1、高考资源网（） 您身边的高考专家机械能守恒定律教学设计常熟市浒浦高级中学 丁鑫煌一、设计思路物理规律的发现离不开科学探究，而科学探究又可以分为理论探究和实验探究。本节课尝试分两条主线同时进行探究，一条主线是实验探究的方法，利用单摆与自由落体两个典型运动进行机械能守恒的分组操作探究；另一条主线是理论探究的方法；最后两条探究主线合二为一，使学生的认识实现由感性认识上升为理性认识的飞跃，也将知识学习、能力培养、情感体验三个目标有机地结合在一起，使学生既获得了知识，提升了能力、又增强了体验。二、教学目标（一）知识与技能1知道什么是机械能，知道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及其
2、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解决实际问题。（二）过程与方法、.K1从游戏实验入手，学会猜想探究的科学方法；2. 通过对单摆运动与自由落体运动过程实验的研究和理论分析，掌握机械能守恒定律的内容；3体会物理规律得出的完整过程，认识得出规律的一般方法。（三）情感、态度与价值观1.从生活实验入手，感受物理给我们生活带来的快乐，激发学习物理知识的兴趣；2.通过探究，培养科学的实事求是态度，学会合作学习，学会展示与交流。通过能量守恒的教学，使学生树立科学观点，理解和运用自然规律，并用来解决实际问题。三、教学重点1掌握机械能守恒定律的推导、建立过程，理解机械能守恒定律的内
3、容；2在具体的问题中能判定机械能是否守恒，并能列出定律的数学表达式。四、教学难点1能从能量转化的角度理解机械能守恒的条件2能正确判断研究对象在所经历的过程中机械能是否守恒，能正确分析系统所具有机械能。五、教学方法实验探究与理论探究结合法；小组合作学习法；六、器材准备：铁架台(附铁夹)、电火花计时器，纸带、刻度尺、单摆球、过山车模型等；教师准备长线单摆,弹簧振子，授课PPT,实物展台等；六、教学过程设计：(一)引入新课师：在本章的第一节我们学习了追寻守恒量能量，那么在机械运动中是否也存在着相应能量的守恒呢？我们先来做一个小实验。演示实验一：碰鼻实验将一个长线单摆上端固定，将钢球拉近鼻子静止，松手
4、后，钢球将向前摆去，接着反向摆回，猜想钢球摆回时会碰到鼻尖吗？邀请一位女生上来演示，请大家观察返回时小球会不会碰到她的鼻尖，同时观察小球在来回摆动过程中，到达的最高位置是否发生变化？师：勇气可嘉，掌声送给他（赠与小礼品）。返回时碰不到鼻尖，而且到达的最高点越来越低。这背后究竟隐藏了什么科学道理呢？要解释这种现象，就要用到新的力学理论，今天我们一起来学习第八节：机械能守恒定律。（二）新课教学一、动能与势能的相互转化师：这里提到了机械能，那么什么是机械能呢？生：动能和重力势能和弹性势能的总和叫做机械能。师：老师要指出的是，机械能具有相对性，是标量，也是状态量。师：动能和势能同属于机械能，那它们之间
5、可以相互转化吗？演示实验二：过山车模型师：开始时小球的动能为零，但随着高度的降低动能越来越大，这个动能哪里来的？生：由重力势能转化过来的。师：上升时动能减少，重力势能增加，能量又在如何转化？生：由动能再转化为机械能。师：这样的例子生活中还有很多，请同学们讨论后列举相应实例，并说明是什么能转化为什么能。参考实例有：弹弓：弹性势能转化为动能。溜溜球，荡秋千：动能和重力势能相互转化。弹跳娃娃：重力势能、动能、弹性势能相互转化。教师总结：刚才的几个例子我们看到，不光动能和重力势能可以相互转化，弹性势能和动能也可以相互转化，那在转化的过程中，有没有一个神奇的守恒量呢？会是动能吗？势能？还是机械能？为了探
6、究这个问题，我们再来观察两个探究实验。二、探究守恒量机械能守恒演示实验三：单摆实验（重力势能和动能的相互转化）装置的下方夹一横杆，目的是方便确定小球运动过程中的位置变化。从尺的一侧位置A静止释放小球，请同学们观察小球到达左右最高点的位置关系？结论：小球到达的左右最高点的位置几乎是相等的，也即等高。演示实验四：水平弹簧振子实验（弹性势能和动能的相互转化）现象：滑块在零刻线两侧所到达的位置基本对称，也即形变量相等。教师总结：在以上两种能量转化的情景中，我们发现高度、形变量相等，这就意味着势能相等，那转化过程中我们要探究的守恒量是势能吗？教师引导：取几个一般位置研究，我们发现动能和势能都在不停地变化
7、，所以守恒量不是动能也不是势能，那会不会就是它们的机械能呢？取单摆实验中的A、B、两点，弹簧阵子实验中个B、C两点去计算机械能，结果是相等的，所以我们猜测守恒量是机械能，但想要进一步验证整个过程中机械能守恒，我们还需要进行定量的分析。实验探究：定量实验设计方案1：利用电火花计时器和纸带打点计时器纸带接电源重物图4（1）问题设计：请结合器材：铁架台（附铁夹），电火花计时器，电源，纸带，重锤，刻度尺等设计一个简单的运动，便于确定运动过程中物体的机械能，并说明通过比较什么来说明机械能守恒？ 生：让重锤做自由落体运动。利用打点计时器计算其速度，即，进而算出动能；再利用直尺测出下降的高度h，进而算出势能
8、mgh。老师强调势能的相对性，若取重锤初始位置所在的平面为零势能面，那末态的重力势能为-mgh, 末态的机械能为，与初态的机械能零作比较即可。师：是否需要测量重物的质量？生：可不测。提取m，只要，同样能说明结果。这样只要比较与gh 即可。（2）学生分组实验,采集数据，一学生整理实验数据，另一名学生根据讲义提示完成理论推导。提醒实验中g取9.8m/s2各打点处第1组第2组第3组第4组第5组下落高度h/m速度v/(ms-1)gh得出结论：在实验误差允许的范围内，重锤的动能和重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。方案2：利用传感器探究机械能守恒误差分析：这里的误差主要来自于纸带与计时器间的阻力
9、做功，若阻力大大减小，两者会更接近，介绍传感器实验。再现实验结论。方案3：理论探究机械能守恒若阻力忽略，我们来看下同学们的理论推导：(实物展台展示)如图所示，设一个质量为m的物体自由下落，经过高度为h1的A点（初位置）时速度为v1，下落到高度为h2的B点（末位置）时速度为v2.在自由落体运动中，物体只受重力G=mg的作用，重力做正功.设重力所做的功为WG，则由动能定理可得上式表示，重力所做的功等于动能的增量.另一方面，由重力做功与重力势能的关系知道，WGmgh1-mgh2上式表示，重力所做的功等于重力势能的减少.由式和式可得.小结：在自由落体运动中，重力做了多少功，就有多少重力势能转化为等量的
10、动能，移项后可得或者Ek1+Ep1=Ek2+Ep2 ; 或者E2=E1上式表示，如果只有重力做功，动能和重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。同样可以证明，如果只有弹力做功，动能和弹性势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。这个结论叫做机械能守恒定律，它是力学中的一条重要定律，是更普遍的能量守恒定律的一种特殊情况.（学案上一起整理机械能守恒定律的内容、表达式和条件）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，动能和势能相互转化，但机械能的总量保持不变。（2）表达式：E2=E1， Ek2+Ep2=Ek1+Ep1 , (注意选取零势能面)师：我们已经了解了机械能守
11、恒定律的条件是只有重力或弹力做功，那这里还有一种说法：“机械能守恒的条件是只受重力或弹力”，你同意这个观点吗？请给出理由。学生分组讨论汇总并举例说明教师总结：（3）机械能守恒的条件可以分以下几个方面来理解只受重力或弹力，不受其它力（如自由落体）受其它力，但其它力不做功（如单摆）受其它力，其它力做功，但做功代数和为零，也可以当作机械能守恒来处理只有正确理解机械能守恒的条件，才能在解决问题的过程中正确的运用定律。另外要注意机械能守恒的对象是系统，而非单个物体。【及时巩固】下列运动中物体机械能守恒的是 （ ）A降落伞在空中匀速下降 B抛出去的铅球（不计空气阻力）C流星划过天空发出明亮的光 D光滑曲面
12、上自由下滑的物体小结：判断机械能守恒的方法：直接比较初、末状态的机械能E=Ek+Ep根据定律，是否只有 或 做功。（首先要受力分析）除动能和势能外，看是否有其他形式的能参与转化。四、应用与提升1机械能守恒定律的简单应用图6地球近地点远地点燃【例题1】（历史回顾）请解释伽利略的理想斜面实验。如图5所示，伽利略认为小球从某一高度沿光滑的斜面静止滑下，无论另一光滑斜面的倾角如何（倾角不等于0），物体必将上升到原来的高度。请说明理由。图5【例题2】（当代科技）如图所示，人造卫星运行过程中.近地点的速率与远地点速率哪一个大？为什么？（要比使用开普勒第二定律进行解释要简单地多）图7【例题3】（生活中的物理
13、）火车到站时要适时刹车，浪费部分能量，你想如何设计火车站节约能源？（如图7所示即可。）师：我们学习了机械能守恒定律的内容和条件，如何解释“碰鼻实验”中的现象呢？引导学生分析：钢球在摆动过程中，除重力做功外还有空气阻力做功，所以机械能不守恒，随着阻力做功增多，钢球能到达的最高点只会越来越低，故不会撞到同学的鼻子。而单摆试验中，摆角极小，在短时间内，空气阻力做功可以忽略，故小球机械能守恒。【例题4】把一个小球用细绳悬挂起来，就成为一个摆.摆长为L，最大偏角为.小球运动到最低位置时的速度是多大？分析：小球受两个力：重力和悬线的拉力.悬线的拉力始终垂直于小球的运动方向，不做功.小球在摆动过程中，只有重
14、力做功，所以可用机械能守恒定律求解.解析：选择小球在最低位置时所在的水平面为参考平面.小球在最高点时为初状态，初状态的动能Ek10，重力势能Ep1=mg（L-Lcos），机械能Ek1Ep1=mg（L-Lcos）.小球在最低点时为末状态，末状态的动能,重力势能Ep2=0,末状态的机械能为.根据机械能守恒定律有Ek2+Ep2=Ek1+Ep1所以.总结：1机械能守恒定律不涉及运动过程中的加速度和时间，用它来处理问题要比牛顿定律方便；2用机械能守恒定律解题，必须明确初末状态机械能，要分析机械能守恒的条件。五、课堂小结本节课我们从实验和理论探究两方面探究得到了机械能守恒定律，重点是机械能守恒定律的内容和表达式，难点是判断物体的机械能是否守恒，所以应透彻理解机械能守恒定律成立的条件，从而正确应用机械能守恒定律解题。六、课后感想本节课从实验探究和理论探究两条主线得出机械能守恒定律，符合学生的认知规律，将三维目标有机结合起来了。摄像头将实验现象放大并有效呈现，算是一大成功之处。课堂45分钟时间有限，活动安排一环扣一环，准备的机械能守恒定律的简单应用只能涉及一二，故上课时前后稍作了调整，有些应用可以放到下节课的开头。- 6 - 版权所有高考资源网
