2.3机械能守恒定律及其应用（1）（教案）-高教版第三版《物理（通用类）》【上好课】

高教版第三版《物理（通用类）》 主题二 功和能 2.3 机械能守恒定律及其应用（1） 授课班级 授课类型 新授课 授课教师 教学时长 1课时（45分钟） 教材分析 本课对应主题二《功和能》第三节教材第76—80页，承接动能和动能定理，围绕物体因位置或弹性形变而具有的能量展开。教材由三峡水电站和打夯机情境提出问题，通过砝码下落压小铁桌的比较实验研究重力势能与物体重力、高度的关系，再建立重力势能表达式和零势能面概念，最后由发条、弹簧、弓、球拍和跳竿等实例认识弹性势能，归纳机械能的组成，为继续研究机械能的转化规律奠定概念基础。 学情分析 学生已掌握功、动能及动能定理，能够进行简单代数计算，并对高处物体下落、弹簧和弓的做功能力有生活经验。但他们容易忽略零势能面的选择，把高度一律取正，也容易混淆一般形变与弹性形变，或把不同物体的能量混在一起。教学中通过教材实验数据比较、参考面互检和能量清单，引导学生先确定研究对象和参考面，再列式计算。 教学目标 1.说出重力势能、零势能面、弹性势能和机械能的含义，写出重力势能的表达式，说明标矢性、单位和影响因素。 2.能分析教材沙箱实验的控制量、改变量和观察指标，能选择零势能面并计算正、负重力势能，能计算物体某一时刻的机械能。 3.能从三峡水电站、打夯机和弹性物体实例中识别能量形式，依据实验现象和公式作出有证据的判断，形成规范选择参考面和明确研究对象的习惯。 教学重难点 重点：重力势能的定义、影响因素、表达式和零势能面；弹性势能与机械能的概念。 难点：理解重力势能的相对性和正负号；从控制变量实验中建立质量、高度与重力势能的关系；区分研究对象的动能、重力势能和弹性势能。 教学方法 教材情境导入、实验观察与比较、控制变量分析、公式结构讲解、零势能面互检、能量清单、即时练习、同伴交流和归纳总结。 课前准备 教师准备：教材、演示课件。 学生准备：教材、笔记本。 教学环节设计 教学环节 教学内容 设计意图 教学导入 【复习】动能是物体由于运动而具有的能量，合外力做功可以改变物体的动能。除运动状态外，物体的位置或形变能否使它具有做功的本领？ 【教材情境】三峡水电站正常蓄水位为175 m，总库容为，总装机容量为，年发电量约为。 【问题】三峡水电站为什么会有如此巨大的发电量？被蓄积在高处的水具有什么能量？ 学生观察三峡水库和水轮发电机组情境，联系高处水体下落时能够推动水轮机做功，提出“能量与位置有关”的猜想。 【教师归纳】物体因位置或弹性形变可以具有势能；本课将研究重力势能、弹性势能及机械能的构成。 用三峡水电站数据和高处水体做功现象建立认知冲突，引导学生从动能自然过渡到与位置、形变有关的势能。 新知讲授 一、重力势能及其影响因素 【教材定义】在物理学中，地球表面附近的物体由于被举高而具有的能量，称为重力势能。 【教材案例】建筑工地的打夯机将重锤高高吊起后释放，重锤下落能把地基夯实。重锤的重力势能大小与哪些因素有关？ 【教材探究】在沙箱中放置小铁桌和直尺，让砝码从小铁桌正上方由静止下落，以小铁桌压入沙中的位移比较砝码做功的多少和下落前重力势能的大小。 【实验记录】0.1 kg砝码从20 cm、40 cm处下落时分别记录位移、；0.2 kg砝码从20 cm处下落时记录位移。 【实验结论】质量相同时，初始高度越高，小铁桌位移越大，重力势能越大；初始高度相同时，砝码质量越大，小铁桌位移越大，重力势能越大。 【实验方法】以做功效果比较重力势能大小，采用比较法；每次只改变质量或高度，采用控制变量法。 【教师归纳】重力势能反映被举高物体的做功能力，研究其影响因素要明确控制量、改变量和比较指标。 【即时练习1·教材实验】同一0.1 kg砝码分别从20 cm和40 cm处下落，位移与的大小关系怎样？说明什么？ 答案：；质量相同时，初始高度越高，砝码的重力势能越大。 解析：两次实验只改变高度，用小铁桌位移比较做功效果；40 cm处下落时做功效果更明显。 【即时练习2·教材实验】0.1 kg和0.2 kg砝码都从20 cm处下落，位移与的大小关系怎样？说明什么？ 答案：；高度相同时，质量越大，砝码的重力势能越大。 解析：两次实验保持高度不变，只改变质量；0.2 kg砝码使小铁桌下移更多。 二、重力势能的表达式与零势能面 【教材结论】质量为m的物体由静止开始竖直下落高度h，重力所做的功为。 【教材结论】物理学中，把mgh作为物体在高度为h处的重力势能，用表示。 【公式】；m为质量，g为重力加速度，h为物体相对零势能面的高度。 【规范结论】重力势能是标量，国际单位制单位是J（焦）；物体的重力势能与物体的重力和高度都成正比。 【教材定义】物体的高度总是相对于某一水平面来说的，这个水平面称为零势能面；零势能面上物体的重力势能为0。 【零势能面】零势能面的选择是任意的，通常为研究方便选地面。零势能面以上重力势能为正值，以下为负值；负值表示该位置的重力势能比零势能面处小。 【教师原创例题】质量为50 kg的重物从地面提升到6 m高处，取地面为零势能面，重力加速度取10 N/kg，求重物增加的重力势能。 答案：。 解析：地面为零势能面，初重力势能为0；代入重力势能公式，增加量为3000 J。 【即时练习3·教师原创】质量为2 kg的零件位于零势能面上方5 m处，重力加速度取10 N/kg，求其重力势能。 答案：。 解析：高度相对所选零势能面为正5 m，直接代入重力势能公式。 【即时练习4·教师原创】质量为3 kg的物体位于所选零势能面下方2 m处，重力加速度取10 N/kg，求其重力势能并说明负号的含义。 答案：；负号表示该位置的重力势能比零势能面处小60 J。 解析：零势能面下方的相对高度为负值；负号表示相对关系，不表示物体没有重力势能。 【教师归纳】计算重力势能前先确定零势能面和相对高度的正负，再统一质量、高度和重力加速度的单位。 三、弹性势能与机械能 【教材定义】物体由于弹性形变而具有的能量，称为弹性势能。 【教材案例】卷紧的发条、拉伸或压缩的弹簧、拉开的弓、正在击球的球拍和弯曲的跳竿都因发生弹性形变而具有做功的本领。 【教材结论】弹性势能与形变的大小等因素有关；同一弹性物体在弹性限度内，形变越明显，弹性势能通常越大。 【教材定义】动能和势能（包括重力势能和弹性势能）统称为机械能。 【组成关系】；判断某一时刻的机械能，要识别物体的动能和势能。 【问题】压缩的弹簧释放后推动滑块运动。释放前弹簧具有什么能量？滑块运动后具有什么能量？ 【即时练习5·教材概念改编】拉开的弓和尚未形变的同一把弓相比，哪一种状态的弹性势能较大？判断依据是什么？ 答案：拉开的弓弹性势能较大；它发生了更明显的弹性形变，具有更强的做功能力。 解析：弹性势能与形变大小等因素有关，判断时要先确认物体是否发生弹性形变。 【即时练习6·教师原创】质量为2 kg的包裹以3 m/s运动，同时位于地面上方4 m处。取地面为零势能面，重力加速度取10 N/kg，求此时包裹的动能、重力势能和机械能。 答案：；；。 解析：先分别计算动能和重力势能，再按机械能由动能与势能共同构成求和；这里只求该时刻的机械能。 【教师归纳】势能包括重力势能和弹性势能，机械能由动能和势能共同构成；判断前先明确研究对象、位置和形变状态。 按定义—教材实验—表达式—参考面—弹性势能—机械能递进，使概念、证据、计算和能量分类形成连续学习链。 课堂背诵 1.请完整说出重力势能的定义，并说出影响其大小的两个主要因素。 答案：地球表面附近的物体由于被举高而具有的能量称为重力势能；其大小与物体的重力和高度有关。 2.请写出重力势能的表达式，并说明各物理量和单位。 答案：；m为质量，g为重力加速度，h为相对零势能面的高度，重力势能的单位是J。 3.填空：物体高度所相对的水平面称为______；其选择是______的，通常选______为零势能面。 答案：零势能面；任意；地面。 4.请完整说出弹性势能的定义，并举出一个具有弹性势能的物体。 答案：物体由于弹性形变而具有的能量称为弹性势能；示例：压缩的弹簧、拉开的弓或卷紧的发条。 5.填空：______和______统称为机械能；势能包括______和______。 答案：动能；势能；重力势能；弹性势能。 用填空和提问回收定义、公式、单位、参考面与机械能组成，训练学生准确复述并纠正只记公式不辨条件的问题。 师生互动 【任务一：实验数据会诊】比较教材实验中的、、，分别说明控制量、改变量、观察指标和结论。 答案：前两次保持质量不变、改变高度；第一次与第三次保持高度不变、改变质量；以小铁桌下移量比较。结论：质量越大或高度越高，重力势能越大。 【教师归纳】完整实验结论必须同时包含控制变量、改变变量、可观察指标和重力势能的比较结果；表述时要说明谁不变、谁改变、观察什么和得到什么结论。 【任务二：零势能面互检】同一物体分别以地面和平台为零势能面，重力势能数值是否相同？运动过程是否改变？ 答案：重力势能数值和正负可能不同；零势能面的选择只改变重力势能的参考值，不改变物体的位置和实际运动过程。 【教师归纳】重力势能具有相对性，解题时必须先说明零势能面；负值表示比参考面处小。 【任务三：能量清单】压缩弹簧推动位于高台上的滑块运动，请分别指出弹簧和滑块可能具有的机械能形式。 答案：压缩弹簧具有弹性势能；运动滑块具有动能，位于高台时还具有重力势能。 【教师归纳】机械能清单要围绕研究对象逐项判断运动、位置和弹性形变，不能把不同物体的能量混为一项。 通过实验数据、零势能面和能量清单三项互检任务，让学生以变量、参考值和研究对象为依据进行解释与交流。 课堂练习 1.关于重力势能，下列说法正确的是（　　）。 A．物体只要有质量就一定具有相同的重力势能 B．零势能面的选择是任意的，可根据研究方便确定 C．位于零势能面下方的物体没有重力势能 D．重力势能有大小和方向，是矢量 答案：B。 解析：重力势能与所选零势能面有关，是标量；零势能面下方的重力势能可为负值。 2.填空：重力势能的符号、表达式、单位依次为____、____、____。 答案：；；J（焦）。 解析：表达式中的高度必须是相对所选零势能面的高度。 3.质量为5 kg的工具箱在地面上方4 m，取地面为零势能面，重力加速度取10 N/kg，求其重力势能。 答案：。 解析：工具箱在零势能面上方，高度取正4 m，代入公式即可。 4.质量为3 kg的物体在零势能面下方1.5 m，重力加速度取10 N/kg，求其重力势能。 答案：。 解析：相对高度取负值；结果表示该位置比零势能面处少45 J。 5.关于弹性势能和机械能，下列说法正确的是（　　）。 A．运动的物体只具有重力势能 B．压缩的弹簧具有弹性势能 C．机械能只包括动能和重力势能 D．物体发生任何形变都一定具有弹性势能 答案：B。 解析：机械能包括动能和势能，势能还包括弹性势能；只有弹性形变对应弹性势能。 6.质量为4 kg的搬运件以5 m/s运动，同时位于地面上方2 m处。取地面为零势能面，重力加速度取10 N/kg，求该时刻搬运件的动能、重力势能和机械能。 答案：；；。 解析：先分别计算该时刻的动能和重力势能，再把两者相加得到机械能；每一步均保留单位。 由概念辨析递进到正负重力势能和机械能计算，检验学生选择参考面、识别能量形式及规范列式的能力。 课堂小结 【教师提问】什么是重力势能，它的大小与哪些因素有关？ 【教师归纳】地球表面附近的物体由于被举高而具有重力势能；其大小与物体的重力和高度有关。 【教师提问】重力势能怎样计算？ 【教师归纳】，重力势能是标量，单位为J。 【教师提问】选择零势能面时要注意什么？ 【教师归纳】零势能面可任意选择；上方高度取正、下方高度取负，负的重力势能表示比参考面处小。 【教师提问】什么是弹性势能？ 【教师归纳】物体由于弹性形变而具有弹性势能，其大小与形变大小等因素有关。 【教师提问】机械能由哪些能量构成？ 【教师归纳】动能和势能统称机械能；势能包括重力势能和弹性势能，判断时要明确研究对象的运动、位置和形变。 用提问—归纳串联影响因素、表达式、零势能面、弹性势能和机械能组成，形成可迁移的概念网络。 作业布置 1．复习本节课的知识点； 2．完成课后练习； 3．整理笔记和易错题。 教学反思 ①本课目标达成和学生参与情况：多数学生能根据沙箱实验说明质量、高度与重力势能的关系，能写出重力势能表达式，并能辨认弹性势能和机械能的组成。 ②典型问题：部分学生忽略零势能面的选择，机械地把高度都取正；少数学生把一般形变当成弹性形变，或把机械能误认为只有动能和重力势能。 ③问题原因分析：学生对能量参考值的相对性经验不足，容易只记公式不先确定参考面；对研究对象和弹性形变条件的辨识不够细致。 ④下一课时具体改进措施：先用同一物体选择不同零势能面的对比题复习，再通过摆球过程逐点标注动能和重力势能变化，引导学生用做功条件建立机械能守恒规律。 学科网（北京）股份有限公司 $