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機(jī)械能守恒定律本章設(shè)計(jì) 在具備了運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)來(lái)解決力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上,物理問(wèn)題的研究開(kāi)始由力的觀點(diǎn)向能的觀點(diǎn)發(fā)展和深化引入功和能(動(dòng)能、勢(shì)能)等重要物理量和動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒定律等重要規(guī)律.在應(yīng)用時(shí),不僅省略了對(duì)物理過(guò)程的分析和運(yùn)算,而且從更高的角度駕馭物理情景,為我們解決力學(xué)問(wèn)題開(kāi)辟了新的途徑. 守恒關(guān)系是自然界中十分重要的關(guān)系,通過(guò)“追尋守恒量”的學(xué)習(xí),加強(qiáng)學(xué)生對(duì)守恒關(guān)系的認(rèn)識(shí),并把這種思想滲透在能量學(xué)習(xí)的全過(guò)程.在教學(xué)中,通過(guò)“功和能”的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思路和研究方法,強(qiáng)化學(xué)生的邏輯思維能力.在探究彈性勢(shì)能的實(shí)驗(yàn)中,啟迪學(xué)生通過(guò)自主探索,變未知為已知.鼓勵(lì)學(xué)生調(diào)查自己周圍常見(jiàn)的各種機(jī)械,了解其功率,探討功率的影響因素,加深對(duì)功率這一常見(jiàn)概念的認(rèn)識(shí)、理解. 本章的重點(diǎn)是正確理解功和能的概念和掌握功能關(guān)系.因此,逐步加深理解功和能的概念以及功能關(guān)系是學(xué)習(xí)本章的基本線索. 本章的難點(diǎn)是變力的功,以及動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律的正確應(yīng)用.在學(xué)習(xí)功的概念時(shí),要注意區(qū)分物體的位移和力的方向上的位移.學(xué)習(xí)動(dòng)能定理和機(jī)械能守恒定律時(shí),要抓住功能關(guān)系這一主線,從中體會(huì)功與能的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移. 全章共10節(jié),建議用12課時(shí).各節(jié)課時(shí)建議安排如下： 1 追尋守恒量 1課時(shí) 2 功 1課時(shí) 3 功率 2課時(shí) 4 重力勢(shì)能 1課時(shí) 5 探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式 1課時(shí) 6 實(shí)驗(yàn):探究功與速度變化的關(guān)系 1課時(shí) 7 動(dòng)能和動(dòng)能定理 2課時(shí) 8 機(jī)械能守恒定律 1課時(shí) 9 實(shí)驗(yàn):驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律 1課時(shí) 10 能量守恒定律與能源 1課時(shí) 1 追尋守恒量 整體設(shè)計(jì) 功和能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系不僅為解決力學(xué)問(wèn)題開(kāi)辟了一條新的重要途徑,同時(shí)它也是分析解決電磁學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域中問(wèn)題的重要依據(jù).但是學(xué)生在能量概念的建立上沒(méi)有概念基礎(chǔ),所以教材在第一節(jié)設(shè)立追尋守恒量,旨在讓學(xué)生對(duì)能量能夠有清晰的認(rèn)識(shí).教材從著名物理學(xué)家的理論出發(fā),展示伽利略的斜面實(shí)驗(yàn),逐步引導(dǎo)能量的概念建立.繼而利用生活中的實(shí)例,給出勢(shì)能和動(dòng)能的概念.教材具體說(shuō)明了引入能量概念的必要性. 在實(shí)際教學(xué)中,逐步滲透物理學(xué)家研究待認(rèn)識(shí)問(wèn)題的方法:設(shè)法找出所研究現(xiàn)象是否存在物理量守恒的情況,一旦發(fā)現(xiàn)某種物理量守恒,就首先用以整理過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)并總結(jié)成定律,然后在新的現(xiàn)象或事例中對(duì)總結(jié)出的守恒定律進(jìn)行檢驗(yàn),如果定律得以證實(shí)就可以借助它解決問(wèn)題,甚至作出新的預(yù)見(jiàn),追尋和研究守恒量是物理學(xué)的一種重要研究方法. 守恒關(guān)系是自然界中十分重要的關(guān)系,通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí),加強(qiáng)學(xué)生對(duì)守恒關(guān)系的認(rèn)識(shí),并把這種物理思想滲透在能量學(xué)習(xí)的過(guò)程中. 教學(xué)重點(diǎn) 理解動(dòng)能、勢(shì)能的含義,體會(huì)能量轉(zhuǎn)化、守恒的普遍存在性. 教學(xué)難點(diǎn) 培養(yǎng)創(chuàng)新能力,使學(xué)生在發(fā)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)化、守恒的普遍存在性后,能意識(shí)到存在的巨大使用前景. 課時(shí)安排 1課時(shí) 三維目標(biāo) 知識(shí)與技能 1.理解動(dòng)能、勢(shì)能及能量的概念與意義. 2.能獨(dú)立分析伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)的能量轉(zhuǎn)換和守恒關(guān)系. 3.能列舉不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化并守恒的實(shí)例. 過(guò)程與方法 1.體會(huì)伽利略分析問(wèn)題的精妙,學(xué)習(xí)分析事物本質(zhì)的方法. 2.在列舉事例過(guò)程中體會(huì)費(fèi)恩曼所說(shuō)話的深刻內(nèi)涵,體會(huì)轉(zhuǎn)化與守恒的普遍性. 情感態(tài)度與價(jià)值觀 1.通過(guò)動(dòng)能、勢(shì)能間的相互轉(zhuǎn)化來(lái)研究生活中的物體的運(yùn)動(dòng),培養(yǎng)熱愛(ài)生活的情趣. 2.通過(guò)“追尋守恒量”,使學(xué)生了解守恒思想的重要性,初步樹(shù)立能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn),學(xué)會(huì)從物理現(xiàn)象中探求事物本質(zhì)的科學(xué)態(tài)度和研究方法. 3.通過(guò)學(xué)習(xí),要善于把實(shí)際問(wèn)題理想化. 課前準(zhǔn)備 多媒體課件、學(xué)案、滾擺、單擺. 教學(xué)過(guò)程 導(dǎo)入新課 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入 如圖所示,一個(gè)用細(xì)線懸掛的小球從A點(diǎn)開(kāi)始擺動(dòng).記住它向右能夠達(dá)到的最大高度.然后用一把直尺在P點(diǎn)擋住擺線,看一看這種情況下小球所能達(dá)到的高度. 這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明了什么?它是否說(shuō)明在小球擺動(dòng)的過(guò)程中某種“東西”是不變的?這種“東西”會(huì)是什么? 通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí),同學(xué)們就能理解這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了. 故事導(dǎo)入 新華社2000年12月31日和中央電視臺(tái)2001年元月6日先后報(bào)道：在20世紀(jì)的最后幾分鐘里，一項(xiàng)新的多米諾骨牌吉尼斯世界紀(jì)錄，在北京頤和園體育健康城綜合館和網(wǎng)球館誕生了.中國(guó)、日本和韓國(guó)的62名青年學(xué)生成功地推倒了340多萬(wàn)張骨牌，一舉打破了此前由荷蘭人保持的297萬(wàn)張的世界紀(jì)錄.從電視畫面可看出，骨牌瞬間依次倒下的場(chǎng)面蔚為壯觀，其間顯示的圖案豐富多彩，令人驚嘆.其中蘊(yùn)含著一定的科學(xué)道理,這就是“多米諾骨牌效應(yīng)”.該效應(yīng)產(chǎn)生的能量是十分巨大的.這種效應(yīng)的物理道理是：骨牌豎著時(shí)，重心較高，倒下時(shí)重心下降，倒下過(guò)程中，將其重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，它倒在第二張牌上，這個(gè)動(dòng)能的一部分就轉(zhuǎn)移到第二張牌上，第二張牌將第一張牌轉(zhuǎn)移來(lái)的動(dòng)能和自己倒下過(guò)程中由本身具有的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化來(lái)的動(dòng)能之和，再傳到第三張牌上……所以每張牌倒下的時(shí)候，雖然有部分能量損失，但具有的動(dòng)能都比前一塊牌大，因此它們的速度一個(gè)比一個(gè)快，也就是說(shuō)，它們依次推倒的能量一個(gè)比一個(gè)大.你可以設(shè)想一下,如果牌的個(gè)數(shù)足夠多,那么最后一個(gè)牌的速度將是怎樣的大！場(chǎng)面又是何等的壯觀! 故事中應(yīng)用到了動(dòng)能、勢(shì)能及其轉(zhuǎn)化.今天,我們就來(lái)學(xué)習(xí)追尋守恒量這節(jié)課,學(xué)習(xí)問(wèn)題中展示的能量問(wèn)題,探索其中的奧秘. 問(wèn)題導(dǎo)入 “挽弓當(dāng)挽強(qiáng),用箭當(dāng)用長(zhǎng);射人先射馬,擒賊先擒王.”這是一首杜甫的詩(shī).跳高運(yùn)動(dòng)員總是要充分地助跑才能取得好的成績(jī).請(qǐng)同學(xué)們思考下面的問(wèn)題: (1)為什么強(qiáng)弓就射得遠(yuǎn)?跳高運(yùn)動(dòng)員是以高度來(lái)計(jì)成績(jī)的,而他們?yōu)槭裁匆岣咦约旱乃俣饶?難道速度和高度之間有什么聯(lián)系嗎? (2)這體現(xiàn)了一種什么過(guò)程? 推進(jìn)新課 一、伽利略斜面實(shí)驗(yàn) 牛頓是經(jīng)典力學(xué)的奠基人,他提出了三個(gè)定律和萬(wàn)有引力定律,但是他沒(méi)有研究過(guò)能量(至少?zèng)]有深入研究),所以當(dāng)時(shí)人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)還很有局限.但在伽利略的實(shí)驗(yàn)中,已經(jīng)有了“能量”的影子. 能量概念的形成和發(fā)展,始終是和能量守恒定律的建立過(guò)程緊密相連的.能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)告訴我們,盡管物質(zhì)世界千變?nèi)f化,但這種變化不是沒(méi)有規(guī)律的,基本的規(guī)律就是守恒定律.這一節(jié)課我們從一個(gè)較高的角度去認(rèn)識(shí)這個(gè)問(wèn)題. 教師指導(dǎo):讓一位學(xué)生朗讀教材開(kāi)頭費(fèi)恩曼的話,讓學(xué)生體會(huì)能量守恒定律的重要性. 活動(dòng)探究 課件展示1:大屏幕投影展示伽利略理想實(shí)驗(yàn)的flash模擬動(dòng)畫. 問(wèn)題:1.當(dāng)小球沿斜面從高處由靜止?jié)L下時(shí),小球的高度不斷減小,而速度不斷增大,說(shuō)明了什么? 2.當(dāng)小球從斜面底沿另一個(gè)斜面向上滾時(shí),小球的位置不斷升高,而速度不斷減小,說(shuō)明了什么問(wèn)題? 學(xué)生觀察交流、討論并總結(jié): 明確：1.說(shuō)明小球憑借其位置而具有的物理量不斷減少,而由于運(yùn)動(dòng)而具有的物理量不斷增大. 2.說(shuō)明小球憑借位置而具有的物理量不斷增加,而由于運(yùn)動(dòng)而具有的物理量逐漸減少. 課件展示2：利用動(dòng)畫模擬實(shí)驗(yàn),將斜面調(diào)整,引導(dǎo)學(xué)生觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況.指導(dǎo)學(xué)生自己組織語(yǔ)言,描述看到的物理現(xiàn)象.學(xué)生通過(guò)閱讀并觀察、討論、總結(jié):讓小球沿一個(gè)斜面從靜止開(kāi)始滾下,小球?qū)L上另一斜面,如果沒(méi)有摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)的高度.減小后一斜面的傾角,小球在這個(gè)斜面上仍達(dá)到同一高度,但這時(shí)他要滾得遠(yuǎn)些.若繼續(xù)減小后一斜面的傾角,小球達(dá)到同一高度,但滾得更遠(yuǎn)些. 教師設(shè)疑：若將后一斜面放平,小球的運(yùn)動(dòng)情況將是怎樣? 引導(dǎo)學(xué)生討論、交流,大膽猜想. 參考結(jié)論：小球好像“記得”自己的起始高度,但又永遠(yuǎn)達(dá)不到原來(lái)的高度,所以將永遠(yuǎn)滾動(dòng)下去. 點(diǎn)評(píng)：教師通過(guò)動(dòng)畫展示,讓學(xué)生感受到“有某一量是守恒的”.教師逐步引導(dǎo),讓學(xué)生體會(huì)“守恒量”的追尋過(guò)程,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的探究意識(shí)和學(xué)習(xí)的欲望. 二、物體的動(dòng)能和勢(shì)能 實(shí)驗(yàn)演示：演示滾擺實(shí)驗(yàn)和單擺實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步強(qiáng)化,如果沒(méi)有摩擦和介質(zhì)阻力,物體好像“記得”自己初始的高度,即某一量是守恒的. 引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)以上示例,舉出生活中其他關(guān)于此種現(xiàn)象的事例. 公園里的秋千,游樂(lè)園里的海盜船,乒乓球自高處落到水泥地面上后的運(yùn)動(dòng),在沒(méi)有摩擦和空氣阻力的情況下,都能達(dá)到一定的高度.這說(shuō)明,將實(shí)際生活中的問(wèn)題理想化后,確實(shí)存在著某一物理量是不變的. 通過(guò)學(xué)生列舉實(shí)例,讓學(xué)生體會(huì)生活中的普遍規(guī)律. 教師點(diǎn)評(píng)：在物理學(xué)中,我們把以上這一事實(shí)說(shuō)成是“有某一量是守恒的”,并把這個(gè)量叫做能量或能. 通過(guò)閱讀體會(huì),給出動(dòng)能與勢(shì)能的概念,體會(huì)動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)化并守恒的普遍存在. 教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí),伽利略的發(fā)現(xiàn)今天看來(lái)就是我們學(xué)習(xí)過(guò)的能量轉(zhuǎn)化與守恒的思想.其中與高度有關(guān)的量,我們稱為勢(shì)能;與速度有關(guān)的量我們稱為動(dòng)能. 課件展示實(shí)例,指導(dǎo)學(xué)生分析物體動(dòng)能和勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化情況. 滾擺 1.視頻展示:秋千與海盜船. 2.視頻展示:滾擺與落下的乒乓球. 學(xué)生詳細(xì)分析:討論總結(jié)并由代表發(fā)言. 階段小結(jié): 1.能量:“有某一量是守恒的”,這個(gè)量叫做能量或能. 2.勢(shì)能:相互作用的物體憑借其位置而具有的能量叫做勢(shì)能. 3.動(dòng)能:物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量叫做動(dòng)能. 視野拓展 2004年12月26日，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間00：58：50，一股壓抑許久的“怒氣”從印度洋深處狂躁地迸發(fā)而出，里氏9.0級(jí)(美國(guó)地震局測(cè)定)地震劈開(kāi)周圍的海水,形成一道道相距百十公里的弧形水幕，以每小時(shí)800公里的起始速度排山倒海般向四周襲去……巨浪呼嘯，以摧枯拉朽之勢(shì)，越過(guò)海岸線,越過(guò)田野，迅猛地襲擊著岸邊的城市和村莊，瞬時(shí)人們都消失在巨浪之中.港口所有設(shè)施、被震塌的建筑物，在狂濤的洗劫下，被席卷一空.事后，海灘上一片狼藉，到處是殘木破板和人畜尸體.地震海嘯給人類帶來(lái)的災(zāi)難是十分巨大的…… 試查閱有關(guān)資料，談一談此次海嘯中存在哪些能量. 例 以豎直上拋的小球?yàn)槔f(shuō)明小球的勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化情況.在這個(gè)例子中是否存在著能的總量保持不變? 參考解析：豎直上拋運(yùn)動(dòng)的小球,首先由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,達(dá)到最高點(diǎn)時(shí),動(dòng)能為零,勢(shì)能達(dá)到最大;在下落時(shí),勢(shì)能逐漸減小,動(dòng)能逐漸增大,勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.在小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,小球的機(jī)械能總量保持不變. 點(diǎn)評(píng)：本實(shí)例探究可以應(yīng)用受力情況來(lái)作分析,亦可根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況總結(jié),緊緊抓住高度影響勢(shì)能,速度影響動(dòng)能這一關(guān)鍵進(jìn)行分析. 課堂訓(xùn)練 如圖所示,一根不可伸長(zhǎng)的細(xì)繩拴著一個(gè)小球在豎直平面內(nèi)擺動(dòng),圖中a、b、c三點(diǎn)分別表示小球擺動(dòng)過(guò)程中的三個(gè)不同位置,其中a、c等高.在小球擺動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中,動(dòng)能最大時(shí)是在_______點(diǎn),在_________點(diǎn)勢(shì)能最大;如果沒(méi)有空氣阻力的影響,小球在a點(diǎn)的動(dòng)能________(填“大于”“等于”或“小于”)在c點(diǎn)的動(dòng)能. 解析：在小球來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí),動(dòng)能與勢(shì)能不停地相互轉(zhuǎn)化但總量不變.在a、c兩點(diǎn)時(shí)位置最高,勢(shì)能最大,速度為零,動(dòng)能為零.在b點(diǎn)時(shí)位置最低,勢(shì)能最小,速度最大,動(dòng)能最大. 答案：b a、c 等于 方法總結(jié)：在某一過(guò)程中,若僅涉及動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化,若能判斷出其中一種能量正在減小或增大,則另一種能量一定正做相反變化,且一種能量為零時(shí),另一種能量達(dá)到最大值. 課堂小結(jié) 1.物體由于位置高度而具有的能量叫做重力勢(shì)能.對(duì)于同一水平面而言,物體被舉得越高、質(zhì)量越大,物體具有的重力勢(shì)能就越大. 2.物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量叫做動(dòng)能.動(dòng)能是由物體的質(zhì)量和速度共同決定的,物體運(yùn)動(dòng)的速度越大、質(zhì)量越大,它的動(dòng)能就越大. 3.動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能.動(dòng)能可以轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,勢(shì)能也可以轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.在只有重力做功時(shí),動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程中,總的機(jī)械能不變. 布置作業(yè) 1.通過(guò)各種途徑查找資料,了解人類對(duì)能量的研究過(guò)程. 2.在其他自然學(xué)科中列舉出幾個(gè)能量轉(zhuǎn)化與守恒的實(shí)例;轉(zhuǎn)化與守恒的思想(不僅僅是能量)在生產(chǎn)生活中的實(shí)例.(例如水資源) 板書設(shè)計(jì) 1 追尋守恒量 一、伽利略斜面實(shí)驗(yàn) 二、物體的動(dòng)能和勢(shì)能 1.勢(shì)能:相互作用的物體憑借其位置而具有的能量 2.動(dòng)能:物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量 三、追尋守恒量的意義 活動(dòng)與探究 課題:能量的應(yīng)用. 內(nèi)容:古代戰(zhàn)爭(zhēng)中常用滾木和檑石作為武器來(lái)阻止敵人的進(jìn)攻,你能利用所學(xué)的知識(shí)說(shuō)明其中的科學(xué)道理嗎?這種戰(zhàn)術(shù)適用于哪種情況?怎樣才能使殺傷力更大?為什么? 方法:利用動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化思想. 參考答案：滾木和檑石的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,利用其動(dòng)能來(lái)殺傷敵人;這種戰(zhàn)術(shù)適用于居高防守;提高其高度、增大其質(zhì)量才能有更大的殺傷力. 習(xí)題詳解 解答:做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體在下落過(guò)程中,勢(shì)能不斷減小,動(dòng)能不斷增加,在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中,動(dòng)能和勢(shì)能的總和不變. 設(shè)計(jì)點(diǎn)評(píng) 學(xué)生是知識(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者,學(xué)生對(duì)所研究問(wèn)題的熱情程度及在探究過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的精神狀態(tài)和情緒,直接影響教學(xué)的效果.本設(shè)計(jì)利用學(xué)生生活中常見(jiàn)的秋千、海盜船,由靜止下落的乒乓球引入新課,用伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn),引發(fā)學(xué)生的思維能力,使學(xué)生產(chǎn)生求知的興趣與熱情.通過(guò)感悟斜面實(shí)驗(yàn)的科學(xué)現(xiàn)象,重走追尋守恒量的科學(xué)之路,完成教學(xué)目標(biāo)的情感態(tài)度這一難度要求.繼而通過(guò)滾擺、單擺的視頻資源調(diào)動(dòng)探求動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)化的關(guān)系,體會(huì)能量的守恒思想.