第七章 第六节 机械能守恒定律 导学设计.docx
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第七章第六节机械能守恒定律导学设计
第七章第六节机械能守恒定律导学设计
年级:
高一科目:
物理主备教师:
吴香英审核教师:
学习目标
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.会正确推导物体在光滑曲面上运动过程中的机械能守恒,理解机械能守恒定律的内容,知道它的含义和适用条件.
3.在具体问题中,能判定机械能是否守恒,并能列出机械能守恒的方程式。
二、过程与方法
1、学会在具体的问题中判定物体的机械能是否守恒.
2、初步学会从能量转化和守恒的观点来解释物理现象,分析问题.
三、情感态度与价值观
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.
学习重点
1.机械能守恒定律是本章教学的重点内容,本节教学的重点是使学生掌握物体系统机械能守恒的条件;
2.能够正确分析物体系统所具有的机械能;
3.能够应用机械能守恒定律解决有关问题.
学习难点
1.分析物体系统所具有的机械能,尤其是分析、判断物体所具有的重力势能,是本节学习的难点之一.在教学中应让学生认识到,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.
2.能否正确选用机械能守恒定律解决问题是本节学习的另一难点.通过本节学习应让学生认识到,从功和能的角度分析、解决问题是物理学的重要方法之一;同时进一步明确,在对问题作具体分析的条件下,要能够正确选用适当的物理规律分析、处理问题
教学模式
自学-合学-展示
教具准备
Ppt,麦克斯韦滚摆;单摆;弹簧振子.
课型
新授课
课时
一课时
教学过程
教学环节
知识能力要点
学生活动
设计意图
一、创设探究情景,引发学生思考:
(预设1分钟)
师:
我们已学习了重力势能、弹性势能、动能.这些不同形式的能是可以相互转化的,那么在相互转化的过程中,他们的总量是否发生变化?
这节课我们就来探究这方面的问题.
复习上节内容。
二、新知探究:
(预设32分钟)
问题探究一、
动能与势能的相互转化
师:
现在大家看这样几个例子,分析各个物体在运动过程中能量的转化情况.
(让学生看自由下落的物体、沿光滑斜面向下运动的物体、竖直上抛的物体等等,这些物体最好是具体的实物,以增加学生学习的兴趣,减小问题的抽象性)
师:
我们先来看自由落体运动的物体,自由落体运动是一种最简单的加速运动,在这个运动过程中能量的转化情况是怎样的?
师:
在竖直上抛运动的过程中,能量的转化情况又是怎样的?
师:
物体沿光滑斜面上滑,在运动过程中受到几个力,有几个力做功,做功的情况又是怎么样的?
师:
我们下面再看这样一个例子:
(演示:
如图5.8—1,用细线、小球、带有标尺的铁架台等做实验.把一个小球用细线悬挂起来,把小球拉到一定高度的A点,然后放开,小球在摆动过程中,重力势能和动能相互转化.
我们看到,小球可以摆到跟A点等高的C点,如图5.8—1甲.如果用尺子在某一点挡住细线,小球虽然不能摆到C点,但摆到另一侧时,也能达到跟A点相同的高度,如图5.8—1乙)
师:
在这个小实验中,小球的受力情况如何?
各个力的做功情况如何?
这个小实验说明了什么问题?
实验证明,小球在摆动过程中重力势能和动能在不断转化.在摆动过程中,小球总能回到原来的高度.可见,重力势能和动能的总和不变.
师:
上面几个例子都是说明动能和重力势能之间的相互转化,那么动能和另外一个势能——弹性势能之间的关系又是什么呢?
我们看下面一个演示实验.
(实验演示,如图5.8—2,水平方向的弹簧振于.用弹簧振子演示动能和弹性势能的相互转化)
师:
在这个小实验中,小球的受力情况如何?
各个力的做功情况如何?
这个小实验说明了什么?
师:
动能和重力势能的总和或者动能和弹性势能的总和叫做什么能量?
师:
上述几个例子中,系统的机械能的变化情况是怎样的?
结论:
虽然动能不断地变化,势能也不断地变化,它们的变化应该存在一个规律,即总的机械能是不变的.
生:
在自由落体运动中,物体在下落的过程中速度不断增大,动能是增加的;而随着高度的减小,物体的重力势能是减少的.
生:
竖直上抛运动可以分成两个阶段,一个是上升过程的减速阶段,一个是下落过程的加速阶段,下落过程的加速阶段能量的变化过程和自由落体运动中能量的转化过程是一样的,动能增加,重力势能减少,因为这个阶段的运动实质上就是自由落体运动.在上升过程中,物体的动能减少,重力势能增加.
生:
在物体沿光滑的斜面上滑时,物体受到两个力的作用,其中包括物体受到的重力和斜面对它的支持力,这两个力中重力对物体做负功,支持力的方向始终和物体运动方向垂直,所以支持力不做功。
生:
小球在摆动过程中受重力和绳的拉力作用.拉力和速度方向总垂直,对小球不做功,只有重力对小球能做功.
学生观察演示实验,思考问题,选出代表发表见解
生1:
小球在往复运动过程中,竖直方向上受重力和杆的支持力作用,水平方向上受弹力作用.重力、支持力和速度方向总垂直,对小球不做功;只有弹簧的弹力对小球能做功.
生2:
实验证明,小球在往复运动过程中弹性势能和动能在不断转化.小球在往复运动过程中总能回到原来的位置,可见,弹性势能和动能的总和应该不变.
生:
动能和重力势能和弹性势能的总和叫做机械能
生:
虽然动能不断地变化,势能也不断地变化,它们的变化应该存在一个规律,即总的机械能是不变的.
锻炼学生的动手能力。
学习自己探讨问题的能力。
问题探究二、
机械能守恒定律
师:
刚才这些例子只是半定量地了解机械能内部动能和势能的转化情况,要想精确地解决这个问题,还需要进一步的研究.我们得到动能和势能之间可以相互转化,那么在动能和势能的转化过程中,动能和势能的和是否真的保持不变?
下面我们就来定量讨论这个问题.
二、机械能守恒定律
先考虑只有重力对物体做功的理想情况.
1.只有重力对物体做功时物体的机械能
问题:
质量为m的物体自由下落过程中,经过高度h1处速度为v1,下落至高度h2处速度为v2,不计空气阻力,分析由h1下落到h2过程中机械能的变化(引导学生思考分析).
分析:
根据动能定理,有
下落过程中重力对物体做功,重力做功在数值上等于物体重力势能的变化量.
取地面为参考平面,有
WG=mgh1-mgh2
由以上两式可以得到
引导学生分析上面式子所反映的物理意义,并小结:
下落过程中,物体重力势能转化为动能,此过程中物体的机械能总量不变.
指出问题:
上述结论是否具有普遍意义呢?
作为课后作业,请同学们课后进一步分析物体做平抛和竖直上抛运动时的情况.
明确:
可以证明,在只有重力做功的情况下,物体动能和势能可以相互转化,而机械能总量保持不变.
提出问题:
在只有弹簧弹力做功时,物体的机械能是否变化呢?
2.弹簧和物体组成的系统的机械能
以弹簧振子为例(未讲振动,不必给出弹簧振子名称,只需讲清系统特点即可),简要分析系统势能与动能的转化.
明确:
进一步定量研究可以证明,在只有弹簧弹力做功条件下,物体的动能与势能可以相互转化,物体的机械能总量不变.
综上所述,可以得到如下结论:
3.机械能守恒定律
在只有重力和弹簧弹力对物体做功的情况下,物体的动能和势能可以相互转化,物体机械能总量保持不变.这个结论叫做机械能守恒定律.
(1)内容:
在只有重力或弹力做功的物体系统内,动能和弹性势能可以相互转化,而总的机械能保持不变。
这就是机械能守恒定律。
(2)表达式:
或
(3)机械能守恒条件的理解
A.从能量转化的角度看,只有系统内动能和势能相互转化,无其它形式能量之间(如内能)转化;
B.从系统做功的角度看,只有重力或弹力做功。
(4)只有重力或弹力做功与只受重力或弹力作用的含义不同。
例1:
A、B间,B与地面间摩擦不计,A自B上自由下滑过程中,A、B组成的系统只有重力和A、B间的弹力(系统内的弹力)做功,A、B组成的系统的机械能守恒,但对B来说,A对B的弹力做功,但这个力对B来说是外力,B的机械能不守恒。
同样对A来说,A的机械能不守恒。
说明:
如果问题中只有动能和重力势能的相互转化,没有涉及到弹性势能,此时机械能守恒的条件可以表述为:
只有重力做功以后遇到的问题绝大多数都是这种情形。
3.守恒定律的多种表达方式
当系统满足机械能守恒的条件以后,常见的守恒表达式有以下几种:
(1)
,即初状态的动能和势能之和等于末状态的动能和势能之和。
(2)
,即动能(或势能)的增加量等于势能(或动能)的减少量。
(3)
,即A物体机械能的增加量等于B物体机械能的减少量。
提出问题:
学习机械能守恒定律,要能应用它分析、解决问题.下面我们通过具体问题的分析来学习机械能守恒定律的应用.在具体问题分析过程中,一方面要学习应用机械能守恒定律解决问题的方法,另一方面通过问题分析加深对机械能守恒定律的理解与认识.
(学生自主推导结论,老师巡视指导,及时解决学生可能遇到的困难.投影学生的推导过程,和其他学生一起点评)
培养学生观察问题分析问题的习惯,培养学生的探究意识和进一步学习的欲望。
问题探究三、解题步骤
把一个小球用细线悬挂起来,就成为一个摆,摆长为L,最大倾角为θ.小球到达最底端的速度是多大?
师:
这个问题应该怎样分析?
师:
具体的解答过程是什么?
师:
通过这个题目的解答,你能够得到什么启发呢?
师:
下面大家总结一下用机械能守恒定律解决问题的一般步骤.
(投影学生总结的用机械能守恒定律解题的一般步骤,组织学生讨论完善这个问题,形成共同的看法)(参考解题步骤)
师:
它和动能定理解题的相同点是什么呢?
师:
用动能定理和机械能守恒定律解题的不同点是什么?
师:
刚才同学们分析得都很好,机械能守恒定律是一个非常重要的定律,大家一定要熟练掌握它.
生:
和刚才举的例子一样,小球在摆动过程中受到重力和细线的拉力.
细线的拉力与小球的运动方向垂直,不做功,所以整个过程中只有重力做功,机械能守恒.
小球在最高点只有重力势能,没有动能,计算小球在最高点和最低点的重力势能的差值,根据机械能守恒定律就能得到它在最低点的动能,从而计算出在最低点的速度.
生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.
生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
生:
可以分为以下几步进行:
1.选取研究对象——系统或物体.
2.根据研究对象所经历的物理过程.进行受力、做功分析,判断机械能是否守恒.
3.恰当地选取参考平面,确定研究对象在过程的初末状态时的机械能.
4.根据机械能守恒定律列方程,进行求解.
生:
这两个定理都可以解决变力做功问题和运动轨迹是曲线的问题.它们都关心物体初末状态的物理量.
生:
机械能守恒定律需要先判断机械能是不是守恒,而应用动能定理时要求要比机械能守恒定律条件要宽松得多.应用机械能守恒定律解决问题首先要规定零势能面,而用动能定理解决问题则不需要这一步.
三、达标检测:
(预设3分钟)
例1:
关于物体的机械能是否守恒的叙述,下列说法中正确的是(D)
A.做匀速直线运动的物体,机械能一定守恒
B.做匀变速直线运动的物体,机械能一定守恒
C.外力对物体所做的功等于0时,机械能一定守恒
D.物体若只有重力做功,机械能一定守恒
四、课堂小结
(预设2分钟)
1.在只有重力做功的过程中,物体的机械能总量不变.通过例题分析要加深对机械能守恒定律的理解.
2.应用机械能守恒定律解决问题时,应首先分析物体运动过程中是否满足机械能守恒条件,其次要正确选择所研究的物理过程,正确写出初、末状态物体的机械能表达式.
3.从功和能的角度分析、解决问题,是物理学研究的重要方法和途径.通过本节内容的学习,逐步培养用功和能的观点分析解决物理问题的能力.
4.应用功和能的观点分析处理的问题往往具有一定的综合性,例如与圆周运动或动量知识相结合,要注意将所学知识融会贯通,综合应用,提高综合运用知识解决问题的能力.
五、布置作业
六、评价反思
势能是相互作用的物体系统所共有的,同样,机械能也应是物体系统所共有的.在中学物理教学中,不必过分强调这点,平时我们所说物体的机械能,可以理解为是对物体系统所具有的机械能的一种简便而通俗的说法.
板书设计:
第七章第六节机械能守恒定律
1.动能与势能的相互转化
2.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,动能和弹性势能可以相互转化,而总的机械能保持不变。
这就是机械能守恒定律。
(2)表达式:
或
(3)机械能守恒条件的理解
A.从能量转化的角度看,只有系统内动能和势能相互转化,无其它形式能量之间(如内能)转化。
B.从系统做功的角度看,只有重力或弹力做功。
(4)只有重力或弹力做功与只受重力或弹力作用的含义不同。
3.守恒定律的多种表达方式
(1)
,即初状态的动能和势能之和等于末状态的动能和势能之和。
(2)
,即动能(或势能)的增加量等于势能(或动能)的减少量。
(3)
,即A物体机械能的增加量等于B物体机械能的减少量。
注意:
机械能守恒定律解题的一般步骤
1.根据题意选取研究对象(物体或系统)
2.明确研究对象的运动过程,分析对象在过程中的受力情况,弄清各力做功的情况,判断机械能是否守恒。
3.恰当地选取零势能面,确定研究对象在过程中的始态或末态的机械能。
4.根据机械能守恒定律的不同表达式列方程,并求解结果。
注意:
应用机械能守恒定律解题的优点
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。
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- 第七章 第六节 机械能守恒定律 导学设计 第七 第六 机械能 守恒定律 设计