：能举例说明重力势能的实际应用（如水电站、打桩机）和潜在危害（如高空坠物）；能提出针对重力势能危害的防范建议。 3. 评价方式：课堂发言、小组讨论分享、简短书面论述。 二、评价等级与反馈 1. 评价等级：将学生表现分为优秀、良好、合格、待提升四个等级，结合定量得分（如测试分数）和定性描述（如探究过程表现）综合判定。 2. 反馈方式：对优秀学生予以表扬，总结其思维亮点；对良好和合格学生指出知识漏洞与思维不足，给出针对性改进建议；对待提升学生进行一对一辅导，梳理基础知识点，强化基础训练。 6.学习活动设计 教师活动 学生活动 环节一：基于情境，提出问题 教师活动1 （教学环节中呈现的学习情境、提出驱动性问题、学习任务类型；对应学生活动，示范指导学科思想方法，关注课堂生成，纠正思维错漏，恰当运用评价方式与评价工具持续评价促进学习。） 根据视频，从现象的角度看，你能提出哪些值得研究的物理问题？ 根据视频，从规律的角度探究，有哪些物理规律需要明晰？ 要从卫星图像评估雪崩造成的危害程度，可以通过研究哪些问题来进行评估？ 从能量视角研究雪崩造成的危害程度，你想研究的问题有哪些？ 根据情境，从避免危害的角度，你想到哪些值得研究的问题？ 教师补充的问题： 要得到重力势能的表达式该从什么角度来探究？ 重力做功有什么规律？ 重力势能的表达式是怎样的？ 重力势能的变化怎么计算？ 生活中还有哪些运用或防止重力势能的例子？ 另一种势能——弹性势能的决定因素是什么？能不能定量计算？ 师生明确本节课的核心问题： 重力做功具有什么特点？重力势能的表达式是怎样的？重力势能有什么特点？ 学生活动1 （学生在真实问题情境中开展学习活动；围绕完成学习任务开展系列活动与教的环节对应，学生分析任务-设计方案-解决问题-分享交流中学习并有实际收获。） 学生可能提出的问题： 若有卫星图像，能研究卫星图像中显示的雪崩范围有多大，海拔高度有多少米吗？ 发生雪崩的地理位置与人类活动区的距离有多少？人员的密集程度如何？ 从能量视角看，雪量和高度分别是多少？雪的重力势能有多少？ 在冲下山坡的过程，雪的重力做功多少？ 要想避免危害，就要研究雪的重力势能要经过多远才能消耗完。 山坡的角度大小对雪的重力做功是否有影响？ 师生共同提出解决问题的方案： ①本节课聚焦功能关系问题，先定性后定量。 ② 研究重力势能表达式类问题：重力做功与重力势能的关系、定量探究重力做功的特点、推导重力势能的表达式等。 ③ 用重力势能表达式解决问题：重力势能的计算、变化和特点等。 ④ 研究弹性势能：弹性势能的决定因素、弹性势能计算式的推导思路等问题。 交流讨论后，制订研究计划，总结得出本节课的任务串，如图 活动意图说明：（简要说明教学环节、学习情境、学习活动等的组织与实施意图，预设学生可能出现的障碍，说明环节或活动对目标达成的意义和学生发展的意义。说出教与学活动的关联，如何在活动中达成目标，关注课堂互动的层次与深度） 本教学环节旨在明晰本节课的学习任务。通过让学生经历“问题提出—问题分类—问题提炼—任务制订”等过程，调动学生学习的积极性。 环节二：分析问题，展开探究 教师活动2 任务1:探究重力势能及影响因素 情境：展示高山上的巨大悬石，演员举起石头等图片。 教师设置以下问题，帮助学生进行归纳： ① 高山上的悬石和演员举起的石头都具有什么能量？ ② 从悬石下面经过，你会害怕吗？如果悬石在山脚的路边，你会害怕吗？ ③ 影片中有一个镜头是演员举起石头砸人，如果你是导演，会选什么材料做石头？ ④ 根据前面的讨论，你能归纳出重力势能可能与哪些因素有关吗？有什么关系？ ⑤ 如何通过研究证明我们的猜想呢？可从哪个角度入手？ 师：请同学们观看老师旅游时拍的一张悬石照片和电影中的一张截图（演员高高举起石头）。图片中，高山上的悬石和被举高的石头具有什么能量？ 师：老师旅游时从距离山脚80 m的一巨大悬石下经过，你能体会到老师当时的心情吗？ 师：教室里有一个悬挂的铅球，你敢从下面走过去吗？ 师：如果悬石是在路边，你还会害怕吗？ 师：如果影片中有一个镜头是演员举起石头砸人，导演一般会选什么材料做“石头”（泡沫、铁、石头）？ 师：根据前面的讨论，你能归纳出重力势能可能与哪些因素有关吗？有什么关系？ 师：如何通过研究证明我们的猜想呢？可从哪个角度入手？ 任务2：探究重力做功的特点和重力势能的表达式 情境：如图所示，A位置时小球与参考平面间的高度为h1，B位置时小球与参考平面间的高度为h2，B位置在A位置的正下方，BC处于同一水平高度。 引导性问题 通过以下问题，引导学生认识重力做功的特点。 ①如图甲所示，探究小球竖直下落过程中重力所做的功，需要知道哪些物理量？ ②如图甲所示，从A到B的过程中，重力做了多少功？考虑空气阻力会影响到重力做功的值吗？ ③如图乙、丙所示，从A到C，再从C到B的过程中，重力做了多少功？如何计算？考虑接触面光滑或粗糙，对重力做功的求解有影响吗？ ④如图中甲、乙、丙三种情况，重力做功有什么特点？这一表达式是否具有普遍性？ ⑤清晰表述表达式中的各项内容，“mgh1”“mgh2”与我们猜想的重力势能是否相符？能否作为重力势能的表达式？ 师：如果我们要探究重力对一物体所做的功，需要知道哪些物理量？ 师：如果要求解小球竖直下落过程中重力所做的功需要知道哪些物理量？ 师：小球从初始位置到末位置的过程中，重力做了多少功？ 师：考虑空气阻力，对物体重力做功的求解有影响吗？ 师：表达式只适用于图甲情境吗？请小组讨论并分享。 师：假设小球从A经斜面或曲面到C，再从C平移到A正下方的B位置，A、B两位置和甲图一样高，这个过程中重力做了多少功？ 师：考虑接触面光滑或者粗糙，对物体重力做功的求解有影响吗？ 师：从三种情形下得到的表达式中能看出重力做功具有哪些特点吗？ 师：请表述一下“mgh1”和“mgh2”的含义。 师：你觉得“mgh1”和“mgh2”能否反映小球在两个位置的重力势能？ 师：我们把mgh定义为重力势能，定义式为Ep=mgh。对上面重力做功的表达式又有了新的认识，即重力所做的功等于物体重力势能的变化量。 任务3：认识重力势能的特点 情境：展示一位同学站在三楼外窗台上擦玻璃的图片，静止悬挂在天花板的吊扇（如图），层高约为3m的高楼（如图）。 通过以下问题，引导学生认识重力势能的相对性和系统性。 ①三楼有一位同学在窗台上擦窗户玻璃。为防意外，经老师提醒后从窗台跳到教室里，她会受伤吗？为什么？ ②设楼层高为3m、窗台高1m，该同学质量为50kg，站在室外的教师和室内的同学认为该同学初、末状态的重力势能分别多大？重力势能的变化量分别多大？ ③如图，6楼的房间内有一吊扇，其重力势能是否一定是正值？ ④如图，设楼层高为3m，以一楼地面为参考面，处于19楼的工人不小心将一质量为12g的铁钉从阳台的栏杆处掉落，栏杆高为1m，则刚掉落时铁钉的重力势能约为多少？这一过程重力势能的变化量约为多大？ ⑤如果以19楼楼面为参考面，铁钉的重力势能和掉落过程中重力势能的变化量又各为多少？ ⑥通过前面的讨论，你对重力势能有了怎样的认识？ 总结：重力势能的大小与所选的参考平面有关。参考平面的选取是任意的，为了研究方便，我们一般选取地面为参考平面。重力势能正负，符号表示该物体是在参考平面上方还是下方，物体重力势能为负值时，其势能比在参考平面处的小。 任务4：认识弹性势能及影响因素 情境：如图分别是内有拧紧橡皮筋的圆桶、撑竿跳、射箭、卷紧的发条和弹簧。 ①上述各图有什么共同点？图中的物体此时是否具有弹性势能？理由是什么？ ②通过用手指压缩不同的弹簧如图，猜想弹性势能与什么因素有关。 ③如果要研究弹性势能的大小，可以通过做功来研究吗？ ④通过前面的讨论，你对弹性势能有了怎样的认识？ 总结：势能包括弹性势能和重力势能。发生形变的弹性物体具有弹性势能，其大小可以从它能对外物做功的多少来进行研究。对于同样的弹簧，形变量越大弹性势能也越大；形变相同但不同劲度系数的弹簧，劲度系数越大，弹性势能越大。 学生活动2 生：重力势能。 生：害怕。 生：害怕，怕掉下来让人受伤。 生：不会。 生：会选择泡沫。 生：可能与质量、高度成正比。 生：功是能量变化的量度，可从重力做功的角度研究。 生：需要知道物体的重力大小和在重力方向上通过的位移。 生：根据求功方法，我们要知道小球的重力mg、小球与地面的初始高度h1及末位置与地面的高度h2。 生：W=mg(h1-h2)。 生：重力和位移都没有受到影响，重力做功不变。 生1：我们是依据甲图情境推导得到的，只适用于该情境。 生2：我们没有探究过乙图、丙图情境，怎么就能确定不适用！ 生1：乙图涉及了两个过程，从A到C，根据有夹角情形求解重力做功为W=mg(h1-h2)，显然从C到B重力不做功；对于曲面，结合甲图和乙图，W=mg(h1-h2)。 生2：将整个路径分成许多很短的间隔，每个间隔可以看成斜面。 生3：采用微元思想，可得重力做功的表达式：W=mg(h1-h2)。 生：物体重力和位移都没有受到影响，重力做功不变。 生1：由上式得出重力做功的大小与物体的质量有关。 生2：还与物体下落的路径有关。 生3：重力做功与物体的质量和下落的高度差有关，与路径无关。 生：小球在A位置和B位置处重力与高度的乘积。 生：我觉得可以，因为“mgh”和我们猜想的重力势能影响因素相符。 活动意图说明 通过两个实例，猜想重力势能可能的影响因素。学生通过分析和小组讨论得出重力势能的释放和重力做功之间存在定量关系，从而得出探究重力势能表达式的研究方向。 通过对不同情境下的重力做功进行推导，归纳重力做功的特点。学生通过分析、质疑、推理，得出重力势能的表达式。通过对重力势能表达式各量进行解析，建立重力势能的概念。 通过小组讨论和演算方式，能让学生对重力势能的特点有更加清晰的认知，形成正确的物理观念。如知道参考平面可视研究问题的方便而灵活选择确定，在不特别指明的情况下，通常选择的是地面。通过辨析，区分矢量与标量的正负符号含义。通过高楼中物体重力势能的计算，认识高空抛物的危害性。 设计意图：弹性势能是高中需要建立的新概念，用内有拧紧的橡皮筋的圆桶的“自动滚动”，激发学生的兴趣。通过观察现象，分析各种现象中的能量转化，认识弹性势能的存在。通过用手指压缩不同的弹簧，从而体会影响弹性势能的相关因素，形成正确的物质观和能量观。 环节三：意义建构，深度理解 教师活动3 情境：展示图火箭发射、图宇航员在太空中行走时的情形。 设置以下问题，引导学生对重力势能的系统性、相对性及重力做功的特点等进行进一步探讨。 ①你能否从本节课所学内容的角度对所示的两个情境提出一些问题或形成一些结论？ ②如何理解宇航员具有的重力势能呢？假如没有地球，物体还具有重力势能吗？ ③任一物体的重力势能是物体单独具有的吗？ ④重力势能有正负，位移、力（加速度）、功和温度也有正负，它们的正负各有什么含义呢？ ⑤通过上面的讨论，你对重力势能有没有什么更深的认识？ 总结：重力势能具有系统性、相对性，是物体和地球所共有的。矢量的正负符号表示方向，功的正负反映的是动力做功还是阻力做功，温度的正负与势能的正负相似，是一个代数量，负的温度表示该温度比0℃还低。 师：你能否从本节课所学内容的角度对图所示的两个情境提出一些问题或形成一些结论？ 师：请大家议一议。 师：有道理，发射过程中宇航员克服重力做功，重力势能增加后到进入轨道并没有往回走，没有出现势能减少现象。那么如何理解宇航员具有的重力势能呢？假如没有地球，物体还具有重力势能吗？ 师：位移、力、加速度等矢量的正负反映物理量的方向，一般问题中会加以说明正方向为哪个方向；而温度的正负与势能的正负相似，是一个代数量，负的温度表示该温度比0℃还要低；功的正负，大家在上一节中已经知道，正功反映该力对物体的运动起到促进作用，负功表示该力对物体的运动起到阻碍作用。 学生活动3 生1：取发射场地为参考面，火箭飞经10m高处的重力势能约为多少？ 生2：卫星到达的轨道高度越高，具有的势能越大。 生3：宇航员在太空中完全失重，还有没有势能？ 生4：有势能，因为太空中，宇航员具有重力势能吗？你的依据是什么？ 生5：如果没有地球，就没有万有引力也不会有重力，自然没有重力势能。 师：看来，一个物体具有重力势能还与地球有关。从中请大家思考，任一物体的重力势能是物体单独具有的吗？ 学生思考并在教师引导下归纳：物体的重力势能是由物体与地球的位置关系决定的，是物体和地球所共有的，具有系统性，一般不会特别说明，而是简略地说物体具有重力势能。像这类由于两者间位置关系不同而具有的能量统称为势能，又叫位能。弹性势能也属于位能。 生6：物体重力势能的大小具有系统性、相对性，其正、负反映的是物体在参考平面上方还是下方，负值说明物体重力势能比在参考平面处的要小。位移和力（加速度）有正值和负值，功有正值和负值，温度也有正值和负值，它们的正负符号又各有什么含义呢？ 活动意图说明 对于重力势能的系统性在日常中提的不多，太空宇航员的实例可以帮助学生认识到势能的共有特点。通过梳理物理量的正负号，让学生进一步理解重力势能的相对性，培养科学思维的物理核心素养。 环节四：小结巩固，拓展应用 教师引导学生用以下问题对本主题内容加深思考： ① 要想得到普适性的规律，在对重力做功特点的推导过程中，你有什么感悟？ ② 在求解某物体的重力势能之前，我们应当先进行哪些设定？ ③ 微元思想帮助我们化曲为直，推导出了重力势能的表达式，能否尝试利用这一思想探究弹性势能大小的影响因素？ 总结：要得到普适性的规律，我们在研究问题时要学会从特殊推广到一般，逐步验证规律的正确性和可行性；分析物体的重力势能之前，我们要确定物体重心所在的位置，是否能抽象为质点，确定参考平面及质点距离参考平面的高度等；“微元思想”化变力为恒力，通过对弹力做功与弹性势能定量关系的推导，得出弹性势能与劲度系数和形变量的定量关系。 活动意图说明 学生的学习情况需要得到及时的反馈，通过拓展练习及时检测教学目标的达成情况。 7.作业与拓展学习设计 作业设计 一、书面作业（必做） 1. 完成教材对应章节课后习题，重点巩固重力做功与重力势能变化的关系、重力势能的相对性与系统性两大核心知识点。 2. 整理本节课课堂笔记，梳理重力势能、弹性势能的概念、影响因素及相关规律，形成完整的知识框架。 3. 完成配套练习册中“重力势能”专题的基础题与中档题，强化对公式的理解与应用。 二、分层作业（选做） （一）基础巩固层（全体学生可选做） 1. 结合生活实例（如高空抛物、撑竿跳），分析其中的重力势能、弹性势能转化，撰写100字左右的分析短文。 2. 完成2道重力势能计算的变式题，重点练习不同参考平面下的势能计算与变化量分析。 （二）能力提升层（中等及以上学生可选做） 1. 用微元思想推导重力做功与路径无关的特点，并尝试推导弹性势能的表达式 2. 分析“宇航员在太空中是否具有重力势能”，结合重力势能的系统性，撰写200字左右的探究报告。 （三）拓展创新层（学有余力学生可选做） 1. 设计一个简易实验，探究影响弹性势能大小的因素，写出实验方案、步骤与预期结论。 2. 调研高空抛物的危害，结合重力势能知识，制作一份面向班级的安全宣传小贴士（图文结合）。 三、实践作业（选做） 1. 观察生活中利用重力势能、弹性势能的实例（如蹦床、水电站），拍摄照片并标注其中的能量转化原理，下节课分享。 2. 小组合作，完成“重力势能与高度、质量的关系”的小实验，记录实验数据，撰写实验报告。 8.教学反思与改进 一、教学反思 本节课围绕重力势能、弹性势能展开教学，结合生活情境与探究问题，引导学生理解概念及规律，渗透微元思想，重视学生自主思考与小组合作。 教学中发现部分问题：一是学生对重力势能的相对性、系统性理解浅显，容易混淆概念；二是课堂探究时间分配不够合理，弹性势能内容讲解较为仓促；三是部分学生只会套用公式，知识迁移与实际应用能力较弱。 二、改进措施 1. 简化抽象概念，多用生活实例对比讲解，帮助学生理解势能的相对性与共有性。 2. 合理规划课堂时长，精简讨论环节，保障重难点内容讲解充分。 3. 增加生活化习题与情境分析，强化知识运用，提升学生解题与应用能力。 4. 关注学困生，课堂多提问、多引导，分层要求，落实因材施教。 4/4 学科网（北京）股份有限公司 $