12.1 机械能（教学设计）物理新教材苏科版九年级上册

该初中物理教学设计聚焦“机械能”核心知识，涵盖动能、弹性势能、重力势能的概念、影响因素及相互转化。通过“高速公路限速”“滑板下滑加速”等生活问题导入，衔接“功”的前知，以真实情境构建能量概念学习支架。 此资料亮点在于三大探究活动（动能影响因素、模拟打桩、摆球转化），运用控制变量法（如控制小车质量/高度）和转换法（木块移动距离反映动能），结合视频辅助教学，培养科学探究与科学思维。融入蹦床、海洋能等实例，落实物理观念与科学态度，助力学生理解抽象概念，提升教师教学效率。

12.1 机械能（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 12.1 机械能 教学 目标 物理观念 知道动能、弹性势能、重力势能的概念，知道动能和势能统称为机械能；知道影响动能、重力势能、弹性势能大小的因素；知道动能和势能可以相互转化。 科学思维 能用能量的观点分析物体做功的本领；会判断具体情境中物体具有哪种形式的机械能；能分析动能与势能相互转化过程中各种能的变化情况。 科学探究 经历“探究影响动能大小的因素”“模拟打桩”“观察摆球动能和重力势能的转化”三个活动，会用控制变量法设计实验，会用转换法比较能量的大小，能分析实验现象归纳结论。 科学态度 与责任 通过高速公路限速等实例，认识物理知识在交通安全中的价值；通过了解海洋中的机械能（海浪能、海流能、潮汐能），感受开发利用新能源的意义。 教材 分析 本节是苏科版九年级上册第十二章《机械能和内能》的第一节。它在第十一章“功”的基础上，把研究视角从“做功”转向“能量”，是学生第一次系统建立能量概念，也是后续学习内能、机械能与内能相互转化的基础。教科书从“高速公路为什么限速”“滑板从高处滑下为什么越来越快”两个真实问题出发，用“物体能对另一个物体做功就具有能量”这一判据引出动能，再由玩具车、弓箭引出弹性势能，由强夯机、滚石引出重力势能，最后通过荡秋千和摆球实验揭示动能与势能的相互转化，逻辑清晰、层层递进。三个探究活动都用到控制变量法和转换法，是本节的方法主线。学生容易混淆“物体做了功”与“物体具有能量”，也容易把速度大等同于动能大而忽略质量，所以概念的建立需要通过实例反复辨析。 本节内容由“动能”“势能”“动能和势能的相互转化”三部分构成，并在“生活·物理·社会”栏目中介绍了海洋中的机械能。动能、势能的概念及影响因素是这节课的重点，用控制变量法探究影响动能大小的因素、分析动能与势能的相互转化是这节课的难点。 学情分析 1. 知识储备分析：学生已学过力、功和功率，知道“做功”的含义，也有滑滑梯、荡秋千、拉弓射箭等丰富的生活体验，为建立能量概念提供了基础。 2. 思维能力分析：学生熟悉控制变量法，但本节还要用到转换法（用木块被撞距离、桩入沙深度反映能量大小），这种间接比较对学生是新的挑战；分析能量转化时容易只关注一种能而忽略另一种能的同步变化。 3. 学习兴趣与态度分析：本节实验直观有趣，学生参与热情高；但“能量”是抽象概念，学生容易停留在现象描述而说不清能量的来源与去向，需要教师用规范语言引导表达。 教学重点 动能、弹性势能、重力势能的概念及影响因素；动能和势能的相互转化。 教学难点 用控制变量法和转换法探究影响动能大小的因素；分析动能与势能相互转化过程中能量的变化。 教学 器材 斜面、小车、木块、钩码、刻度尺；模拟打桩装置（“重锤”、“桩”、沙桶）；摆球、铁架台、细线；弹簧、弓箭模型等。 多媒体ppt，包含视频：《探究影响动能大小的因素》《动能和势能的相互转化》等。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【章引入】儿时，各种玩具车吸引着我们，为什么有的玩具车不用电池也能向前运动？为什么燃油汽车要加注燃料才能行驶？让我们从能量的视角来探究其中的奥秘！ 【提出问题】 （1）为什么要规定汽车在高速公路上行驶的最大速度？ （2）脚踩滑板从高处滑下，为什么会越来越快？ 【引入】这两个问题都与物体具有的“能量”有关。这节课我们就来认识机械能。 思考并回答问题，从能量视角进入情景。 学习新课 一、动能 1. 能量与动能的概念 一个物体能对另一个物体做功，就表明这个物体具有能量。 如图12-3所示，运动着的锤子能将钉子钉入木板，高速运动的子弹能射穿鸡蛋。这些都说明，运动的物体能对其他物体做功，具有能量。物体由于运动而具有的能量叫作动能（kinetic energy）。 2. 活动12.1 探究影响动能大小的因素 【想一想】如图12-4所示，小车从斜面上滑下，在水平面上与木块相撞，两者共同滑行一段距离，运动的小车对木块做了功。小车动能的大小可能与哪些因素有关？怎样用该装置验证你的猜想？ 【猜想】小车动能的大小可能与小车的质量和速度有关。 【方法】①控制变量法：研究与速度的关系时保持质量不变，研究与质量的关系时保持速度不变；②转换法：小车动能的大小无法直接测量，通过比较木块被撞后移动距离的远近来反映（木块移动越远，说明小车动能越大）。 【信息快递】①在木块的碰撞面上粘贴海绵片，可使小车与木块在碰撞后一起运动。②质量不等的小车从斜面上同一高度由静止开始下滑，运动到水平面时的速度相等。 【做一做】 1. 将同一小车分别从不同高度由静止开始下滑，撞击置于水平面上相同位置的同一木块，比较木块运动的距离。（探究动能与速度的关系） 2. 在小车上放一些钩码，改变小车的质量。让不同质量的小车从同一高度由静止开始下滑，撞击置于水平面上相同位置的同一木块，比较木块运动的距离。（探究动能与质量的关系） 实验次数 小车质量 下滑高度 木块移动距离/cm 小车动能大小 ① ② ③ 【议一议】通过上述实验，你能得出什么结论？ 【实验结论】研究表明，物体的动能与速度和质量有关，速度越大、质量越大，动能越大。 【应用】为什么汽车在高速公路上要限速？（速度越大动能越大，一旦发生事故破坏性越强）为什么不同车型的限速标准不一样？（大型车质量大，相同速度下动能更大，所以限速更低） 【例题1】如图甲所示是“探究物体的动能与哪些因素有关”的实验，让小球从同一斜面由静止开始滚下，推动同一木块在水平面向  前移动一段距离后停下。 　 (1)实验中，小球的动能是由 ___________能转化来的； (2)图甲中（a）、（c）实验让小球从斜面的相同高度下滑，目的是___________； (3)图甲中（b）、（c）实验无法探究动能和速度的关系，理由是___________ 【答案】(1)重力势 (2)使小球到达水平面时的初速度相同 (3)没有控制小球的质量相同，变量不唯一 【详解】（1）小球从斜面上滚下时，高度降低，重力势能减小，动能增大，因此小球的动能是由重力势能转化而来的。 （2）本实验用到控制变量法：a、c实验中，小球质量不同，让它们从斜面相同高度下滑，目的是控制小球到达水平面时的初速度相同，以便探究动能与质量的关系。 （3）探究动能和速度的关系时，需要控制小球质量相同，只改变小球到达水平面的速度，b、c实验中，小球的质量不同，因此无法满足控制变量的要求，不能探究动能和速度的关系。 知道能量的判据：“能对其他物体做功”就具有能量。 理解动能的概念，猜想影响动能大小的因素。 进行实验：改变下滑高度和小车质量，比较木块移动距离；体会控制变量法与转换法。 归纳结论：速度越大、质量越大，动能越大。 做例题1，会分析影响动能大小的因素。 学习新课 二、势能 1. 弹性势能 【情境】有一种玩具车，只要用手按住它往后拉一下，松手后它就能往前运动。它运动的能量来自哪里？ 这种玩具车内部有一个类似弹簧的装置。在向后拉的过程中，该装置发生弹性形变；松手后，这个装置在恢复形变的过程中对玩具车做功，使玩具车运动。 发生弹性形变的物体能对其他物体做功，具有能量。物体由于发生弹性形变而具有的能量叫作弹性势能（elastic potential energy）。 如图12-5所示，弓的形变越大，箭被射得越远；机械钟表的发条上得越紧，钟表工作的时间越长；弹簧的形变越大，小车被弹得越远。 【结论】弹性形变越大，物体的弹性势能就越大。 2. 重力势能 如图12-6所示，强夯机的重锤落下时能将地基打实；从山上滚落的石头会摧毁山下的建筑物。大量事实表明，处在一定高度的物体具有做功的本领，具有能量。物体由于被举高而具有的能量叫作重力势能（gravitational potential energy）。 3. 活动12.2 模拟打桩 图12-7所示是模拟打桩的装置。实验时，让“重锤”从“桩”正上方的某一高度处自由下落，将“桩”打入沙中。 【想一想】要想将“桩”打得深一些，可以采用哪些方法？（增大“重锤”的质量、增大“重锤”下落的高度） 【方法】同样用控制变量法和转换法：通过“桩”被打入沙中的深度来反映“重锤”重力势能的大小。 【实验结论】研究表明，物体的重力势能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。 【例题2】在探究“重力势能的大小与哪些因素有关”的实验中，重物A、B、C的质量关系为mA=mB<mC，木桩相同。木桩和重物位置如图甲所示。重物静止释放后，木桩被打击陷入沙中的情形如图乙所示，重物B、C将木桩打入沙中的深度相同。 　 (1)重物自由下落打击木桩，通过观察木桩陷入沙中的深度判断______（选填“重物”或“木桩”）的重力势能大小。 (2)比较______（选填“AB”、“BC”或“AC”）两个重物将木桩打入沙中的深度，可判断重力势能的大小和重物下落高度的关系，得出的结论是：当重物质量相同时，高度越高，重力势能越______（选填“大”或“小”）。 (3)结合（2）中的实验结论，通过比较B和C两个重物将木桩打入沙中的深度，我们______（选填“能”或“不能”）得出物体的重力势能与其质量有关的结论。 (4)如图丙所示，是某一重物从某高度处由静止下落的过程中，下落高度与时间的关系图。在下面的四个选项中，描述重力对该重物做功大小与下落时间关系最接近正确的图线是______。 A．　　B． 　　 C．　　D． 　　 (5)结合本实验和所学知识，分析图丁所示的水坝，水力发电机安装在______（选填“C”或“D”）位置较为合理。 【答案】(1)重物 (2) AB 大 (3)能 (4)C (5)D 【详解】（1）本实验利用转换法，通过木桩陷入沙坑的深度，间接反映重物的重力势能大小，陷入越深说明重物的重力势能越大。 （2）探究重力势能与下落高度的关系时，根据控制变量法，需要保持重物质量相同，改变下落高度。AB两个重物质量相同，下落高度不同，则应选择AB两个重物。 B重物下落高度更高，将木桩打入沙中的深度更深，说明B重力势能更大，则可得出结论：当重物质量相同时，高度越高，重力势能越大。 （3）已知B、C将木桩打入沙深度相同，说明二者重力势能大小相等；结合图甲可知，B的下落高度大于C，且B的质量小于C，而二者重力势能相等，则能得出重力势能与质量有关的结论。 （4）重力做功公式为W=Gh，重物重力G不变，因此W和下落高度h成正比。由丙图的h−t关系可知：重物自由下落加速，速度越来越大，相同时间内下落高度越来越大，因此h随t增长越来越快，W随t的变化规律和h完全一致，对应向上弯曲、斜率逐渐增大的曲线，故选C。 （5）水力发电利用水的重力势能转化为动能，位置越低，上下游的水位落差越大，水的重力势能越大，下落转化得到的动能越多，可获得的能量更多、发电功率更大，因此发电机安装在更低的D位置更合理。 结合玩具车实例理解弹性势能，知道弹性形变越大弹性势能越大。 结合强夯机、滚石理解重力势能。 进行模拟打桩活动，用转换法比较重力势能大小，归纳影响因素。 做例题2，会判断和比较势能的大小。 学习新课 三、动能和势能的相互转化 1. 机械能 物理学中，将动能和势能统称为机械能（mechanical energy）。一个物体可以同时具有动能和势能。例如，正在荡秋千的孩子，正被起重机吊起的重物，跳水过程中的运动员等。 【情境】如图12-8所示，在秋千摆动的过程中，人距离地面的高度不断变化，同时速度也不断变化。也就是说，人的重力势能和动能都在不断变化。 2. 活动12.3 观察摆球动能和重力势能的转化 【做一做】如图12-9所示，将摆球从点A由静止释放，观察摆球的高度和速度是怎样变化的。 【说一说】 1. 摆球由点A向点O′运动的过程中，它的速度怎样变化？动能怎样变化？重力势能怎样变化？——高度降低、速度增大，重力势能减小、动能增大，重力势能转化为动能。 2. 摆球到达最低点O′时，它的动能是否达到最大？重力势能呢？——动能最大，重力势能最小。 3. 摆球由点O′向点B运动的过程中，它的速度怎样变化？它的动能转化为什么能？当到达右侧最高点B时，它的动能是否为零？重力势能是否为最大？——速度减小，动能转化为重力势能；到达B点时动能为零，重力势能最大。 4. 荡秋千过程中：由高处向最低点运动时重力势能转化为动能，由最低点向高处运动时动能转化为重力势能。 3. 生活中动能和势能的转化 大量事实说明，动能和势能可以相互转化。分析下列情景中动能和势能的转化情况： （a）游乐场的过山车：下坡时重力势能转化为动能，上坡时动能转化为重力势能。 （b）落地后又弹起的小球：下落时重力势能转化为动能，触地压缩时动能转化为弹性势能，弹起时弹性势能又转化为动能和重力势能。 （c）撑竿跳高的运动员：助跑时具有动能，压弯撑竿时动能转化为弹性势能，撑竿伸直时弹性势能转化为重力势能。 【想一想】生活中还有哪些现象表明动能和势能可以相互转化？（跳板跳水、拉弓射箭、蹦床、钟摆等） 【例题3】运动员在进行蹦床比赛，运动员离开蹦床向上运动到一定高度又落在蹦床上（不计空气阻力，也不计机械能的损失）下列说法正确的是（     ） A．运动员弹离蹦床以后，蹦床对运动员做了功 B．运动员的速度为零时，他的重力势能最大 C．运动员下落到最低点时，蹦床的弹性势能大于人减少的动能 D．由于机械能守恒，运动员的最大重力势能等于最大动能等于蹦床的最大弹性势能 【答案】C 【详解】A． 运动员弹离蹦床后，蹦床对运动员无作用力，不满足做功的必要条件，故A错误； B．运动员速度为零的时刻有两个：最高点、最低点，最低点时高度最小，重力势能很小，故B错误； C．运动员下落到最低点时，整个过程中减少的动能与减少的重力势能全部转化为蹦床的弹性势能，因此蹦床的弹性势能等于人减少的动能加上人减少的重力势能，蹦床的弹性势能大于人减少的动能，故C正确； D．系统总机械能等于运动员在最高点的重力势能（最高点处运动员动能、蹦床弹性势能均为0），最低点处蹦床弹性势能最大，此时运动员仍具有重力势能，因此蹦床最大弹性势能与最大重力势能不相等；运动员所受蹦床弹力等于重力时合力为零，动能最大，此时系统总机械能等于运动员的重力势能、最大动能与蹦床的弹性势能之和，因此最大重力势能大于最大动能，三者不相等，故D错误。 故选 C。 【例题4】小彭在徐州乐园坐过山车向下俯冲时，对其加速下降过程的机械能，下列分析正确的是（     ） A．动能减小，重力势能减小　　B．动能增大，重力势能减小 C．动能增大，重力势能增大　　D．动能减小，重力势能增大 【答案】B 【详解】在徐州乐园坐过山车向下俯冲时，对其加速下降过程，质量不变，速度增大，动能增大，高度降低，重力势能减小，故B正确，ACD错误。 故选B。 知道动能和势能统称为机械能，一个物体可以同时具有动能和势能。 观察摆球实验，分析A→O′→B过程中动能与重力势能的转化。 分析过山车、弹跳球、撑竿跳中的能量转化。 做例题3、例题4并展示，会分析动能与势能的相互转化。 学习新课 四、生活·物理·社会——海洋中的机械能 学生阅读课本第35～36页《海洋中的机械能》，回答：海洋中的机械能有哪些表现形式？ 【教师归纳】海洋中蕴藏着丰富的机械能，可以通过不同形式表现出来： 1. 海浪能——海浪能把几十吨的石头推走，能使万吨巨轮颠簸摇晃。据估测，在1km²的海面上，海浪能的功率可达2.0×10⁵kW。 2. 海流能——海水沿一定方向大规模流动称为海流。如果世界大洋中的海流都能被用来发电，其发电功率可达5×10⁹kW。 3. 潮汐能——由于太阳和月球的引力作用，海面出现周期性涨落。人们在海湾或河口建筑拦水堤坝，当海面涨落时海水流经泄水闸，带动发电机发电。位于浙江省温岭市的江厦潮汐电站，是我国最大的潮汐电站，也是世界第四大潮汐电站。 【思考】查阅相关资料，了解海洋中的航标灯是利用何种能源发光的。 阅读课本第35～36页，了解海浪能、海流能、潮汐能。 感受开发利用海洋能源的意义。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．如图所示是学生在体育课上垫排球的场景。排球离开胳膊后能继续上升，是由于排球具有___________，排球减速上升过程中，其动能逐渐___________。 　 【答案】惯性；减小 【详解】排球离开胳膊后，由于排球具有惯性，会保持原有的运动状态继续上升； 排球减速上升过程中，质量不变，速度逐渐减小，因此动能逐渐减小。 2．如图是一座山的等高线图，小明从A处到达B处，下列分析错误的是（     ） 　 A．小明在A处的重力势能比B处大　　B．A处的大气压比B处低 C．水在A处的沸点比B处低　　D．小明的质量为60kg，其重力做功为6×10⁴J 【答案】D 【详解】A．由等高线图可知，A处海拔为2000m，B处海拔为1000m；重力势能与质量和高度有关，小明质量不变，A处高度更大，因此小明在A处的重力势能比B处大，故A正确； B．大气压随海拔高度的增加而减小，A处海拔比B处更高，因此A处的大气压比B处低，故B正确； C．水的沸点随气压降低而降低，A处气压更低，因此水在A处的沸点比B处低，故C正确； D．小明从A到B下降的高度Δh=2000m−1000m=1000m 小明的重力G=mg=60kg×10N/kg=600N 重力做功W=GΔh=600N×1000m=6×10⁵J，故D错误。 本题要求选错误的，故选D。 3．小海设计了如图甲、乙、丙所示的实验，探究动能的大小与哪些因素有关。实验中小球动能的大小是通过______来反映的；每次释放时，应将小球由______释放（选填“静止”、“有一定初速度”）。要探究小球动能与小球速度的关系应选用______两图。若小华在实验时，先让小球从斜面h高处由静止下滑，测出木块被撞击的距离为s₁，接着他立即再次让同一小球从斜面h高处由静止下滑，测出木块被撞击的距离为s₂，如图丁所示，则：s₁______s₂（选填“>”、“<”或“=”）。 　 【答案】木块移动的距离；静止；甲乙；> 【详解】本实验利用转换法，小球动能越大，对木块做功越多，木块被推动得越远，因此动能大小是通过木块被撞击后移动的距离反映的； 实验需要保证小球初始动能为0，通过下落高度控制到达水平面的速度，因此每次需将小球由静止释放； 探究动能与速度的关系时，根据控制变量法，需要控制小球质量相同，改变速度，因此应选质量相同、下落高度不同的甲、乙两图； 第一次实验后，木块没有被放回初始位置，第二次小球从同一高度滑下后，需要在水平面上多运动一段距离才能撞到木块，这个过程中小球克服摩擦力消耗了一部分动能，因此撞击木块时的动能小于第一次，推动木块移动的距离更小，因此s₁>s₂​。 4．如图甲为蹦床运动员比赛时的场景，图乙为其在比赛中的示意图，某时刻他从A点自由下落，与水平床面接触点为B，能到达的最低点为C点。下列说法正确的是（　　） 　 A．A点到B点过程中，运动员的重力势能减小，机械能变大 B．在B点时，运动员的重力势能最小 C．最终运动员静止在蹦床上时处于C处 D．B点到C点过程中，运动员动能先变大后变小 【答案】D 【详解】A．从A点到B点，运动员自由下落，质量不变，高度降低，重力势能减小；若不考虑空气阻力，机械能守恒，机械能大小不变，故A错误； B．重力势能和高度有关，质量不变时，高度越低重力势能越小，最低点C点高度比B点更低，因此C点重力势能最小，故B错误； C．运动员最终静止时，受力平衡，重力大小等于蹦床的弹力，平衡位置在B点和C点之间，不是最低点C，故C错误； D．从B点到C点过程中，刚接触蹦床时，蹦床弹力小于重力，运动员向下加速，动能增大；当弹力增大到等于重力后，弹力继续增大，大于重力，运动员向下减速，动能减小，到C点速度减为0，因此动能先变大后变小，故D正确。 故选D 。 5．如图所示四个实验，下列说法正确的是（     ） 　 A．实验甲和乙的研究对象都是木块 B．实验丙和丁都需要将木块从高处释放 C．木块在实验乙和丁中的作用相同 D．四个实验探究中都用到了控制变量法 【答案】D 【详解】A．甲实验探究滑动摩擦力，研究对象是木块；但乙实验探究动能的影响因素，研究对象是斜面上滑下的小车，木块只是用来反映动能大小，不是研究对象，故A错误； B．丙实验探究压力的作用效果，只需要将木块放在受力物体上改变条件实验，不需要将木块从高处释放，只有丁实验探究重力势能需要将物体从高处释放，故B错误； C．乙实验中，木块是被小车撞击的物体，作用是通过比较木块被推动的距离反映小车的动能大小；丁实验中，木块是被举高的研究对象，二者作用完全不同，故C错误； D．四个实验都是探究“多个因素对某一物理量的影响”，探究时都需要控制其他变量不变，只改变一个变量来研究关系，都用到了控制变量法，故D正确。 故选D。 6．如图所示，是小明制作的“会跳的卡片”，A为外表面，B为内表面，实验时把B面紧贴桌面，用手把它平压在桌面上，使橡皮筋伸长，迅速松手后，卡片就会弹跳起来。 　 (1)卡片弹跳受到力的施力物体是谁，这一过程用到了什么力学原理。 (2)卡片跳起的过程中发生了怎样的能量转化。 (3)小明还利用相同的橡皮筋做了图乙、丙中的两张卡片，实验时哪图中卡片可以弹跳得更高一些，为什么？ 【答案】(1)橡皮筋恢复形变时使卡片对桌面向下的压力，根据力的作用是相互的原理，同时桌面对卡片一个向上的力，所以使卡片弹跳的力的施力物体是桌面。 (2)卡片跳起过程中，橡皮筋的形变逐渐变小，速度与高度在增大，所以卡片跳起的过程中是将橡皮筋的弹性势能转化成卡片的动能与重力势能。 (3)乙图中的卡片弹跳得更高；由图可知乙卡片凹槽之间的距离更大，当卡片压平时，橡皮筋的弹性形变更大，在弹性限度内弹性形变越大，弹性势能越大，因此橡皮筋具有的弹性势能更大，能转化为卡片的重力势能更多，所以跳得更高。 【详解】（1）略 （2）略 （3）略 板 书 设 计 12.1 机械能 一、能量：一个物体能对另一个物体做功，就表明这个物体具有能量。 二、动能：物体由于运动而具有的能量。影响因素——质量、速度（越大动能越大）。 三、势能： ①弹性势能：物体由于发生弹性形变而具有的能量，弹性形变越大越大； ②重力势能：物体由于被举高而具有的能量，质量越大、高度越高越大。 四、机械能＝动能＋势能；动能和势能可以相互转化。 课 堂 小 结 12.1 机械能 1. 动能——物体由于运动而具有的能量，与质量和速度有关。 2. 势能——弹性势能（弹性形变）与重力势能（被举高），各有影响因素。 3. 机械能——动能与势能的统称，两者可以相互转化。 4. 研究方法——控制变量法与转换法。 作 业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $