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2019-2020年高中物理 《7.1 追尋守恒量》教學設計 新人教版必修2 （一）知識與技能 1、知道自然界中存在著多種守恒的因素，守恒是自然界的重要規(guī)律。 2、知道自然界中存在著一種被命名為能量的守恒量。 3、知道相互作用的物體憑借其位置而具有的能量叫勢能。 4、知道物體由于運動而具有的能量叫動能。 5、能分析生活中涉及機械能轉(zhuǎn)化的問題。 ?！窘虒W重點難點】 重點：對守恒思想的領會，對科學研究過程的體驗，對能量、動能、勢能等概念的理解。 【教學用具器材】 多媒體，鐵架臺，小球與細線，滾擺。 【教學過程設計】 (三)新的探究 一、提出問題 牛頓定律很神奇，因它闡明了自然界的前因后果關系，人們還可用它預見一些簡單事物的未來！但是牛頓定律在解決實際問題時是否遇到困難？物理學產(chǎn)生于對自然現(xiàn)象的研究，也要能運用于對自然現(xiàn)象的研究，可是自然界的運動千變?nèi)f化，如果都用牛頓定律來研究，有時存在很大的困難，我們現(xiàn)在就開始尋找新的解決問題的捷徑吧。 二、初步猜想與實驗“驗證” 你對剛才的問題有什么猜想？你能證明這一猜想嗎？ 學生很自然地還會猜想：小球上升的最大高度仍是H 有部分學生提出：可用微元法證明，但很麻煩。 課件展示：伽利略的斜面（曲面）理想實驗的動畫 〈設計說明〉用微元法證明的過程在本節(jié)課中沒必要進行，學生有這個思路就可以了，本節(jié)課的主要任務在于產(chǎn)生創(chuàng)新思維——追尋守恒量。 演示：由于實際的斜面（曲面）存在摩擦阻力，實驗結果難以達到比較理想的程度，我們可以用類似的實驗來說明問題：如右圖裝置中，小球所受的阻力很小，大家看到什么規(guī)律？ 學生可能回答：高度不變，或說高度守恒。 三、設置疑點 教師引導：這一說法只是關注小球在整個運動過程中的初、末兩個狀態(tài)，實際上小球在整個運動過程中高度是在變化的，怎么能說“高度守恒”？ 四、重要探究點1——小球運動過程中的什么因素是守恒的？ 〈設計說明〉這個探究點是教材中沒有提及的，是教材內(nèi)容的一個拓展點或者說是一個加探點，經(jīng)教學實踐，許多學生由衷地感嘆說：物理學怎么這樣有趣！分析來分析去的居然發(fā)現(xiàn)了許多自然界的奧秘，原來能量的概念與力的概念是可以這樣聯(lián)系起來的！ 學生小組活動： 〈設計說明〉教師可以暗示：在“課的引入”問題1中，采購員不但是最終余下的現(xiàn)金與所花的錢之和應該等于起初所帶的錢，其實在他不斷花錢過程中的每一個狀態(tài)下，這個和總是不變的，也就是守恒的！ 在后面的一系列探究過程中，教師還應抓住一些恰當?shù)臅r機進行引導，否則很可能得不到比較理想的探究結果。不過在學生探究過程中，教師不要動不動就“橫加干涉”，要把握好引導的度。 學生經(jīng)探究發(fā)現(xiàn)：小球高度減小時，速度就增大；反之，高度增大時，速度就減小。似乎“高度”和“速度”可以相互轉(zhuǎn)化？似乎存在一個什么不變的因素？ 在較短時間內(nèi)，若沒有學生提出，則由教師提出：是不是高度與速度加起來是守恒的？（多數(shù)學生表現(xiàn)：？） 〈設計說明〉學生已經(jīng)有了單位制的概念，即使有了這個靈感，也不太可能會提出這個想法，靈感在瞬間被抹殺！所以，必要時教師可以替學生再次提出這一想法，目的是讓學生提出疑義，同時激發(fā)他們產(chǎn)生更深入層次的靈感——“高度”與“速度”以某種方式加起來應該是守恒的——這實際上已經(jīng)為本章第八節(jié)“機械能守恒定律”的教學做好了鋪墊。 關鍵問題：高度與速度以什么樣的方式加起來是守恒的？或者說以什么樣的方式進行轉(zhuǎn)化？ 〈設計說明〉從“加起來守恒”的思想，變成“相互轉(zhuǎn)化”的思想，從而在稍后的探究中想到速度平方公式，這是一個思維轉(zhuǎn)換的過程，需要在設計問題時做一些鋪墊。后一問就是為此而設計的。 學生繼續(xù)探究：…… 教師視學生的進展情況，必要時可進行如下思路的引導，這些引導遵循一定的思維邏輯關系，使思維一步一步地逼近目標： 參考引導1：人們在研究某些復雜問題時，可能很難找出其中的規(guī)律，很自然就想到在這些問題中是否存在某種守恒的量，如果存在，則可能給問題的解決帶來極大的方便。剛才我們考慮小球高度與速度大小之和守恒，是個有創(chuàng)意的想法，只是兩者不屬于同一類物理量，其大小之和是沒有意義的。能否想辦法聯(lián)系到同一類物理量上去？ 參考引導2：若在已知的量中找不出合適的，就可以考慮再定義一個新物理量，這是科學研究的常用方法。 參考引導3：根據(jù)我們已學的物理知識，高度可以聯(lián)系到位移量上去，而位移與速度是否存在某種聯(lián)系？ 參考引導4：我們尋找的是某種守恒量，而守恒（或說不變）就意味著存在某種等式，所以我們所要尋找的“某種聯(lián)系”應該可以用等式（公式）來表達，如果存在這種等式，那這個等式的兩邊所對應的“量”必然是單位相同的，是同一類的“物理量”。請問：在我們已知的物理公式中是否有涉及位移與速度關系的？ 學生探究結果的演進： ……v22－v12＝2ax…… ……小球從靜止開始運動，有v2＝2ax…… ……在斜面上有v2＝2gh…… ……進一步猜想： 2gh與v2之和是守恒的…… 教師贊揚：非常好！這個猜想是否合理，我們以后有機會再研究，但至少我們已經(jīng)有了一個創(chuàng)新的想法。 五、了解科學家的研究結果 科學發(fā)展到今天，人們發(fā)現(xiàn)，一切變化無論屬于什么運動形式，反映什么樣的物質(zhì)特性，都要滿足一定的守恒規(guī)律。例如剛才討論的問題，科學家們是怎樣研究這個守恒規(guī)律的？現(xiàn)在請大家閱讀教材P2的第四~六自然段（約2分鐘），并回答以下問題： ①剛才所研究的問題中的“守恒量”叫做什么？（能量或機械能） ②當把小球從桌面提高到一定高度時，我們賦予小球什么能？（勢能） ③小球沿斜面A往下滾時高度在減小，它的勢能守恒嗎？怎樣解釋？沿斜面B往上滾時又怎樣？（不守恒，勢能在減小，但動能在增加。沿斜面B往上滾時，動能在減小，而勢能在增加。在這些變化過程中，能量只是在轉(zhuǎn)化來轉(zhuǎn)化去，但并未丟失。） 六、聯(lián)系生活實際與解題應用 舉出生活中的一個例子，說明不同形式的機械能之間可以相互轉(zhuǎn)化。你的例子是否向我們提示，轉(zhuǎn)化過程中能的總量保持不變？ 學生舉例：…… 參考例子：游樂園中的海盜船，如果沒有摩擦和空氣阻力，船在搖擺時都能達到一定的高度……。 演示：滾擺實驗 教師：通過本章節(jié)的學習，同學們將會發(fā)現(xiàn)，有了能量觀念，在解決某些力學問題時，常常會給我們帶來驚喜！ 七、重要探究點2——造成能量轉(zhuǎn)化的原因是什么？ 〈設計說明〉這個內(nèi)容也是教材中沒有提及的。但是，關于“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”的問題，學生通過初中學習是知其而不知其所以然，當學了動能定理后，有些學生會為功、能這些概念的抽象而感到頭痛，所以在本節(jié)課內(nèi)容不多的情況下，讓學生討論一下造成勢能和動能相互轉(zhuǎn)化的原因，從而對“功是能量轉(zhuǎn)化的原因”，直到后來得出“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”打下基礎。再說，在接下來的一節(jié)課就要學習功的計算了，所以在本節(jié)課中，在時間允許的條件下，有必要探究一下，“為什么要建立功的概念？”，至于負功問題可以留到下一節(jié)再考慮。 思考與討論：伽利略的斜面實驗使人們認識到引入能量概念的重要性，同時也產(chǎn)生了新的問題：勢能和動能可以定量地量度嗎？這個問題有難度，我們可以先擱置一下。但是我們首先可以考慮一下，造成勢能和動能發(fā)出轉(zhuǎn)化的原因是什么呢？請針對前面的例子或你自己剛剛舉出的例子分析一下。 學生：初中學過，是因為有力（重力）做功。 教師：為什么有力做功能使勢能和動能發(fā)出轉(zhuǎn)化？僅憑對初中知識的記憶來研究高中問題是不夠的，現(xiàn)在還是根據(jù)剛學的高中知識來一步一步地推理分析吧！ 小組討論：…… 學生A：是因為有重力的作用，如果沒有重力的作用，小球不會滾下來，勢能就不會變。 學生B：有重力作用不一定就能使小球的高度下降，例如小球放在水平面上。只有放在斜面上的小球在重力作用下勢能才會減小，同時動能增加。 教師：有不同意見嗎？ 學生C：小球不一定要放在斜面上，剛才實驗中的擺球，其勢能和動能也能相互轉(zhuǎn)化。 學生D：小球從空中自由下落時，勢能也轉(zhuǎn)化為動能。 學生歸納：當物體受到重力，而且造成物體的高度下降時（也就是有重力方向上的位移時），物體的勢能減小，動能增加。也就是說，當重力有做功時，勢能和動能相互轉(zhuǎn)化。 教師：很好！大家發(fā)現(xiàn)了勢能和動能之間的相互轉(zhuǎn)化，需要通過重力做功來實現(xiàn)。我們再來看一個例子：水平面上一個物體受到一個水平推力的作用，速度越來越快，它的動能怎樣變化？勢能是否減?。吭鯓咏忉?？ 學生E：動能增加，而勢能不減小，是因為推力對物體做功，能量來源于施加推力的物體。 教師：看來，能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移可能是通過重力做功實現(xiàn)的，也可能是通過其他力做功實現(xiàn)的，總之，為了定量地表示各種能量以及這些能量的轉(zhuǎn)化情況，必須首先研究力以及力的做功情況，因此，我們下節(jié)就先來研究力做功的問題。 八、課堂小結