2.1 功和机械能 （教学设计）科学新教材浙教版九年级上册

该初中科学教学设计聚焦功和机械能核心知识，涵盖做功必要条件、功与功率计算、动能势能及转化规律。以香港百人拉飞机案例导入，区分用力拉动与未拉动情境，搭建从力到功、功率再到能量转化的递进式学习支架。 此资料突出科学观念与探究实践融合，通过控制变量法探究动能影响因素、转换法观察木块移动距离，结合摆锤滚摆实验培养科学思维。融入交通限速、人造卫星等实例落实态度责任，助学生建立能量认知，为教师提供高效教学方案。

第1节 功和机械能（教学设计） 年级 九年级 学科 科学 教师 课题 第1节 功和机械能 教学 目标 科学观念：理解做功的两个必要条件，掌握功、功率、动能势能及机械能转化相关基础概念。 科学思维：结合实例判断力是否做功，运用公式计算功与功率，分析机械能相互转化规律。 态度责任：结合生活机械与交通实例，运用机械能知识解释现象，树立合理利用能量意识。 教材 分析 本节位于九年级上册第二章第一节，是学生系统学习能量相关知识的核心内容。教材以拉飞机活动作为课堂导入，先讲解功的定义、做功必要因素与功的计算公式，再引入功率表示做功快慢，建立功与能的对应关系。随后依次介绍动能、重力势能、弹性势能的定义与影响因素，最后探究动能势能相互转化及机械能守恒规律。教材搭配举重、斜面推车、起重机、摆锤滚摆、人造卫星等实例与探究活动，由基础概念逐步过渡到能量转化规律，层层递进搭建能量知识框架，为后续学习能量守恒定律奠定基础，同时结合交通、水力发电等生活场景，凸显物理知识的实用价值。 学情 分析  学生此前已经接触过力、运动、重力等力学基础内容，具备力和距离相关计算的基础能力，但尚未建立能量与做功之间的关联认知。学生能够直观感知搬运重物、车辆行驶等生活场景中存在用力快慢、物体运动快慢的区别，却无法区分科学意义上的做功与日常所说的工作。学生对控制变量实验有初步了解，可借助转换法探究动能大小，但难以自主梳理动能、势能的影响因素，也难以理解机械能守恒的适用条件。 教学重点 掌握做功判断依据、功与功率计算公式，理解动能势能影响因素及机械能转化规律。 教学难点 理解做功是能量转化的量度，准确分析运动过程中机械能的转化与守恒条件。 教学 器材 斜面、小钢球、木块、细绳、摆锤、滚摆、轨道模型、弹簧、木块、刻度尺、卷尺、弹簧测力计、重物、起重机模型图片、交通限速标志牌、人造卫星轨道示意图 教学过程 教师活动 学生活动 新 课 导 入 展示2011年香港百人拉动民航飞机的吉尼斯世界纪录案例，完整讲述活动场景，分别说明用力拉动飞机、用力未拉动飞机两种情况，针对性提出力与做功的相关问题，引发学生思考，顺势导入本节课功的相关知识学习。 观察飞机拉动情境，思考力与做功的关系，激发新课探究兴趣。 新知讲授 一、结合导入案例，精准讲解科学中功的完整定义，明确科学做功与日常劳作的区别。板书标注做功的两个缺一不可的必要因素，展示多组做功、不做功的生活实例图片，引导学生观察对比、自主辨别。详细推导并讲解功的计算公式、字母含义及国际单位，介绍焦耳的相关常识。结合举重、斜面推车两道典型例题，分步示范审题、公式套用、单位换算、规范解题的完整步骤，让学生掌握功的计算方法。 思考与讨论 （1）图中是物体在力的作用下做功的实例。想一想，在这两个实例中有什么共同特点。 物体都受到了力的作用，且物体都在力的方向上移动了一段距离。 （2）图中是物体在力的作用下没有做功的实例。想一想，在这两个实例中有什么共同特点。 物体都受到了力的作用，但都没有在力的方向上移动距离。 思考与讨论 （1）做功跟我们日常所说的做工或工作一样吗？ 日常说的做工或工作泛指一切劳动或活动。科学中的做功必须满足两个必要因素，有力作用在物体上，且物体在这个力的方向上移动了距离。 （2）塔式起重机下挂着重物，在重物静止不动、匀速向上运动、沿水平方向匀速移动三种情形中，钢索的拉力是否都对重物做了功？ ①静止不动：不做功；②匀速向上运动：做功；③沿水平方向匀速移动：不做功。 【例1】2021年7月，在东京奥运会上，我国运动员石智勇在男子举重73公斤级比赛中夺得冠军，挺举成绩是198kg。他在挺举过程中对杠铃大约做了多少功？ 解：运动员向上挺举杠铃需要的力约为： F=G=mg=198kg×9.8N/kg=1940.4N 运动员向上挺举杠铃的高度约为1.8m，则向上挺举对杠铃做的功为： W=Fs=Gh=1940.4N×1.8m=3492.72J 答：运动员向上挺举杠铃大约做了3492.72J的功。 【例2】人沿斜面向上推木箱的力F为100N，他把木箱从斜面底部推到2m高处。斜面长4m，人的推力做了多少功？ 解：已知推力F=100N，距离s=4m。 人的推力做的功为： W=Fs=100N×4m=400J 答：人的推力做了400J的功。 二、展示工地人工搬砖、起重机搬砖的对比场景，指出做功多少相同、做功时间不同的核心差异，引出做功有快慢的核心知识点。类比速度的定义方式，引导学生自主推导功率的定义、计算公式及物理意义。详细讲解功率的国际单位、常用单位及单位换算关系，列举生活、机械中常见的功率数值，帮助学生建立认知。结合起重机吊运货物的例题，完整示范功率的分步计算流程。结合生活实例深度剖析功与能的内在关联，总结做功与能量转化的核心规律。 思考与讨论 （1）想一想，我们是怎样比较物体运动的快慢的。 ①相同时间，比较行驶的路程；相同路程，比较花费的时间。 ②时间和路程不同，比较物体的速度v=S/t。讨论 （2）观察图所示的情景，想一想：比较做功的快慢应考虑哪些因素。 物体做功的大小和物体做功所用的时间。 【例1】起重机将质量为750kg的货物，在0.5min内匀速吊起6m高，起重机功率有多大？ 解：货物的重：G=mg=750kg×9.8N/kg=7350N 起重机对货物做的功：W=Gh=7350N×6m=44100J 起重机的功率：P=W/t=44100J/30s=1470W=1.47kW 答：起重机的功率为1.47kW。 【例2】一台拖拉机耕地的功率为25kW,一头牛耕地的功率约为300W。若这台拖拉机4h做的功由这头牛来单独完成，大约需要多长时间? 解：已知拖拉机的功率P1=25kW=2.5×104W，做功时间t1=4h=14400s， 牛耕地的功率P2=300W 拖拉机4h做的功：W=P1t1=2.5×104W×4×3600s=3.6×108J 由W=Pt得： t2=W/P2=3.6×108J/300W=1.2×106s≈333.3h 答：大约需要333.3h。 思考与讨论 （1）结合举重和人推车等事例，谈谈做功与能的转化的关系。 举重运动员具有能量才能对杠铃做功，做功时消耗的能量转化为杠铃的能量；推车的人有能量才能对车做功，做功时消耗的能量转化为车的能量以及由于摩擦而产生的热能。 （2）功是能的转化的量度，做功的快慢也就是能的转化的快慢。根据这一点，请叙述例题中起重机的功率为1.47kW的意义。 起重机在1秒内将1470焦耳的能转化为其他形式的能。 三、展示道路机动车限速交通标志牌，提出不同车型、不同限速的相关问题，导入动能的学习。讲解动能的科学定义，介绍物理实验中的转换法，明确木块移动距离可反映钢球动能大小。分两组有序组织探究实验，控制变量分别探究速度、质量对动能的影响，引导学生观察实验现象、总结实验结论。结合汽车、摩托车行驶及高速公路限速的生活场景，组织学生小组讨论，深度解读动能影响因素在生活中的应用。 探索活动 （1）如图所示，小钢球A从斜面上h高度处滚下，在水平面上运动，撞击放在水平面上的木块B，并将木块B推出一段距离s。比较木块B被推出距离的远近，推断小钢球A的动能大小。 （2）让同一个小钢球从斜面上不同的高度处分别由静止开始沿斜面滚下，观察小钢球滚到水平面时的运动快慢，比较木块被小钢球推出的距离大小。 同一钢球从不同高处滚下，高度越高，运动到水平面时速度越快，木块被撞得越远。 （3）让不同质量的小钢球从斜面上相同的高度处分别由静止开始沿斜面滚下，观察小钢球滚到水平面时的运动快慢，比较木块被小钢球推出的距离大小。 不同质量的钢球从相同高度滚下，质量越大，运动到水平面时速度越快，木块被撞得越远。 思考与讨论 （1）图中的汽车和摩托车，哪一个动能大？ 在速度相同的条件下，质量越大，动能越大，因此汽车的动能更大。 （2）在同一条高速公路，为什么对小型客车、大型客车的速度限制是不同的？ 车型不同，车的质量往往也不同。如果车的行驶速度相同，质量大的车，动能大，行驶时危险性就大。因此，在同样的道路上，交通管理部门会对不同车型设定不同的最高行驶速度。 四、展示高空过山车、举高铁锤等实物图片，直观讲解重力势能的科学定义。展示举哑铃的场景图片，抛出探究问题，组织学生思考讨论做功与重力势能变化的关联，引导学生总结重力势能的两大影响因素。展示射箭、形变网球拍、压缩弹簧等实例，讲解弹性势能的定义，演示不同程度弹性形变的实验，引导学生归纳弹性势能的影响因素。系统梳理重力势能、弹性势能的核心知识点，区分两类势能的异同点。 思考与讨论：某同学右手将哑铃向上举起到更高位置，手有没有对哑铃做功？两处哑铃势能是否相同？ ①手向上用力举哑铃，哑铃沿力方向移动距离，手对哑铃做功。 ②哑铃质量相等，高度更高的哑铃重力势能更大。 五、结合滑雪运动员滑行、跳跃的运动场景，导入动能与势能相互转化的知识点。依次演示摆锤摆动、滚摆升降、小球轨道滚动、弹簧推动木块的探究实验，全程引导学生观察物体运动状态、高度、形变的变化。组织学生记录实验现象，分步分析不同运动阶段动能、势能的大小变化，总结机械能相互转化的规律。讲解机械能守恒的定义、成立条件及影响因素。结合撑杆跳高、水力发电、人造卫星运行等实例，组织学生讨论分析全过程的机械能转化形式。 探索活动 （1）用细绳把摆锤悬挂起来，将摆锤拉到某一高度后释放。在摆锤向下摆动的过程中，重力势能减少，动能增大。在摆锤摆过中点向上摆动的过程中，重力势能增大，动能减少。 （2）把一个滚摆悬挂起来。用手拉动滚摆，使悬线缠在轴上，将滚摆升高到最高点，然后放手。在滚摆下降的过程中，重力势能减少，动能增大。在滚摆上升的过程中，重力势能增大，动能减少。 （3）把金属小球放在A处，然后让它沿轨道滚下，观察小球的滚动过程。小球在A、B、C、D各点具有什么形式的能。小球在滚动过程中能如何转化。 ①A点具有重力势能；B点具有动能；C点具有动能和重力势能；D点具有动能和重力势能。 ②能的变化：A到B重力势能减少，动能增大。B到C动能减少，重力势能增大。C到D重力势能减少，动能增大。 （4）以上实验活动可以得到什么结论。 物体的动能和重力势能可以相互转化。思考与讨论 （5）如果没有空气阻力，摆锤和滚摆上升的高度有什么特点？ 摆锤和滚摆每次都会上升到原来的高度。 探索活动 （1）将弹簧平放在水平桌面上，弹簧一端固定，另一端紧连一个木块，观察木块是否会运动。 木块保持静止。 （2）用手压缩弹簧约2cm，当手松开后，观察木块的运动情况。 木块先加速后减速，最终静止，运动距离较短。 （3）用手压缩弹簧约5cm，当手松开后，观察木块的运动情况。 木块先加速后减速，最终静止，运动距离较长。 （4）实验结论：物体的动能和弹性势能也可以相互转化。 思考与讨论：实验中，摆锤和滚摆每次上升的高度都在减小，最后会停在最低点。那么，机械能为什么会减少呢？ 因为摆锤和滚摆运动时要克服空气阻力、摩擦阻力做功，机械能转化为内能散失，所以机械能总量减少。 思考与讨论：右图为人造卫星沿椭圆轨道绕地球运动的示意图。卫星离地球中心最近的点叫作近地点，离地球中心最远的点叫作远地点。 （1）卫星从近地点运动到远地点的过程中，它的动能和势能如何变化？ 动能变小，重力势能变大。 （2）速度大小又是如何变化的？ 卫星质量不变，动能变小，所以它的速度逐渐变小。 观察对比做功与不做功实例，准确判断做功情况，识记做功两个必要条件。 参与课堂思考讨论，区分科学做功与日常工作的不同。 结合例题规范书写解题步骤，掌握功的计算方法。 对比人工与机械做功差异，理解做功存在快慢区别。 跟随教师思路推导功率公式，识记功率物理意义与单位。 独立完成功率计算题，参与功和能关系的讨论，理解能量转化本质。 观察交通限速标识，思考限速背后的物理原理。 分组完成动能探究实验，控制变量观察实验现象，归纳动能与质量、速度的关系。 结合道路限速实例交流讨论，解释生活物理现象。 观察重力势能、弹性势能相关实例，参与课堂思考讨论，判断物体是否做功、比较势能大小。 观察形变实验现象，总结两类势能的影响因素，区分重力势能与弹性势能。 观察各类机械能转化实验现象，记录实验过程中能量变化。分析不同运动过程的能量转化形式，理解机械能守恒条件。 结合生活实例分析能量转化过程，掌握机械能转化的实际应用。 课堂练习 1．如图所示，在下列四种情形中，人对物体做功的是（   ） A．人推小车在水平路面上通过一段路程 B．人用力搬石头，石头没有搬动 C．人提书包在水平路面上匀速通过一段距离 D．人踢出去的足球，继续向前运动一段距离 【答案】A 【解析】A．对物体做功的两个必要因素：一是作用在物体上的力，二是物体在力的方向上通过的距离，二者缺一不可。人推小车在水平路面上通过一段路程，人对小车有推力作用，且小车在推力的方向上通过了距离，满足做功的两个必要因素，所以人对小车做了功，故A符合题意； B．人用力搬石头，石头没有搬动，人对石头施加了力，但石头在力的方向上没有移动距离，不满足做功的条件，所以人对石头没有做功，故B不符合题意； C．人提书包在水平路面上匀速通过一段距离，人对书包有向上的拉力，但书包是在水平方向上移动距离，拉力方向与移动距离方向垂直，在拉力的方向上没有移动距离，不满足做功的条件，所以人对书包没有做功，故C不符合题意； D．人踢出去的足球，继续向前运动一段距离，足球离开脚后，不再受人的作用力，是由于惯性向前运动，人对足球没有力的作用，不满足做功的条件，所以人对足球没有做功，故D不符合题意。 2．非洲旱季，常用中间有转轴的塑料桶运水。下列选项中，小华分别用背背、手抱、平拉、滚拉塑料桶的方式运同一桶水（装满且密封），在粗糙程度相同的水平地面上匀速行走相同路程，则她对该桶水做功最多的方式是（　　） A． B． C． D． 【答案】C 【解析】A．图中桶背在背上，人对桶的支持力竖直向上。支持力与位移垂直，人对桶的支持力不做功； B．图中用手抱住桶，人对桶的支持力竖直向上。支持力与位移垂直，人对桶的支持力不做功； C．图中水平拉动桶，桶在地面上滑动。人做匀速运动，拉力F等于滑动摩擦力f。人对桶的拉力水平向前，与位移方向相同。人对桶的拉力做功； D．图中利用转轴滚动桶，桶在地面上滚动。人匀速运动，拉力F等于滚动摩擦力f。人对桶的拉力水平向前，与位移方向相同。人对桶的拉力做功。但滚动摩擦力远小于滑动摩擦力，故人对桶做的功小于平拉时做的功。 3．把一本九年级科学课本从地面举过头顶，对课本做的功约（   ） A．0.32J B．3.2J C．32J D．320J 【答案】B 【解析】一本九年级科学课本的重力 G=2N，初中的身高约为 1.6m，把课本从地面举过头顶过程中对课本做的功 W=Fs=Gh=2N×1.6m=3.2J 4．某机器的功率为1000瓦特，这句话的正确含义是（   ） A．机器能做1000焦的功 B．机器每分钟做1000瓦特的功 C．机器每秒钟做1000焦的功 D．机器每做1焦的功，所需的时间为1000秒 【答案】C 【解析】1000瓦的物理意义，是指这台机器每秒可以做功1000焦耳。 5．如图所示，用大小相等的拉力F，分别沿斜面和水平面拉木箱，拉力方向和运动方向始终一致，运动时间tAB>tCD，运动距离，比较两种情况下拉力所做的功和功率（　　） A．AB段做功较多 B．CD段做功较多 C．AB段与CD段做的功一样多 D．AB段的功率比CD段的功率大 【答案】C 【解析】ABC．两个拉力的大小相等，运动距离，由W=Fs可知：拉力所做的功相同，故AB不符合题意，C符合题意； D．运动时间tAB>tCD，由可知AB段的功率和CD段的功率大小关系PAB<PCD，故D不符合题意。 6．工人用平行于斜面的300N恒力，10s钟内将重为500N的物体从斜面底端匀速推到了顶端，已知斜面高为1.5m，长为3m。下列讨论正确的是（  ） A．物体受到的摩擦力为50N B．克服物体重力做功为1500J C．推物体时，推力的功率为90W D．使用斜面可以省力也可以省功 【答案】C 【解析】A．物体受到的摩擦力小于推力，两者不是一对平衡力； B．克服重力做功（有用功）； C．推力做的总功，推力的功率为; D．使用任何机械都不省功，使用斜面可以省力，不可以省功，故D错误。 7．2025年11月，神舟系列载人飞船再次出征，安全接回驻留在空间站上的航天员。在飞船加速升空的过程中，飞船的（　　） A．动能增大 B．重力势能不变 C．机械能减小 D．机械能不变 【答案】A 【解析】在飞船加速升空的过程中，飞船的质量不变，速度增大，动能增大，高度增大，重力势能增大，机械能包括动能和势能，机械能增大，故A符合题意，BCD不符合题意。 8．如图所示是2026年1月19日神舟二十号飞船返回过程中进入大气层后加速下降的场景。下列关于飞船加速下降过程中的能量变化情况分析，正确的是（　　） A．动能增加，重力势能增加 B．动能增加，重力势能减少 C．动能减少，重力势能增加 D．动能减少，重力势能减少 【答案】B 【解析】飞船加速下降时，质量不变，速度增大，动能增加；同时高度降低，重力势能减少，故ACD错误，B正确。 9．球场上，运动员练习投篮，篮球划过一条漂亮的弧线落入篮筐，球的运动轨迹如图中虚线所示。从篮球离开手到落入篮筐的过程中，篮球的重力势能(　　) A．一直增大 B．一直减小 C．先增大后减小 D．先减小后增大 【答案】C 【解析】从篮球出手到落入篮筐的过程中，篮球的质量不变，高度先增大后减小，则其重力势能先增大后减小。 10．下列有关四幅图的观点中（不计摩擦），分析错误的是（　　） A．图甲中，卫星在近地点的速度最大 B．图乙中，小球运动到位置②时速度不为零 C．图丙中，滚摆在下降过程中动能逐渐减小 D．图丁中，人起跳离开地面后只受重力的作用 【答案】C 【解析】A．卫星绕地球运行时机械能守恒，近地点高度最小，重力势能最小，因此动能最大，速度最大，故A正确，不符合题意； B．小球从位置①释放后，位置②是小球运动的最低点，是速度最大的位置，速度不为零，故B正确，不符合题意； C．滚摆下降过程中，高度降低，重力势能转化为动能，速度逐渐增大，动能逐渐增大，故C错误，符合题意。 D．人起跳离开地面后，不计空气阻力，只受重力作用，故D正确，不符合题意。 11．2025年4月19日，李晨洋以5米63的成绩获得中国田径街头巡回赛厦门站男子撑杆跳冠军。如图所示，撑杆跳分为助跑、起跳、越杆三个过程，下列说法正确的是（　　） A．助跑时，运动员的动能变大，惯性变大 B．整个过程中机械能不守恒 C．越杆达到最高点时，运动员的速度为0 D．起跳时，杆的弹性势能全部转化成运动员的动能 【答案】B 【解析】A．助跑时，运动员的质量不变，速度变大，动能变大。质量不变，惯性不变，故A错误； B．整个过程中运动员需克服空气阻力做功，将机械能转化为内能，运动员的机械能不守恒，故B正确； C．运动员在最高点时，还具有向前的速度，故C错误； D．起跳时，杆的弹性势能一部分转化为运动员的动能，一部分转化为运动员的重力势能，故D错误。 12．2026年1月8日，中国选手孙佳旭在自由式滑雪空中技巧世界杯加拿大玻波特湖站夺冠，收获个人第七个世界杯冠军。如图所示，在他滑行过程中，下列说法正确的是（　　） A．A点时没有机械能 B．从A点滑行到C点的过程中重力势能不断变大 C．在B点的速度大于与它高度相同的D点的速度 D．由于滑雪板底面比较光滑，摩擦阻力小，所以整个过程中机械能守恒 【答案】C 【解析】A．A点虽然静止，动能为0，但由于在高处而具有重力势能，机械能是动能与势能之和，则机械能不为0，故A错误； B．从A点滑行到C点的过程中，运动员的质量不变，高度降低，重力势能减小，故B错误； C．运动员在滑动的过程中存在摩擦，运动员的一部分机械能克服摩擦做功，所以B点的机械能大于D点的机械能；由于BD的高度相同，重力势能相同，则B点的动能要大于D点的动能，所以在B点的速度大于在D点的速度，故C正确； D．即使滑雪板底面比较光滑，摩擦阻力小，但仍会存在能量损失，所以整个过程中机械能不守恒，故D错误。 课 堂 小 结 一、科学中的功 做功的两个必要因素：作用在物体上的力，物体在这个力的方向上移动的距离。 二、功的计算 功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积，W=Fs。功的单位是焦耳。 三、功率 物体做的功与做功所用时间的比叫作功率，P=W/t。功率表示做功的快慢。 四、功与能 做功的过程实质就是能的转化的过程，力对物体做多少功，就有多少能发生了转化。功是能的转化的量度。 五、动能 物体由于做机械运动而具有的能叫作动能。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。 六、势能 物体由于被举高而具有的能叫作重力势能，质量越大被举得越高重力势能越大。物体由于发生弹性形变而具有的能叫作弹性势能，弹性形变越大弹性势能越大。 七、动能和势能的转化 动能和势能可以相互转化。如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总量保持不变，即机械能守恒。 板 书 设 计 作 业 设 计 教学反思 本节内容概念较多且抽象程度较高，学生容易混淆功与功率的概念以及功的单位与功率单位的符号。通过拉飞机、举重、拖拉机耕地等生活化实例引入各环节概念，学生理解起来较为顺畅。在功的计算环节，学生对斜面方向上距离的选取存在普遍困难，需要在后续练习中强化力的方向与距离方向一致性的训练。摆锤、滚摆等实验操作直观，学生对动能和势能相互转化的现象印象深刻，但对于机械能守恒的条件容易忽视阻力的存在。后续教学中应增加功与功率的单位辨析练习，补充更多的功的计算变式训练，并在机械能部分强化受力分析和能量转化路径的对应关系。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $