2019-2020年高中物理《能量守恒定律》教案1 魯科版必修2.doc

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2019-2020年高中物理《能量守恒定律》教案1 魯科版必修2 本節(jié)課的設(shè)計，教材繼續(xù)沿用了前幾節(jié)的課程模式，先由生活中的實例引出研究問題，然后用實驗加以證實，讓學生接受這個物理事實.接著再從理論上推導、證明，從而得出結(jié)論. 這節(jié)課教材是從生活中騎自行車上坡的實例入手，引出動能和重力勢能在此過程中是在相互轉(zhuǎn)化的.接著通過實驗來證實這個轉(zhuǎn)化過程中的守恒結(jié)論.最后提出了自然界中最普遍、最基本的規(guī)律之一能量轉(zhuǎn)化和守恒定律. 機械能守恒定律是能量守恒定律的一個特例，要使學生對定律的得出、含義、適用條件有一個明確的認識，這是能夠用該定律解決力學問題的基礎(chǔ). 各種不同形式的能相互轉(zhuǎn)化和守恒的規(guī)律，貫穿在整個物理學中，是物理學的基本規(guī)律之一.能量守恒定律是學習各種不同形式的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的起點，也是運動學和動力學知識的進一步綜合和展開的重要基礎(chǔ).所以這一節(jié)知識是本章重要的一節(jié). 機械能守恒定律是本章教學的重點內(nèi)容，本節(jié)教學的重點是使學生掌握物體系統(tǒng)機械能守恒的條件；能夠正確分析物體系統(tǒng)所具有的機械能. 分析物體系統(tǒng)所具有的機械能，尤其是分析、判斷物體所具有的重力勢能，是本節(jié)學習的難點之一.在教學中應(yīng)讓學生認識到，物體重力勢能大小與所選取的參考平面（零勢面）有關(guān)；而重力勢能的變化量是與所選取的參考平面無關(guān)的.在討論物體系統(tǒng)的機械能時，應(yīng)先確定參考平面. 教學重點1.理解機械能守恒定律的內(nèi)容； 2.在具體的問題中能判定機械能是否守恒，并能列出定律的數(shù)學表達式； 3.理解能量轉(zhuǎn)化和守恒定律. 教學難點1.從能的轉(zhuǎn)化和功能關(guān)系出發(fā)理解機械能守恒的條件； 2.能正確判斷研究對象在所經(jīng)歷的過程中機械能是否守恒. 教具準備自制投影片、CAI課件、重物、電磁打點計時器以及紙帶、復寫紙片、低壓電源及兩根導線、鐵架臺和鐵夾、刻度尺、小夾子. 課時安排1課時 三維目標 一、知識與技能 1.知道什么是機械能，知道物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化； 2.理解機械能守恒定律的內(nèi)容； 3.在具體問題中，能判定機械能是否守恒，并能列出機械能守恒的方程式； 4.理解能量守恒定律，能列舉、分析生活中能量轉(zhuǎn)化和守恒的例子. 二、過程與方法 1.初步學會從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點解釋現(xiàn)象、分析問題； 2.通過用紙帶與打點計時器來驗證機械能守恒定律，體驗驗證過程和物理學的研究方法. 三、情感態(tài)度與價值觀 1.通過能量守恒的教學，使學生樹立科學觀點，理解和運用自然規(guī)律，并用來解決實際問題； 2.通過實驗驗證，體會學習的快樂，激發(fā)學習的興趣；通過親身實踐，樹立“實踐是檢驗真理的唯一標準”的科學觀.培養(yǎng)學生的觀察和實踐能力，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度. 教學過程 導入新課 ［實驗演示］ 動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化 教師活動：演示實驗1：如下圖，用細線、小球、帶有標尺的鐵架臺等做實驗. 把一個小球用細線懸掛起來，把小球拉到一定高度的A點，然后放開，小球在擺動過程中，重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化.我們看到，小球可以擺到跟A點等高的C點，如圖甲. 如果用尺子在某一點擋住細線，小球雖然不能擺到C點，但擺到另一側(cè)時，也能達到跟A點相同的高度，如圖乙. 問題：這個小實驗中，小球的受力情況如何？各個力的做功情況如何？這個小實驗說明了什么？ 學生活動：觀察演示實驗，思考問題，選出代表發(fā)表見解. 小球在擺動過程中受重力和繩的拉力作用.拉力和速度方向總垂直，對小球不做功；只有重力對小球做功. 實驗表明，小球在擺動過程中重力勢能和動能在不斷轉(zhuǎn)化.在擺動過程中，小球總能回到原來的高度.可見，重力勢能和動能的總和，即機械能應(yīng)該保持不變. 教師活動：演示實驗2：如圖，水平方向的彈簧振子. 用彈簧振子演示動能和彈性勢能的相互轉(zhuǎn)化. 問題：這個實驗中，小球的受力情況如何？各個力的做功情況如何？這個實驗說明了什么？ 學生活動：觀察演示實驗，思考問題，選出代表發(fā)表見解. 小球在往復運動過程中，豎直方向上受重力和桿的支持力作用，水平方向上受彈力作用.重力、支持力和速度方向總垂直，對小球不做功；只有彈簧的彈力對小球做功. 實驗表明，小球在往復運動過程中彈性勢能和動能在不斷轉(zhuǎn)化.小球在往復運動過程中總能回到原來的位置，可見，彈性勢能和動能的總和，即機械能應(yīng)該保持不變. 教師活動：總結(jié)、過渡： 通過上述分析，我們得到動能和勢能之間可以相互轉(zhuǎn)化，那么在動能和勢能的轉(zhuǎn)化過程中，動能和勢能的和是否真的保持不變？下面我們就用實驗來探索這個問題. 推進新課 一、機械能的轉(zhuǎn)化和守恒的實驗探索 在學生開始做實驗之前，老師應(yīng)強調(diào)如下幾個問題： 1.該實驗中選取被打點紙帶應(yīng)注意兩點：一是第一點O為計時起點，O點的速度應(yīng)為零.怎樣判別呢？ 2.是否需要測量重物的質(zhì)量？ 3.在架設(shè)打點計時器時應(yīng)注意什么？為什么？ 4.實驗時，接通電源和釋放紙帶的順序怎樣？為什么？ 5.測量下落高度時，某同學認為都必須從起始點算起，不能弄錯.他的看法正確嗎？為了減小測量 h值的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點適當遠些好，還是近些好？ 學生活動：思考老師的問題，討論、交流，選出代表發(fā)表見解. 1.因為打點計時器每隔0.02 s打點一次，在最初的0.02 s內(nèi)物體下落距離應(yīng)為0.002 m，所以應(yīng)從幾條紙帶中選擇第一、二兩點間距離接近2 mm的紙帶進行測量；二是在紙帶上所選的點就是連續(xù)相鄰的點，每相鄰兩點時間間隔t=0.02 s. 2.因為不需要知道物體在某點動能和勢能的具體數(shù)值，所以不必測量物體的質(zhì)量 m，而只需驗證就行了. 3.打點計時器要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi)，以盡量減少重物帶著紙帶下落時所受到的阻力作用. 4.必須先接通電源，讓打點計時器正常工作后才能松開紙帶讓重物下落. 5.這個同學的看法是正確的.為了減小測量 h值的相對誤差，選取的各個計數(shù)點要離起始點適當遠些好. 教師活動：聽取學生匯報，點評，幫助學生解決困難. 學生活動：學生進行分組實驗. 數(shù)據(jù)處理： 明確本實驗中要解決的問題即研究動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化與守恒.　　 在右圖中，質(zhì)量為m的物體從O點自由下落，以地面作零勢能面，下落過程中任意兩點A和B的機械能分別為： , 如果忽略空氣阻力，物體下落過程中如果動能的改變量等于勢能的改變量，于是有 Ea=Eb,即 上式亦可寫成 該式左邊表示物體由A到B過程中動能的增加，右邊表示物體由A到B過程中重力勢能的減少. 如果實驗證明等式成立,說明物體重力勢能的減少等于動能的增加.為了方便，可以直接從開始下落的O點至任意一點（上圖中A點）來進行研究，這時應(yīng)有：.式中h是物體從O點下落至A點的高度，vA是物體在A點的瞬時速度. 1.如何求出A點的瞬時速度vA？ 根據(jù)做勻加速運動的物體在某一段時間t內(nèi)的平均速度等于該時間中間時刻的瞬時速度可求出A點的瞬時速度vA. 右圖是豎直紙帶由下而上實際打點后的情況.從O點開始依次取點1、2、3……圖中s1、s2、s3……分別為0～2點，1～3點，2～4點……各段間的距離.根據(jù)公式，t=20.02 s（紙帶上任意兩個相鄰的點間所表示的時間都是0.02 s），可求出各段的平均速度.這些平均速度就等于1、2、3……各點相對應(yīng)的瞬時速度v1、v2、v3……例如： 量出0～2點間距離s1，則在這段時間里的平均速度，這就是點1處的瞬時速度v1,以此類推可求出點2、3……處的瞬時速度v2、v3…… 2.如何確定重物下落的高度？ 上圖中h1、h2、h3……分別為紙帶從O點下落的高度. 根據(jù)以上數(shù)值可以計算出任意點的重力勢能和動能，從而驗證動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化和守恒. 二、機械能守恒定律 機械能守恒定律的推導： 教師活動：［多媒體展示下列物理情景］ 在自由落體運動中機械能守恒 一個質(zhì)量為m的物體自由下落，經(jīng)過高度為h1的A點（初位置）時速度為v1，下落到高度為h2的B點（末位置）時速度為v2. 學生活動：思考并證明 如右圖所示，設(shè)一個質(zhì)量為m的物體自由下落，經(jīng)過高度為h1的A點（初位置）時速度為v1，下落到高度為h2的B點（末位置）時速度為v2.在自由落體運動中，物體只受重力G=mg的作用，重力做正功.設(shè)重力所做的功為WG，則由動能定理可得 ① 上式表示，重力所做的功等于動能的增量. 另一方面，由重力做功與重力勢能的關(guān)系知道， WG＝mgh1-mgh2② 上式表示，重力所做的功等于重力勢能的減少. 由①式和②式可得 .③ 小結(jié)：在自由落體運動中，重力做了多少功，就有多少重力勢能轉(zhuǎn)化為等量的動能，移項后可得 或者Ek1+Ep1=Ek2+Ep2④ 上式表示，在自由落體運動中，動能和重力勢能之和即總的機械能保持不變. 【教師精講】 上述結(jié)論不僅對自由落體運動是正確的，可以證明，在只有重力做功的情形下，不論物體做直線運動還是曲線運動，上述結(jié)論都是正確的. 所謂只有重力做功，是指：物體只受重力，不受其他的力，如自由落體運動和其他方向運動；或者除重力外還受其他的力，但其他力不做功，如物體沿光滑斜面的運動. 在只有重力做功的情形下，物體的動能和重力勢能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但機械能的總量保持不變. 這個結(jié)論叫做機械能守恒定律，它是力學中的一條重要定律，是更普遍的能量守恒定律的一種特殊情況. 不僅重力勢能和動能可以相互轉(zhuǎn)化，彈性勢能和動能也可以相互轉(zhuǎn)化.放開被壓縮的彈簧，可以把跟它接觸的小球彈出去，這時彈簧的彈力做功，彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為小球的動能.在彈性勢能和動能的相互轉(zhuǎn)化中，如果只有彈力做功，動能和彈性勢能之和保持不變，即機械能守恒. 【方法引導】 解決某些力學問題，從能量的觀點來分析，應(yīng)用機械能守恒定律求解，往往比較方便.應(yīng)用機械能守恒定律解決力學問題，要分析物體的受力情況.在動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化中，如果只有重力做功，就可以應(yīng)用機械能守恒定律求解. 【例題剖析】 （一）機械能守恒條件的判斷 ［例1］下列關(guān)于機械能是否守恒的敘述正確的是（　　） A.做勻速直線運動的物體機械能一定守恒 B.做勻變速直線運動的物體的機械能可能守恒 C.合外力對物體做功為零時，機械能一定守恒 D.只有重力對物體做功，物體機械能一定守恒 解析： A.做勻速直線運動的物體，除了重力做功外，可能還有其他力做功，如降落傘在空中勻速下降時，除了重力做功外，空氣阻力也對降落傘做功，所以機械能不守恒，不選. B.做勻變速直線運動的物體可能只受重力且只有重力做功，如自由落體運動，物體機械能守恒，應(yīng)選. C.如降落傘在空中勻速下降時合外力為零，合外力對物體做功為零，除重力做功外，空氣阻力也做功，所以機械能不守恒，不選. D.符合機械能守恒的條件，應(yīng)選. 可見，對物體進行受力分析，確定各力做功情況是判定機械能是否守恒的一般程序. ［例2］如圖所示，斜面體置于光滑水平地面上，其光滑斜面上有一物體由靜止沿斜面下滑，在物體下滑過程中，下列說法正確的是（　?。? A.物體的重力勢能減少，動能增大 B.物體的重力勢能完全轉(zhuǎn)化為物體的動能 C.物體的機械能減少 D.物體和斜面體組成的系統(tǒng)機械能守恒 解析：由于斜面體放在光滑斜面上，當物體沿斜面下滑時，物體實際位移方向和物體所受支持力的方向不垂直，所以支持力對物體做了功（負功），物體的機械能不守恒，物體的機械能減少了，物體對斜面體的壓力對斜面體做了功（正功），斜面體的機械能增加了，斜面體的機械能也不守恒. 對物體和斜面體組成的系統(tǒng)，斜面體和物體之間的彈力是內(nèi)力，對系統(tǒng)做功的代數(shù)和為零，即不消耗機械能.在物體和斜面體的運動過程中只有重力做功，所以系統(tǒng)的機械能守恒. 物體在下滑過程中重力勢能減少，一部分轉(zhuǎn)化為物體的動能，另一部分則轉(zhuǎn)化為斜面體的動能. 所以本題選ACD. （二）機械能守恒定律的應(yīng)用 ［例3］ 一個物體從光滑斜面頂端由靜止開始滑下（如圖），斜面高1 m，長2 m.不計空氣阻力，物體滑到斜面底端的速度是多大？ 物體沿光滑斜面下滑時機械能守恒 分析：斜面是光滑的，不計摩擦，又不計空氣阻力，物體所受的力有重力和斜面的支持力，支持力與物體的運動方向垂直，不做功.物體在下滑過程中只有重力做功，所以可用機械能守恒定律求解. 解析：題中沒有給出物體的質(zhì)量，可設(shè)物體的質(zhì)量為m.物體在開始下滑到達斜面底端時的速度為v,則有Ep2=0, ,末狀態(tài)的機械能.此時，Ep1=mgh，Ek1=0，初狀態(tài)的機械能Ek1＋Ep1=mgh. 根據(jù)機械能守恒定律有 Ek2+Ep2=Ek1+Ep1 ， 所以. 【方法引導】 這個問題也可以應(yīng)用牛頓第二定律和運動學公式求解，但是應(yīng)用機械能守恒定律求解，在思路和步驟上比較簡單.在這個例題中，如果把斜面換成光滑的曲面（如圖），同樣可以應(yīng)用機械能守恒定律求解，要直接用牛頓第二定律求解，由于物體在斜面上所受的力是變力，處理起來就困難得多. 物體沿光滑曲面下滑時機械能守恒 ［例4］把一個小球用細繩懸掛起來，就成為一個擺.擺長為L，最大偏角為θ.小球運動到最低位置時的速度是多大？ 分析：小球受兩個力：重力和懸線的拉力.懸線的拉力始終垂直于小球的運動方向，不做功.小球在擺動過程中，只有重力做功，所以可用機械能守恒定律求解. 解析：選擇小球在最低位置時所在的水平面為參考平面.小球在最高點時為初狀態(tài)，初狀態(tài)的動能Ek1＝0，重力勢能Ep1=mg（L-Lcosθ），機械能Ek1＋Ep1=mg（L-Lcosθ）.小球在最低點時為末狀態(tài)，末狀態(tài)的動能,重力勢能Ep2=0,末狀態(tài)的機械能為. 根據(jù)機械能守恒定律有 Ek2+Ep2=Ek1+Ep1 所以. 【教師精講】 由這兩個例題可以看出，應(yīng)用機械能守恒定律解題，可以只考慮運動的初狀態(tài)和末狀態(tài)，不必考慮兩個狀態(tài)之間的過程的細節(jié).這可以避免直接用牛頓第二定律解題的困難，簡化解題的步驟. 守恒定律不僅給處理問題帶來方便，而且有更深刻的意義.自然界千變?nèi)f化，但有些物理量在一定條件下是守恒的，可以用這些“守恒量”表示自然界的變化規(guī)律，這就是守恒定律.尋求“守恒量”已經(jīng)成為物理學研究中的重要方面.我們學習物理，要學會運用守恒定律處理問題. 三、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律 教師活動：提出問題：我們已學習了多種形式的能，請同學們說出你所知道的能量形式.我們還知道不同能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，請你舉幾個能量轉(zhuǎn)化的例子. 學生活動：思考并回答問題，列舉實例. 教師活動： 演示實驗1：在一個玻璃容器內(nèi)放入沙子，拿一個小鐵球分別從某一高度釋放，使其落到沙子中. 思考：小球運動過程中機械能是否守恒？請說出小球運動過程中能量的轉(zhuǎn)化情況. 演示實驗2：在盛有水的玻璃容器中放一小木塊，讓小木塊在水中上下浮動，過一段時間，小木塊停止運動. 思考：小木塊運動過程中機械能是否守恒？請說出小木塊運動過程中能量的轉(zhuǎn)化情況. 學生活動：觀察實驗并積極思考討論后，選出代表發(fā)表見解. 教師活動： 聽取學生匯報，總結(jié)點評，回答學生可能提出的問題. 通過學生舉例和演示實驗，說明各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，增強學生的感性認識，并激發(fā)學生的學習興趣，喚起學生強烈的求知欲. 以上實驗表明，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，一種能量減少，必有其他能量增加，一個物體的能量減少，必定其他物體的能量增加，能量的總和并沒有變化.這就是大自然的一條普遍規(guī)律，而機械能守恒定律只是這一條規(guī)律的一種特殊情況. 學生活動：列舉生活中不同能量之間相互轉(zhuǎn)化的例子. 教師活動：引導學生閱讀教材，說出能量守恒定律的內(nèi)容，并引導學生說明能量守恒定律的建立有何重大意義.歷史上曾有人設(shè)想制造一種不需要消耗任何能源就可以不斷做功的機器，即永動機，這樣的機器能不能制成？為什么？ 學生活動：認真閱讀教材，思考并回答問題. 課堂小結(jié) 本節(jié)課我們學習了機械能守恒定律，重點是機械能守恒定律的內(nèi)容和表達式，難點是判斷物體的機械能是否守恒，所以應(yīng)透徹理解機械能守恒定律成立的條件，從而正確應(yīng)用機械能守恒定律解題. 布置作業(yè) 課本P37作業(yè)4、5、6. 板書設(shè)計 活動與探究 有人設(shè)計了這樣一臺“永動機”：距地面一定高度架設(shè)一個水槽，水從槽底的管中流出，沖擊一個水輪機，水輪機的軸上安裝一個抽水機和一個砂輪.他指望抽水機把地面水槽里的水抽上去，這樣循環(huán)不已.機器不停地轉(zhuǎn)動，就可以永久地用砂輪磨制工件做功了（右圖） . 請你分析一下，高處水槽中水的勢能共轉(zhuǎn)變成哪幾種形式的能，說明這個機器是否能夠永遠運動下去.