第八章 机械能守恒定律 单元教学设计-2025-2026学年高一下学期物理人教版必修第二册

该高中物理教学设计聚焦“机械能守恒定律”单元，涵盖功、功率、势能、动能等核心概念。通过拖把推地、消防员下滑等情境导入，衔接初中能量认知与高中牛顿定律，以问题链和实验器材为支架，引导学生构建知识脉络。 资料以素养为导向，通过科学思维（如汽车启动模型建构、动能定理演绎推理）和科学探究（验证机械能守恒实验设计），结合冬奥会雪橇、跳水等真实情境，落实能量观念。实验与理论结合的教学方法，提升学生分析能力，为教师提供结构化教学资源。

单元教学设计 单元基本信息 学科 物理 学校 年级 高一 课程标准模块 必修二 使用教材版本 人教版必修二 单元名称 机械能守恒定律 单元课时数 9课时 一、单元学习主题分析（体现学习主题的育人价值） 主题名称 以能量之序，探守恒之美——培育科学素养与人文情怀 主题概述 一级主题 二级主题 课时 机械能守恒定律 主题一功和功率 2 主题二重力势能 1 主题三动能和动能定理 2 主题四机械能守恒定律 2 主题五实验：验证机械能守恒定律 2 主题一功和功率 本主题聚焦功与功率，拓展力与位移非共线时的功的推导；厘清总功计算与正负功内涵；区分平均与瞬时功率，结合极限思想推导公式；依托牛顿定律，分析汽车恒定功率与恒定加速度启动的物理规律。 主题二重力势能 本主题围绕重力势能与弹性势能展开：回顾重力势能概念，归纳重力做功与路径无关的特点并推导其表达式；分析重力势能的相对性、系统性；结合实例得出弹性势能概念及影响因素。 主题三动能和动能定理 本主题聚焦动能与动能定理：先通过实例分析动能的影响因素，再由牛顿定律推导出动能表达式与动能定理；通过变力、曲线运动等情境论证其普适性，并结合实例强化应用步骤，凸显其解题优势。 主题四机械能守恒定律 本主题围绕机械能守恒定律展开：从伽利略斜面实验推导定律，探究守恒条件并拓展模型；论证动能与势能转化规律，结合实例判断守恒情况，形成能量守恒观念。 主题五实验：验证机械能守恒定律 本主题聚焦验证机械能守恒定律实验：设计实验方案，展示论证方案可行性；规范操作与数据处理，对比分析实验结果；反思误差成因，深化守恒认知，提升科学探究素养。 主题学情分析 （1）知识基础：学生在初中已经初步了解了动能和势能的概念，知道动能和势能与哪些物理量相关，能够计算力与位移处于同一直线时的功，知道能量可以相互转换，初步形成了能量观念。进入高中后，学习了速度、加速度、力等物理量的矢量运算，掌握了运用牛顿运动定律解决问题的方法，具备了进一步学习本单元内容的基础。通过本单元的学习，将更加全面深刻地理解功与能的概念，认识各知识点本身的内涵，建立结构更加完整的功、能与能之间的关联，厘清各知识点的区别与联系，从而构建较完整的功、能知识结构。 （2）思维基础：学生通过瞬时速度概念、曲线运动知识的学习，已初步了解了极限的思维方法，为从恒力做功到变力做功、从直线运动到曲线运动推导“重力势能变化与重力做功的关系”打下了很好的思维基础。学生通过力学部分的学习，对演绎推理方法有了较多的体验，这为动能和动能定理等内容的学习奠定了思维基础。在力和运动的分析中，学生已经有了受力分析和运动分析的基础，但面对更加复杂的情境，需要结合功和能的分析，进一步提升分析推理能力。 （3）实验基础：学生已经做了“测量纸带的平均速度和瞬时速度”“探究小车速度随时间变化的规律”“探究加速度与力、质量的关系”“探究两个互成角度的力的合成规律”等实验，初步具备了实验设计、交流论证、用打点计时器获取实验数据、规范记录实验数据等科学探究素养，为“验证机械能守恒定律”实验奠定了基础。 开放性学习环境 打点计时器、气垫导轨、单摆、动能定理与功的探究仪器 二、单元学习目标设计（基于标准、分析教材、结合学情，体现素养导向） 单元学习目标 素养要素 单元学习目标 物理观念 1.知道功、功率、重力势能、动能等概念； 2.知道正负功的物理意义； 3.知道额定功率，了解生产生活中常见机械的功率大小及其意义； 4.知道重力势能的变化与重力做功的关系； 5.知道动能定理的表达式及其物理意义； 6.知道机械能的各种形式，清楚机械能守恒的条件及表达式，初步形成能量观念 科学思维 1.在掌握求合力做功的方法的同时进一步理解等效思想，通过对当时间间隔趋向于零时物体做功与时间的比值的物理意义的思考，建构瞬时功率的概念，进一步理解极限思想； 2.通过分析，建构汽车启动的两类运动模型；演绎推理得到汽车启动过程中各物理量的变化； 3.分段微推理重力做功、合外力做功等，猜想与重力势能相关的因素并通过重力做功演绎推理得到重力势能的表达式； 4.通过牛顿运动定律和运动学规律演绎推理得到动能定理表达式，并通过类比重力势能得到动能的表达式； 5.能够选择规律推导机械能守恒定律，能判断物体机械能是否守恒，会利用机械能守恒定律解决生活中的相关问题，通过各类能量的转换和功能关系的总结归纳提升对能量守恒定律的理解。 科学探究 1.能够提出机械能是否守恒的实验验证问题； 2.能够设计验证机械能守恒定律的实验方案并交流评价； 3.能根据方案选择重锤、打点计时器等实验器材进行实验，选择合适纸带测出对应的实验数据并规范记录； 4.能分析数据验证机械能是否守恒； 5.能反思实验过程并撰写实验报告。 科学态度与责任 1.在经历实验探究与理论推导的过程中，培养严谨认真、尊重事实的科学态度； 2.在机械能守恒定律的探究过程中，感受守恒思想的意义，体会用能量观念分析解决某些问题的优越性。 三、学习活动/任务设计（指向学习目标，强调学生的活动与体验） 活动/任务1 活动一：功和功率 任务一：推导功的计算式 情境：如图8.1-2所示，某学生沿拖把柄方向施加大小为F的力，使拖把运动，柄与地面夹角为θ，拖把水平位移为L，则推力做的功是多大？ 学生对图8.1-2所示情境选择研究对象，进行受力分析和运动分析，尝试推导功的计算式。 教师可以设置以下问题，帮助学生进行推导： ①推力与位移方向不同，是否做功？为什么？ ②如果做功，它做的功是多少？ ③你是用什么方法推导功的计算式的？还有其他方法吗 ④你认为两种推导方法的共同点是什么？ ⑤功的计算式适用于求任何力做的功吗？ 任务二：理解功的正负含义（功是标量），计算总功 情境：如图8.1-6所示，一位老爷爷在一片平坦的草地上遛狗，拉狗的绳子与地面的夹角为θ，拉力始终为F，狗向前运动了L，此过程中拉力对狗做了多少功？ 学生运用功的计算式求解拉力对狗做的功。 通过以下问题，帮助学生认识功的正负的含义。 ①拉力与位移的夹角是哪个？ ②根据计算式求出的拉力做的功是正值还是负值？ ③从功的计算式来看，力做正功或负功与什么有关？功的正负值又表示什么呢？是方向吗？ 图8.1-2所示情境中的推力F=20N，柄与地面夹角θ=37∘，拖把水平前进的位移L=0.5m，拖把的总质量m=1.8kg，它与地面间的动摩擦因数为μ=0.4。那么， ④拖把所受的合力为多少？ ⑤拖把所受的合力做的功为多少？ ⑥各个力对拖把所做的功为多少？ ⑦各个力所做的功的代数和为多少？ ⑧合力所做的功与各个力所做功的代数和有什么关系？为什么？ ⑨在风筝滑雪运动中，如果地面光滑，绳子拉力做正功和负功时分别对人的运动有什么影响？ ⑩正功、负功与物体能量的变化有关系吗？正功、负功的意义是什么？ 任务三：区分平均功率与瞬时功率 情境：消防员接到紧急任务，跑向二楼的滑杆顺着杆子往下滑到一楼车库，上车前往救援现场。已知车库楼层高为6m，消防员的体重为70kg，他沿杆下滑的加速度为8m/s²。 教师可以设置以下问题帮助学生进行分析： ①消防员在下滑的第一个0.5s内和第二个0.5s内，重力做的功相等吗？如何描述做功的快慢？ ②功W用力与位移来表示，功率的表达式该怎么写？ ③消防员在下滑的前0.5s和前1s时间内，重力做功的功率是否相同？这说明了什么？ ④怎样才能更加精确地描述在各个时刻做功的快慢？ 任务四：讨论汽车启动问题 情境：播放汽车启动的视频。一种是保持油门在一定位置，汽车从静止开始逐渐加速；另一种是逐渐加大油门，保持汽车牵引力不变，达到额定功率后保持油门在一定位置继续行驶。 教师可以设置以下问题，帮助学生进行分析： ①汽车加油门与不加油门是生活用语，物理中与之对应的概念是什么？ ②若汽车在运动时受到的阻力不变，汽车以恒定的额定功率启动过程中速度如何变化？你能画出启动过程的v−t图吗？ ③请你分享一下你作图的依据是什么。速度为什么是这么变化的？加速度如何变化？什么时候速度达到最大值？你能画出各物理量变化的循环分析图吗？ ④若汽车在运动时受到的阻力不变，汽车保持牵引力不变的启动过程中，速率如何变化？功率如何变化？你能画出P−t图吗？ ⑤若汽车实际功率达到额定功率后保持不变，汽车的速度还会增大吗？你能画出这种启动模式全过程的物理量变化循环分析图以及v−t图吗？ ⑥汽车启动时，是直接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？ 活动/任务2 活动二：重力势能 任务一：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？ 任务二：探究重力做功的特点和重力势能的表达式 情境：如图8.2-2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。 通过以下问题，引导学生认识重力做功的特点： ①如图8.2-2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8.2-2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8.2-2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8.2-2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？ 任务三：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。 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？ ③6楼的房间内有一吊扇，其重力势能是否一定是正值？ ④设楼层高为3m，以一楼地面为参考平面，处于19楼的工人不小心将一质量为12g的铁钉从阳台围栏的栏杆处掉落，栏杆高为1m，则掉落前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楼楼面为参考平面，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择的参考平面有关。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。重力势能分正负，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。 任务四：弹性势能及影响因素 情境：如图8.2-5～8.2-8，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。可设置以下问题，引导学生认识弹性势能及其相关影响因素： 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8.2-8），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。 活动/任务3 活动三：动能和动能定理 任务一：确定动能的相关因素 情境：播放视频。 ①高速飞行的羽毛球击破西瓜； ②掷出的铅球将地面砸出深坑。 教师可以设置以下问题，帮助学生进行归纳： ①运动物体具有能量，这是什么能？这种能量与哪些物理量有关？ ②为什么只有高速运行的羽毛球才能击破西瓜？ ③为什么沉重的铅球能将地面砸出深坑？ ④运动员是怎样让物体获得更大动能的？ 任务二：推导动能的表达式与动能定理 情境：如图8.3-2所示，物块在恒力作用下在光滑水平面上沿直线运动，速度从v1变为v2。 教师可以设置以下问题帮助学生完成动能定理的推导： ①上述物理过程遵循什么物理规律？ ②你能根据前面确定的物理规律推理出功的表达式吗？ ③为什么动能为？动能是标量还是矢量？ ④动能定理的表达式是怎样的？所表达的物理意义是什么？ ⑤从同一直线上行驶的汽车上和地面上看到的F、L和v，哪些量相同？哪些量不同？不同的参考系动能定理表达式是否可能不同？ ⑥通过前面的讨论，关于动能和动能定理你有什么新的认识？ 任务三：证明动能定理的普适性 情境：如图8.3-3所示，物体受到斜向拉力作用下在粗糙水平面上运动，速度从v1变为v2。 教师可以设置以下问题帮助学生完成动能定理的推导： ①如图8.3-3所示情境，物体受哪些力的作用？哪些力做功？哪些力不做功？此时的动能定理怎样表示？ ②你能证明前面对动能定理表达式的猜想吗？ ③中的W合表示什么？如何求解？ ④如果物体在不同过程受到不同的力，此时的动能定理是怎样的形式？W合如何求解？ ⑤如果物体受到的力是变力，动能定理是否适用？如果物体做曲线运动，动能定理是否适用？为什么？ ⑥动能定理是否只适用于恒力作用下的物体运动？是否只适用于一个过程的运动？是否只适用于直线运动？ ⑦通过前面的讨论，对动能定理你有什么新的认识？ 任务四：用动能定理解决实际问题 情境：如图8.3-4所示，一滑块（可视为质点）经水平轨道AB进入竖直平面内的四分之一圆弧形轨道BC。已知滑块的质量m=0.50kg，滑块经过A点时的速度vA=5.0m/s，AB长x=4.5m，滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.10，圆弧形轨道的半径R=0.50m，g=10m/s2。 教师可以设置以下问题，帮助学生进行分析、思考和归纳： ①滑块第一次经过B点时速度的大小是多少？ ②若圆弧轨道光滑，则滑块能否滑到C点？ ③若滑块离开C点后竖直上升的最大高度h=0.10m，滑块在从B运动到C的过程中克服摩擦力所做的功为多少？ ④使用动能定理解题，你有怎样的认识？解题步骤是怎样的？ 活动/任务4 活动四：机械能守恒定律 任务一：尝试推导机械能守恒定律 教师可以设置以下问题，帮助学生进行分析、推理和论证： ①小球能到达等高的地方，就能说明小球在整个过程中机械能守恒吗？ ②怎么说明在这个过程中机械能是守恒的？ 教师可以设计以下内容，帮助学生理解： ①小球在从1点下滑到2点的过程中，受到哪些力的作用？ ②哪些力做了功？ ③小球从1点下滑到2点，重力势能的变化量和动能的变化量分别是多少？ ④小球从1点下滑到2点，重力势能的变化量是通过什么过程实现的？动能的变化量是通过什么过程实现的？ ⑤重力势能的变化量和动能的变化量有什么关系？ 任务二：探究机械能守恒的条件 情境：在伽利略斜面轨道上铺上棉条，让小球从A（如图8.4-1甲）上某点静止释放。让学生观察实验现象，发表看法。 教师可以设置以下几个问题帮助学生归纳： ①如果这个过程中摩擦阻力不能忽略，机械能还守恒吗？ ②能总结一下机械能守恒的条件吗？ ③是不是小球在这个过程中不受摩擦力，机械能就守恒？如果在这个过程中小球不受摩擦力，但受到一个沿斜面向上的推力，机械能还守恒吗？ ④如果在这个过程中小球不受摩擦力，但受到一个沿斜面向下的推力，机械能守恒吗？ ⑤如果在这个过程中小球不受摩擦力，但受到一个垂直于斜面向下的压力，机械能守恒吗？ 任务三：拓展模型、完善规律 情境：上面的例子说明动能和重力势能之间的相互转化是守恒的，那么动能和弹性势能之间的转化是否也存在这种定量关系呢？请大家观察如图8.4-4所示的演示（弹簧振子模型）。 教师可以设置以下几个问题，帮助学生归纳： ①若不考虑空气阻力，滑块在运动过程中受几个力的作用？哪些力做功了？ ②在这个过程中，滑块的动能和弹性势能总和是否保持不变？ ③怎么证明在这个过程中，滑块的动能和弹性势能总和保持不变？ 任务四：运用机械能守恒的条件进行判断 情境：打出去的羽毛球；运动员跳伞；小球落在竖立弹簧上与弹簧一起运动（如图8.4-5）；子弹打入木块的过程（接触面可视为光滑）（如图8.4-6）。 教师可以设置以下几个问题，帮助学生进行判断： ①打出去的羽毛球机械能是否守恒？是否要考虑受到的空气阻力？如果是掷出去的铅球呢？ ②在空中运动的跳伞运动员机械能是否守恒？跳伞运动员受到几个力的作用？有哪些力做了功？ ③小球落在竖立弹簧上与弹簧一起运动时，小球的机械能是否守恒？小球受到几个力的作用？小球与弹簧构成的系统机械能是否守恒？ ④子弹打入木块的过程，子弹的机械能是否守恒？不考虑接触面的摩擦，空气阻力是否要考虑？子弹与木块作为整体的系统机械能是否守恒？子弹、木块与弹簧作为整体的系统机械能是否守恒？ ⑤如图8.4-1中所示两个相同的小钢球分别在空气和油中下落时机械能是否守恒？理由是什么？ ⑥判断在一个过程中机械能是否守恒，有几种视角和方法？ 活动/任务5 活动五：实验：验证机械能守恒定律 任务一：实验方案的设计 请依据下表中的“思考问题”和“备选器材”设计实验方案，并提出设计过程中的疑惑问题。 备选器材 实验装置简图 实验器材选择 待测量物理量及测量方法 数据记录表格设计 设计过程中的疑惑问题 ①生活中有哪些机械能守恒的情境？你会选择哪种实验情境来验证？ ②你选择的实验情境在验证过程中可能会遇到哪些困难？ ③在不同的实验情境中如何实现机械能守恒，如物块从斜面下滑，如何做到接近“光滑”？物体竖直下落如何做到“阻力不计”？小球在摆动过程中如何能够自由下摆？ ④选择的研究过程是哪段？为什么这么选择？ ⑤根据你的实验情境，选择的研究对象是什么？对选择的研究对象有什么要求？ ⑥研究过程是哪一个？要验证的表达式是怎样的？ ⑦需要测量哪些物理量？ ⑧如何测量各物理量？ ⑨需要用到哪些仪器？如何读数？ ⑩测量时需要注意什么？如何设计表格记录数据？ 任务二：实验方案的展示和论证 根据学生展示的方案（如图8.5-3所示）论证以下一些问题： 实验情境是否满足机械能守恒条件：重物有什么要求？轨道有什么要求？ 实验操作是否能够实现：实验器材能否提供？测量的精度是否满足要求？是否方便测量？ 实验测量的具体方法：选择哪个过程进行研究？验证守恒的物理表达式是怎样的？直接测量的物理量是什么？ 实验操作的注意点：如自由落体情境中，对起始位置有什么要求？打点计时器开启与纸带释放的先后顺序如何？如何操作可以减小阻力？纸带点迹如何选取？如何测量速度？ 任务三：实验操作与数据处理 学生实验操作：组装实验器材，先用两条纸带进行实验，教师展示操作图片，学生点评纠错，然后再用另外两条纸带进行实验。 情境：操作错误展示。 问题引导（操作部分）： ①展示的情境中存在哪些问题（如仪器安装过程存在的问题，实验操作过程存在的问题）？ ②实验中需要注意的问题有哪些？ 学生观察、讨论、点评：纸带不要太长，1m左右即可；不要用手托着重锤释放；重锤静止释放的位置离打点计时器不要太远；手要抓住纸带的上端，让纸带保持竖直不弯曲，以减少纸带和打点计时器限位孔间的摩擦；需要保持纸带的手不动，先接通电源，打点计时器工作稳定后，再松开纸带等等。 数据测量、记录：挑选纸带，完成数据测量、记录。 问题引导（数据处理部分）： ①如何选取计数点比较合适？ ②为什么纸带上第一个点的点迹往往不清楚？ ③选择纸带的哪一段来验证机械能守恒比较合适？ 学生思考讨论后回答： ①这里不需要每隔四个点选取一个计数点，因为加速度比较大，纸带上后面的点迹比较稀疏，可以直接连续选取打点作为计数点。 ②第一个点的点迹不清楚，因为是先开打点计时器，再放纸带，这个过程中往往手有轻微的抖动，使得第一个点迹比较模糊。 ③可以选择后面点迹清晰的一段作为研究的过程，需要测量初末速度。 四、单元学习评价设计（教师或同伴对学生的评价，指向学习目标的达成） （备注：方案1、方案2选择其一） 需要评价的活动 方案1：针对任务/活动描述 活动1 从“物理观念”维度看：在任务1、2的教学设计中，通过功的计算式的推导和功的正负的分析理解，进一步深化运动与相互作用观，初步形成能量观。在任务3、4的教学设计中，让学生对平均功率与瞬时功率有深入的认识，并会运用于分析汽车启动问题，使运动与相互作用观和能量观根植于内心。 从“科学思维”维度看：在任务1的教学设计中，运用矢量合成与分解的方法推导功的一般计算式。在任务3的教学设计中，理解用物理量的比值给出功率的定义式，运用极限思想，结合功率的定义式、运动学公式推导表达式。在任务4的教学设计中，分析汽车发动机功率一定时，牵引力与汽车速度的关系，建立交通工具启动时的两种常见模型。 从“科学态度与责任”维度看：让学生在经历实验探究与理论推导的过程中，养成严谨认真、尊重事实的科学态度。在具体应用实例的分析过程中，体会科学对人类社会发展的重要性。 活动2 从“物理观念”维度看：通过本节课的学习，学生能从定性的角度知道被举高的物体具有重力势能，其大小与物体质量和高度有关；从定量的角度知道。知道重力势能是物体与地球这个系统共有的，知道重力势能大小与参考平面选择有关，具有相对性，重力势能变化量与参考平面选取无关，能初步建立重力势能的观念。通过学习，知道发生弹性形变物体的各部分之间由于有弹力的相互作用，具有弹性势能；知道弹性势能不仅跟弹簧形变量的大小有关，还跟弹簧的劲度系数有关，初步建立弹性势能概念。 从“科学思维”维度看：学生从分析雪崩造成的影响出发，进行科学推理和模型构建；结合功能关系，从重力做功角度考虑分析得到势能表达式（定量关系）；通过微元思想“化曲为直”计算曲线情况下重力做功的特点，并归纳得到重力做功的特点；通过计算常见规则物体的重力势能及其变化量，解决重力做功和重力势能的常见问题，培养学生的科学推理和模型构建素养。 从“科学态度与责任”维度看：让学生经历高空坠物能量的转化，认识到高空坠物的危害，增强防范意识。 活动3 从“物理观念”维度看：在任务1的教学设计中，通过观察发现问题，猜测动能与什么因素有关；由师生讨论得出结论，从观察中分析，遵循了规律发现的基本方法。 在任务2的教学设计中，通过对动能的表达式的认识，标量性和相对性的讨论加深学生对动能概念的理解。 在任务3的教学设计中，从物体在同一阶段受到几个力的共同作用，不同阶段受到不同的力，物体受变力作用或做曲线运动时的种种讨论，得出动能定理的普适性，强化用能量分析问题的优越性。 从“科学思维”维度看：在任务1的教学设计中，根据运动员的实际操作得出——通过计算做功应该可以得到动能的表达式。 在任务2、3的教学设计中，根据牛顿运动定律和运动学公式推导出做功的表达式，得出动能的表达式；并通过在受多个力、阶段受力，受变力及曲线运动情况下的动能定理表达式，体会动能定理的普适性。 在任务4的教学设计中，合理选择研究对象并进行准确的受力分析及运动过程分析，然后用动能定理规范处理运动问题，慢慢养成用能量观点分析问题的习惯。 从“科学探究”维度看：在任务1的教学设计中，能根据观察发现问题，猜测动能与什么因素有关；能设计实验，会用控制变量法限定实验条件，定性验证之前的猜想。 在任务2、3的教学设计中，能根据已知规律推理演绎出新的规律。 从“科学态度与责任”维度看：在任务4的教学设计中，感受动能定理可解决直线运动和曲线运动问题，适用于恒力做功，也适用于变力做功，从而领悟到动能定理处理问题的优越性。 活动4 从“物理观念”维度看：本节课让学生知道了机械能守恒定律的多种表达式，知道了从能量角度和量化角度表述的守恒条件，知道了运用机械能守恒定律求解曲线运动问题的优越性；知道了选择用变化量表示的机械能守恒定律求解问题时无须规定零势能参考平面，进一步丰富与深化了能量观。 从“科学思维”维度看：本节课先让学生分析物体动能和势能间的转化，通过分析和论证，因动能定理涉及动能与做功，首选作为推导机械能守恒的基本规律；对合适的情境，运用动能定理推导出机械能守恒定律表达式。再从做功或者能量转化两个角度根据守恒条件判断机械能是否守恒，最后运用机械能守恒定律解决多过程的问题，体现了对科学思维的培养。 从“科学探究”维度看：学生根据实验事实，提出“动能＋势能”保持恒定的猜想；根据实验事实，初步归纳出“动能＋势能”保持恒定的条件。 从“科学态度与责任”维度看：以往的学习过程中提出猜想后通常进行实验检验，本节课则是采用理论推导，加深了对科学本质的认识。 活动5 从“问题”要素看：情境的设计具有开放性和引导性。开放性表现在“依据情境能结合自己的生活学习经验拓展新情境，激发新问题”；引导性表现在“引导学生从验证机械能守恒的方向提出问题”。问题要素是科学探究素养的基本要素，同时也是学生主动进行探究的导火索，通过问题的激发、归类分析，提升学生的问题意识和提问能力。 从“证据”要素看：本实验是学生实验方案设计和论证很好的载体，学生在问题的引导下依据生活和学习经验进行不同实验方案的设计，能提升设计素养；针对不同的设计方案展开论证，基于设计方案的交流讨论能较好地触发学生的思维，提升论证素养；实验操作中有很多可以改进的操作步骤，通过拍照展示、评价环节可有效地提升操作素养；实验数据的有效记录，能很好地提升数据读取和记录的证据素养。 从“解释”要素看：实验数据分析涉及重力势能、动能的表示及速度的测量方法等解释要素，通过数据分析判断机械能是否守恒，通过“重力势能和动能改变量的差异”分析误差和误差产生的原因，这样的学习过程能促进学生解释素养的培养。 从“交流”要素看：情境引导的问题交流、实验方案的论证交流、实验操作的评价交流、实验反思和实验报告的交流，多个维度的交流环节能提升学生的交流素养。 五、单元作业设计 1.2022年北京冬奥会激起了人们的冰雪情怀。北方小朋友们经常玩拉雪橇游戏，假设坐在雪橇上的人与雪橇的总质量为m=50kg，在与水平面成角的恒定拉力F=250N作用下，由静止开始沿水平地面向右移动。已知雪橇与地面间的动摩擦因数为。求： （1）2s内力F做的功。（2）2s内合力做的功。（3）2s末力F的瞬时功率。 2.如图8.2-11所示，质量均为0.1kg的A、B两铁质实心球用长度不同的轻绳悬于等高的O1、O2点，绳长LA=1m，LB=2m，将轻绳水平拉直，并将两球由静止同时释放，取释放的水平位置为参考平面，不计两球的大小，g=10N/kg，求：当两小球运动到轻绳与竖直方向成60∘夹角处时，两球的重力势能大小及在这一运动过程中重力势能的变化量。 3.质量为50kg的跳水运动员，从离水面10m高的跳台上以4m/s的速度跳出。（g取10m/，假设重心位于身体中心）求： ①若不计空气阻力，运动员入水时的速度是多少？ ②若该运动员落水时速度为13m/s，则他克服空气阻力做了多少功？ ③运动员起跳时做了多少功（起跳瞬间忽略重心高度的变化）？ 4.如图8.4-7所示装置，BC是半径为R的四分之一圆弧轨道，竖直轨道与圆弧轨道相切于B点，A、B间距离为h。弹珠从水平地面上A点以速度竖直向上射出并能沿轨道运动且从C点水平飞出。忽略摩擦和空气阻力，重力加速度为g。求弹珠从C点水平飞出的速度。 5.用如图甲所示的实验装置做“验证机械能守恒定律”实验时，将打点计时器固定在铁架台上，使重物带动纸带从静止开始下落。 关于本实验下列说法正确的是          填字母代号。 A.应选择质量大、体积小的重物进行实验 B.释放纸带之前，纸带必须处于竖直状态 C.先释放纸带，后接通电源 实验中，得到如图乙所示的一条纸带。在纸带上选取三个连续打出的点、、，测得它们到起始点点与下一点的间距接近的距离分别为、、。已知当地重力加速度为，打点计时器的打点周期为。设重物质量为。从打点到点的过程中，重物的重力势能变化量          ，动能变化量          。用已知字母表示 某同学用如图丙所示装置验证机械能守恒定律，将力传感器固定在天花板上，细线一端系着小球，一端连在力传感器上。将小球拉至水平位置从静止释放，到达最低点时力传感器显示的示数为。已知小球质量为，当地重力加速度为。在误差允许范围内，当满足关系式          时，可验证机械能守恒。 答案：为减小空气阻力，在实验中，应选择质量大、体积小的重物进行实验，故A正确； B、为减小纸带与限位孔间的摩擦，释放纸带之前，纸带必须处于竖直状态，故B正确； C、由实验步骤可知，应先接通电源，当打点计时器工作稳定后，再释放纸带，故C错误； 故选AB； 由重力做功与重力势能的关系可知，从打点到点的过程中，重物的重力势能变化量：， 由平均速度解得打点时重物的瞬时速度：， 该过程的动能增量为：； 设小球做圆周运动的半径为，则在最低点，由牛顿第二定律可得：， 解得此时球的动能为：， 球由静止释放后，到到达最低点过程，若满足机械能守恒，则有：， 联立解得：，解得：． 六、反思性教学改进（实施后填写） 基于各课时反思性教学改进，汇总形成单元反思性教学改进设想。 明确主要经验或者需改进的方面。 七、单元教学结构图 学科网（北京）股份有限公司 $