【核心素养】人教版（2019）必修第二册 8.2 重力势能 教学设计

教学设计2
重力势能
一、学情分析
1．思维基础
高一学生开始从感性认识向理性认识过渡,从具体思维向抽象思维过渡,但思维还是与感性经验直接联系，仍需具体形象的图片来支持。
2．知识基础
学生在初中时己接触过重力势能的概念并且己学习了功的概念和计算方法,在此要定量的学习重力势能及体验建立过程,通过重力做功的计算来判断重力势能的变化。
能力基础
估计学生对EP=mgh会进行公式化处理,出现只认公式不认理的现象,研究探索、质疑提问能力还比较薄弱。
二、教学目标
1. 物理观念
(1) 理解重力势能的概念，会用重力势能的表达式计算。
(2) 会推导重力做功与重力势能的关系，知道重力做功与路径无关。
(3) 知道重力势能的相对性。
2. 科学思维
(1) 根据功能关系，推导出重力势能的表达式。
(2) 学会从功能关系上解释和分析物理现象。
3.科学探究
(1) 重力势能概念的定性探宄与定量推导。
(2) 反证法思辨重力做功与路径无关，才会有重力势能的概念。
4. 科学态度与责任
渗透从对生活中有关物理现象的解释，得到物理结论的方法，激发和培养学生探索自然规律的兴趣。渗透社会公德教育，让学生认识到高空抛物的危害。
三、课程资源
网络视频、自制教具、米尺、重力灯、PPT课件等
四、教学内容
新人教版高中物理必修第二册第8章第2节
五、教学重点与难点
重点：重力势能概念的定性探宄与定量推导,即重力势能概念的得出。
难点：重力做功与路径无关及重力势能的相对性。
六、教学方法
1.教学方法
1．实验演示法
本节教学注重通过实验创设问题情境,如一些生活中简单的高空坠物等实验现象,紧密联系生活,激发学生的学习兴趣。
2．启发式讲授法
教学过程中适时地穿插教师形象生动、富有启发的讲解,以点拨、启发学生。在讲授知识的过程中渗透探宄的思想，理论探宄(推导)重力做功与重力势能变化的关系,进而得出重力势能的表达式。
3．探究教学法
探究教学法有利于学生主动获取知识，发挥学生的主体作用，增强学习积极性,培养学生的科学探究能力,实事求是的科学态度。师生合作探宄的方法得出重力势能与哪些因素有关,并有什么定性关系。
七、教学安排
一课时（40分钟）
八、教学设计
【魔术表演，导入新课】两支质量相同的笔，笔尖朝下，从同一高度由静止开始下落，插入沙子中的深度会一样吗？
其中的奥秘和我们今天所学的内容有关。
任务1:探究重力势能的表达式
问题：这一节我们来进一步定量地研究重力势能。你认为重力势能的表达式应该是怎样的呢？我们可以从什么角度入手去探究重力势能具体的表达式？
创设情景，引导学生推导重力做功的特点：
问题1：一个质量为m的小球从高为h1的A处沿着竖直线到高为h2的B点，重力做了多少功？
问题2：若该小球沿着一条斜线从A处运动到了B处，重力做了多少功？
问题3：若小球沿着任意的一条曲线从从A处运动到了B处，重力做了多少功？
问题4：从结果上看，小球虽然是沿着不同的路径运动，但是都是从h1的位置运动到高为h2的位置，重力做的功是一样的，这说明重力做功有什么特点？
结论：重力做功与路径无关，只与物体起点和终点位置的高度差有关。
问题5：考虑实际情况，小球竖直下落过程中受到空气阻力可以忽略，但是从斜面和曲面下滑会受到摩擦阻力的影响，这个摩擦阻力可能不能忽略，那三种情况下重力做功还一样吗？
教学建议：
（1）思维引导建议。研究重力势能，应从研究重力做功开始。如何确定重力势能的定量表达式，从理论上探究三种情况下小球由A到B过程中重力所做的功，在过程丙中物体沿任意路径向下运动情况，学生会感到困难。在分析过程中要体现出微元(极限)思想，分步提出问题：①物体沿曲线运动，根据已有的知识，重力做功能求出吗 (不能)怎么办 ②想一想我们能够解决的是什么样的情况 (物体沿直线运动过程重力做功，可以根据过程甲、乙的计算结果进行计算。③回忆前面学习过的方法，可不可以“变曲为直”呢，怎么变 (将整个路径分成许多很短的间隔)。
（2）教学活动建议。三个不同场景下重力做功的推导，由浅入深，由特殊到一般。问题1和2可以学生动笔推导，教师观察，并让学生写到黑板上，教师分析总结，并从解题规范性上提出相应的要求。问题3需要学生基于微元法对该问题进行解答，可以细化问题，引发学生思考的基础上再让学生回答解决问题的方法即可。问题4需要学生有一定的总结归纳能力，可以让多个学生回答，教师适当补充。问题5有一定的难度，在学生思考的基础上小组讨论，再交流，最后总结分享。
任务2：探究重力势能的表达式
衔接：初态和末态的表达式均为“mgh”，如果我们把它定义为一个新的物理量，那么mgh1和mgh2应该指的分别是这个物理量的初状态和末状态；减号在这里可以理解为经过重力的做功引起这个物理量发生了变化。结合功是能量转化的量度这一概念，重力做了多少功，相应就有多少能量发生了变化。不难想到：这个物理量应该指的是某种和重力相关的能量。
问题1：那么我们把它称为重力势能，为什么要称它为势能呢？
引入势能的概念：物体凭借其相对位置而具有的能量，叫做势能。（位置决定能量。）
思考：mgh这个物理量具有特殊的物理意义，随高度的变化而变化（凭借其相对位置），具有了势能的特征。
总结： 因此，我们把 mgh叫做重力势能是非常恰当和科学的。
问题2：为什么重力势能它有势能的特征，势能的特点是位置决定能量，而重力做功是与路径无关的，只与位置相关。他两之间是不是存在某种因果关系呢？
提示：物体在同一位置的势能值应该是唯一确定的，重力做了多少功重力势能就发生了多少变化。（同学们讨论一下，如果重力做功与路径有关，mgh还能叫做重力势能吗？）
问题3：【学生实验：测量钩码的重力势能】试估算它的重力势能，钩码的质量为50g，既然是粗测，那我们不妨重力加速度g取10m/s2。
师：有没有其他的情况。→重力势能是一个相对量，需要选择一个参考平面作为零势能面。
问题4：以桌面为参考平面，钩码如果掉到了地上，这时候它所具有的重力势能为多少？同学们想到了重力势能是一个负值，负值的含义是什么？
问题5：既然参考平面的选取是任意的，那么我也可以取瓶子的顶端为零势能面，然后再将钩码分别放在桌面和地上，这时候所具有的重力势能分别为多少，哪个大？
总结：负的越多，说明所具有的重力势能越小；重力势能是标量，有正负，正负号表示的是大小。
问题6：重力是由于地球吸引而产生的，如果没有地球就不会有重力，说明重力势能还和什么有关？所以，重力势能不是仅仅这个物体所具有的，它应该是物体和地球所组成的系统共有的。只是我们平时讲物体的重力势能往往就把地球给省略掉了而已。
总结：从做功的表达式上可以看出，重力势能的单位和功的单位是一样的，也是J。
教学建议：
（1）思维引导建议。通过重力做功与路径无关的特点，从而引出重力势能的表达式，然后让学生体会教材中所写的“看起来， 物体所受的重力mg与它所处位置的高度h的乘积mgh， 具有特殊的意义"。它的特殊意义在于一方面与重力所做的功密切相关，另一方面随着高度的变化而变化，与前面的猜想相呼应。对这一点学生会感觉比较困难,这一认知需要逐渐建立起来，需要基于对“功是物体能量变化的量度”的理解之上，引导学生逻辑推理，归纳总结规律,培养学生的物理思维能力。通过“思考与讨论”中的问题进行讨论，从而使学生理解，正是因为重力做功与路径无关，才引入了重力势能的概念。对于重力势能的相对性、系统性以及正负号的含义，通过学生具体实验操作和数据记录的过程中产生矛盾，在解决问题与矛盾的过程中
（2）教学活动建议。问题1和问题2都具有一定的难度，先让学生独立思考并回答，其他同学补充，教师可以适当提问以减小思维上的难度；问题3、问题4和问题5都是基于学生动手操作和记录数据的过程中产生疑虑，思考原因，解决问题，学生可以充分展示的基础上讨论交流。问题6要求学生回答，教师引导。
任务3：重力做功与重力势能之间的关系
衔接：有了重力势能的表达式，我们就可以把WG=mgh1-mgh2改写成WG=EP1-EP2了。
问题1：重力做的是正功还是负功，重力势能怎么变化？数值上有什么特点？如果现在我沿着不同的轨迹从某一低处向某一高处运动，那是什么情况？
衔接：基于今天所学的内容，我希望同学们能将今天的知识应用于我们的生活实际。
例1：在衢州市中考体育考试中，引体向上能一次性做12个为满分；试估算得满分的同学总共需要克服重力做多少功？
提示：初中生的体重一般在50kg左右，每次做引体向上时上升的高度大概是30cm，我们不需要知道重心的运动路径，只需要估计重心上升的高度即可，可以估算出总共需要克服重力做功1800J。
例2：大家能不能估算一下视频中电灯的功率。虽然视频中我们看到产品已经做出来了，该公司发明的产品是否有视频中介绍的那么好用呢，我还是心存疑虑。我希望同学们下课后能查阅资料，结合今天所学的知识，辨伪存真。
教学建议：
（1）思维引导建议。重力做功等于重力势能的减小量，揭示了功与能之间的关系，问题1可以示范一个具体的物体由低处到高处、或高处到低处的过程，引导学生分析功的正负、重力势能的增减，得出相应的结论。例1和例2是对本节课内容的一个应用，例1的难点是学生对克服重力做功这一过程的模型建构有些困难，比如做一次引体向上重心大约上升多少等，对实际的估算能力的要求比较高，例2视频中的具体数据可以看出这个重力灯广告有虚假宣传的嫌疑，学生根据Ep=mgh可以辨别出视频中部分内容的真伪，培养学生的质疑能力和实事求是的科学态度。
（2）教学活动建议。问题1学生独立思考后回答，其他同学补充和评价；例1让学生独立求解并展示，其他同学质疑和评价；例2需要学生捕捉到视频中的有效信息，教师引导学生辩证思考的基础上，学生讨论，教师根据需要补充讲解。
九、教学反思
1.在重力势能的相对性上，尝试学生体验测量物体重力势能的实验中产生矛盾，进而解决问题，落实知识点，学生参与度较高，思考问题也比较深入、全面，取得较好的教学效果。今后可以多尝试让学生亲身体验的过程，在真实情境中获得感性的认知。
2．《重力势能》这节主要是概念教学，不好讲，尤其体现出概念的生成过程。“功是物体能量转化的量度”的主线贯穿于每一个教学环节,教学思路要清晰,教学内容逻辑性非常强。基于学生课堂的表现，如何引导学生逐步由重力做功的特点建立重力势能的概念，真正理解概念建立的过程还需要细化问题，降低思维的难度，引导学生在思维逐步进阶的过程中真正内化概念。
十、预习任务与课后作业
1.关于视频中的重力灯，查阅资料，结合今天所学的知识，辨伪存真。
2.以重力势能为例，思考将弹簧由原长位置伸长或压缩的过程中，有什么力做功，其特点和重力做功有什么共同点和区别？并探索弹性势能的表达式。
3.完成P82的课后练习与应用。