10.1 机械能（教学设计）物理新教材北师大版九年级全一册

该初中物理教学设计聚焦机械能核心知识，涵盖动能、重力势能、弹性势能的概念及转化规律。以游乐园过山车、跳楼机实例导入，衔接学生已学的功的概念，通过“做功本领”建立能量认知，搭建从功到机械能的知识支架。 此资料突出科学探究与实践，设计动能（小球推木盒）、重力势能（铁块砸沙桌）等实验，运用控制变量法和转换法，辅以《影响动能大小的因素》等视频。结合水碓等古代科技案例，强化科学态度与责任，助力学生形成能量观念，教师可直接利用实验方案与分层习题提升教学效率。

第1节 机械能（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第1节 机械能 教学 目标 物理观念 知道能量、动能、重力势能、弹性势能和机械能的概念；理解动能、重力势能的影响因素，以及动能与势能的转化规律和机械能守恒条件。 科学思维 通过分析实验现象，归纳动能、重力势能的影响因素，培养逻辑归纳能力；借助实例分析动能与势能的转化，提升推理分析能力。 科学探究 经历探究动能、重力势能影响因素的实验，提升观察、操作与分析能力；通过交流讨论动能势能转化实例，提高归纳总结能力。 科学态度 与责任 养成实事求是的实验态度；认识机械能转化在生活和古代科技中的应用，增强对物理实用性的认知。 教材 分析 本节以生活实例引入动能、势能概念，通过控制变量实验探究影响因素，建立了定性认知，强调机械能守恒的条件与现象。教材采用情境—问题—实验—结论递进式呈现，辅以图表与古籍案例增强文化浸润。教学需紧扣“运动”“高度”“形变”三个具象线索，借助小球推木盒、铁块砸沙桌等可视化活动，引导学生从现象归纳规律。目标定位为形成能量观与守恒意识，达成目标上要求能解释滑梯、秋千等实例中动能与势能的此消彼长，并初步识别只有重力或弹力做功的理想转化情境 本节知识体系涵盖能量定义、三种机械能形式及转化规律，重点是动能与重力势能的影响因素及转化过程分析，难点在于区分“做功本领”与“做功过程”、理解转化中能量形式变化而总量守恒。 学情分析 学生此前已掌握功的概念、单位及做功的必要条件，具备控制变量法的实验基础。此阶段学生逻辑思维逐步发展，能通过生活实例感知能量存在，但对抽象能量概念的本质理解较薄弱，对实验现象的归纳总结能力有待提升。教材重难点是动能、重力势能、弹性势能的影响因素，以及动能与势能的转化规律，要求学生能通过实验探究总结规律，理解机械能守恒，并能结合生活实例分析能量转化。 教学重点 动能与重力势能的影响因素及转化过程分析。 教学难点 区分“做功本领”与“做功过程”、理解转化中能量形式变化而总量守恒。 教学 器材 质量不同的金属球、斜面、木块、质量不同的物体、小方桌、细沙、弹簧等。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 在游乐园里，过山车从最高点俯冲而下时，速度越来越快；而跳楼机从高空坠落时，会让人感受到强烈的冲击力。这些惊险刺激的游乐设施背后，都隐藏着怎样的能量秘密？ 本节课我们将一起来探究这个问题。 思考并回答问题，进入情景。 学习新课 一、动能 1. 能量 【看一看 想一想】流动的空气可以推动风力发电机的叶片旋转、流动的河水可以使水车转动，运动的锤子可以将钉子砸入墙体中。在这些过程中，流动的空气与河水、运动的锤子都对物体做了功。 （1）能量概念： 一个物体能对另一个物体做功，就表明这个物体具有能量，简称能。 （2）能量的实质： 物体做功的过程就是能的转化过程。 物体做的功越多，说明某种能转化为别的形式的能就越多，就表示这个物体的能量越大。即能量是表示物体做功本领的物理量。 （3）能量的单位：焦耳（J）。 2. 动能 【看一看 想一想】运动的物体是否具有能？ 分析以下事例，看看运动的物体能否做功？ 台风刮跑物体、行驶的汽车、火箭升空 【分析】台风、汽车、火箭都在运动，都能够做功，所以具有能量。 【归纳】运动的物体具有能量。 物体由于运动而具有的能量叫做动能。 一切运动的物体都具有动能。例如，空中飞行的飞机、地上行驶的汽车、流动的河水等。 3. 演示实验——探究影响动能大小的因素 【提出问题】动能大小与哪些因素有关？ 【猜想与假设】动能大小可能与物体的运动速度有关。动能大小可能与物体的质量有关。 【实验器材】两个不同质量的钢球、斜面、小木盒等。 【实验方法】 （1）转换法：通过木块被撞击后移动的距离反映钢球动能大小。 （2）控制变量法：在研究动能与速度的关系时，控制钢球质量不变；在研究动能与质量的关系时，控制钢球速度不变。 【实验过程】 探究一：探究动能大小与速度的关系。 操作：让同一小球从斜面上不同高度由静止释放,观察并比较小球到达水平面时的速度以及小木盒被推动的距离。 分析论证：在质量相同时，钢球下落的高度越高，钢球达到斜面底端的速度越大，小木盒被撞击滑行的距离越远。 实验结论：钢球动能与速度有关，质量相同时，速度越大，动能越大。 探究二：探究动能大小与质量的关系。 操作：让质量不同的小球从斜面上相同高度由静止释放,观察并比较小球到达水平面时的速度以及小木盒被推动的距离。 分析论证：不同钢球从同一高度滚下，达到斜面底端时的速度相同，钢球质量越大，小木盒被撞击滑行的距离越远。 实验结论：钢球的动能与质量有关，速度相同时，质量越大，动能越大。 【实验结论】 物体的动能与物体的质量和速度有关。质量相同时，速度越大的物体具有的动能越大。速度相同时，质量越大的物体具有的动能越大。 4. 一些物体的动能大小 【播放视频】——《影响动能大小的因素》 【例题1】下列关于功和能的关系的说法中，正确的是（　　） A． 一个物体没有做功，它一定不具有能量 B． 一个物体能够做的功越多，其动能一定越大 C． 一个物体具有能量，说明它正在做功 D． 一个物体能够做功，说明它具有能量 【答案】D 【解析】A．一个物体没有做功，可能具有能量，例如：静止在高处的苹果具有重力势能，故A错误；   B．物体能够做功，表示这个物体具有能量，能够做功越多，说明该物体具有的能量就越大，并不一定是动能越大，也有可能是重力势能，或其他形式的能，故B错误；   C．一个物体具有能量，说明它具有做功本领，但物体不一定做功，故C错误；   D．一个物体能够做功，具有做功的本领，说明它一定具有能，故D正确。  故选D。 【例题2】如图所示，农民赶着牛拉着铧犁在田里劳动，它们以相同速度向前行进，则其动能（　　） A．农民最大 B．铧犁最大 C．牛最大 D．一样大 【答案】C 【解析】动能的大小和物体的质量以及物体的速度有关，由于农民赶着牛拉着铧犁在田里劳动，它们以相同速度向前行进，即三者速度大小相等，但由于牛的质量最大，所以，牛的动能最大，故C符合题意，ABD不符合题意。 故选C。 【例题3】在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中。让同一小车从斜面的不同高度由静止释放，撞击斜面底端的木块，比较木块移动的距离，这是为了探究 对动能的影响；实验中若 木块质量较大，可能会导致 ，为了解决此问题，从实验操作方面提出一种改进的方法 。如图是某同学实验时的情景，请指出他操作中的错误是 。 【答案】 速度 实验现象不明显 增大小车下滑的高度 没有控制木块的位置相同 【详解】[1]让同一小车从斜面的不同高度由静止释放，小车到达水平面时的初速度不同，所以探究的是速度对动能的影响。 [2]若木块的质量较大，对水平面的压力较大，滑动摩擦力较大，木块在水平面上移动的距离较小，实验现象不明显。 [3]为了解决此问题，可以让小车从更高的位置滑下或者增大小车的质量，使小车具有更大的动能，增大小车对木块做的功，使木块获得更大的机械能，延长在水平面上移动的距离；也可以通过减小水平面的粗糙程度，减小木块与水平面间的摩擦力，从而延长在木块水平面上移动的距离。 [4]由图可知，两图中木块的位置不同，没有控制变量，所以操作错误之处是：没有控制木块的位置相同。 知道能量的概念与单位，了解做功与能量的关系。 观看运动物体能够做功的例子，初步了解动能的概念。 会设计实验，知道实验器材；知道实验方法；能够得出正确结论。 通过老师的归纳总结，让学生进一步理解动能大小的影响因素。 观看视频，加深对探究过程的理解。 通过例题练习，加深理解动能的概念及大小比较。 通过例题3练习，加深理解影响动能大小的因素。 学习新课 二、势能 1. 重力势能 【看一看 想一想】夯式打桩机的重锤由高处落下时能将下面放置的物体打入地里;高空坠物会对地面的车辆造成损害，长江三峡大坝使上游的水位比下游高出一百多米，从高处流下的江水可以冲击水轮机发电。 【分析】重锤、高空坠物和江水都做功，都具有能量。 【归纳】物体由于处于一定的高度所具有的能叫做重力势能。 2. 演示实验——探究影响重力势能大小的因素 【提出问题】重力势能大小与哪些因素有关？ 【猜想与假设】重力势能大小可能与物体的高度有关。重力势能大小可能与物体的质量有关。 【实验器材】两个不同质量的物体、细沙、小桌等。 【实验过程】 探究一：探究重力势能的大小与高度的关系 让同一物体分别从不同的高度由静止下落，观察桌腿在沙坑下陷的深度 分析论证：同一物体从不同高度的位置下落时，桌腿在沙坑下陷的深度不同；高度越高，桌腿在沙坑下陷的深度越大。 实验结论：质量相等的物体，位置越高，重力势能越大。 探究二：探究重力势能的大小与质量的关系 让质量不同的物体分别从同一高度由静止下落，观察桌腿在沙坑下陷的深度。 分析论证：质量不同的物体从同一高度下落时，质量越大，桌腿在沙坑下陷的深度越大。 实验结论：高度相同时，物体的质量越大，重力势能越大。 【实验结论】 物体的重力势能与物体的质量和它所在位置的高度有关。质量相同时，越高的物体具有的重力势能越大。高度相同时，质量越大的物体具有的重力势能越大。 【播放视频】——《影响重力势能大小的因素》 3. 弹性势能 【看一看 想一想】运动员在参加射箭比赛时，拉弯的弓为什么能将箭射出？蹦床比赛中，运动员为什么可以 “跳” 这么高？ 【分析】发生弹性形变的物体能对其他物体做功，表明它具有能量。 【归纳】 （1）概念：物体因发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能。 （2）影响弹性势能的因素： 在射箭时，弓张得越满，放手后，箭就射得越远；玩弹弓时，橡皮筋的弹性形变越大，“子弹”被弹射得越远。 这表明，物体的弹性形变越大，具有的弹性势能就越大；另外弹性势能大小还与物体的材料有关。 【播放视频】——《影响弹性势能大小的因素》 4.势能： （1）概念：人们将重力势能、弹性势能这类能统称为势能。 （2）单位： 动能、势能等各种能的单位与功的单位相同。在国际单位制中，功的单位是焦（J），能的单位也是焦（J）。 【例题4】近年来高空抛物造成伤人事故较多，如图所示，从物理的角度分析可知：停在高空中的物体具有 能，下落到地面上的物体 （填“能”或“不能”）做功。 【答案】 重力势能 能 【详解】[1][2]停在高空中的物体，由于被举高而具有重力势能；下落时，重力势能会转化为动能，对地面上的物体能做功，从而造成伤害。 【例题5】下列物体中不具有弹性势能的是（　　） A．形变的蹦床 B．拉开的弓 C．压弯的撑杆 D．自然长度的弹簧 【答案】D 【详解】A．形变的蹦床发生了弹性形变，所以具有弹性势能，故A不符合题意； B．拉开的弓发生弹性形变，具有弹性势能，故B不符合题意； C．被撑杆跳运动员压弯的撑杆发生了弹性形变，所以具有弹性势能，故C不符合题意； D．被压紧或拉伸的弹簧发生了弹性形变，才具有弹性势能；自然长度的弹簧没有发生弹性形变，不具有弹性势能，故D符合题意。 故选 D。 【例题6】在“探究影响压力作用效果因素”与“探究影响重力势能大小因素”两个实验中，均可通过如图所示器材完成实验。以下关于两个实验的四个判断中错误的是（　　） A． 都选用大小不同的木块是为了改变相同的物理量 B． 都需要观察小桌陷入沙中的深度 C． 前者实验不需要将木块从小桌正上方一定高度自由释放 D． 后者实验中小桌不需要倒放 【答案】A 【详解】A．在“探究影响压力作用效果因素”实验中，选用大小不同的木块是为了改变压力大小；在“探究影响重力势能大小因素”实验中，选用大小不同的木块是为了改变质量大小，所以两个使用改变的物理量不同，故A错误，符合题意； B．两个实验都运用了转换法，前者实验通过观察小桌陷入沙中的深度，判断压强大小；后者实验通过观察小桌陷入沙中的深度，判断重力势能的大小，故B正确，不符合题意； C．前者实验探究压力大小对压力作用效果的影响，不需要将木块从小桌正上方一定高度自由释放，故C正确，不符合题意； D．后者实验探究质量大小对重力势能大小的影响，小桌不需要倒放，只需要观察，小桌陷入沙中的深度，故D正确，不符合题意。 思考问题，引出重力势能的概念。 通过实验探究，理解影响重力势能大小的因素。 通过老师的归纳总结，让学生进一步理解重力势能大小的影响因素。 观看视频，加深对探究过程的理解。 通过观看老师的演示实验，理解了弹性势能的概念，了解影响弹性势能大小的因素。 观看视频，加深对探究过程的理解。 通过例题4、6练习，加深理解重力势能大小跟哪些因素有关。 通过例题5练习，加深理解弹性势能。 学习新课 三、机械能及其转化 1. 机械能 （1）概念：动能和势能（包括重力势能和弹性势能）统称为机械能。 （2）单位：焦耳（J）。 （3）大小：机械能等于动能、势能之和。 例如：一个空中飞行的物体具有100J的动能，若它的重力势能为50J，则它的机械能就为150J。 2. 动能和势能的转化 【看一看 想一想】自由上升的篮球速度越来越慢，它减小的动能去哪了？下落的物体高度越来越低，它减小的重力势能去哪了？弯弓射箭，松手后弓弦恢复原状，它的弹性势能去哪了？ 【分析】原来，物体的动能和势能会相互转化。 （1）动能和重力势能的相互转化： 如图所示，将偏离了一定角度的摆球由静止释放，观察摆球速度随高度的变化情况，你可得出什么结论？ 实验结论：摆球下降的过程中，重力势能越来越小，动能越来越大，重力势能转化为动能。摆球上升的过程中，动能越来越小，重力势能越来越大，动能转化为重力势能。 也就是，单摆在摆动过程中，动能和重力势能可以相互转化。 （2）动能和弹性势能的相互转化： 如图，当钢球从高处滚下来，撞到弹簧上后会发生什么现象？这些过程中弹簧的能量是如何转化的？ 实验结论： 动能和弹性势能在一定条件下可以相互转化。 3. 机械能守恒 （1）规律：大量实验研究表明：物体的动能和势能是可以相互转化的。如果只有动能和势能相互转化，则机械能的总和不变，即机械能是守恒的。 （2）机械能守恒的条件： 忽略摩擦阻力造成的能量损失，并且只有动能和势能相互转化。机械能守恒是一种理想化的物理模型。 【做一做 想一想】从鼻尖释放的铁锁，会再次打到鼻尖吗？ 【分析】不会； 因为铁锁除了受到重力和拉力外还受空气阻力。铁锁在运动过程中会克服摩擦力做功，从而消耗 机械能，把机械能转化为内能，从而使机械能越来越小。 如果只有动能和势能相互转化，尽管动能、势能大小会变化，但机械能总和不变。 4.机械能转化的应用： （1）水力舂米机械--水碓： 它主要由大轮及安装在大轮轴上的彼此错开的拨板、若干根碓杆及其前端的石锤组成。工作时，水流推动大轮转动，带动轴上的拨板依次不断向下挤压碓杆，从而使石锤抬起，水的动能转化为石锤的重力势能，然后石锤落下，石锤的重力势能又转化为石锤的动能，石锤再对下面的米做功。 （2）抛掷装置： 把皮筋挂在离轴最远的挂钩上，皮筋弹性形变量最大，产生的弹性势能最大。当松开手指，皮筋的弹性势能减小，弹性势能转化为重物的动能，重物的动能增加，速度增大，会被抛得更远。 【例题7】雨滴在高空下落过程中，开始下落的一段时间速度越来越大，落到地面前一段时间匀速下落。若雨滴的质量不变，则它在空中下落的整个过程中（　　） A． 动能先增大后不变，重力势能保持不变 B． 动能先增大后不变，重力势能一直减小 C． 动能一直增大，但重力势能保持不变 D． 动能一直增大，重力势能一直减小 【答案】B 【详解】根据题意，雨滴质量不变，雨滴的速度先增加后不变，则动能先增加后不变；雨滴下落过程中，高度一直降低，则重力势能一直减小，故B符合题意，ACD不符合题意。 故选B。 【例题8】将一支内有弹簧的圆珠笔向下按压，放手后笔会向上弹起一定高度。下列关于该过程中能量变化的叙述，其中正确的是（　　） A． 向下按笔的过程中，弹簧的弹性势能减小 B． 向下按笔的过程中，笔的重力势能增大 C． 笔向上弹起的过程中，笔的动能一直增大 D． 笔向上弹起的过程中，笔的重力势能增大 【答案】D 【详解】A．向下按笔的过程中，弹簧的弹性形变程度变大，故其具有的弹性势能变大，故A错误； B．由于重力势能与质量、高度有关，所以向下按笔的过程中，笔的高度减小，故其重力势能减小，故B错误； C．笔向上弹起的过程中，笔的质量不变，速度先增大后减小，故笔的动能先增大后减小，故C错误； D．笔向上弹起的过程中，笔的质量不变，高度增加，故笔的重力势能增大，故D正确。 故选D。 【例题9】 如图所示，小球从竖直光滑轨道最高点A由静止下滑，经过某一点B，到达轨道最低点C，再沿轨道上升并飞出，到达空中最高点D（D点未画出）后落地。下列说法错误的是（　　） A． 若考虑空气阻力，小球运动过程中机械能一直减小 B． 若考虑空气阻力，D点可能比B点高 C． 小球从A点运动到D点的过程中，重力一直对小球做功 D． 若不存在一切阻力，D点与A点等高 【答案】D 【详解】AB．若考虑空气阻力，小球运动过程中会克服空气阻力做功，部分机械能会转化为内能，因此小球的机械能会减小，D点位置一定比A点要低，但可能比B点高，故AB正确，不符合题意； C．小球从A点运动到D点的过程中，小球一直受到重力的作用，且在重力方向上有位移，所以重力一直对小球做功，故C正确，不符合题意； D．由于不存在阻力，小球在D点的机械能与A点相等，但小球在D点会有水平方向的运动速度，具有动能，所以小球在D点的重力势能比A点小，所以D点不可能与A点等高，故D错误，符合题意。 故选D。 直接引入机械能的概念和单位。 通过实例分析，进一步理解动能与势能间的相互转化。 通过演示实验，知道了单摆的动能与重力势能间的相互转化，并知道了机械能减少的原因。 通过小球压缩弹簧，知道了动能也可以转化为弹性势能。 通过老师提问，思考机械能损失的原因和机械能守恒的条件。 通过观看视频，知道了水能、风能在古代和现代的应用。 通过例题7、8讲解，加深理解动能、重力势能和弹性势能间的相互转化。 通过例题9，加深理解机械能守恒的条件。 课 堂 练 习 1．下列关于功和能的关系的说法中，正确的是（　　） A．一个物体没有做功，它一定不具有能量 B．一个物体能够做的功越多，其动能一定越大 C．一个物体具有能量，说明它正在做功 D．一个物体能够做功，说明它具有能量 【答案】D 【详解】A．一个物体没有做功，可能具有能量，例如：静止在高处的苹果具有重力势能，故A错误； B．物体能够做功，表示这个物体具有能量，能够做功越多，说明该物体具有的能量就越大，并不一定是动能越大，也有可能是重力势能，或其他形式的能，故B错误；   C．一个物体具有能量，说明它具有做功本领，但物体不一定做功，故C错误；   D．一个物体能够做功，具有做功的本领，说明它一定具有能，故D正确。   故选D。 2．一款农用喷药无人机正在匀速前行进行喷药作业，请判断它的动能将如何变化（     ） A．变大 B．变小 C．不变 D．无法判断 【答案】B 【详解】动能的大小与物体的质量和运动速度有关，速度一定时，物体质量越小，动能越小。本题中无人机匀速作业，速度不变，喷药过程中无人机不断喷出农药，自身总质量减小，因此动能变小。 故选B。 3．如图所示，在一根细绳一端拴一个小球，绳子的另一端固定在悬挂点O上，做成一个单摆。拉动小球到A处，松手后使它摆动起来，B点为摆动过程中的最低点，C为右侧最高点，不计空气阻力，则小球在摆动过程中，下列说法正确的是（     ） A．小球运动到最低处B时的动能最大 B．小球从B运动到C的过程中重力势能转化为动能 C．小球运动到右侧的最高点C比A点的位置高 D．小球在摆动过程中机械能不断的变化 【答案】A 【详解】A．小球从A运动到B的过程中，高度不断减小，重力势能转化为动能；B是摆动过程的最低点，小球在B点速度最大，质量不变，因此动能最大，故A正确； B．小球从B运动到C的过程中，质量不变，速度减小，动能减小，高度增加，重力势能增大，该过程是动能转化为重力势能，故B错误； C．不计空气阻力，小球摆动过程机械能守恒，小球在最高点A和C的动能都为0，因此两点重力势能相等；同一小球质量相等，所以C点和A点高度相等，故C错误； D．不计空气阻力，小球摆动过程只有动能和重力势能的相互转化，机械能总量保持不变，故D错误。 故选A。 4．在水平地面上铺一张纸，将一只皮球表面涂黑，使其先后从高处下落，下列说法正确的是（　　） A．皮球对纸的最大压力相等 B．皮球刚到达纸面时的速度相等 C．皮球刚到达纸面时的动能相等 D．皮球获得的最大弹性势能不等 【答案】D 【详解】皮球运动过程中质量不变。由图得，皮球在B处留下的印记较大，说明皮球在B处发生的弹性形变较大，说明皮球在B处对纸的最大压力较大、皮球在B处获得的最大弹性势能较大，皮球接触纸面后将动能转化为弹性势能，则皮球刚到达纸面时在B处动能较大，则皮球刚到达纸面时在B处的速度较大，故ABC不符合题意，D符合题意。 故选D。 5．载人飞船返回舱在接近地面时，缓冲发动机点火，进一步减少返回舱的速度，直至着陆，此过程中返回舱的动能___________，重力势能___________，机械能___________（均选填“增加”“减少”或“不变”）。 【答案】 减少 减少 减少 【详解】返回舱质量不变，减速过程中速度减小，故动能减少；高度降低，故重力势能减少；机械能为动能与势能之和，故机械能减少。 6．如图甲所示，常用的按钮式圆珠笔内有一个弹簧。如图乙所示，笔尖朝上，笔尾抵在桌面用力按下后放手，圆珠笔会弹起很高。图乙中，A为按下后放手的时刻，B为按下后弹簧恢复原长的时刻，C为向上运动到最高点的时刻，弹簧的弹性势能在____________（选填“A”“B”或“C”）时最大。圆珠笔在B→C过程，机械能转化的情况是____________能转化为____________能。 【答案】 A 动 重力势 【详解】由弹性势能的影响因素可知，弹簧弹性形变程度越大，弹性势能越大，A时刻弹簧弹性形变最大，故弹性势能最大。 因B时刻弹簧恢复原长，B→C过程中圆珠笔向上运动，动能减小，重力势能增大，故动能转化为重力势能。 7．在“探究物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中，让铁球从斜面上自由释放，撞击同一木块，能将木块撞出一段距离，如图1所示。请回答问题： (1)为了使同一铁球到达水平面时的速度不相等，应将铁球从斜面的不同高度自由释放，该实验可以探究的是铁球动能大小与_____________（质量/速度）的关系。 (2)如图2所示是高速公路上的限速牌，对不同车型的限速不一样，限制车速实际上是限制车的_____________（惯性/动能）。 (3)如图3所示，是“探究物体重力势能与哪些因素有关”的实验，其中m甲=m乙<m丙，甲、乙、丙都由静止释放：比较图3中A、B两木桩扎入沙坑的深度，可以得出结论：_____________。 (4)如图4所示，2只相同的小球以同样的速度v沿着与水平方向均成θ角斜向上抛出，甲图中斜面光滑且足够长，乙图中小球被直接抛向空中，不计空气阻力。甲、乙两图中，小球能到达的最高点离地高度分别为h1和h2（图中未画出）。则h1______________h2（选填“大于”、“等于”或“小于”）。 【答案】(1)速度 (2)动能 (3)当物体质量一定时，高度越高，重力势能越大 (4)大于 【详解】（1）实验中同一铁球质量相同，从斜面不同高度释放，到达水平面时速度不同，控制质量不变，改变速度，因此探究的是动能大小与速度的关系。 （2）惯性是物体本身的固有属性，只和物体质量有关，限速无法改变惯性；动能大小与质量、速度都有关，车速越大，动能越大，发生事故时破坏力越强，因此限制车速实际是限制车的动能。 （3）已知​，控制质量相同，甲、乙从不同高度下落，通过木桩扎入沙坑的深度反映重力势能大小，可得出结论：当物体质量一定时，高度越高，重力势能越大。 （4）两个相同的小球，速度也相同，因此小球的初始动能相等，且都不计能量损失， 甲图中光滑斜面上的小球到达最高点时，速度减为0，所有动能都转化为重力势能； 乙图斜抛出去的小球到达最高点时，仍保留水平方向的动能，只有部分动能转化为重力势能； 因此甲图小球最高点的重力势能更大，离地高度大于​。 板 书 设 计 第1节 机械能 1.动能 · 定义：物体由于运动而具有的能 · 决定因素：质量越大、速度越大，动能越大 · 单位：焦耳(J) 2.重力势能 · 定义：被举高的物体具有的能 · 决定因素：质量越大、高度越高，重力势能越大 3.弹性势能 · 定义：发生弹性形变的物体具有的能 · 决定因素：形变越大，弹性势能越大 4.机械能 · 组成：动能、重力势能、弹性势能 · 转化规律：动能和势能可相互转化，机械能总量保持不变（机械能守恒） 课 堂 小 结 第1节 机械能 作 业 1. 完成课后作业：“自我检测”。 2. 配套同步分层作业。 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 $ 第1节 机械能（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 第1节 机械能 教学 目标 物理观念 知道能量、动能、重力势能、弹性势能和机械能的概念；理解动能、重力势能的影响因素，以及动能与势能的转化规律和机械能守恒条件。 科学思维 通过分析实验现象，归纳动能、重力势能的影响因素，培养逻辑归纳能力；借助实例分析动能与势能的转化，提升推理分析能力。 科学探究 经历探究动能、重力势能影响因素的实验，提升观察、操作与分析能力；通过交流讨论动能势能转化实例，提高归纳总结能力。 科学态度 与责任 养成实事求是的实验态度；认识机械能转化在生活和古代科技中的应用，增强对物理实用性的认知。 教材 分析 本节以生活实例引入动能、势能概念，通过控制变量实验探究影响因素，建立了定性认知，强调机械能守恒的条件与现象。教材采用情境—问题—实验—结论递进式呈现，辅以图表与古籍案例增强文化浸润。教学需紧扣“运动”“高度”“形变”三个具象线索，借助小球推木盒、铁块砸沙桌等可视化活动，引导学生从现象归纳规律。目标定位为形成能量观与守恒意识，达成目标上要求能解释滑梯、秋千等实例中动能与势能的此消彼长，并初步识别只有重力或弹力做功的理想转化情境 本节知识体系涵盖能量定义、三种机械能形式及转化规律，重点是动能与重力势能的影响因素及转化过程分析，难点在于区分“做功本领”与“做功过程”、理解转化中能量形式变化而总量守恒。 学情分析 学生此前已掌握功的概念、单位及做功的必要条件，具备控制变量法的实验基础。此阶段学生逻辑思维逐步发展，能通过生活实例感知能量存在，但对抽象能量概念的本质理解较薄弱，对实验现象的归纳总结能力有待提升。教材重难点是动能、重力势能、弹性势能的影响因素，以及动能与势能的转化规律，要求学生能通过实验探究总结规律，理解机械能守恒，并能结合生活实例分析能量转化。 教学重点 动能与重力势能的影响因素及转化过程分析。 教学难点 区分“做功本领”与“做功过程”、理解转化中能量形式变化而总量守恒。 教学 器材 质量不同的金属球、斜面、木块、质量不同的物体、小方桌、细沙、弹簧等。 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 在游乐园里，过山车从最高点俯冲而下时，速度越来越快；而跳楼机从高空坠落时，会让人感受到强烈的冲击力。这些惊险刺激的游乐设施背后，都隐藏着怎样的能量秘密？ 本节课我们将一起来探究这个问题。 思考并回答问题，进入情景。 学习新课 一、动能 1. 能量 【看一看 想一想】流动的空气可以推动风力发电机的叶片旋转、流动的河水可以使水车转动，运动的锤子可以将钉子砸入墙体中。在这些过程中，流动的空气与河水、运动的锤子都对物体做了功。 （1）能量概念： 一个物体能对另一个物体做功，就表明这个物体具有能量，简称能。 （2）能量的实质： 物体做功的过程就是能的转化过程。 物体做的功越多，说明某种能转化为别的形式的能就越多，就表示这个物体的能量越大。即能量是表示物体做功本领的物理量。 （3）能量的单位：焦耳（J）。 2. 动能 【看一看 想一想】运动的物体是否具有能？ 分析以下事例，看看运动的物体能否做功？ 台风刮跑物体、行驶的汽车、火箭升空 【分析】台风、汽车、火箭都在运动，都能够做功，所以具有能量。 【归纳】运动的物体具有能量。 物体由于运动而具有的能量叫做动能。 一切运动的物体都具有动能。例如，空中飞行的飞机、地上行驶的汽车、流动的河水等。 3. 演示实验——探究影响动能大小的因素 【提出问题】动能大小与哪些因素有关？ 【猜想与假设】动能大小可能与物体的运动速度有关。动能大小可能与物体的质量有关。 【实验器材】两个不同质量的钢球、斜面、小木盒等。 【实验方法】 （1）转换法：通过木块被撞击后移动的距离反映钢球动能大小。 （2）控制变量法：在研究动能与速度的关系时，控制钢球质量不变；在研究动能与质量的关系时，控制钢球速度不变。 【实验过程】 探究一：探究动能大小与速度的关系。 操作：让同一小球从斜面上不同高度由静止释放,观察并比较小球到达水平面时的速度以及小木盒被推动的距离。 分析论证：在质量相同时，钢球下落的高度越高，钢球达到斜面底端的速度越大，小木盒被撞击滑行的距离越远。 实验结论：钢球动能与速度有关，质量相同时，速度越大，动能越大。 探究二：探究动能大小与质量的关系。 操作：让质量不同的小球从斜面上相同高度由静止释放,观察并比较小球到达水平面时的速度以及小木盒被推动的距离。 分析论证：不同钢球从同一高度滚下，达到斜面底端时的速度相同，钢球质量越大，小木盒被撞击滑行的距离越远。 实验结论：钢球的动能与质量有关，速度相同时，质量越大，动能越大。 【实验结论】 物体的动能与物体的质量和速度有关。质量相同时，速度越大的物体具有的动能越大。速度相同时，质量越大的物体具有的动能越大。 4. 一些物体的动能大小 【播放视频】——《影响动能大小的因素》 【例题1】下列关于功和能的关系的说法中，正确的是（　　） A． 一个物体没有做功，它一定不具有能量 B． 一个物体能够做的功越多，其动能一定越大 C． 一个物体具有能量，说明它正在做功 D． 一个物体能够做功，说明它具有能量 【例题2】如图所示，农民赶着牛拉着铧犁在田里劳动，它们以相同速度向前行进，则其动能（　　） A．农民最大 B．铧犁最大 C．牛最大 D．一样大 【例题3】在探究“物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中。让同一小车从斜面的不同高度由静止释放，撞击斜面底端的木块，比较木块移动的距离，这是为了探究 对动能的影响；实验中若 木块质量较大，可能会导致 ，为了解决此问题，从实验操作方面提出一种改进的方法 。如图是某同学实验时的情景，请指出他操作中的错误是 。 知道能量的概念与单位，了解做功与能量的关系。 观看运动物体能够做功的例子，初步了解动能的概念。 会设计实验，知道实验器材；知道实验方法；能够得出正确结论。 通过老师的归纳总结，让学生进一步理解动能大小的影响因素。 观看视频，加深对探究过程的理解。 通过例题2练习，加深理解动能的概念及大小比较。 通过例题3练习，加深理解影响动能大小的因素。 学习新课 二、势能 1. 重力势能 【看一看 想一想】夯式打桩机的重锤由高处落下时能将下面放置的物体打入地里;高空坠物会对地面的车辆造成损害，长江三峡大坝使上游的水位比下游高出一百多米，从高处流下的江水可以冲击水轮机发电。 【分析】重锤、高空坠物和江水都做功，都具有能量。 【归纳】物体由于处于一定的高度所具有的能叫做重力势能。 2. 演示实验——探究影响重力势能大小的因素 【提出问题】重力势能大小与哪些因素有关？ 【猜想与假设】重力势能大小可能与物体的高度有关。重力势能大小可能与物体的质量有关。 【实验器材】两个不同质量的物体、细沙、小桌等。 【实验过程】 探究一：探究重力势能的大小与高度的关系 让同一物体分别从不同的高度由静止下落，观察桌腿在沙坑下陷的深度 分析论证：同一物体从不同高度的位置下落时，桌腿在沙坑下陷的深度不同；高度越高，桌腿在沙坑下陷的深度越大。 实验结论：质量相等的物体，位置越高，重力势能越大。 探究二：探究重力势能的大小与质量的关系 让质量不同的物体分别从同一高度由静止下落，观察桌腿在沙坑下陷的深度。 分析论证：质量不同的物体从同一高度下落时，质量越大，桌腿在沙坑下陷的深度越大。 实验结论：高度相同时，物体的质量越大，重力势能越大。 【实验结论】 物体的重力势能与物体的质量和它所在位置的高度有关。质量相同时，越高的物体具有的重力势能越大。高度相同时，质量越大的物体具有的重力势能越大。 【播放视频】——《影响重力势能大小的因素》 3. 弹性势能 【看一看 想一想】运动员在参加射箭比赛时，拉弯的弓为什么能将箭射出？蹦床比赛中，运动员为什么可以 “跳” 这么高？ 【分析】发生弹性形变的物体能对其他物体做功，表明它具有能量。 【归纳】 （1）概念：物体因发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能。 （2）影响弹性势能的因素： 在射箭时，弓张得越满，放手后，箭就射得越远；玩弹弓时，橡皮筋的弹性形变越大，“子弹”被弹射得越远。 这表明，物体的弹性形变越大，具有的弹性势能就越大；另外弹性势能大小还与物体的材料有关。 【播放视频】——《影响弹性势能大小的因素》 4.势能： （1）概念：人们将重力势能、弹性势能这类能统称为势能。 （2）单位： 动能、势能等各种能的单位与功的单位相同。在国际单位制中，功的单位是焦（J），能的单位也是焦（J）。 【例题4】近年来高空抛物造成伤人事故较多，如图所示，从物理的角度分析可知：停在高空中的物体具有 能，下落到地面上的物体 （填“能”或“不能”）做功。 【例题5】下列物体中不具有弹性势能的是（　　） A．形变的蹦床 B．拉开的弓 C．压弯的撑杆 D．自然长度的弹簧 【例题6】在“探究影响压力作用效果因素”与“探究影响重力势能大小因素”两个实验中，均可通过如图所示器材完成实验。以下关于两个实验的四个判断中错误的是（　　） A． 都选用大小不同的木块是为了改变相同的物理量 B． 都需要观察小桌陷入沙中的深度 C． 前者实验不需要将木块从小桌正上方一定高度自由释放 D． 后者实验中小桌不需要倒放 思考问题，引出重力势能的概念。 通过实验探究，理解影响重力势能大小的因素。 通过老师的归纳总结，让学生进一步理解重力势能大小的影响因素。 观看视频，加深对探究过程的理解。 通过观看老师的演示实验，理解了弹性势能的概念，了解影响弹性势能大小的因素。 观看视频，加深对探究过程的理解。 通过例题4、6练习，加深理解重力势能大小跟哪些因素有关。 通过例题5练习，加深理解弹性势能。 学习新课 三、机械能及其转化 1. 机械能 （1）概念：动能和势能（包括重力势能和弹性势能）统称为机械能。 （2）单位：焦耳（J）。 （3）大小：机械能等于动能、势能之和。 例如：一个空中飞行的物体具有100J的动能，若它的重力势能为50J，则它的机械能就为 。 2. 动能和势能的转化 【看一看 想一想】自由上升的篮球速度越来越慢，它减小的动能去哪了？下落的物体高度越来越低，它减小的重力势能去哪了？弯弓射箭，松手后弓弦恢复原状，它的弹性势能去哪了？ 【分析】原来，物体的动能和势能会相互转化。 （1）动能和重力势能的相互转化： 如图所示，将偏离了一定角度的摆球由静止释放，观察摆球速度随高度的变化情况，你可得出什么结论？ 实验结论：摆球下降的过程中，重力势能越来越小，动能越来越大，重力势能转化为动能。摆球上升的过程中，动能越来越小，重力势能越来越大，动能转化为重力势能。 也就是，单摆在摆动过程中，动能和重力势能可以相互转化。 （2）动能和弹性势能的相互转化： 如图，当钢球从高处滚下来，撞到弹簧上后会发生什么现象？这些过程中弹簧的能量是如何转化的？ 实验结论： 动能和弹性势能在一定条件下可以相互转化。 3. 机械能守恒 （1）规律：大量实验研究表明：物体的动能和势能是可以相互转化的。如果只有动能和势能相互转化，则机械能的总和不变，即机械能是守恒的。 （2）机械能守恒的条件： 忽略摩擦阻力造成的能量损失，并且只有动能和势能相互转化。机械能守恒是一种理想化的物理模型。 【做一做 想一想】从鼻尖释放的铁锁，会再次打到鼻尖吗？ 【分析】不会； 因为铁锁除了受到重力和拉力外还受空气阻力。铁锁在运动过程中会克服摩擦力做功，从而消耗 机械能，把机械能转化为内能，从而使机械能越来越小。 如果只有动能和势能相互转化，尽管动能、势能大小会变化，但机械能总和不变。 4.机械能转化的应用： （1）水力舂米机械--水碓： 它主要由大轮及安装在大轮轴上的彼此错开的拨板、若干根碓杆及其前端的石锤组成。工作时，水流推动大轮转动，带动轴上的拨板依次不断向下挤压碓杆，从而使石锤抬起，水的动能转化为石锤的重力势能，然后石锤落下，石锤的重力势能又转化为石锤的动能，石锤再对下面的米做功。 （2）抛掷装置： 把皮筋挂在离轴最远的挂钩上，皮筋弹性形变量最大，产生的弹性势能最大。当松开手指，皮筋的弹性势能减小，弹性势能转化为重物的动能，重物的动能增加，速度增大，会被抛得更远。 【例题7】雨滴在高空下落过程中，开始下落的一段时间速度越来越大，落到地面前一段时间匀速下落。若雨滴的质量不变，则它在空中下落的整个过程中（　　） A． 动能先增大后不变，重力势能保持不变 B． 动能先增大后不变，重力势能一直减小 C． 动能一直增大，但重力势能保持不变 D． 动能一直增大，重力势能一直减小 【例题8】将一支内有弹簧的圆珠笔向下按压，放手后笔会向上弹起一定高度。下列关于该过程中能量变化的叙述，其中正确的是（　　） A． 向下按笔的过程中，弹簧的弹性势能减小 B． 向下按笔的过程中，笔的重力势能增大 C． 笔向上弹起的过程中，笔的动能一直增大 D． 笔向上弹起的过程中，笔的重力势能增大 【例题9】 如图所示，小球从竖直光滑轨道最高点A由静止下滑，经过某一点B，到达轨道最低点C，再沿轨道上升并飞出，到达空中最高点D（D点未画出）后落地。下列说法错误的是（　　） A． 若考虑空气阻力，小球运动过程中机械能一直减小 B． 若考虑空气阻力，D点可能比B点高 C． 小球从A点运动到D点的过程中，重力一直对小球做功 D． 若不存在一切阻力，D点与A点等高 直接引入机械能的概念和单位。 通过演示实验，知道了单摆的动能与重力势能间的相互转化，并知道了机械能减少的原因。 通过小球压缩弹簧，知道了动能也可以转化为弹性势能。 通过老师提问，思考机械能损失的原因和机械能守恒的条件。 通过观看视频，知道了水能、风能在古代和现代的应用。 通过例题7、8讲解，加深理解动能、重力势能和弹性势能间的相互转化。 通过例题9，加深理解机械能守恒的条件。 课 堂 练 习 1．下列关于功和能的关系的说法中，正确的是（　　） A．一个物体没有做功，它一定不具有能量 B．一个物体能够做的功越多，其动能一定越大 C．一个物体具有能量，说明它正在做功 D．一个物体能够做功，说明它具有能量 2．一款农用喷药无人机正在匀速前行进行喷药作业，请判断它的动能将如何变化（     ） A．变大B．变小 C．不变D．无法判断 3．如图所示，在一根细绳一端拴一个小球，绳子的另一端固定在悬挂点O上，做成一个单摆。拉动小球到A处，松手后使它摆动起来，B点为摆动过程中的最低点，C为右侧最高点，不计空气阻力，则小球在摆动过程中，下列说法正确的是（     ） A．小球运动到最低处B时的动能最大 B．小球从B运动到C的过程中重力势能转化为动能 C．小球运动到右侧的最高点C比A点的位置高 D．小球在摆动过程中机械能不断的变化 4．在水平地面上铺一张纸，将一只皮球表面涂黑，使其先后从高处下落，下列说法正确的是（　　） A．皮球对纸的最大压力相等 B．皮球刚到达纸面时的速度相等 C．皮球刚到达纸面时的动能相等 D．皮球获得的最大弹性势能不等 5．载人飞船返回舱在接近地面时，缓冲发动机点火，进一步减少返回舱的速度，直至着陆，此过程中返回舱的动能___________，重力势能___________，机械能___________（均选填“增加”“减少”或“不变”）。 6．如图甲所示，常用的按钮式圆珠笔内有一个弹簧。如图乙所示，笔尖朝上，笔尾抵在桌面用力按下后放手，圆珠笔会弹起很高。图乙中，A为按下后放手的时刻，B为按下后弹簧恢复原长的时刻，C为向上运动到最高点的时刻，弹簧的弹性势能在____________（选填“A”“B”或“C”）时最大。圆珠笔在B→C过程，机械能转化的情况是____________能转化为____________能。 7．在“探究物体动能的大小与哪些因素有关”的实验中，让铁球从斜面上自由释放，撞击同一木块，能将木块撞出一段距离，如图1所示。请回答问题： (1)为了使同一铁球到达水平面时的速度不相等，应将铁球从斜面的不同高度自由释放，该实验可以探究的是铁球动能大小与_____________（质量/速度）的关系。 (2)如图2所示是高速公路上的限速牌，对不同车型的限速不一样，限制车速实际上是限制车的_____________（惯性/动能）。 (3)如图3所示，是“探究物体重力势能与哪些因素有关”的实验，其中m甲=m乙<m丙，甲、乙、丙都由静止释放：比较图3中A、B两木桩扎入沙坑的深度，可以得出结论：_____________。 (4)如图4所示，2只相同的小球以同样的速度v沿着与水平方向均成θ角斜向上抛出，甲图中斜面光滑且足够长，乙图中小球被直接抛向空中，不计空气阻力。甲、乙两图中，小球能到达的最高点离地高度分别为h1和h2（图中未画出）。则h1______________h2（选填“大于”、“等于”或“小于”）。 板 书 设 计 第1节 机械能 1.动能 · 定义：物体由于运动而具有的能 · 决定因素：质量越大、速度越大，动能越大 · 单位：焦耳(J) 2.重力势能 · 定义：被举高的物体具有的能 · 决定因素：质量越大、高度越高，重力势能越大 3.弹性势能 · 定义：发生弹性形变的物体具有的能 · 决定因素：形变越大，弹性势能越大 4.机械能 · 组成：动能、重力势能、弹性势能 · 转化规律：动能和势能可相互转化，机械能总量保持不变（机械能守恒） 课 堂 小 结 第1节 机械能 作 业 1. 完成课后作业：“自我检测”。 2. 配套同步分层作业。 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 $