第八章 机械能守恒定律 单元教学设计

单元基本信息
学科 物理 实施年级 高一
课程标准模块 2.1机械能及其守恒定律
使用教材 人教版第二册
单元名称 第8章 机械能守恒定律
单元课时 8课时
单元教学规划
学习主题：从功能转化视角建构能量的守恒观念
1.主题名称 功能关系与机械能守恒
2.主题概述 核心概念：功、功率、动能、势能（重力、弹性）、机械能内容结构： 功和能相较前面所学的速度和位移等概念更加抽象，为了提高学生学习的意义性，需要在视角上做调整。首先能量可以认为是物体状态的另一种表现形式（如与速度相关的动能或与位置相关的势能等），这样就能把功的意义更具体的体现出来，如水平方向的推力，沿水平方向运动一段位移后，质量大的速度变化小，质量小的速度变化大，总之状态都变了。而竖直提着物体沿水平方向移动，则物体的状态没有发生变化，但是提着重物上楼，则物体的高度等状态将发生变化，从而可见，力在空间上的有效积累，会带来物体状态的变化，使功的概念意义更加凸显。在此基础上可以进一步从理论上探讨动能的表达形式以及动能和功的关系（动能定理），势能表达形式以及势能与功之间的关系，还有机械能表达式，以及机械能守恒的条件和功能关系等。这样作为本章的功、能的抽象难点就可以化解了。可见涉及功能的情景分析以及关系推导是破解本章难点的重要依据和途径。
3.主题学情分析 初中物理已学习了功的定义和计算方法，知道动能、重力势能、弹性势能、机械能等基本概念的定性关系高中物理已经学习了牛顿定律、直线运动、曲线运动，矢量的合成分解等知识，具备了对物体进行全面的受力分析和状态就算的能力，在思维上，具有一定的抽象思维和建模能力，及极限分析能力，如由平均速度到瞬时速度，把非均匀变化通过无限分割的方式转化为无数个均匀变化的累加；会用图像面积法实现对变量的积分求和等，这些都为本章的学习奠定了坚实的知识和能力基础。
4.开放性学习环境 本章用到的设备仪器有：多媒体平台（包括电脑及实物投影装置等），word、ppt及excel等办公软件，以及实验装备：砖头4块、沙坑、摆球、悬线、电动机、汽车的相关参数，弹力球，矿泉水及瓶，弹簧和振子、铁架台、打点计时器、纸带、气垫导轨等。
素养导向的学习目标
课标素养名称 5.单元学习目标 对应关系说明
物理观念 1） 物质观能对研究对象进行明确的选择（系统或局部要分清）2）运动与相互作用能从运动和相互作用的视角认识功、动能定理和和机械能守恒定律3）能量观动能、势能、机械能是物体状态的另一种表现形式有自己内在的转移转化规律 G1-2G2-4G3-3
科学思维 1）模型建构：能正确建立汽车启动、动能的发现过程、势能的发现过程、及喷泉喷水、风力发电……等模型2）分析归纳：动能定理（匀变、非匀变、直线、曲线等）、重力做功与重力势能的关系、机械能守恒等原理关系3）推理论证：重力做功与路径无关、动能定理的广泛适应性、机械能守恒条件的推导等4）质疑创新： 体会mv（死力）与 mv2（活力）的内涵与指代，以及最终把动能定义为mv2/2 S1-3S2-3S3-4S4-2
科学探究 ——问题、证据、解释、交流——1）理论探究：动能及动能定理、重力做功与路径无关、重力势能与弹性势能、机械能守恒……2）实验探究：弹性势能大小，只在重力作用下的机械能守恒…… T1-3T2-3T3-3T4-2
科学态度与责任 1）科学本质：动能的发现由mv2到 ，势能mgh的发现…… 实验时不能用计算速度等2）科学态度：用严谨入微的思维，把公式原理由恒力推到变力，由直线推到曲线，增进其广泛适应性3）社会责任：由牛顿力学到功能关系，科学的发展进步任重而道远。能量虽然是守恒的，但是一个地方多，另一地方就会少， 社会需要均衡、可持续的发展 Z1-4Z2-3Z3-5
编码说明：G1-2——“G1”表示物理观念的第一项“物质观念”；“—2”表示“水平2”的要求
挑战性学习活动/任务（方案1：以课时为单位规划）
课时任务 6.教学过程
子任务 情境 问题 活动 发展
任务一物体状态如何随力和空间而变化 任务1：体验力在空间上积累对物体状态的影响任务2：得出并认识功的概念任务3：功的概念认识和深化 感受当有力并有沿力的方向的位移时，物体状态的变化。第一组：在桌面水平推动一个滑块；第二组：缓慢提起重物；第三组：提着重物，沿水平面匀速直线运动。改变力与位移的夹角，分析功的空间积累结果。一个物体在两个互成90°的力的作用下，移动距离l求合力和分力的做功关系变力功的算法这部分内容具有一定的挑战性，应根据学生的实际水平有选择的采用。 怎样的力的作用才能带来物体状态的变化？当力与位移不在一条直线上的时候，怎样计算力的空间积累？合力与分力的做功关系是什么？如果一个力的大小和方向时刻都在发生改变（变力），如何去计算功？ 把这个班级分成三组，每组完成一项任务，共同分享体验结果。把力与位移的积累效应定义为“功”计算功的大小，从夹角为零到180°的不同。计算合力和分力的功，论证功的标量性。体会总功的两种求法师生共同讨论分析绳子拉力在摆动过程中所做功的计算方法。 感知功是力在空间上的积累过程。【观念】功的定义和计算方法【思维】功的标量性合力功的求法【思维】思维方法：零和解法（总功为零）用无限分割化变力为恒力的微元解法【思维】
任务二如何实现做功的快与慢 任务1：通过搬石头的做功过程，体验做功的快慢任务2：推导功率的计算方法任务3：通过汽车启动过程分析，体验功率概念的实际应用 两个同学搬石头，总重力相等，一组石头细小个数多，一组石头块头大个数少。推导计算做功快慢的方法情景1：汽车在水平路面上由静止启动到匀速的状态变化过程情景2：恒定功率上坡的状态变化过程 哪组做的功多？哪组做功快？如何计算做功的快慢？如何计算某个瞬间的做功快慢？额定功率是什么含义？当汽车以恒定牵引力启动时的速度随时间变化规律？当汽车以额定功率启动时的速度随时间的变化规律？当汽车以某一速度冲上斜坡后，保持功率不变，则速度随时间的变化规律如何？ 两位同学展示，其他同学观察并思考回答。根据功率的物理意义分析计算平均功率、瞬时功率的方法根据初中认识回答第一个问题。再分两组讨论分析各个问题，并绘制出相应的速度—时间图像。这个问题有一点难度，由同学们共同分析研讨 体会做功除了有多少之外还有快慢的不同。【观念】完善功率的概念和算法，及从平均到瞬时的极限求法。【思维】应用所学知识解决实际问题。【思维】
任务三位能与功的关系的探寻 任务1：感受重力势能的存在任务2：发现重力做功的特点任务3：建立重力势能的概念任务4：感受弹性势能的存在 演示举高的物体下落时击打物体；观看泥石流凶猛与强悍的视频；通过物体竖直下落、斜面下落过程，再推演到曲线下落过程中的重力做功 根据重力功的状态表示关系式，定义重力势能的表达式。并进一步阐释其单位、相对性和系统性等特点。通过弹弓、射箭、撑杆跳等过程，类比重力势能体验弹性势能的存在与特点 人可以干活，物体可以干活吗？重力做功与途经的路径有关吗？重力功与重力势能之间有怎样的关系？重力势能的单位是什么？是什么物理量？为什么说重力势能具有相对性和系统性的特点？拉起的弓可以把箭射向远方，这说明弓具备了什么？怎样使弓存储的弹性势能变大？ 学生观察景象，感受被举高物体可以做功，具有改变别的物体状态的潜能。同学们分组研讨，再汇报交流同学们根据重力功的表达形式，归纳出重力势能的表达式，并结合公式和所学分析重力势能的各种特点同学们通过对比分析，弹性形变下，使物体储存弹性势能，并分析其大小与哪些因素相关 感受重力势能的真实存在【观念】认识重力做功与路径无关的特点。进一步训练无限分割化曲为直的思维方法【观念、思维】重力势能的计算方法和相应的特征认识【探究】通过比较迁移，认识弹性势能【思维】
任务四动能与功的关系——原理发现 任务1：体验动能的存在任务2：理论探讨动能的变化与做功的关系任务3：应用动能定理解决实际问题 观看水平飞行的炮弹摧毁建筑物的视频；汽车把物体撞飞的动作片；以及风力发电的场景以外力在光滑或粗糙水平面上推动物块做加速运动，分别写出两种情况下外力功与速度之间的关系。情景1：平抛物体的落地速度；情景2：竖直平面内的圆周运动 运动的物体有没有能量呢？根据牛顿定律和运动公式，写出外力功与速度之间满足的等量关系式。你有多少种方法求解平抛物体的落地速度？竖直平面内的圆周运动最低点的最小速度是多少？ 感受运动的物体也具有改变物体状态的潜能同学们分析推导功与速度之间的关系式。再通过比较归纳，引出动能的概念。再根据表达式总结出动能定理的准确内涵。分析求解，感受动能定理不一样的处理方式和效率。分析计算 认识到动能的客观存在【观念】分析归纳，认识动能和动能定理的内涵【探究】学会应用动能定理解决问题分析过程和方法【思维】动能定理突破了解决变力曲线问题【思维】
任务五动能与功的关系——原理应用 任务1：回顾动能定理的内容任务2：举一个用动能定理解决生活中实际问题的案例任务 3：理论探讨动能定理在变力复杂曲线情况下能否使用任务4：如果以系统为对象，动能定理还能不能用 本节课是动能定理的习题课，重点在动能定理的内涵理解与方法掌握首先引领学生回顾动能和动能定理的相关内容。让学生列举一个用动能定理解决实际问题的实例物体从斜面上滑下，再进入水平平面（基础好的学生还可以，探讨，连续变化的变力曲线问题，进一步训练无限分割，化曲为直的思想）子弹打木块，子弹与木板间有相对滑动 动能是怎样的物理量？与速度又怎样的关系？动能的变化是由什么功所决定的？学生提出问题如何求解物体在水平面上滑行的长度？子弹的动能变化与哪些力的功相关？木块动能的变化与哪些力的功相关？系统的动能变化与哪些力的功相关？ 学生回忆上节课所学，做出回答。分组提出问题，并给出解答过程同学们尝试着隔离和整体的各种过程分析方法。分组讨论相关问题，再总结分析，对系统用动能定理需要注意的方面 强化对动能和定理的认识【观念】理论联系实际，提高应用能力，激发学习兴趣【情感责任】认识到动能定理对变力复杂曲线已然适应，比牛顿定律更便捷。【思维】深刻认识动能的变化与功的关系【思维】
任务六机械能与功的关系——守恒发现 任务1：感受机械能的守恒现象任务2：推导机械能守恒的条件，理解守恒内涵任务3：利用机械能守恒去解决实际问题 对接斜面、摆球、竖直弹簧振子、球的弹跳等运动， 依据上面四种景象，利用功能关系，推导机械能守恒与不守恒的内在原因【竖直弹簧振子可以从对象、过程、系统等角度做深入探讨。】过山车的平稳安全运行。 在每种运动的过程中，小球的动能、重力势能如何变化？机械能（初中已学）又如何变化？每种运动分别受哪些力？动能与重力势能分别由哪些功决定？机械能的变化量等于什么？从与圆环最高点等高处的斜面，静止释放小球，小球能顺利通过圆弧的最高点吗？ 学生分析讨论并逐一汇报。感受动能和势能之间的大小转化关系同学们分组讨论推证，再选出代表全班展示同学们从能量视角和运动、力的视角分析讨论运动的可行性 认识守恒与不守恒在现实中的存在【观念】从功的视角推理论证，认识机械能守恒的条件以及守恒的纯粹性（即时时刻刻保持不变）【观念】认识到守恒只是现象分析的一种视角，但是还要考虑力的作用与运动的关系。（能满足守恒，但不一定能实现）【观念、思维】
任务七机械能与功的关系——原理应用 任务1：回顾机械能守恒的特征和条件任务2：机械能不守恒的原因分析及因素决定任务3：利用功能关系解决一般机械能守恒或不守恒的机械过程 回顾复习：等质的碰撞小球，在左右等高的摆动碰撞过程中小球以初速度 v0 冲上倾角为30°的粗糙斜面，做加速度为0.75g的匀减速运动。固定在地面上的半圆粗糙轨道，小球从点正上方高处自由下落，经过轨道后从点冲出竖直上升，上升的最大高度为H/2，空气阻力不计。 被释放小球的机械能守恒吗？系统的机械能守恒吗？怎样理解机械能守恒的内涵和条件？在高度达到h时小球的动能、势能和机械能的变化量分别是多少？问题1：小球在粗糙圆弧上克服摩擦力所做的功？问题2：小球从点上方下落返回a点时，能否升起离开a点？ 学生观察、回顾，分析并回答问题结合生活实际举例说明机械能守恒的现象学生根据物体的受力和状态变化，分析各种能量的变化，并思考各种能量变化的决定因素。同学们讨论分析机械能的影响因素，并作出计算和判断 本节课是机械能守恒定律的习题课，深化对守恒定律的理解，掌握用定律解决问题的一般方法【观念】深入理解机械能不守恒的受力和功的根源【观念】能根据物体的受力和状态变化，判断出机械能是否守恒，并选择恰当的过程进行处理。【思维】认识状态对受力的影响，进而影响到做功和能量变化的【思维】
任务八机械能守恒过程的实验探究 任务1：明确探究的问题任务2：设计探究的方法任务3：实施探究过程，收集数据任务4：实验数据的处理得出实验结论任务5：交流探究经验及改进方案 让学生明确本节课的所要探究的问题核心根据学生的水平和器材的不同，可以有不同的实验方案根据实验数据，既可以用数值计算的方法比较动能和重力势能之间的变化关系；也可以用图像法。从实验设计、仪器选择与搭配、数据处理等方面进行反思总结交流。 满足怎样的条件机械能才能守恒？采取怎样的方案？需要哪些器材？需要测哪些物理量？需要计算和比较哪些数据之间的关系？实验的误差主要来源于什么？如何去减小实验误差？ 思考实验的条件和验证目标根据方案选择仪器实验实施，数据采集设计表格，填入数据，比较分析思考、改进、分享交流 提出问题设计实验采集数据 数据分析完善与分享【探究】
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