高中物理新課標人教版必修2 機械能守恒定律

1、8 機械能守恒定律整體設(shè)計 本課教學(xué)從動能和勢能的復(fù)習(xí)入手，引導(dǎo)學(xué)生觀察生活現(xiàn)象，思考動能和勢能的變化之間的關(guān)系.機械能守恒定律是本章教學(xué)的重點內(nèi)容，重點是使學(xué)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；能夠應(yīng)用機械能守恒定律解決有關(guān)問題.進而利用動能定理推導(dǎo)出機械能守恒定律的表達式. 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(xué)習(xí)的難點之一.在教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)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.要啟發(fā)學(xué)生注意，勢能的變化是由于重力

2、或彈力做功而引起的.如果重力作為外力對物體做正功，重力勢能減少，動能增加，意味著重力勢能轉(zhuǎn)化為動能；反之，如果重力做負功，重力勢能增加，動能減少，意味著動能轉(zhuǎn)化為重力勢能.這樣可以幫助學(xué)生理解教材中所說的“通過重力或彈力做功，機械能可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式”. 能否正確運用機械能守恒定律解決問題是本節(jié)學(xué)習(xí)的另一難點.通過本節(jié)學(xué)習(xí)應(yīng)讓學(xué)生認識到，從功和能的角度分析、解決問題是物理學(xué)的重要方法之一；同時進一步明確，在對問題作具體分析的條件下，要能夠正確選用適當(dāng)?shù)奈锢硪?guī)律分析、處理問題.教學(xué)重點1.機械能守恒的條件.2.在具體的問題中能判定機械能是否守恒,并能列出數(shù)學(xué)表達式.教學(xué)難點1.判斷機

3、械能是否守恒.2.靈活運用機械能守恒定律解決問題.課時安排 1課時三維目標知識與技能1.理解動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化.2.掌握機械能守恒定律的表達式.過程與方法 經(jīng)過機械能守恒定律的實際應(yīng)用，進一步理解機械能守恒的條件.情感態(tài)度與價值觀 培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的思想，通過規(guī)律、理論的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)以致用的思想.課前準備1.自制課件、學(xué)案.2.麥克斯韋滾擺、單擺、彈簧振子.教學(xué)過程導(dǎo)入新課影片導(dǎo)入 課件展示翻滾過山車的精彩片斷，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，引出本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容. 在學(xué)生觀看過山車的同時,教師提醒學(xué)生分析過山車在運行過程中動能和勢能的變化情況.游戲?qū)?教師利用事先準備好的演示器材，請兩個同學(xué)配合，指

4、導(dǎo)他們完成一個小游戲，讓同學(xué)們認真觀察并思考游戲里面的科學(xué)道理.器材：細線、小鋼球、鐵架臺.演示過程：將小鋼球機固定在細線的一端，細線的另一端系在鐵架臺上，使小球與細線形成一個擺.讓一個同學(xué)靠近鐵架臺，頭稍低，另一同學(xué)把小球由該同學(xué)的鼻子處釋放，小球擺動過程中能否碰到該同學(xué)的鼻子，提醒注意安全，并思考里面的科學(xué)道理.如左下圖.實驗導(dǎo)入 如右上圖所示，懸掛單擺的鐵架臺上增加一個橫桿P和一把水平放置的尺子AB，實驗時調(diào)整橫桿P的高度,觀察小球擺動的情況；調(diào)整水平尺子的高度使小球從不同位置擺動，觀察小球擺動的情況.將各次實驗現(xiàn)象進行概括，思考這些現(xiàn)象說明什么問題.也可以將單擺懸掛在小黑板上，然后在小

5、黑板上畫上若干條水平橫線，手持短尺替代橫桿.推進新課一、動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化 前面我們學(xué)習(xí)了動能、勢能和機械能的知識.在初中學(xué)習(xí)時我們就了解到，在一定條件下，物體的動能與勢能(包括重力勢能和彈性勢能)可以相互轉(zhuǎn)化，動能與勢能相互轉(zhuǎn)化的例子在生活中非常多，請同學(xué)們舉出生活中的例子來說明動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化.參考:1.從樹上掉下的蘋果（勢能向動能轉(zhuǎn)化）；2.自行車猛蹬幾下自由沖上斜坡（動能向勢能轉(zhuǎn)化）；3.拉弓射箭（勢能向動能轉(zhuǎn)化）4.運動會上撐竿跳高運動員在跳起的過程中（人的動能轉(zhuǎn)化為桿的彈性勢能,后桿的彈性勢能轉(zhuǎn)化為人的重力勢能）.實驗演示：依次演示麥克斯韋滾擺、單擺和彈簧振子，提醒學(xué)生注意觀

6、察物體運動中動能、勢能的變化情況，即轉(zhuǎn)化過程中物理量的具體變化.通過觀察演示實驗，學(xué)生回答物體運動中動能、勢能變化情況.教師小結(jié)：物體運動過程中，隨著動能的增大，物體的勢能減??；反之，隨著動能的減小，物體的勢能增大.學(xué)生通過實例感受、實驗演示，切實感受到機械能的兩種形式（動能與勢能）之間可以相互轉(zhuǎn)化.而且，轉(zhuǎn)化過程中有力做功.重力做功：動能重力勢能彈力做功：動能彈性勢能.二、機械能守恒定律問題：動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化是否存在某種定量的關(guān)系呢？上述各運動過程中，物體的機械能是否變化呢？ 引導(dǎo)學(xué)生通過具體的實例進行理論推導(dǎo)分析.先考慮只有重力對物體做功的理想情況.情境設(shè)置：質(zhì)量為m的物體自由下落過程

7、中，經(jīng)過高度h1處速度為v1，下落至高度h2處速度為v2，不計空氣阻力，分析由h1下落到h2過程中機械能的變化(引導(dǎo)學(xué)生思考分析).分析：根據(jù)動能定理，有:=WG下落過程中重力對物體做功，重力做功在數(shù)值上等于物體重力勢能的變化量.取地面為參考平面，有WG=mgh1-mgh2由以上兩式可以得到=mgh1-mgh2移項得+mgh2=g+mgh1引導(dǎo)學(xué)生分析討論上面表達式的物理意義：等號的左側(cè)表示末態(tài)的機械能，等號的右側(cè)表示初態(tài)的機械能，表達式表明初態(tài)跟末態(tài)的機械能相等.即在小球下落的過程中，重力勢能減小，動能增加，減小的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能.問題：此表達式具有普遍意義嗎？還是僅在只受重力的自由落體運

8、動中成立？引導(dǎo)學(xué)生自己推導(dǎo)豎直上拋、平拋的過程是否成立.引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注在上述過程中物體的受力情況.可以證明，在只有重力做功的情況下，物體動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而機械能總量保持不變.思維拓展 在只有彈力做功的牨體系統(tǒng)內(nèi)呢？課件展示：展示彈簧振子（由于彈簧振子概念學(xué)生還沒有接觸，教師可以不提彈簧振子的概念）的運動情況，分析物理過程.教師設(shè)疑：在只有重力做功的情況下，機械能是守恒的；同樣作為機械能組成部分的勢能，是否在只有彈力做功的情況下，機械能也能守恒呢？ 學(xué)生在推導(dǎo)過程中可能會存在一定的困難，教師適當(dāng)加以輔助推導(dǎo).對彈簧與小球的運動過程簡要分析，得到動能與勢能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，并明確：在只有彈力對物體

9、做功時物體的機械能守恒. 通過上面只有重力做功與只有彈力做功兩個部分的推導(dǎo)，師生總結(jié)機械能守恒定律的內(nèi)容： 在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變. 表達式：Ek2+Ep2=Ep1+Ek1 教師引導(dǎo)學(xué)生理解表達式中各量的物理意義，并回顧機械能守恒定律推導(dǎo)過程，加深認識.三、機械能守恒定律的條件思維拓展 通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，我們理解了機械能守恒定律的表達式，但真正應(yīng)用到解題過程還是有限制的. 大屏幕投影機械能守恒定律的內(nèi)容，并用不同顏色展示“在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)”，突出強調(diào)守恒的受力前提.引導(dǎo)學(xué)生自己總結(jié)守恒的條件. 有的學(xué)生認為守恒條件應(yīng)該是

10、只受重力或彈力; 有的學(xué)生認為守恒條件應(yīng)該是只有重力或彈力做功. 在肯定兩位學(xué)生認真思考的基礎(chǔ)上，教師質(zhì)疑兩位學(xué)生的意見，激發(fā)他們思考的積極性：兩位同學(xué)說的有什么不同嗎？學(xué)生討論：只有重力或彈力做功，還包含這樣的意思：可能還受其他力，但其他力不做功.思維追蹤：機械能守恒定律的條件應(yīng)該怎樣表述呢？舉例說明.學(xué)生總結(jié)：機械能守恒定律的條件可以表述為:1.只受重力（彈力），不受其他力.如自由落體的物體.2.除重力（彈力）以外還有其他力，但其他力都不做功.如做單擺運動的物體.例題 在距離地面20 m高處,以15 m/s的初速度水平拋出一小球，不計空氣阻力，取g=10 m/s2，求小球落地速度大小.引導(dǎo)

11、學(xué)生思考分析，提出問題：1.前面學(xué)習(xí)過應(yīng)用運動合成與分解的方法處理平拋運動，現(xiàn)在能否應(yīng)用機械能守恒定律解決這類問題？2.小球拋出后至落地之前的運動過程中，是否滿足機械能守恒的條件？如何應(yīng)用機械能守恒定律解決問題？3.歸納學(xué)生分析的結(jié)果，明確：小球下落過程中，只有重力對小球做功，滿足機械能守恒條件，可以用機械能守恒定律求解；應(yīng)用機械能守恒定律時，應(yīng)明確所選取的運動過程，明確初、末狀態(tài)小球所具有的機械能.取地面為參考平面，拋出時小球具有的重力勢能Ep1=mgh，動能為Ek1=mv02.落地時,小球的重力勢能Ep2=0,動能為Ek2=mv2.根據(jù)機械能守恒定律,有E1=E2,即mgh+=mv2落地時

12、小球的速度大小為v=m/s=25 m/s.課堂訓(xùn)練1.如圖所示，下列四個選項的圖中，木塊均在固定的斜面上運動，其中圖A、B、C中的斜面是光滑的，圖D中的斜面是粗糙的，圖A、B中的F為木塊所受的外力，方向如圖中箭頭所示，圖A、B、D中的木塊向下運動，圖C中的木塊向上運動.在這四個圖所示的運動過程中機械能守恒的是（ ）2.長為L的均勻鏈條放在光滑的水平桌面上，且使其長度的1/4垂在桌邊，如圖所示.松手后鏈條從靜止開始沿桌邊下滑，則鏈條滑至剛剛離開桌邊時的速度大小為多大？參考答案1.解析：機械能守恒的條件是：物體只受重力或彈力的作用，或者還受其他力作用，但其他力不做功，那么在動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化過程

13、中，物體的機械能守恒.依照此條件分析,A、B、D三項均錯.答案：C2.解析：鏈條下滑時，因桌面光滑，沒有摩擦力做功.整根鏈條總的機械能守恒，可用機械能守恒定律求解.設(shè)整根鏈條質(zhì)量為m，則單位長度質(zhì)量（質(zhì)量線密度）為m/L.設(shè)桌面重力勢能為零，由機械能守恒定律得解得v=.點撥：求解這類題目時，一是注意零勢點的選取，應(yīng)盡可能使表達式簡化，該題如選鏈條全部滑下時的最低點為零勢能點，則初始勢能就比較麻煩.二是靈活選取各部分的重心，該題開始時的勢能應(yīng)取兩部分（桌面上和桌面下）勢能總和，整根鏈條的總重心便不好確定，最后剛好滑出桌面時的勢能就沒有必要再分，可對整根鏈條求出重力勢能.課堂小結(jié)1.在只有重力或彈

14、力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，物體的機械能總量不變.2.應(yīng)用機械能守恒定律的解題步驟(1)確定研究對象;(2)對研究對象進行正確的受力分析;(3)判斷各個力是否做功，并分析是否符合機械能守恒的條件;(4)視解題方便選取零勢能參考平面，并確定研究對象在始、末狀態(tài)時的機械能;(5)根據(jù)機械能守恒定律列出方程，或再輔之以其他方程，進行求解.布置作業(yè)1.教材“問題與練習(xí)”第1、3、4題.2.觀察記錄生活中其他的物理情景，判斷其是否符合機械能守恒定律.板書設(shè)計8 機械能守恒定律一、動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化重力做功：動能重力勢能彈力做功：動能彈性勢能二、機械能守恒定律 在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動能和勢能可以相

15、互轉(zhuǎn)化，而總的機械能保持不變.三、機械能守恒定律的條件1.只受重力（彈力），不受其他力.如自由落體的物體.2.除重力（彈力）以外還有其他力，但其他力都不做功.如做單擺運動的物體.活動與探究課題：從能量的角度探究機械能守恒定律的條件目的：進行課堂拓展，讓學(xué)生自主設(shè)置情景，自主探究，重溫機械能守恒定律條件發(fā)現(xiàn)的過程，加深對課本內(nèi)容的理解.方法：指導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)置情景，從能量的角度判斷機械能守恒.參考情境:1.瀑布是水流從高處落下形成的美麗自然景觀，水流在下落過程中的能量轉(zhuǎn)化過程.（不計一切阻力）2.流星從高空向地球墜落的過程中，在進入大氣層之前，可以看作只受地球的引力作用，流星這一過程能量的轉(zhuǎn)化.3

16、.射箭的時候，運動員先把弓弦拉滿，然后放手釋放彈性勢能.分析放手后，箭和弓組成的系統(tǒng)中，能量如何轉(zhuǎn)化.習(xí)題詳解1.解答：（1）小球在從A點下落至B點的過程中，根據(jù)動能定理W=Ek，mg(h1-h2)=.（2）由mg(h1-h2)=，得mgh1+=mgh2+. 等式左邊表示物體在A點時的機械能，等式右邊表示物體在B點時的機械能，小球從A點運動到B點的過程中，機械能守恒.2.答案：BC飛船升空的階段，動力對飛船做功，飛船的機械能增加.飛船在橢圓軌道上繞地球運行的階段，只有引力對飛船做功，機械能守恒.飛船在空中減速后，返回艙與軌道分離，然后在大氣層以外向著地球做無動力飛行的過程中，只有引力做功，機械

17、能守恒.進入大氣層并運動一段時間后，降落傘張開，返回艙下降的過程中，空氣阻力做功，機械能減少.3.解答：（1）石塊從拋出到落地的過程中，只有重力做功，所以機械能守恒.設(shè)地面為零勢能面，根據(jù)機械能守恒定律：+mgh=，得vt=m/s=15 m/s根據(jù)動能定理：W=Ekt-Ek0即mgh=vt=15 m/s.（2）由vt=知，石塊落地時速度大小與石塊初速度大小和石塊拋出時的高度有關(guān)，與石塊的質(zhì)量和石塊初速度的仰角無關(guān).4.解答：根據(jù)題意，切斷電動機電源的列車，假定在運動中機械能守恒，要列車沖上站臺，此時列車的動能Ek至少要等于列車在站臺上的重力勢能Ep.列車沖上站臺時的重力勢能：Ep=mgh=20m m2/s2列車在A點時的動能：Ek=mv2×m×72 m2/s2=24.5m m2/s2可見EkEp，所以列車能沖上站臺.設(shè)列車沖上站臺后的速度為v1,根據(jù)機械能守恒定律，有Ek=Ep+=Ek-Ep=24.5m m2/s2-20m m2/s2=4.5m m2/s2可得v1=3