4.2研究机械能守恒定律 教学设计

4.2研究机械能守恒定律

【教材分析】

机械能守恒定律一节的内容与本章的各节内容有紧密的逻辑关系，是全章知识链中重要的一环．机械能守恒定律的探究既建立在前面所学知识的基础上，又是普遍的能量守恒定律的一种特殊情况，教材开始通过“演示”小实验，联系第一节中追寻守恒量．通过多个具体实例，先猜测动能和势能的相互转化的关系，引出对机械能守恒定律及守恒条件的探究，联系重力势能和重力做功及弹性势能与弹力做功的关系的学习，由定性分析到定量计算，逐步深入，最后得出结论，并通过应用使学生领会机械能守恒定律在解决实际问题时的优越性。在教学设计时，要根据教材内在的逻辑关系和学生认知的发展规律来设计教学活动的基本流程，力求达到最优化的组合。

本设计力图通过生活实例和物理实验,展示相关情景，激发学生的求知欲，引出对机械能守恒定律的探究,体现从“生活走向物理”的理念,通过建立物理模型,由浅入深进行探究,让学生领会科学的研究方法,并通过规律应用巩固知识,体会物理规律对生活实践的作用。

【教学目的】

㈠知识与技能

1、知道什么是机械能，理解物体的动能和势能可以相互转化；

2、理解机械能守恒定律的内容和适用条件；

3、会判定具体问题中机械能是否守恒，能运用机械能守恒定律分析实

际问题。

㈡过程与方法

1、学习从物理现象分析、推导机械能守恒定律及适用条件的研究方法；

2、初步掌握运用能量转化和守恒来解释物理现象及分析问题的方法。

㈢情感、态度与价值观

体会科学探究中的守恒思想，养成探究自然规律的科学态度，领悟机械能守恒规律解决问题的优点，形成科学的价值观。

【教学重点】

1、机械能守恒定律的推导与建立，以及机械能守恒定律含义的理解；

2、机械能守恒定律的条件和机械能守恒定律的实际应用。 【教学难点】

1、机械能守恒的条件及对机械能守恒定律的理解。

2、正确分析物体系统内所具有的机械能，判断研究对象在所经历的过程中

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陕西府谷中学物理教研组资料——教学设计

机械能是否守恒。 【教学器材】

钢球、细线、小球、钉子，铁架台、弹簧振子,气垫导轨等。

【教学过程】

(一)引入新课(5分钟)

结合复习引入新课。

1、提出课题—机械能守恒定律。（板书）

2、力做功的过程也是能量从一种形式转化为另一种形式的过程，物体的动能和势能总和称为机械能，例举：通过重力或弹力做功，动能与势能相互转化。（展示图片和视频）

瀑布： 重力势能 动能

荡秋千： 动能 重力势能

动能 重力势能 过山车： 动能

撑杆跳高 弹性势能、重力势能 动能 动能

„„

分析上述各个过程中能量转换及重力、弹力做功的情况。（学生回答后教师点评补充）

(二)教学过程设计（30分钟） 1、探寻守恒量：

[问题]伽利略的理想实验的内容？（从力的角度）

内容：如图所示，让小球从斜面１由静止开始滚下，小球将滚上斜面２，如果没有摩擦，小球将滚到与斜面１等高的地方。

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解释：当小球在斜面1上向下滚时，重力沿斜面向下的分力使小球做加速运动，小球的速度越来越大；当小球滚上斜面2时，重力沿斜面向下的分力使小球做减速运动，小球的速度越来越小。但从动力学的角度不能解释小球为什么会到达与斜面1上等高的地方，不会高也不会低。事实上，这一特点说明小球在运动的过程中，有一个量是不变的，即守恒的。这个量就是能量。 分析：物体运动过程中，随动能增大，物体的势能减小；反之，随动能减小，物体的势能增大，机械能不变。

2、探究规律，并找出机械能不变的条件

提出研究方法：在探究物理规律时，应该是由简单到复杂，逐步深入，先对简单的物理现象进行探究，然后加以推广深化。在动能与势能转化的情景中，自由落体（只受重力）应该是比较简单的。

⑴只受重力作用分析

引导学生自主探究，如图所示，小球下落过程中经过高度h1的A点速度v1，经高度h2的B点时速度为v2，由同学用学习过的知识（牛顿定律或动能定理），分析下落过程中A、B两位置的机械能之间的数量关系。

A点到B点，WG12mv2212mv12 由重力做功和重力势能变化的关系，得：

WGmgh1mgh2EP1EP2

由上二式，得：

Ek2Ek1EP1EP2 ① 移项后，得：

EP1Ek1EP2Ek2

②

即 E1E2

引导学生讨论表达式①的含义是什么？表达式②的含义又是什么？ 在表达式①中左边是物体动能的增加量，右边是物体重力势能减少量，该表达式说明：物体在下落过程中，重力做了多少正功，物体的重力势能就减小多少，同时物体的动能就增加多少。

在表达式②中，左边是物体在末位置时的机械能，右边是物体在初位置时的机械能，该式表示：动能和势能之和即总的机械能保持不变。

⑵只有重力做功分析

上述结论是在运动过程只受重力作用时候得到的，如果物体是沿光滑斜面下滑，上述结论成立吗？（由同学推导，分析）

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沿光滑斜面下滑过程中，斜面的弹力不做功，由动能定理分析，通过重力做功，使重力势能转化为动能，总的机械能保持不变。

如果物体沿光滑曲面滑下，怎么分析？

由学生通过重力势能的分析中将曲面看成无数个小斜面的处理方法，得出结论。

小结：在只有重力做功的情形下，不论物体做直线运动还是曲线运动，总的机械能保持不变。进一步分析课本上的“例题”，摆球摆动过程受重力与细线拉力，两拉力方向始终与运动方向垂直，不做功，则上式推导过程及结论都相同。

⑶分析守恒条件

分析讨论：泡沫球实验和黑板倾斜后球不能摆到等高处的原因。

泡沫球受到的阻力不能忽略，前面的推导过程中WWGWF，

EP1EK1EP2EK2，

从能量转化角度看，有机械能转化为热能，所以机械能将不断减少。通过实验和理论推导的证明：只有重力做功时，物体系统内的机械能守恒。（此处应说明：重力势能是物体和地球组成的系统具有的）

如图所示,在竖直向下方向运动的小球,受重力和外力作用下, 小球下落过程中经过高度h1的A点速度v1，经高度h2的B点时速度为v2，由同学用学习过的知识（牛顿定律或动能定理），

A点到B点，对物体根据动能定理,得:

WGWF12mv2212mv12 由重力做功和重力势能变化的关系，得：

WGmgh1mgh2EP1EP2

由上二式,得

WG(EP2EK2)(EP1EK1)

除重力和弹力做功的物体系统内,做功是物体机械能的变化. ⑷只有弹力做功分析 提出问题：势能包括重力势能和弹性势能，只有弹力做功时，机械能与守恒吗？ 实验4：气垫导轨上的水平弹簧振子，观察振动过程。

由同学讨论振动过程的能量转化和实验结论，结合前

N 面已经探究过的弹力做功与弹性势能的关系，类比重力做

F 功，进行分析。

WFEK2EK1

G 又 WFEP1EP2EK2EK1

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则 EP1EK1EP2EK2

结论：只有弹力做功时，系统机械能守恒. ⑸只有重力和弹力做功的物体系统内分析

实验5：竖直弹簧振子的振动，观察现象，作出分析。共同分析，得出结论（板书）：

⑹分析守恒条件，归纳结论

在只有重力和弹力做功的物体系统内，动能和势能可以互相转化，而总的机械能保持不变

⑺引导学生分析结论，加深理解

“在只有重力或弹力做功的物体系统内”是机械能守恒的条件 “而总的机械能保持不变”是结论

“动能和势能可以互相转化”是系统内重力或弹力做功的结果。从能量转化角度看，机械能守恒定律是普遍的能量守恒定律的一种特殊情况。

条件：只有重力或弹力做功的物体系统内。

公式：EP1EK1EP2EK2（E1E2）（板书）

（三）、巩固应用(8分钟)

指导学生对规律探究过程进行归纳小结，然后针对性地加以巩固应用。

例1：分析下列情况下机械能是否守恒？

A．跳伞运动员从空中匀速下落过程 B．物体以8m/s2在空中下落过程 C．物体作平抛运动过程

D．物体在细线拉力作用下沿光滑斜面上滑过程

例2：下列情况中，物体的机械能有可能不变的是

A．物体所受合外力为零，重力对物体做正功 B．物体所受合外力为零，重力对物体做负功 C．物体以5m/s2的加速度做直线运动

D．物体以不变的速率在竖直平面内做曲线运动

通过以上两例具体问题，巩固对机械能守恒条件的理解和掌握。例1中D选项用意是让

学生清楚应该是系统内弹力做功机械能才守恒。例2各选项的目的是让学生能联系各种实际的运动情景进行分析。

例3：把一个小球用细绳悬挂起来，就成为一个摆（如图），摆长为l ,最大偏角为θ。小球运动到最低位置时的速度是多大？ l 第5页

A

O

C

陕西府谷中学物理教研组资料——教学设计

分析：这个问题直接用牛顿第二定律和运动学的公式来处理，需要用高等数学。通过前面的分析，我们知道小球在摆动过程中机械能守恒，可以用机械能守恒定律求解。 解：（略）

（对学生的回答进行评价、修正，让学生认识到，物体重力势能大小与所选取的参考平面（零势面）有关；而重力势能的变化量是与所选取的参考平面无关的。在讨论物体系统的机械能时，应先确定参考平面。） 在应用的基础上，归纳使用机械能守恒定律解题的一般步骤： １、 受力分析；

２、 判断是否符合机械能守恒定律的条件——只有重力或弹力做功物体系

统内； 3、列出初、末两个状态的机械能（E1、E2）； 4、根据机械能守恒定律列出等式求解； 5、讨论最后结果的物理意义。 (四)课堂小结（2分钟）

研究对象：物体与地球组成的系统（或物体与弹簧组成的系统） 机械能守恒定律内容：在只有重力和弹簧弹力对物体做功的情况下，物体的动能和势能可以相互转化，物体机械能总量保持不变。 表达式：E2=E1或△Ek=-△Ep。

（五）教学设计说明

（1）本节课按照“情景——探究一一应用”的模式展开，具体做法是：引

导和提出要探究的问题后，先让学生做出猜测，之后通过演示实验进

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使用条件（判断方法）：①只受重力或弹力； ②除重力或弹力外，其它力不做功； ③除重力或弹力外，其它力做功的代数和为零。 陕西府谷中学物理教研组资料——教学设计

行检验，在实验数据分析的基础上，再让学生进一步做出推测，最后对所涉及的实例进行综合分析得出机械能守恒定律。

（2）本节课充分尊重学生学习概念的过程，即以归纳、概括为主的思维过

程。它不是机械地重复历史中的“原始创造”，而是根据学生自己的体验，用他们自己的思维方式，重新建构有关物理知识，即学生的“再创造”过程。 （3）本节课充分重视实验的作用，以加强学生的体验，从而帮助学生自主建构知识。

（4）本节课充分理顺知识逻辑关系，为学生的学习铺设台阶。

（5）本节课注重体现三维教学目标．除上述提到的知识、过程外，本节课

还努力潜移默化地渗透情感态度与价值观的教育。 （六）板书设计

一、机械能：物体的动能和势能之和称为物体的机械能。

EEKEP

二、物体的动能和势能可以相互转化。 三、机械能守恒定律

1.内容： 在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和弹性势能 可以相

互转化，而总的机械能保持不变。 2.表达式： E1E2

或 EP1EK1EP2EK2

或 EK-EP（动能的增加等于势能的减少） 3、守恒条件：a、只有重力或系统内弹簧弹力做功，其它力不做功（或其它力合力所做功为零）

b、只发生动能和势能间的相互转化。

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