8.2 重力势能 教学设计-2026-2027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“重力势能”核心内容，通过雅鲁藏布江水电工程、丰宁抽水蓄能电站短视频导入，承接“功和功率”，铺垫“机械能守恒定律”，构建功与能量转化的学习支架，涵盖重力做功特点、重力势能关系及参考平面选取。 特色在于以国家重大工程为情境，通过模型建构推导重力做功与路径无关，实验探究势能影响因素，落实物理观念与科学思维。结合丰宁电站分析参考平面选取，渗透课程思政，助学生理解抽象概念，为教师提供真实情境教学素材，提升课堂效率。

教学设计 课题 重力势能（以雅鲁藏布江高落差重力势能为情境） 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 本节课是高中物理必修二“机械能及其守恒定律”单元的核心内容，承接“功和功率”，铺垫“机械能守恒定律”，是连接力学功与能量转化的关键纽带。核心教学内容为重力做功的特点、重力做功与重力势能的关系、参考平面的选取，三者层层递进：重力做功的特点是基础，决定了重力势能的存在合理性；重力做功与重力势能的关系是核心，揭示“功是能量转化的量度”这一重要规律；参考平面的选取是难点，突破后能帮助学生理解重力势能的相对性。结合两大工程：雅鲁藏布江下游水电工程利用江水从高海拔到低海拔的下落，重力做功转化为电能，直观体现重力做功与路径无关、只与高度差有关的特点；河北丰宁抽水蓄能电站在用电低谷抽水至高处储存重力势能，用电高峰放水发电，完美诠释重力做功与重力势能的相互转化，同时可通过“上水库、下水库”的不同高度，突破参考平面选取的难点，让抽象物理知识与国家重大工程结合，体现物理的实用性和时代性，落实课程思政育人要求，激发学生民族自豪感。 2.学习者分析 本节课的授课对象为高中一年级学生，具备以下基础与不足： 1.知识基础：已掌握“功的计算公式（W=Fxcosθ）”“重力的大小与方向”，初步了解“势能”的感性概念（如高处物体下落会做功），但对“重力做功的特点”“重力势能的定量表达”“参考平面”等抽象知识缺乏系统认知，易将“重力做功与路径有关”与“摩擦力做功与路径有关”混淆。 2.能力特点：具备一定的观察、分析和推理能力，能结合生活实例理解简单物理规律，但抽象思维和逻辑推导能力仍需提升，对“相对性”问题（如参考平面选取）的理解存在困难；对国家重大工程有一定好奇心，适合通过工程实例引导学习。 3.认知误区：① 认为重力做功与物体运动路径有关（受摩擦力做功的影响）；② 混淆“重力势能的大小”与“重力势能的变化量”，不清楚后者与参考平面无关；③ 误认为重力势能是物体单独具有的，忽略其系统性；④ 对重力势能正负的意义理解错误，认为负势能无意义。 3.学习目标确定 结合新课标要求，依托两大水电工程，落实四大核心素养： 1.物理观念：理解重力做功的特点、重力势能的概念及表达式，掌握重力做功与重力势能变化的关系，能结合雅鲁藏布江水电工程、丰宁抽水蓄能电站，说明重力势能与重力做功的实际应用，建立“功是能量转化的量度”的物理观念。 2.科学思维：通过推导重力做功的表达式，分析重力做功与路径无关的特点，推理重力做功与重力势能变化的关系，能结合工程实例分析参考平面选取的影响，培养逻辑推理、抽象建模和分析问题的能力，落实学业述评中科学思维的观测要求。 3.科学探究：结合工程实例，通过小组讨论、情景分析，探究重力做功的特点和重力势能的相对性，体验科学探究的基本过程，培养合作探究和归纳总结的能力。 4.科学态度与责任：了解雅鲁藏布江下游水电工程、河北丰宁抽水蓄能电站的重大意义，认识物理知识在能源开发、国家建设中的重要作用，激发学习物理的兴趣，培养热爱祖国、勇于担当的责任意识，树立“科学服务于人类”的观念。 4.学习重点难点 学习重点： 1.重力做功的特点：重力做功与路径无关，只与物体初、末位置的高度差有关（W=mgh2-mgh1=mgΔh）。 2.重力做功与重力势能的关系：重力做正功，重力势能减少；重力做负功，重力势能增加，且重力做功的大小等于重力势能变化量的绝对值（W=Ep2-Ep1）。 学习难点： 1.参考平面的选取：理解参考平面的任意性，明确重力势能的大小具有相对性，而重力势能的变化量与参考平面的选取无关。 2.重力势能的相对性与系统性：理解重力势能是物体与地球组成的系统共有的，以及重力势能正负的物理意义（表示物体相对于参考平面的高低，而非方向）。 3.结合工程实例，灵活运用重力做功与重力势能的关系分析实际问题（如丰宁电站抽水、放水过程中的能量转化）。 5.学习评价设计 遵循学业述评理念，结合“三层六翼”思维评价框架，采用过程性评价与终结性评价相结合的方式，全面考查学生核心素养的达成情况，具体如下： 1.过程性评价（课堂中完成，占比60%）： - 课堂提问评价：关注学生对工程实例的分析、重力做功特点的判断、参考平面选取的理解，评价学生的基础认知和逻辑思维（如提问“雅鲁藏布江江水沿隧洞和沿原河道下落，重力做功是否相同”）。 - 小组讨论评价：评价学生的合作探究能力、表达能力，重点关注学生能否结合工程实例推导重力做功与重力势能的关系，能否主动质疑、补充观点。 - 课堂练习评价：通过即时练习，评价学生对核心知识的掌握情况，及时发现认知误区（如参考平面选取、重力势能正负的理解），并进行针对性讲解。 2.终结性评价（课后完成，占比40%）： - 作业评价：通过基础作业评价学生对核心公式、概念的掌握程度，通过拓展作业评价学生运用知识分析实际工程问题的能力。 - 单元小测：结合本节课内容，设计包含工程实例的试题，评价学生对重力做功特点、重力势能关系、参考平面的综合运用能力，重点考查科学思维的高阶能力（分析、评价、创造）。 3.评价反馈：对评价中发现的问题，通过课堂答疑、课后辅导等方式及时反馈，帮助学生纠正认知误区，强化知识掌握，促进核心素养提升。 6.学习活动设计 教师活动 学生活动 环节一：情境导入，激发兴趣 教师活动1 1.播放短视频：片段1：雅鲁藏布江下游水电工程，展示河流峡谷落差、水冲击水轮机发电的场景，“雅鲁藏布江下游是全球罕见的‘水能宝库’，短短50公里直线距离内形成2000米落差，蕴藏近7000万千瓦可开发水能。 片段2：河北丰宁抽水蓄电站，展示“用电低谷抽水至高处、用电高峰放水发电”的过程，丰宁抽水蓄能电站被誉为‘世界最大水能充电宝’，上下水库落差达425米，通过水的升降实现电能与势能的转化。 2.提出问题，引发思考：“这两个工程都利用了水的重力做功，水在下落或上升过程中，重力做功有什么特点？水的能量会发生怎样的变化？我们今天就通过这两个工程实例，学习重力做功与重力势能的相关知识。” 学生活动1 1.观看视频，观察两个工程的核心场景，记录关键信息（落差、水的运动方向、能量转化）。 2.结合生活经验和视频内容，思考教师提出的问题，初步感知“水的高度变化与做功、能量变化”的关联，产生探究兴趣。 活动意图说明： 高中学生对国家重大工程具有天然的好奇心和认同感，播放雅鲁藏布江下游水电工程、丰宁抽水蓄电站的短视频，用直观的“水的升降”“落差发电”场景，替代抽象的理论导入，既能吸引学生注意力，又能降低学生对“重力做功”“势能”等抽象概念的陌生感，符合高中生“具象思维向抽象思维过渡”的认知规律 环节二：探究新知一——重力做功的特点 教师活动2 1.建立物理模型：结合丰宁抽水蓄电站上下水库示意图， 简化模型——将“水”视为质点，设水的质量为m，重力为mg，上下水库的高度差为h（425米），分析两种场景下重力对水做的功： （1）场景1：水从上游水库（高处）竖直下落至下游水库（低处），重力方向与位移方向相同，引导学生用功的公式计算重力做功：W=mgh。 （2）场景2：水沿电站双向水道（倾斜路径）从上游流至下游，水道倾角为θ，位移大小为l，引导学生分析：重力做功的分力（沿位移方向的分力为mgsinθ），计算重力做功：W=mgsinθl，结合几何关系lsinθ=h，得出W=mgh。 2.拓展推理：结合雅鲁藏布江下游水电工程， 提出问题：“雅鲁藏布江的水沿弯曲河道下落，路径复杂，重力对水做的功还能用mgh计算吗？” 引导学生分组讨论，提示：可将弯曲路径分割为无数个微小的倾斜段，每个微小段的重力做功均可表示为mg·Δh，总功即为各段功的和，最终仍为mgh。 3.总结规律：结合两个工程实例的分析，归纳重力做功的特点：重力对物体做的功，只与物体的初位置和末位置的高度差有关，与物体运动的路径无关；计算公式为W=mgΔh（Δh为初末位置的高度差，h为初位置高度，h为末位置高度，Δh=h2-h1，若物体下落，Δh为正，重力做正功；若物体上升，Δh为负，重力做负功）。 4.实例巩固：给出丰宁抽水蓄电站的具体数据（水的质量m=1×103kg，上下库高度差h=425m，g=10m/s²），让学生计算水从上游下落至下游时，重力做的功。 学生活动2 1.跟随教师的引导，分析两个简化场景，运用已学的功的公式计算重力做功，理解“倾斜路径与竖直路径的重力做功相等”。 2.分组讨论雅鲁藏布江弯曲河道中重力做功的计算方法，尝试分割路径、推导总功，体会“重力做功与路径无关”的本质。 3.记录重力做功的特点和计算公式，结合丰宁电站的实例，独立完成重力做功的计算，同桌之间相互检查纠错。 4.发言分享：结合两个工程实例，说明“重力做功只与高度差有关”的理解，如“丰宁电站的水无论沿竖直方向下落，还是沿水道倾斜下落，重力做功都是mgh，与水道的形状无关”。 活动意图说明 结合丰宁抽水蓄电站的上下库模型，先分析“竖直下落”“倾斜路径”两种简单场景，用已学的功的公式推导重力做功，再拓展到雅鲁藏布江“弯曲河道”的复杂场景，通过“分割路径”的思路，让学生理解“无论路径如何，重力做功均为mgh”，突破“重力做功与路径无关”的推导难点。 环节三：探究新知二——重力势能 教师活动3 1.引入重力势能概念：结合丰宁抽水蓄电站的“抽水储能”过程，提出问题：“当用电低谷时，电站消耗电能将水从下水库抽到上水库，水的高度升高，这个过程中重力做负功，水储存了一种能量，这种能量是什么？” 得出重力势能的定义：物体由于被举高而具有的能量，叫做重力势能，用Ep表示。 2.实验探究：探究重力势能的影响因素 （1）.提出探究问题：“重力势能的大小与哪些因素有关？” 引导学生结合生活经验和工程情境，提出猜想：① 与物体的质量有关（质量越大，势能越大）；② 与物体的高度有关（高度越高，势能越大）。 （2）.实验设计（控制变量法）：① 探究与质量的关系：保持高度相同，用不同质量的砝码从同一高度自由下落，撞击托盘上的海绵，观察海绵的凹陷程度（凹陷越深，重力势能越大）；② 探究与高度的关系：保持砝码质量相同，从不同高度自由下落，撞击海绵，观察海绵的凹陷程度。 （3）实验总结：各小组汇报实验现象，教师引导学生归纳结论：重力势能的大小与物体的质量和高度有关，质量越大、高度越高，重力势能越大。 重力势能表达式：EP=mgh 单位：焦耳（J），与功的单位相同。 标量性：标量。 2.推导关系：结合重力做功的计算，引导学生分析能量变化： （1）雅鲁藏布江的水从高处下落，重力做正功（W为正），水的速度增大，重力势能减小——重力做正功，重力势能减少。 （2）丰宁电站抽水时，水从低处上升，重力做负功（W为负），水的重力势能增大——重力做负功，重力势能增加。 3.定量推导：设物体质量为m，初位置高度为h，重力势能为E；末位置高度为h，重力势能为E。结合重力做功公式W=mg(h2-h1)，定义重力势能的表达式为Ep=mgh，推导得出：W=Ep2-Ep1。 4.解读关系式：结合工程实例解读核心含义：①重力对物体做的功，等于物体重力势能的减少量；②若重力做正功，Ep1>Ep2，重力势能减少，减少的重力势能等于重力做的功（如雅鲁藏布江水发电，重力势能减少，转化为电能）；③若重力做负功（物体克服重力做功），Ep1<Ep2，重力势能增加，增加的重力势能等于物体克服重力做的功（如丰宁电站抽水，电能转化为水的重力势能）。 5.小组探究任务：给出雅鲁藏布江下游水电工程的简化数据（水的质量m=2×102kg，下落高度Δh=100m，g=10m/s²），让小组完成：① 计算重力对水做的功；② 计算水重力势能的变化量；③ 结合结果说明重力做功与重力势能变化的关系。 学生活动3 1.结合丰宁电站的抽水过程，理解重力势能的概念，总结重力势能的影响因素（质量、高度）。 2.学生分组实验：4-5人一组，分工操作（操作员、记录员、观察员），记录实验现象，填写实验报告。 3.跟随教师的推导，理解重力做功与重力势能变化的定性关系，掌握定量关系式W=Ep2-Ep1，明确公式中各物理量的含义。 4.分组完成探究任务，分工计算重力做功和重力势能变化量，讨论并总结两者的关系，小组代表发言分享探究结果，如“重力对水做了2×105J的正功，水的重力势能减少了2×105J，说明重力做功等于重力势能的减少量”. 4. 结合两个工程实例，举例说明重力做功与重力势能变化的关系，深化理解（如“丰宁电站抽水时，水克服重力做功，重力势能增加，增加的势能来自电能；放水时，重力做功，势能减少，转化为电能”）。 活动意图说明 结合雅鲁藏布江水发电（重力做正功，势能转化为电能）、丰宁电站抽水（重力做负功，电能转化为势能）的场景，解读定量关系式的含义，让学生明白“重力做功是重力势能变化的量度”，同时理解能量转化的过程，为后续“能量守恒”知识做好铺垫。 环节四：探究新知三——重力势能的相对性 教师活动4 1. 提出疑问，引发矛盾：结合丰宁抽水蓄电站，提问：“我们计算水的重力势能时，h是相对于哪个平面的高度？如果以地面为参考平面，下水库的水高度为0，重力势能为0；如果以下水库的底部为参考平面，下水库的水高度不为0，重力势能也不为0，这说明什么？” 2. 讲解参考平面的定义：重力势能的大小与参考平面的选择有关，我们把选定的作为高度零点的平面，叫做参考平面；参考平面的选择是任意的（可根据研究方便选择，如地面、水库底部、桌面等）。 3. 核心强调：结合雅鲁藏布江水电工程，举例说明： （1）参考平面不同，同一物体的重力势能不同（如雅鲁藏布江中的一滴水，以江面为参考平面，势能为0；以江底为参考平面，势能为正；以山顶为参考平面，势能为负）。 （2）重力势能的变化量与参考平面的选择无关（如一滴水从江面下落至江底，无论以江面还是山顶为参考平面，重力做功都是mgh，重力势能的变化量都是mgh，与参考平面无关）。 4. 实例应用：给出丰宁抽水蓄电站的场景，让学生分别以“下水库水面”和“地面”为参考平面，计算水在上水库时的重力势能（已知上水库比下水库高425m，水的质量m=1×102kg，地面比下水库水面低100m），验证“势能大小与参考平面有关，变化量与参考平面无关”。 学生活动4 1. 思考教师提出的疑问，发现“高度的相对性”导致重力势能的相对性，理解参考平面的必要性。 2. 记录参考平面的定义和核心特点，结合雅鲁藏布江的实例，理解“势能大小与参考平面有关，变化量与参考平面无关”的本质。 3. 独立完成实例计算，分别计算两种参考平面下水的重力势能，对比结果，验证结论，同桌之间交流讨论，解决计算中出现的问题。 4. 发言总结：分享自己的计算结果，说明“参考平面选择不同，势能大小不同，但势能变化量相同”，如“以在下水库水面为参考平面，水的势能为4.25×106J；以地面为参考平面，势能为5.25×106J，但水从下水库到上水库，势能增加量都是4.25×106J”。 活动意图说明 设计丰宁电站的实例计算，让学生分别以不同平面为参考，计算水的重力势能，通过对比结果，亲自验证“势能大小的相对性”和“变化量的绝对性”，加深对参考平面选择原则的理解，同时巩固重力势能的计算方法。 环节五：课堂小结与作业布置 教师活动5 1.小结：结合两个重大水电工程，带领学生回顾本节课核心知识点：① 重力做功的特点（与路径无关，只与初末位置高度差有关，W=mgΔh）；② 重力做功与重力势能的关系（W=Ep2-Ep1，重力做功等于重力势能的减少量）；③ 参考平面的选择（任意性，势能大小与参考平面有关，变化量无关）。 2. 情感升华：再次强调雅鲁藏布江下游水电工程、河北丰宁抽水蓄电站的重大意义，说明物理知识在能源开发、国家建设中的重要应用，鼓励学生学好物理，助力国家科技发展。 3.布置作业： （1）基础作业：教材课后习题，计算重力做功和重力势能，巩固核心公式。 （2）拓展作业：结合本节课所学，分析丰宁抽水蓄电站“抽水”和“放水”两个过程中，重力做功、重力势能变化的情况，撰写100字左右的分析报告，结合工程实例说明能量转化过程。 学生活动5 1. 跟随教师回顾本节课知识点，梳理知识脉络，将实例与物理概念对应起来，加深记忆。 2. 聆听教师的情感升华，树立“物理服务于实际”的观念，激发学习动力。 3. 记录作业内容，明确基础作业和拓展作业的要求，课后按时完成，拓展作业结合工程实例，深化对知识点的应用。 活动意图说明 结合两个工程实例，带领学生回顾本节课三大核心知识点，将“重力做功特点→重力做功与势能的关系→参考平面”串联起来，帮助学生构建完整的知识体系。基础作业聚焦教材习题，巩固核心公式和知识点，满足全体学生的基础需求；拓展作业结合工程实例，让学生分析“抽水”“放水”过程中的重力做功和势能变化，既深化了对知识点的应用，又培养了学生的分析能力和书面表达能力，兼顾不同层次学生的学习需求。 7.板书设计 一、重力做功的特点 1. 核心规律：与路径无关，只与初末位置高度差有关 2. 计算公式：W = mgΔh （Δh = h2 - h1，下落时Δh为正，重力做正功；上升时Δh为负，重力做负功） 二、重力做功与重力势能的关系 1. 重力势能定义：物体由于被举高而具有的能量 2. 势能公式：Ep = mgh 3. 核心关系：W=Ep2-Ep1 （重力做功 = 重力势能减少量；克服重力做功 = 重力势能增加量） 三、参考平面 1. 定义：选定的高度零点平面 2. 关键特点： - 任意性：可根据研究方便选择（如地面、水库水面） - 相对性：同一物体势能大小与参考平面有关 - 绝对性：重力势能变化量与参考平面无关 8.作业与拓展学习设计 1.基础作业：教材课后习题，计算重力做功和重力势能，巩固核心公式。 2.拓展作业：结合本节课所学，分析丰宁抽水蓄电站“抽水”和“放水”两个过程中，重力做功、重力势能变化的情况，撰写100字左右的分析报告，结合工程实例说明能量转化过程。 18 / 54 学科网（北京）股份有限公司 $