11.4 课时2 机械能及其转化 教学设计 2026-2027学年物理沪粤版九年级上册

该初中物理教学设计聚焦机械能及其转化核心知识，以铁球摆回实验导入，通过观察速度与高度变化引出动能势能转化，再用滚摆、单摆实验深化规律，结合苹果下落、卫星运动等实例，最终解释导入实验形成闭环知识脉络。 资料亮点在于情境导入激发探究欲望，实验探究培养科学思维，古今对比渗透科学态度，如铁球摆回实验首尾呼应，滚摆单摆动态分析转化，三峡水电站实例联系应用，助力学生建立能量观念，为教师提供完整教学方案。

11.4 课时2 机械能及其转化 沪粤版 物理 九年级 上册 第十一章 功与机械能 一、教学基本信息 课题 11.4 课时2 机械能及其转化 课型 新授课 课时 1课时 教材版本 沪粤版 物理 九年级 上册 教学方法 情境教学法、实验探究法、演示法、讨论法、讲授法、多媒体辅助教学法 教学用具 多媒体课件、滚摆实验装置、单摆实验装置、铁球摆回演示装置、教学图片 二、核心素养目标 物理观念 1. 理解机械能的概念，知道机械能是动能、重力势能和弹性势能的总和，能计算简单情境下物体的机械能。 2. 通过实例认识动能和势能可以相互转化，能说出动能和重力势能、动能和弹性势能相互转化的实例并解释转化过程。 3. 了解机械能守恒的条件，知道在只有动能和势能相互转化时机械能守恒，有摩擦等阻力时机械能会减少。 4. 了解人类对水能和风能的利用，知道水能发电和风能发电是将机械能转化为电能的过程。 科学思维 1. 通过分析滚摆、单摆和铁球摆回等实验现象，培养从具体现象中归纳物理规律的能力。 2. 通过分析苹果下落、篮球上抛、弯弓射箭、蹦床运动等实例中的能量转化，培养运用能量转化观点分析物理现象的科学思维。 3. 通过分析卫星在近地点和远地点之间的能量转化，培养将物理知识应用于更广阔情境的迁移思维能力。 科学探究 1. 经历观察滚摆和单摆实验的过程，学会通过观察物体运动速度变化和高度变化来分析动能和势能的转化。 2. 通过铁球摆回实验的猜想、验证和解释过程，体验科学探究中提出问题、进行实验、分析论证的完整过程。 3. 通过分析生活中的机械能转化实例，培养从生活现象中发现物理规律的能力。 科学态度与责任 1. 通过了解中国古代对水能和风能的利用（木质水轮、立轴式大风车、帆船等），感受中华民族的智慧，增强民族自豪感。 2. 通过了解三峡水电站和风力发电等现代能源利用技术，体会科学技术对社会发展的推动作用，树立可持续发展的意识。 3. 在实验观察和讨论中培养严谨求实的科学态度和合作交流的团队精神。 三、教学重难点 教学重点 1. 机械能的概念及其构成——机械能是动能、重力势能和弹性势能的总和。 2. 动能和势能的相互转化——通过滚摆、单摆、苹果下落、篮球上抛、弯弓射箭、蹦床运动等实例，理解动能和势能可以相互转化。 3. 机械能守恒的条件——在只有动能和势能相互转化时（无摩擦等阻力），机械能守恒。 4. 水能和风能的利用——了解水能发电和风能发电是机械能转化为电能的过程。 教学难点 1. 滚摆和单摆实验中动能和势能转化的动态分析，特别是最高点和最低点能量状态的判断。 2. 理解机械能守恒的条件，区分"只有动能和势能转化"与"有摩擦等阻力"两种情况下机械能是否减少。 3. 运用能量转化的观点综合分析实际情境中的机械能转化问题（如蹦极、荡秋千、空中加油等）。 四、教学过程 教学时间分配 教学时间分配表 教学环节 教学内容 时间 （一）情境导入 铁球摆回实验——引发对机械能转化的思考 3分钟 （二）新知探究 探究一：机械能及其转化（机械能概念、滚摆/单摆实验、动能与重力势能转化、动能与弹性势能转化、卫星近远地点、铁球摆回解释） 20分钟 探究二：机械能的应用（水能利用——古代水轮/水电站、风能利用——古代风车/风力发电） 12分钟 （三）课堂练习 PPT原题4道，巩固机械能转化及应用知识 8分钟 （四）课堂小结 师生共同总结本课核心知识框架 2分钟 （一）情境导入（3分钟） 【教师活动】同学们，老师今天给大家带来一个有趣的实验。请看大屏幕——这是一个用绳子悬挂起来的铁球。如果老师把铁球拉到下巴附近，稳定后松手，铁球就会向前摆去。当铁球摆回来的时候，大家猜一猜，铁球会不会打到我的下巴？ 【学生活动】充满好奇地观察实验装置，积极猜测：有的同学认为铁球会打回来打到下巴，有的同学认为不会。 【教师活动】好，大家的猜测分成了两派。现在老师来演示这个实验，请大家仔细观察铁球摆动过程中的运动快慢变化和高度变化。 【学生活动】认真观察演示实验：铁球从下巴附近释放后向前摆去，到达左侧最高点后摆回，但摆回时并没有碰到下巴，离下巴还有一小段距离。同学们感到惊讶和好奇。 【教师活动】同学们看到了什么？铁球摆回来的时候，打到下巴了吗？ 【学生活动】回答：没有打到！铁球摆回来的时候，离下巴还有一点距离，并没有碰到下巴。 【教师活动】非常好！大家再仔细回想一下，铁球在摆动过程中，运动快慢有没有变化？高度有没有变化？ 【学生活动】回顾观察结果：铁球从释放点向最低点运动时，速度越来越快，高度越来越低；从最低点向另一侧最高点运动时，速度越来越慢，高度越来越高。整个过程中，铁球左右摆动，循环往复。 【教师活动】同学们观察得真仔细！铁球在摆动过程中，速度在变，高度在变，说明动能和重力势能都在变化。那么，在这个过程中，动能和重力势能是怎样变化的？它们之间有什么关系？为什么铁球摆回来不会打到下巴？带着这些问题，让我们进入今天的新课学习——第十一章第4节第2课时：机械能及其转化。 【设计意图】以铁球摆回实验作为情境导入，利用学生"铁球会不会打到下巴"的悬念激发强烈的好奇心和探究欲望。通过观察铁球摆动过程中速度和高度变化，为后续学习动能和势能的转化做好直观铺垫。同时铁球摆回问题的最终解释将贯穿全课，形成首尾呼应。 【过渡语】刚才我们观察到铁球摆动过程中速度和高度都在变化，说明动能和势能都在变化。那么，动能和势能统称为什么？它们之间是怎样转化的？让我们首先进入探究一——机械能及其转化。 （二）新知探究（32分钟） 探究一：机械能及其转化（20分钟） 环节1：机械能的概念 【教师活动】同学们，我们在前面的学习中已经认识了动能、重力势能和弹性势能这三种形式的能量。请大家回忆一下：什么是动能？什么是重力势能？什么是弹性势能？ 【学生活动】回忆旧知，回答：物体由于运动而具有的能叫做动能，动能的大小与物体的质量和速度有关；物体由于被举高而具有的能叫做重力势能，重力势能的大小与物体的质量和高度有关；物体由于发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能，弹性势能的大小与弹性形变的程度有关。 【教师活动】非常好！同学们对前面学过的知识掌握得很扎实。在物理学中，我们把动能、重力势能和弹性势能这三种能量统称为机械能。 【教师活动】请大家注意，一个物体具有机械能的总量等于它具有的动能和势能（包括重力势能和弹性势能）之和。也就是说：机械能 = 动能 + 势能。 【知识点】机械能的概念：在物理学中，动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。一个物体具有机械能的总量等于动能和势能（重力势能+弹性势能）之和。 【教师活动】请大家看大屏幕上的图片——一架正在飞行的飞机。请大家分析一下，飞行中的飞机具有哪些形式的能量？ 图2 飞行中的飞机——同时具有动能和重力势能 【学生活动】观察图片，分析回答：飞行中的飞机因为它在运动而具有动能，又因为它处于高空而具有重力势能。飞机的机械能等于动能和重力势能的总和。 【教师活动】分析得非常准确！飞行中的飞机同时具有动能和重力势能，把这两个加在一起，就得到了飞机总的机械能。这个例子很好地说明了：一个物体可以同时具有多种形式的机械能，机械能是这几种能量之和。 【学生活动】理解并记录：机械能 = 动能 + 重力势能 + 弹性势能。飞行中的飞机具有动能和重力势能，机械能等于两者之和。 理解要点|机械能的定义：机械能是动能、重力势能和弹性势能的总称。一个物体的机械能总量等于它所有形式的动能和势能之和。理解机械能要注意三点：第一，机械能是"能"的一种分类，不是一种新的能量形式；第二，一个物体不一定同时具有这三种能量（如静止在地面上的物体可能只有内能没有机械能）；第三，机械能的大小可以为零（如静止在地面的物体），但物体内部的分子永远具有内能。 【过渡语】我们已经知道了机械能是动能和势能的总和。那么，动能和势能之间能不能相互转化呢？让我们通过两个经典的实验——滚摆实验和单摆实验——来探究这个问题。 环节2：滚摆实验——动能和重力势能的转化 【教师活动】同学们，请看大屏幕上的滚摆实验装置图。滚摆是一个可以绕轴转动的圆轮，圆轮的两侧各有一个重锤。当滚摆从最高点释放后，它会怎样运动？请同学们先猜想一下。 图3 滚摆实验（图甲）和单摆实验（图乙） 【学生活动】观察滚摆装置图，猜想：滚摆从最高点释放后会向下运动，同时越转越快；到达最低点后又会向上运动，同时越转越慢。 【教师活动】同学们猜想的很有道理！现在让我们来分析滚摆运动过程中的能量转化。当滚摆从最高点向下运动时，它的高度在降低，重力势能怎样变化？运动速度（转速）在增大，动能怎样变化？ 【学生活动】分析回答：滚摆从最高点向下运动时，高度降低，重力势能减小；转速增大，动能增大。重力势能转化成了动能。 【教师活动】非常好！滚摆从最高点向最低点运动的过程中，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能。那么，当滚摆到达最低点时，它的重力势能和动能分别是什么状态？ 【学生活动】思考回答：滚摆在最低点时，高度最低，重力势能最小；转速最快，动能最大。 【教师活动】完全正确！滚摆在最低点时，重力势能最小（但一般不为零），动能最大。那么，滚摆从最低点向上运动时，情况又是怎样的？ 【学生活动】分析回答：滚摆从最低点向上运动时，高度升高，重力势能增大；转速减慢，动能减小。动能转化成了重力势能。 【教师活动】很好！滚摆从最低点向最高点运动的过程中，动能减小，重力势能增大，动能转化为重力势能。当滚摆到达最高点时，重力势能最大，动能最小。 【教师活动】同学们，我们来总结一下滚摆实验的结论：在滚摆的运动过程中，动能和重力势能不断地相互转化。滚摆下降时，重力势能转化为动能；滚摆上升时，动能转化为重力势能。 【学生活动】理解并记录滚摆实验结论：下降过程中重力势能转化为动能，上升过程中动能转化为重力势能。最低点动能最大、重力势能最小，最高点重力势能最大、动能最小。 【知识点】滚摆实验结论：滚摆下降时，高度减小，重力势能减小，转速增大，动能增大，重力势能转化为动能；滚摆上升时，转速减小，动能减小，高度增大，重力势能增大，动能转化为重力势能。动能和重力势能可以相互转化。 实验注意|滚摆实验观察要点：滚摆实验中需要注意观察的关键点：①滚摆释放时在最高点，此时重力势能最大、动能最小（一般从静止释放，动能为零）；②滚摆运动到最低点时，重力势能最小、动能最大（转速最快）；③滚摆的实际运动高度会逐渐降低，这是因为存在摩擦和空气阻力，部分机械能转化为内能，导致机械能减少。 【过渡语】滚摆实验让我们看到了动能和重力势能可以相互转化。那么，在单摆实验中，小球的动能和重力势能又是怎样转化的呢？让我们进入环节3——单摆实验。 环节3：单摆实验——动能和重力势能的转化 【教师活动】同学们，请看大屏幕上的单摆实验装置图。单摆由一根细绳和一个摆球组成。请大家思考：当摆球从最高点释放后，摆球在摆动过程中，动能和重力势能是怎样变化的？ 【教师活动】我们先分析摆球从最高点向最低点运动的过程。在这个过程中，摆球的高度怎样变化？速度怎样变化？ 【学生活动】分析回答：摆球从最高点向最低点运动时，高度降低，重力势能减小；速度增大，动能增大。重力势能转化为动能。在最低点时，摆球的高度最低，重力势能最小；速度最大，动能最大。 【教师活动】非常好！那么摆球从最低点向另一侧最高点运动时呢？ 【学生活动】分析回答：摆球从最低点向最高点运动时，高度升高，重力势能增大；速度减小，动能减小。动能转化为重力势能。在最高点时，摆球的高度最高，重力势能最大；速度为零，动能为零。 【教师活动】同学们分析得非常到位！单摆实验和滚摆实验的结论是一致的：在摆动过程中，动能和重力势能不断地相互转化。从最高点到最低点，重力势能转化为动能；从最低点到最高点，动能转化为重力势能。 【教师活动】现在，请大家把单摆实验和滚摆实验放在一起比较。它们有什么共同的特点？ 【学生活动】比较归纳：两个实验的共同特点是——在运动过程中，动能和重力势能都在不断地相互转化。当物体从高处向低处运动时，重力势能转化为动能；当物体从低处向高处运动时，动能转化为重力势能。 【教师活动】总结得非常精彩！同学们，通过滚摆和单摆两个实验，我们得出了一条重要的规律：物体的动能和重力势能可以相互转化。 【知识点】单摆实验结论：摆球从最高点到最低点，重力势能转化为动能；从最低点到最高点，动能转化为重力势能。单摆实验与滚摆实验共同说明了动能和重力势能可以相互转化。 【学生活动】理解并记录：动能和重力势能可以相互转化；物体从高处向低处运动——重力势能转化为动能；物体从低处向高处运动——动能转化为重力势能。 【过渡语】通过滚摆和单摆实验，我们知道了动能和重力势能可以相互转化。那么，在日常生活中，有哪些动能和重力势能相互转化的实例呢？让我们进入环节4——动能和重力势能的相互转化实例。 环节4：动能和重力势能的相互转化实例 【教师活动】同学们，请看大屏幕上的两个实例。第一个是苹果从树上落下。请大家分析：苹果下落过程中，高度和速度分别怎样变化？能量怎样转化？ 图4 苹果从树上落下——重力势能转化为动能 【学生活动】分析回答：苹果从树上落下时，高度减小，重力势能减小；速度增大，动能增大。重力势能转化为动能。 【教师活动】很好！苹果下落是重力势能转化为动能的典型例子。再看第二个实例——篮球被抛向空中。请大家分析篮球上升过程中能量的转化。 图5 篮球被抛向空中——动能转化为重力势能 【学生活动】分析回答：篮球被抛向空中上升时，速度减小，动能减小；高度增大，重力势能增大。动能转化为重力势能。 【教师活动】完全正确！苹果下落是重力势能转化为动能，篮球上抛是动能转化为重力势能。这两个例子正好从两个方向说明了动能和重力势能之间的相互转化。 【教师活动】同学们，请你们想一想，生活中还有哪些动能和重力势能相互转化的实例？ 【学生活动】积极思考并举例：过山车从高处冲下——重力势能转化为动能；荡秋千从最高点荡到最低点——重力势能转化为动能；从最低点荡到最高点——动能转化为重力势能；瀑布水流从高处落下——重力势能转化为动能；抛出的矿泉水瓶上升——动能转化为重力势能。 【教师活动】同学们举的例子都非常好！这些例子都说明了一个共同的规律：动能和重力势能之间可以相互转化。当一个物体高度降低、速度增大时，重力势能转化为动能；当一个物体高度升高、速度减小时，动能转化为重力势能。 【知识点】动能和重力势能的相互转化：物体高度降低、速度增大——重力势能转化为动能（如苹果下落、过山车下滑）；物体高度升高、速度减小——动能转化为重力势能（如篮球上抛、荡秋千上升）。 【学生活动】理解并记录动能和重力势能转化的判断方法：看高度和速度的变化——高度降低、速度增大→重力势能转化为动能；高度升高、速度减小→动能转化为重力势能。 【过渡语】我们刚才学习了动能和重力势能之间的相互转化。那么，动能和弹性势能之间能不能相互转化呢？让我们进入环节5——动能和弹性势能的相互转化。 环节5：动能和弹性势能的相互转化实例 【教师活动】同学们，请看大屏幕上的第一个实例——弯弓射箭。请大家分析：弓被拉弯时具有什么能？箭被射出去时具有什么能？能量是怎样转化的？ 图6 弯弓射箭——弹性势能转化为动能 【学生活动】分析回答：弓被拉弯时发生了弹性形变，具有弹性势能。松手后，箭被射出去，箭获得了动能。在这个过程中，弓的弹性势能转化为箭的动能。 【教师活动】非常好！弯弓射箭是弹性势能转化为动能的典型例子。再看第二个实例——蹦床运动。请大家分析蹦床运动中能量的转化。 图7 蹦床运动——动能和弹性势能相互转化 【学生活动】分析回答：运动员从高处落下接触蹦床后，蹦床发生弹性形变，运动员的动能转化为蹦床的弹性势能；当蹦床恢复原状时，蹦床的弹性势能又转化为运动员的动能，使运动员向上弹起。 【教师活动】分析得非常到位！蹦床运动中能量的转化分两个阶段：运动员下落接触蹦床时，动能转化为弹性势能；蹦床恢复原状时，弹性势能转化为动能。这体现了动能和弹性势能之间也可以相互转化。 【教师活动】同学们，请想一想，生活中还有哪些动能和弹性势能相互转化的实例？ 【学生活动】思考并举例：弹弓发射石子——橡皮筋的弹性势能转化为石子的动能；撑杆跳高——运动员的动能转化为撑杆的弹性势能，撑杆恢复时弹性势能又转化为运动员的重力势能；弹簧门关闭——弹簧的弹性势能转化为门的动能；网球拍击球——球拍的弹性势能（微小形变）转化为球的动能。 【教师活动】同学们举的例子非常丰富！这些例子共同说明：动能和弹性势能之间也可以相互转化。当弹性物体恢复原状时，弹性势能转化为动能；当运动物体使弹性物体发生形变时，动能转化为弹性势能。 【知识点】动能和弹性势能的相互转化：物体发生弹性形变时具有弹性势能，恢复原状时弹性势能转化为动能（如弯弓射箭、弹弓发射）；运动物体使弹性物体发生形变时，动能转化为弹性势能（如蹦床下压阶段）。 【学生活动】理解并记录：动能和弹性势能可以相互转化。弹性势能→动能：弯弓射箭、弹弓发射；动能→弹性势能：蹦床下压、撑杆弯曲。 重点强调|动能和势能可以相互转化：通过滚摆实验、单摆实验、苹果下落、篮球上抛、弯弓射箭和蹦床运动等多个实例，我们总结出一条重要规律：动能和势能（包括重力势能和弹性势能）可以相互转化。这是本节课最核心的结论之一。判断能量转化的关键方法是：观察物体的速度、高度和弹性形变程度的变化——速度变化反映动能变化，高度变化反映重力势能变化，形变程度变化反映弹性势能变化。 【过渡语】我们通过大量的实例认识到动能和势能可以相互转化。那么，这种转化是否遵循某种守恒规律？在什么情况下机械能会保持不变？什么情况下机械能会减少？让我们带着这些问题，进入环节6——卫星近远地点分析和机械能守恒条件的探讨。 环节6：卫星近地点与远地点——机械能转化的深入分析 【教师活动】同学们，请看大屏幕上的卫星运行轨道示意图。卫星绕地球运行的过程中，有近地点和远地点两个特殊位置。请同学们思考：当卫星从近地点向远地点运动时，它的高度和速度分别怎样变化？能量如何转化？ 【学生活动】观察卫星轨道图，分析回答：卫星从近地点向远地点运动时，高度增大，重力势能增大；速度减小，动能减小。动能转化为重力势能。在远地点时，卫星的重力势能最大，动能最小。 【教师活动】很好！那么，卫星从远地点向近地点运动时呢？ 【学生活动】分析回答：卫星从远地点向近地点运动时，高度减小，重力势能减小；速度增大，动能增大。重力势能转化为动能。在近地点时，卫星的重力势能最小，动能最大。 【教师活动】分析得非常准确！卫星在近地点和远地点之间的运动，本质上就是动能和重力势能的相互转化。这个例子告诉我们，动能和重力势能的相互转化不仅存在于地面上的物体，也存在于太空中的人造卫星。 【教师活动】现在，请大家思考一个更深层次的问题：在卫星绕地球运动的过程中，如果没有空气阻力（太空中几乎没有空气），卫星的机械能会不会发生变化？ 【学生活动】思考并回答：在太空中几乎没有空气阻力，也没有其他摩擦阻力，卫星的动能和重力势能只是相互转化，没有能量损失，所以卫星的机械能应该保持不变，或者说机械能守恒。 【教师活动】同学们推理得非常正确！当只有动能和势能相互转化时（没有摩擦等阻力），物体的机械能保持不变，这就是机械能守恒。 【知识点】机械能守恒的条件：在只有动能和势能相互转化时（即没有摩擦等阻力的情况下），物体的机械能保持不变。这是机械能转化的重要规律。 【学生活动】理解并记录：机械能守恒的条件——只有动能和势能相互转化，没有摩擦等阻力。卫星在太空中运行、理想情况下的滚摆和单摆运动，机械能都守恒。 判断技巧|如何判断机械能是否守恒：判断机械能是否守恒的关键方法：第一步，分析物体运动过程中是否存在摩擦、空气阻力等阻力因素；第二步，如果只有动能和势能（重力势能或弹性势能）之间的相互转化，没有其他形式的能量参与，则机械能守恒；第三步，如果有摩擦或空气阻力，则部分机械能会转化为内能，机械能减少。典型例子：光滑斜面上下滑——机械能守恒；粗糙斜面上下滑——机械能不守恒（减少）；卫星在太空中运行——机械能守恒；铁球在空气中摆动——机械能减少。 【过渡语】现在，我们已经掌握了机械能守恒的条件。让我们回到课的开始，用今天学到的知识来解释铁球摆回实验——为什么铁球不会打到下巴？ 环节7：铁球摆回实验的解释——首尾呼应 【教师活动】同学们，让我们回到情境导入中的铁球摆回实验。现在，请大家用今天学到的知识来解释：为什么铁球摆回时不会打到下巴？ 图9 铁球摆回实验——空气阻力导致机械能减少 【学生活动】运用所学知识分析：铁球在摆动过程中，动能和重力势能相互转化。但由于存在空气阻力，在动能和势能的相互转化中，一部分机械能转化为内能，机械能会减少。因此，铁球摆回时的高度比释放时的高度略低，所以铁球不会打到下巴。 【教师活动】分析得非常精彩！铁球摆回实验中，铁球摆动过程中动能和重力势能不断相互转化，但由于空气阻力，部分机械能转化为内能，机械能总量逐渐减少，所以铁球摆回时的高度低于释放时的高度，不会碰到下巴。 【教师活动】同学们，这个实验也告诉我们一个重要的道理：在现实世界中，由于摩擦和空气阻力的存在，机械能往往是不守恒的，会有一部分转化为内能。只有在理想情况下（没有摩擦和空气阻力），机械能才守恒。所以，当我们说"机械能守恒"时，是有条件的。 【学生活动】理解并记录：铁球摆回实验说明——有空气阻力时，机械能会减少，转化为内能。现实世界中由于摩擦和空气阻力，机械能往往不守恒。 易错提示|机械能减少不等于能量消失：有摩擦等阻力时，在动能与势能的相互转化中，机械能会减少，但减少的机械能并没有消失，而是转化成了内能（摩擦生热）或其他形式的能量。总能量仍然是守恒的，只是机械能的总量减少了。所以，机械能守恒是有条件的（只有动能和势能转化），而能量守恒是无条件的（自然界普遍规律）。 【过渡语】通过探究一，我们学习了机械能的概念、动能和势能的相互转化、以及机械能守恒的条件。那么，人类是如何利用机械能转化的原理来为生产和生活服务的呢？让我们进入探究二——机械能的应用。 探究二：机械能的应用（12分钟） 【教师活动】同学们，请看大屏幕上的四幅图——潮涨潮汐、江河奔流、微风拂面、狂风劲吹。从能量的角度看，自然界的流水和风都是具有大量机械能的天然资源。这些机械能能不能被人类利用呢？ 图10 潮涨潮汐——海水的机械能 图11 江河奔流——流水的机械能 图12 微风拂面——风的机械能 图13 狂风劲吹——风的机械能 【学生活动】观察图片，感受自然界中流水和风蕴含的巨大机械能，思考这些机械能如何被人类利用。 【教师活动】实际上，人类很早就开始利用水能和风能了。而且，机械能不仅可以和其他形式的能之间相互转化，还可以通过一定的装置将机械能转化为电能，实现更广泛的利用。接下来，我们分别来了解水能的利用和风能的利用。 环节1：水能的利用——从古代水轮到现代水电站 【教师活动】同学们，我们先来了解古代对水能的利用。请大家看大屏幕。早在1900多年前，我们的祖先就制造了木质水轮，让流水冲击水轮转动，用来汲水、磨粉、碾谷。这是人类利用水能的最早实例之一。 【教师活动】请大家思考：木质水轮是怎样利用水能的？能量是怎样转化的？ 【学生活动】分析回答：流水从高处流下，水的重力势能转化为水的动能，水流冲击水轮转动，水的动能转化为水轮的动能（机械能），水轮再带动石磨或水车工作，完成汲水、磨粉、碾谷等工作。 【教师活动】分析得非常清晰！古代木质水轮利用的是水的重力势能转化为动能再转化为水轮的机械能，这是一个典型的机械能转化和利用的过程。 【教师活动】那么，现代人类是如何利用水能的呢？请大家看大屏幕上的三峡水电站图片。 图14 三峡水电站——将水的机械能转化为电能 【学生活动】观察三峡水电站图片，感受现代水能利用的宏伟规模。 【教师活动】现代水能利用的核心是水能发电站。水能发电站通过水轮机带动发电机，将水的机械能转化为电能，再通过输电线送到用电地区。请大家思考：水流是怎样使水轮机转动的？能量是怎样转化的？ 【学生活动】分析回答：水库中的水具有很大的重力势能，水从高处流下时，重力势能转化为水的动能，高速水流冲击水轮机叶片使其转动，水的动能转化为水轮机的机械能，水轮机带动发电机发电，机械能转化为电能。 【教师活动】非常好！同学们完整地描述了水能发电的能量转化过程：水的重力势能→水的动能→水轮机的机械能→电能。 【教师活动】请大家注意一个重要的知识点：一定量的水，上、下水位差越大，水的重力势能就越大，能发出的电就越多。这就是为什么大型水电站要建在河流落差大的地方——比如三峡水电站就是利用长江三峡段的巨大水位差来发电的。 【学生活动】理解并记录：水位差越大，水的重力势能越大，能发出的电越多。水能发电的能量转化：水的重力势能→水的动能→水轮机的动能→电能。 【知识点】水能的利用：古代利用木质水轮汲水、磨粉、碾谷，将水的机械能转化为水轮的机械能；现代利用水能发电站，通过水轮机带动发电机，将水的机械能转化为电能。水位差越大，重力势能越大，发电越多。 【过渡语】水能发电是人类利用水能的重要方式。那么，风能又是如何被人类利用的呢？让我们进入环节2——风能的利用。 环节2：风能的利用——从古代风车到现代风力发电 【教师活动】同学们，风能也是一种重要的天然能源。我国早在2000多年前就开始利用风来驱动帆船航行，至少1700多年前已开始利用风来推动风车做功。 【教师活动】请大家看大屏幕。中国古代有一项杰出的发明——立轴式大风车，主要应用于我国沿海地区及长江流域，用来带动龙骨水车等提取海水制盐或提水灌溉水田。请同学们思考：风车是怎样利用风能的？能量是怎样转化的？ 【学生活动】分析回答：风具有动能（风是流动的空气），风吹动风车的叶片转动，风的动能转化为风车的机械能，风车再带动水车等装置工作，完成提水、制盐等任务。 【教师活动】分析得很好！古代风车利用的是风的动能转化为风车的机械能。那么，现代人类是如何利用风能的呢？ 图15 风力发电机——将风的机械能转化为电能 【学生活动】观察风力发电机图片，了解现代风能利用方式。 【教师活动】现代风能利用的核心是风力发电机。风力发电机利用风的动能推动叶片转动，将风的机械能转化为电能。单个风力发电机的输出功率较小，所以在风力资源丰富的地区，可以同时安装几百台风力发电机，组成"风车田"，连在一起供电。 【教师活动】请大家总结：风力发电的能量转化过程是怎样的？ 【学生活动】分析回答：风具有动能，风吹动风力发电机的叶片转动，风的动能转化为叶片的动能（机械能），叶片带动发电机发电，机械能转化为电能。 【教师活动】完全正确！风力发电的能量转化：风的动能→叶片的动能→电能。 【教师活动】同学们，通过了解水能和风能的利用，我们可以看到：人类通过智慧，将自然界中流水和风所具有的机械能，转化为可以直接使用的电能，为生产和生活提供了清洁的能源。这体现了物理知识在推动社会发展和改善人类生活中的重要作用。 【学生活动】理解并记录：风能利用——古代：立轴式大风车提水制盐、帆船航行；现代：风力发电机将风的机械能转化为电能。风车田连在一起供电，提高总输出功率。 【知识点】风能的利用：古代利用风车提水、制盐，利用帆船航行，将风的动能转化为风车或帆船的机械能；现代利用风力发电机将风的机械能转化为电能。多个风力发电机组成"风车田"连在一起供电。 知识拓展|水能和风能利用的对比：水能和风能都是自然界中具有大量机械能的清洁可再生能源。水能利用的能量转化路径：水的重力势能→水的动能→水轮机的机械能→电能。风能利用的能量转化路径：风的动能→风力发电机叶片的机械能→电能。两者的共同点是：最终都将机械能转化为电能，为人类提供清洁能源。不同点是：水能利用的是水的重力势能（通过水位差），风能利用的是空气的动能（通过风的流动）。三峡水电站和风力发电场都是我国在清洁能源利用方面的重要成就。 【过渡语】通过探究二，我们了解了人类对水能和风能的利用。现在，让我们通过几道课堂练习来检验和巩固今天所学的知识。 （三）课堂练习（8分钟） 练习1（选择题） 图16 蹦极运动 如图所示为某次蹦极运动的精彩瞬间，若一游客绑上安全绳之后从平台上由静止开始下落，则从开始下落至第一次到达最低点的过程中，游客的（　　） A. 动能一直增大 B. 重力势能一直减小 C. 机械能保持不变 D. 机械能一直增大 【教师活动】这道题考查的是蹦极运动中的能量转化。请同学们分析：游客从开始下落到第一次到达最低点的过程中，高度怎样变化？速度怎样变化？ 【学生活动】分析回答：游客从开始下落到最低点，高度一直减小，重力势能一直减小；速度先增大后减小（安全绳拉直后减速），动能先增大后减小；由于有空气阻力，机械能不守恒。 【教师活动】分析得很好！我们逐一来看选项：A——动能不是一直增大，安全绳拉直后游客开始减速，动能减小，A错误；B——高度一直减小，重力势能一直减小，B正确；C——有空气阻力，机械能减少，C错误；D——机械能减少而不是增大，D错误。因此正确答案是B。 【学生活动】理解并记录：蹦极过程中，重力势能一直减小（高度一直减小），但动能先增大后减小。 练习2（选择题） 图17 跳高运动员 2023年7月28日，第31届世界大学生夏季运动会在成都隆重开幕。如图是我国运动健儿在跳高比赛中的场景。关于跳高运动员的能量，下列结论正确的是（　　） A. 助跑过程中，动能保持不变 B. 助跑过程中，机械能总量保持不变 C. 起跳后的上升过程中，重力势能增大 D. 越过横杆后的下降过程中，动能保持不变 【教师活动】这道题考查的是跳高运动中能量的变化。请同学们逐一分析各选项。 【学生活动】分析各选项：A——助跑过程中运动员速度增大，动能增大，A错误；B——助跑过程中运动员加速，动能增大，机械能增大，B错误；C——起跳上升过程中，高度增大，重力势能增大，C正确；D——下降过程中，高度减小，速度增大，重力势能转化为动能，动能增大，D错误。 【教师活动】分析得非常准确！正确答案是C。起跳后的上升过程中，运动员的高度增大，重力势能增大（动能转化为重力势能）。这道题的关键是抓住每个阶段高度和速度的变化。 【学生活动】理解并记录：跳高运动员——助跑：动能增大；上升：动能转化为重力势能，重力势能增大；下降：重力势能转化为动能，动能增大。 练习3（选择题） 图18 荡秋千 很多同学都玩过荡秋千，下列说法正确的是（　　） A. 秋千荡到最低点时只有动能 B. 秋千荡到最高点时有重力势能和动能 C. 从最低点荡到最高点的过程中重力势能转化为动能 D. 从最高点荡到最低点的过程中动能增大，重力势能减少 【教师活动】这道题考查的是荡秋千过程中的能量转化，这是我们非常熟悉的生活情境。请同学们逐一分析。 【学生活动】分析各选项：A——最低点：高度最低，重力势能最小但不一定为零（取决于零势能面的选取），同时速度最大，动能最大，A不够准确；B——最高点：速度为零，动能为零，只有重力势能，B错误；C——从最低点到最高点：高度增大，速度减小，动能转化为重力势能，C错误；D——从最高点到最低点：高度减小，速度增大，动能增大，重力势能减少（重力势能转化为动能），D正确。 【教师活动】分析得非常到位！正确答案是D。从最高点荡到最低点的过程中，动能增大，重力势能减少，重力势能转化为动能。这道题的关键在于准确判断不同位置的能量状态和不同阶段的能量转化方向。 【学生活动】理解并记录：荡秋千——最高点：重力势能最大，动能最小（为零）；最低点：动能最大，重力势能最小；最高点→最低点：重力势能转化为动能；最低点→最高点：动能转化为重力势能。 练习4（填空题） 图19 空中加油机 如图所示，我国最先进的运20空中加油机正在以大小不变的速度给匀速水平飞行的战斗机加油。在加油的过程中，战斗机的动能_______，重力势能______，加油机的机械能_______。（均选填"增大""减小"或"不变"） 【教师活动】这道题是一道填空题，考查的是空中加油过程中战斗机与加油机的能量变化。请同学们思考：加油过程中，战斗机的质量、速度和高度分别怎样变化？加油机的质量、速度和高度分别怎样变化？ 【学生活动】分析回答：战斗机在加油过程中，质量增大（不断接收燃油），速度不变（匀速飞行），高度不变（水平飞行）。质量增大→动能增大（速度不变时质量越大动能越大），重力势能增大（高度不变时质量越大重力势能越大）。加油机在加油过程中，质量减小（不断输出燃油），速度不变，高度不变，所以加油机的动能减小、重力势能减小，机械能减小。 【教师活动】分析得非常准确！战斗机的质量增大，动能增大，重力势能增大；加油机的质量减小，动能减小，重力势能减小，机械能减小。这道题的关键是：速度不变时，动能是否变化取决于质量是否变化。 【学生活动】理解并记录：空中加油——战斗机质量增大→动能增大、重力势能增大；加油机质量减小→机械能减小。注意：速度不变时，动能与质量成正比。 （四）课堂小结（2分钟） 【教师活动】同学们，让我们一起来回顾本节课的核心内容。今天我们学习了第十一章第4节第2课时——机械能及其转化。 【教师活动】第一，机械能的概念。动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。一个物体的机械能等于它动能和势能的总和。例如，飞行中的飞机同时具有动能和重力势能。 【教师活动】第二，动能和势能的相互转化。通过滚摆实验和单摆实验，我们观察到：动能和重力势能可以相互转化。滚摆下降时，重力势能转化为动能；滚摆上升时，动能转化为重力势能。单摆的运动也是同样的规律。 【教师活动】在日常生活中，苹果下落是重力势能转化为动能，篮球上抛是动能转化为重力势能。弯弓射箭是弹性势能转化为动能，蹦床运动中动能和弹性势能相互转化。卫星在近地点和远地点之间运行时，动能和重力势能也不断相互转化。 【教师活动】第三，机械能守恒的条件。在只有动能和势能相互转化时（没有摩擦等阻力），机械能守恒。但如果有摩擦或空气阻力，机械能会减少，转化为内能。铁球摆回实验中，由于空气阻力，机械能减少，所以铁球不会打到下巴。 【教师活动】第四，机械能的应用。人类自古以来就利用水能和风能。古代用水轮汲水磨粉，用风车提水制盐；现代用水电站和风力发电机将水的机械能和风的机械能转化为电能。水位差越大，重力势能越大，能发出的电越多。 【学生活动】跟随教师回顾本节课所学知识，梳理知识框架：机械能概念→动能和势能相互转化（滚摆/单摆实验、苹果下落/篮球上抛、弯弓射箭/蹦床）→机械能守恒条件→铁球摆回解释→机械能应用（水能/风能）。形成完整的知识结构。 【教师活动】同学们，机械能及其转化是物理学中非常重要的内容，它不仅帮助我们理解日常生活中许多现象，也为我们认识和利用自然界中的能源提供了理论基础。希望大家课后认真复习，巩固今天所学的知识。 五、板书设计 11.4 课时2 机械能及其转化 一、机械能的概念 1. 机械能：动能、重力势能、弹性势能统称为机械能 2. 机械能 = 动能 + 势能（重力势能 + 弹性势能） 3. 实例：飞行中的飞机——动能 + 重力势能 二、动能和势能的相互转化 1. 动能和重力势能的相互转化 滚摆实验：下降（重力势能→动能） 上升（动能→重力势能） 单摆实验：最高点→最低点（重力势能→动能） 最低点→最高点（动能→重力势能） 苹果下落（重力势能→动能） 篮球上抛（动能→重力势能） 2. 动能和弹性势能的相互转化 弯弓射箭（弹性势能→动能） 蹦床运动（动能→弹性势能→动能） 3. 卫星近地点与远地点 近地点→远地点：动能→重力势能 远地点→近地点：重力势能→动能 三、机械能守恒的条件 1. 只有动能和势能相互转化时，机械能守恒 2. 有摩擦等阻力时，机械能减少（转化为内能） 3. 铁球摆回实验：空气阻力→机械能减少→不会打到下巴 四、机械能的应用 1. 水能的利用 古代：木质水轮（汲水、磨粉、碾谷） 现代：水能发电站（重力势能→动能→电能） 水位差越大，重力势能越大，发电越多 实例：三峡水电站 2. 风能的利用 古代：立轴式大风车（提水制盐）、帆船航行 现代：风力发电机（动能→电能） 风车田连在一起供电 六、教学反思 本节课以"机械能及其转化"为主题，通过情境导入、实验探究、实例分析、知识应用和练习巩固五个环节，系统引导学生完成了机械能转化知识的建构。教学从铁球摆回实验出发，以"铁球会不会打到下巴"的悬念激发学生强烈的探究欲望，体现了"从生活走向物理"的教学理念。 在实验探究环节，通过滚摆和单摆两个经典实验，引导学生观察运动过程中速度和高度变化，分析动能和重力势能的转化过程。两个实验相互印证，帮助学生建立了"动能和势能可以相互转化"这一核心规律。在实例分析环节，通过苹果下落、篮球上抛、弯弓射箭、蹦床运动等丰富实例，从重力势能和弹性势能两个角度全面展示了动能和势能的转化，帮助学生建立完整的能量转化观念。 在卫星近远地点分析中，将能量转化规律从地面延伸到太空，拓展了学生的视野，同时引出机械能守恒的条件。铁球摆回实验的解释作为首尾呼应的点睛之笔，让学生运用所学知识解释课初的悬念，体验了科学探究从提出问题到获得结论的完整过程。 在机械能应用环节，通过古代水轮、风车与现代水电站、风力发电机的对比，展示了人类利用机械能的历史发展，既增强了学生的民族自豪感，也让学生体会到物理知识对推动社会进步的重要作用。 需要注意的地方：滚摆和单摆实验中能量的动态分析是本节课的难点，学生容易混淆"谁转化为谁"的方向，教学中应反复强调"从什么状态变化推知什么能量变化"的分析方法。机械能守恒是有条件的这一结论，学生容易与能量守恒定律混淆，需要通过有摩擦和无摩擦两种情况下的对比，让学生明确机械能守恒的条件。蹦极和荡秋千等综合情境中的能量转化分析对学生思维要求较高，需要引导学生分阶段、分过程进行分析，逐步建立能量转化的分析思维框架。 学科网（北京）股份有限公司 $