《能量守恒定律》教案

時間：2021-06-19 13:43:02 教案我要投稿

《能量守恒定律》教案

　　從容說課

《能量守恒定律》教案

　　本節(jié)課的設計，教材繼續(xù)沿用了前幾節(jié)的課程模式，先由生活中的實例引出研究問題，然后用實驗加以證實，讓學生接受這個物理事實。接著再從理論上推導、證明，從而得出結論。

　　這節(jié)課教材是從生活中騎自行車上坡的實例入手，引出動能和重力勢能在此過程中是在相互轉化的。接著通過實驗來證實這個轉化過程中的守恒結論。最后提出了自然界中最普遍、最基本的規(guī)律之一能量轉化和守恒定律。

　　機械能守恒定律是能量守恒定律的一個特例，要使學生對定律的得出、含義、適用條件有一個明確的認識，這是能夠用該定律解決力學問題的基礎。

　　各種不同形式的能相互轉化和守恒的規(guī)律，貫穿在整個物理學中，是物理學的基本規(guī)律之一。能量守恒定律是學習各種不同形式的能量轉化規(guī)律的起點，也是運動學和動力學知識的進一步綜合和展開的重要基礎。所以這一節(jié)知識是本章重要的一節(jié)。

　　機械能守恒定律是本章教學的重點內容，本節(jié)教學的重點是使學生掌握物體系統(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。

　　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)學習的難點之一。在教學中應讓學生認識到，物體重力勢能大小與所選取的參考平面（零勢面）有關；而重力勢能的變化量是與所選取的參考平面無關的。在討論物體系統(tǒng)的機械能時，應先確定參考平面。

　　教學重點

　　1。理解機械能守恒定律的內容；

　　2。在具體的問題中能判定機械能是否守恒，并能列出定律的數學表達式；

　　3。理解能量轉化和守恒定律。

　　教學難點

　　1。從能的轉化和功能關系出發(fā)理解機械能守恒的條件；

　　2。能正確判斷研究對象在所經歷的過程中機械能是否守恒。

　　教具準備

　　自制投影片、CAI課件、重物、電磁打點計時器以及紙帶、復寫紙片、低壓電源及兩根導線、鐵架臺和鐵夾、刻度尺、小夾子。

　　課時安排

　　1課時

　　三維目標

　　一、知識與技能

　　1。知道什么是機械能，知道物體的動能和勢能可以相互轉化；

　　2。理解機械能守恒定律的內容；

　　3。在具體問題中，能判定機械能是否守恒，并能列出機械能守恒的方程式；

　　4。理解能量守恒定律，能列舉、分析生活中能量轉化和守恒的例子。

　　二、過程與方法

　　1。初步學會從能量轉化和守恒的觀點解釋現象、分析問題；

　　2。通過用紙帶與打點計時器來驗證機械能守恒定律，體驗驗證過程和物理學的研究方法。

　　三、情感態(tài)度與價值觀

　　1。通過能量守恒的教學，使學生樹立科學觀點，理解和運用自然規(guī)律，并用來解決實際問題；

　　2。通過實驗驗證，體會學習的快樂，激發(fā)學習的興趣；通過親身實踐，樹立“實踐是檢驗真理的唯一標準”的科學觀。培養(yǎng)學生的觀察和實踐能力，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度。

　　教學過程

　　導入新課

　�。蹖嶒炑菔荆�

　　動能與勢能的相互轉化

　　教師活動：演示實驗1：如下圖，用細線、小球、帶有標尺的鐵架臺等做實驗。

　　把一個小球用細線懸掛起來，把小球拉到一定高度的A點，然后放開，小球在擺動過程中，重力勢能和動能相互轉化。我們看到，小球可以擺到跟A點等高的C點，如圖甲。

　　如果用尺子在某一點擋住細線，小球雖然不能擺到C點，但擺到另一側時，也能達到跟A點相同的高度，如圖乙。

　　問題：這個小實驗中，小球的受力情況如何？各個力的做功情況如何？這個小實驗說明了什么？

　　學生活動：觀察演示實驗，思考問題，選出代表發(fā)表見解。

　　小球在擺動過程中受重力和繩的拉力作用。拉力和速度方向總垂直，對小球不做功；只有重力對小球做功。

　　實驗表明，小球在擺動過程中重力勢能和動能在不斷轉化。在擺動過程中，小球總能回到原來的高度�？梢�，重力勢能和動能的總和，即機械能應該保持不變。

　　教師活動：演示實驗2：如圖，水平方向的彈簧振子。

　　用彈簧振子演示動能和彈性勢能的相互轉化。

　　問題：這個實驗中，小球的受力情況如何？各個力的做功情況如何？這個實驗說明了什么？

　　學生活動：觀察演示實驗，思考問題，選出代表發(fā)表見解。

　　小球在往復運動過程中，豎直方向上受重力和桿的支持力作用，水平方向上受彈力作用。重力、支持力和速度方向總垂直，對小球不做功；只有彈簧的彈力對小球做功。

　　實驗表明，小球在往復運動過程中彈性勢能和動能在不斷轉化。小球在往復運動過程中總能回到原來的位置，可見，彈性勢能和動能的總和，即機械能應該保持不變。

　　教師活動：總結、過渡：

　　通過上述分析，我們得到動能和勢能之間可以相互轉化，那么在動能和勢能的轉化過程中，動能和勢能的和是否真的保持不變？下面我們就用實驗來探索這個問題。

　　推進新課

　　一、機械能的轉化和守恒的實驗探索

　　在學生開始做實驗之前，老師應強調如下幾個問題：

　　1。該實驗中選取被打點紙帶應注意兩點：一是第一點O為計時起點，O點的速度應為零。怎樣判別呢？

　　2。是否需要測量重物的質量？

　　3。在架設打點計時器時應注意什么？為什么？

　　4。實驗時，接通電源和釋放紙帶的順序怎樣？為什么？

　　5。測量下落高度時，某同學認為都必須從起始點算起，不能弄錯。他的看法正確嗎？為了減小測量 h值的相對誤差，選取的各個計數點要離起始點適當遠些好，還是近些好？

　　學生活動：思考老師的問題，討論、交流，選出代表發(fā)表見解。

　　1。因為打點計時器每隔0。02 s打點一次，在最初的0。02 s內物體下落距離應為0。002 m，所以應從幾條紙帶中選擇第一、二兩點間距離接近2 mm的紙帶進行測量；二是在紙帶上所選的點就是連續(xù)相鄰的點，每相鄰兩點時間間隔t=0。02 s。

　　2。因為不需要知道物體在某點動能和勢能的具體數值，所以不必測量物體的質量 m，而只需驗證就行了。

　　3。打點計時器要豎直架穩(wěn)，使其兩限位孔在同一豎直平面內，以盡量減少重物帶著紙帶下落時所受到的阻力作用。

　　4。必須先接通電源，讓打點計時器正常工作后才能松開紙帶讓重物下落。

　　5。這個同學的看法是正確的。為了減小測量 h值的相對誤差，選取的各個計數點要離起始點適當遠些好。

　　教師活動：聽取學生匯報，點評，幫助學生解決困難。

　　學生活動：學生進行分組實驗。

　　數據處理：

　　明確本實驗中要解決的問題即研究動能與重力勢能的轉化與守恒。

　　在右圖中，質量為m的物體從O點自由下落，以地面作零勢能面，下落過程中任意兩點A和B的機械能分別為：

　　如果忽略空氣阻力，物體下落過程中如果動能的改變量等于勢能的改變量，于是有Ea=Eb,即上式亦可寫成該式左邊表示物體由A到B過程中動能的增加，右邊表示物體由A到B過程中重力勢能的減少。

　　如果實驗證明等式成立,說明物體重力勢能的減少等于動能的增加。為了方便，可以直接從開始下落的O點至任意一點（上圖中A點）來進行研究，這時應有：。式中h是物體從O點下落至A點的高度，vA是物體在A點的瞬時速度。

　　1。如何求出A點的瞬時速度vA？

　　根據做勻加速運動的'物體在某一段時間t內的平均速度等于該時間中間時刻的瞬時速度可求出A點的瞬時速度vA。

　　右圖是豎直紙帶由下而上實際打點后的情況。從O點開始依次取點1、2、3……圖中s1、s2、s3……分別為0～2點，1～3點，2～4點……各段間的距離。根據公式，t=2×0。02 s（紙帶上任意兩個相鄰的點間所表示的時間都是0。02 s），可求出各段的平均速度。這些平均速度就等于1、2、3……各點相對應的瞬時速度v1、v2、v3……例如：

　　量出0～2點間距離s1，則在這段時間里的平均速度，這就是點1處的瞬時速度v1,以此類推可求出點2、3……處的瞬時速度v2、v3……

　　2。如何確定重物下落的高度？

　　上圖中h1、h2、h3……分別為紙帶從O點下落的高度。

　　根據以上數值可以計算出任意點的重力勢能和動能，從而驗證動能與重力勢能的轉化和守恒。

　　二、機械能守恒定律

　　機械能守恒定律的推導：

　　教師活動：［多媒體展示下列物理情景］

　　在自由落體運動中機械能守恒

　　一個質量為m的物體自由下落，經過高度為h1的A點（初位置）時速度為v1，下落到高度為h2的B點（末位置）時速度為v2。

　　學生活動：思考并證明

　　如右圖所示，設一個質量為m的物體自由下落，經過高度為h1的A點（初位置）時速度為v1，下落到高度為h2的B點（末位置）時速度為v2。在自由落體運動中，物體只受重力G=mg的作用，重力做正功。設重力所做的功為WG，則由動能定理可得

　�、偕鲜奖硎�，重力所做的功等于動能的增量。另一方面，由重力做功與重力勢能的關系知道，WG＝mgh1-mgh2

　�、谏鲜奖硎�，重力所做的功等于重力勢能的減少。由①式和②式可得③

　　小結：在自由落體運動中，重力做了多少功，就有多少重力勢能轉化為等量的動能，移項后可得

　　或者Ek1+Ep1=Ek2+Ep2④

　　上式表示，在自由落體運動中，動能和重力勢能之和即總的機械能保持不變。

　　【教師精講】

　　上述結論不僅對自由落體運動是正確的，可以證明，在只有重力做功的情形下，不論物體做直線運動還是曲線運動，上述結論都是正確的。

　　所謂只有重力做功，是指：物體只受重力，不受其他的力，如自由落體運動和其他方向運動；或者除重力外還受其他的力，但其他力不做功，如物體沿光滑斜面的運動。

　　在只有重力做功的情形下，物體的動能和重力勢能發(fā)生相互轉化，但機械能的總量保持不變。

　　這個結論叫做機械能守恒定律，它是力學中的一條重要定律，是更普遍的能量守恒定律的一種特殊情況。

　　不僅重力勢能和動能可以相互轉化，彈性勢能和動能也可以相互轉化。放開被壓縮的彈簧，可以把跟它接觸的小球彈出去，這時彈簧的彈力做功，彈簧的彈性勢能轉化為小球的動能。在彈性勢能和動能的相互轉化中，如果只有彈力做功，動能和彈性勢能之和保持不變，即機械能守恒。

　　【方法引導】

　　解決某些力學問題，從能量的觀點來分析，應用機械能守恒定律求解，往往比較方便。應用機械能守恒定律解決力學問題，要分析物體的受力情況。在動能和重力勢能的相互轉化中，如果只有重力做功，就可以應用機械能守恒定律求解。

　　【例題剖析】

　�。ㄒ唬C械能守恒條件的判斷

　�。劾�1］下列關于機械能是否守恒的敘述正確的是（）

　　A。做勻速直線運動的物體機械能一定守恒

　　B。做勻變速直線運動的物體的機械能可能守恒

　　C。合外力對物體做功為零時，機械能一定守恒

　　D。只有重力對物體做功，物體機械能一定守恒

　　解析：

　　A。做勻速直線運動的物體，除了重力做功外，可能還有其他力做功，如降落傘在空中勻速下降時，除了重力做功外，空氣阻力也對降落傘做功，所以機械能不守恒，不選。

　　B。做勻變速直線運動的物體可能只受重力且只有重力做功，如自由落體運動，物體機械能守恒，應選。

　　C。如降落傘在空中勻速下降時合外力為零，合外力對物體做功為零，除重力做功外，空氣阻力也做功，所以機械能不守恒，不選。

　　D。符合機械能守恒的條件，應選。

　　可見，對物體進行受力分析，確定各力做功情況是判定機械能是否守恒的一般程序。

　�。劾�2］如圖所示，斜面體置于光滑水平地面上，其光滑斜面上有一物體由靜止沿斜面下滑，在物體下滑過程中，下列說法正確的是（）

　　A。物體的重力勢能減少，動能增大

　　B。物體的重力勢能完全轉化為物體的動能

　　C。物體的機械能減少

　　D。物體和斜面體組成的系統(tǒng)機械能守恒

　　解析：由于斜面體放在光滑斜面上，當物體沿斜面下滑時，物體實際位移方向和物體所受支持力的方向不垂直，所以支持力對物體做了功（負功），物體的機械能不守恒，物體的機械能減少了，物體對斜面體的壓力對斜面體做了功（正功），斜面體的機械能增加了，斜面體的機械能也不守恒。

　　對物體和斜面體組成的系統(tǒng)，斜面體和物體之間的彈力是內力，對系統(tǒng)做功的代數和為零，即不消耗機械能。在物體和斜面體的運動過程中只有重力做功，所以系統(tǒng)的機械能守恒。

　　物體在下滑過程中重力勢能減少，一部分轉化為物體的動能，另一部分則轉化為斜面體的動能。

　　所以本題選ACD。

　�。ǘC械能守恒定律的應用

　　［例3］一個物體從光滑斜面頂端由靜止開始滑下（如圖），斜面高1 m，長2 m。不計空氣阻力，物體滑到斜面底端的速度是多大？

　　物體沿光滑斜面下滑時機械能守恒

　　分析：斜面是光滑的，不計摩擦，又不計空氣阻力，物體所受的力有重力和斜面的支持力，支持力與物體的運動方向垂直，不做功。物體在下滑過程中只有重力做功，所以可用機械能守恒定律求解。

　　解析：題中沒有給出物體的質量，可設物體的質量為m。物體在開始下滑到達斜面底端時的速度為v,則有Ep2=0, ,末狀態(tài)的機械能。此時，Ep1=mgh，Ek1=0，初狀態(tài)的機械能Ek1＋Ep1=mgh。

　　根據機械能守恒定律有

　　Ek2+Ep2=Ek1+Ep1

　　所以。

　　【方法引導】

　　這個問題也可以應用牛頓第二定律和運動學公式求解，但是應用機械能守恒定律求解，在思路和步驟上比較簡單。在這個例題中，如果把斜面換成光滑的曲面（如圖），同樣可以應用機械能守恒定律求解，要直接用牛頓第二定律求解，由于物體在斜面上所受的力是變力，處理起來就困難得多。

　　物體沿光滑曲面下滑時機械能守恒

　　［例4］把一個小球用細繩懸掛起來，就成為一個擺。擺長為L，最大偏角為θ。小球運動到最低位置時的速度是多大？

　　分析：小球受兩個力：重力和懸線的拉力。懸線的拉力始終垂直于小球的運動方向，不做功。小球在擺動過程中，只有重力做功，所以可用機械能守恒定律求解。

　　解析：選擇小球在最低位置時所在的水平面為參考平面。小球在最高點時為初狀態(tài)，初狀態(tài)的動能Ek1＝0，重力勢能Ep1=mg（L-Lcosθ），機械能Ek1＋Ep1=mg（L-Lcosθ）。小球在最低點時為末狀態(tài)，末狀態(tài)的動能 ,重力勢能Ep2=0,末狀態(tài)的機械能為。

　　根據機械能守恒定律有

　　Ek2+Ep2=Ek1+Ep1

　　所以。

　　【教師精講】

　　由這兩個例題可以看出，應用機械能守恒定律解題，可以只考慮運動的初狀態(tài)和末狀態(tài)，不必考慮兩個狀態(tài)之間的過程的細節(jié)。這可以避免直接用牛頓第二定律解題的困難，簡化解題的步驟。

　　守恒定律不僅給處理問題帶來方便，而且有更深刻的意義。自然界千變萬化，但有些物理量在一定條件下是守恒的，可以用這些“守恒量”表示自然界的變化規(guī)律，這就是守恒定律。尋求“守恒量”已經成為物理學研究中的重要方面。我們學習物理，要學會運用守恒定律處理問題。

　　三、能量轉化和守恒定律

　　教師活動：提出問題：我們已學習了多種形式的能，請同學們說出你所知道的能量形式。我們還知道不同能量之間是可以相互轉化的，請你舉幾個能量轉化的例子。

　　學生活動：思考并回答問題，列舉實例。

　　教師活動：

　　演示實驗1：在一個玻璃容器內放入沙子，拿一個小鐵球分別從某一高度釋放，使其落到沙子中。

　　思考：小球運動過程中機械能是否守恒？請說出小球運動過程中能量的轉化情況。