人教版必修2机械能守恒定律教学设计

人教版必修2“机械能守恒定律”教学设计浙江省义乌中学王树民【设计思想】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，重视对物理结论形成过程进行优化设计，注重引导学生体验规律的探究过程。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,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，体会科学探究中的守恒思想，体会物理规律对生活实践的作用，领悟机械能守恒规律解决问题的优点，形成科学价值观。【教材分析】本节内容与全章有紧密的逻辑关系，是全章知识链中重要的一环。新课标要求“理解机械能守恒定律。用机械能守恒定律分析生活和生产中的有关问题。”机械能守恒定律是普遍的能量守恒定律的一种特殊情况，本节中对定律的探究建立在此前所学知识的基础上，教材通过小实验“做一做”展示了与探究守恒量的联系，通过多个具体实例，先猜想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。【学情分析】学生在初中阶段已初步了解机械能及能量守恒的内容。在本节前已经历了探究守恒量、重力势能的概念和弹性势能的表达式的学习。知道机械能的概念，了解力做功过程也是能量从一种形式转化为另一种形式的过程，这些知识是本节内容学习的基础。能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机械能是否守恒及用定律解决实际问题是学生学习中的难点，要通过辨析和应用增进理解和巩固。【教学目标】一、知识与技能⑴理解物体的动能和势能可以相互转化，知道什么是机械能；⑵理解机械能守恒定律的内容和适用条件；⑶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二、过程与方法⑴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⑵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。三、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，形成科学价值观。【教学重点】⑴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；⑵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】⑴机械能守恒的条件及对机械能守恒定律的理解。⑵能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机械能是否守恒。【教学器材】重锤、细线、小钢球、泡沫球、钉子、铁架台、弹簧振子、气垫导轨等。【教学过程】一、由生活现象引出课题师：前面学习了动能、重力势能、弹性势能的概念，也学习了力学中的重要定理——动能定理。今天我们一起探究力学中的另一个重要的规律——机械能守恒定律。我们知道，物体的动能和势能总和称为机械能，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，动能与势能可以互相转换吗？（请同学例举）（展示图片和视频）瀑布、荡秋千、过山车、撑杆跳高等师生共同分析上述各个过程中能量转换及重力、弹力做功的情况。实验1：（激疑）重锤用细绳悬起，请一同学靠近，将钢球偏至同学鼻子处释放，摆回时，看同学反应。（同学有意识地避开）师：释放重锤，摆回时会碰到鼻子吗？怎么知道？（学生联系到伽利略理想实验中的判断，认识到若无空气阻力，应该摆到等高处，不会碰到鼻子）。（分析后引出提出问题），摆动过程中两边最高点位置确实等高吗？二、新课教学1、探究守恒量实验2：将小球悬线一端用磁铁夹住吸在铁质黑板上，让小球摆动，通过实验发现，小球可以摆到跟释放点等高处，再用一固定在磁铁上的钉子，放于某点挡住细线，再观察，发现仍能摆到等高处。师：请同学讨论，摆动中能量如何转换？上述实验现象说明了什么？（在同学的基础上分析）实验1和2中小球在摆动过程中通过重力做功，势能与动能互相转换，重力做正功，重力势能减少，动能增加；重力做负功，重力势能增加，动能减少。小球摆动过程中总能回到原来高度，好像“记得”自己原来的高度，说明在摆动过程中有一个物理量是保持不变的，是什么呢？生：重力势能与动能的总和保持不变。师：也就是机械能保持不变。若空气阻力不能忽略，还能摆到原来的高度吗？实验3：⑴将小球换成泡沫球再做，观察现象。提出问题：小球有时能摆到原来的高度，有时不能摆到原来的高度。什么情况下机械能保持不变？2、探究规律，找出机械能守恒的条件。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，我们先对简单的物理现象进行探究，然后加以推广深化。你认为可以先从什么运动过程进行探究？生：自由落体过程（只受重力）。在动能与势能转化的情景中运动情况较简单。师：我们设下落过程中经过高度h1的A点速度v1，高度h2的B点时速度为v2，请同学用学习过的知识，分析下落过程中A、B两位置的机械能之间的数量关系。（学生通过牛顿定律或动能定理，得出结论）设问：你是用什么方法研究的？结论是什么？生：用动能定理（或牛顿定律）从A点到B点WG=mg(h1-h2)=21mv22-21mv12得到mgh1-mgh2=21mv22-21mv12即EK2-EK1=EP1-EP2①则：EP1+EK1=EP2+EK2②师：上述两个式子都有其含义，式子①的含义是什么？式子②的含义又是什么？请h1h2ABv1v2乙甲ABCA同学一起讨论，然后说一说。（学生讨论）学生甲：在表达式①中等号左边是物体动能的增加量，等号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。学生乙：对于表达式②，等号左边是物体在末位置时的机械等号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。师：上述结论是在运动过程只受重力作用的条件下得到的。如果物体是沿光滑斜面下滑，上述结论也成立吗？（同学推导，分析）生：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。师：如果物体沿光滑曲面滑下时情况又如何呢？怎么分析？（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。师：那么，小钢球摆动中的能量转化又如何分析呢？泡沫球又为什么不能摆到等高处？（同学分析讨论）生：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，则上式推导思路及结论都相同。泡沫球受到的阻力不能忽略，前面的推导过程中W=WG+WfEP1+EK1≠EP2+EK2，师：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。（归纳）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。设问：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？师：请同学讨论振动过程的能量转化和实验结论，前面我们已经探究过了重力做功与弹性势能的关系，类比重力做功，进行分析。生：WF=21mv22-21mv12EP1-EP2=EK2-EK1结论：只有弹力做功时，系统机械能守恒实验4：（验证）气垫导轨上的水平弹簧振子，观察振动过程。实验5：演示竖直弹簧振子的振动，观察现象。师生共同分析，得出结论（板书）：NABCGF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师：（定律的理解）“在只有重力和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。条件：系统内只有重力（或弹力）做功。公式：EP1+EK1=EP2+EK2（E1=E2）师生共同分析（思考与讨论）：一小球在真空中下落，有一质量相同的小球在粘滞性较大的液体中匀速下落，它们都因高度为h1的地方下落到h2的地方，在两种情况下，重力所做的功相等吗？重力势能各转化为什么形式的能？机械能守恒吗？老师：归纳小结三、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选项用意是通过辨析，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？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。AlCO老师引导学生对解答进行评价、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。师：（归纳）使用机械能守恒定律解题的一般步骤：⑴受力分析，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；⑵列出初、末两个状态的机械能（EA、EB）；⑶根据机械能守恒定律列出等式（EA＝EB）。设问：你能不能直接用牛顿第二定律和运动学的公式来处理这个问题？师：（引出应用机械能守恒定律解题的优点）高中阶段无法用牛顿定律和运动学公式解决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；应用机械能守恒定律解决问题，只需考虑运动的始末状态，不必考虑两个状态之间过程的细节。如果直接用牛顿运动定律解决问题，往往要分析过程中各个力的作用，而这些力往往又是变化的，因此一些难以用牛顿运动定律解决的问题，应用机械能守恒定律则易于解决。四、小结，布置作业五、板书设计机械能守恒内容：公式：EP1+EK1=EP2+EK2（E1=E2）条件：系统内只有重力（或弹力）做功。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应用