鲁科版（2019）高中物理必修第二册 1.4势能及其改变_教案1

势能及其改变
【教学目标】
一、知识与技能
1．理解重力势能的概念，会用重力势能的定义进行计算。
2．理解重力势能的变化和重力做功的关系，知道重力做功与路径无关。
3．知道重力势能的相对性。
4．了解弹性势能。
二、过程与方法
1．根据功和能的关系，推导出重力势能的表达式。
2．学会从功和能的关系上解释和分析物理形象。
三、情感、态度与价值观
1．通过小组合作学习让每个同学体会到责任和义务以及尊重，学会同学间相互取长补短，感受合作学习的快乐。
2．通过对新知识的研究，体会物理规律与生活的联系，激发探索未知世界的乐趣。
3．渗透从对生活中有关物理现象的观察，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。
【教学重点】
重力势能的概念及重力做功跟物体重力势能改变的关系。
【教学难点】
重力势能的系统性和相对性。
【教学过程】
一、复习提问、新课导入
教师提出问题：运动的物体具有能量，被举高的物体有没有能量？
多媒体投影水电站图片，提出问题：大家都知道水力发电站是用水来发电的，为什么要修那么高的大坝？水是利用了什么能来发电的？
多媒体投影打桩机的图片，提出问题：打桩机中被举高的重锤是否具有能量呢？如果有，那么它的能量是从哪里来的？
学生观看幻灯片听老师讲述并进行思考。
为了能理解以上问题这节课我们就来学习新的内容——势能及其改变。
二、新课教学
（一）重力势能
教师请同学们分析、讨论以上提出的问题进而引导学生归纳出重力势能的定义。
定义：物体处于一定的高度而具有的能叫做重力势能。
教师提出问题：物体重力势能的大小可能与哪些因素有关？请同学们猜想。
演示实验【提供实验器材：铁球（大小、质量均不同的两个）、透明玻璃容器、沙子】
在一个透明的玻璃容器内装上沙子。
实验一：将不同的两铁球从同一高度释放，观察铁球落在沙子中的深度。
实验二：用一个铁球从不同高度释放，观察铁球落在沙子中的深度。
学生回答观察的现象：铁球的释放高度越大，铁球落在沙子中的深度越大。质量大的铁球落在沙子中的深度越大。
学生观察实验，回答现象：铁球的释放高度越大，铁球落在沙子中的深度越大。质量大的铁球落在沙子中的深度越大。
教师归纳上述演示，我们可以定性得到：重力势能跟物体的质量和高度都有关系，且物体的质量越大，高度越高，重力势能就越大。
教师提出问题：那么，怎样来定量表示重力势能呢？
实验演示及解答问题：投影片出示问题：让质量为m的小球从高度为h1的A点下落到高度为h2的B点，重力所做的功为多少？
学生思考分析回答问题
学生求解得到：
重力所做的功为：WG＝mg?h=mg（h1-h2）
教师安排学生研究上式的物理意义：重力所做的功等于mgh这个量的变化，所以在物理学中就用mgh这个式子来表示物体的重力势能。?
板书：重力势能公式：EP＝mgh
EP→物体的重力势能。单位：焦（J）
m→物体的质量。单位：千克（kg）
g→重力加速度。单位：（米每二次方秒）s2/ｍ
h→物体的高度。单位：米（ｍ）?
学生动手推导重力势能单位
∵1kg?m/s2?m＝1N?m＝1J
∴重力势能的单位是焦耳。
教师多媒体投影问题：一个质量为10kg的物体，把它放置在一张高1m的桌面上，则此物体的重力势能是多少呢？（取g=10m/s2）
根据学生回答让学生讨论：为什么同一个问题会得到不同的答案？
提出重力势能的相对性：重力势能EP=mgh中h是相对于某个水平面来说的，这个水平面上h=0，重力势能也为零，这个水平面叫做零势能参考平面。通常也叫零势面。参考水平面的选取是任意的，选择哪个水平面作为参考平面，可视研究问题的方便而定。通常选择地面作为参考平面。
选择不同的零势面，重力势能是不同的。h是所处位置的平面到参考水平面的距离。
物体位于参考平面上方，h>0，重力势能是正值，表示物体在该位置具有的重力势能比它在参考水平面上面具有的重力势能多。
物体位于参考平面下方，h<0，重力势能是负值，表示物体在该位置具有的重力势能比它在参考水平面上面具有的重力势能少。
教师：前面我们学过了功是能量变化的量度，重力势能的变化也可用做功表示出来。我们知道力对物体做了多少功，物体的能量就将变化多少，那么同学们猜想重力所做的功与物体重力势能的变化之间有什么关系？
（二）重力做功与重力势能改变的关系
教师：我们用EP1=mgh1来表示物体在初位置的重力势能，用EP2=mgh2来表示物体在末位置的重力势能，则WG=mgh1-mgh2
学生讨论得到：
当物体由高处运动到低处时，h1>h2，WG>0∴mgh1>mgh2
当物体由低处运动到高处时，h1教师总结：重力做正功时，重力势能减少，减少的重力势能等于重力所做的功。物体克服重力做功（重力做负功）时，重力势能增加，增加的重力势能等于物体克服重力所做的功。
学生阅读教材中讨论与交流：
学生讨论得出：重力所做的功相同，因为重力所做的功等于重力势能的减少量，而重力势能的减少量mg（h1-h2）是一定的。
教师：由此得到：重力所做的功只跟物体初位置的高度h1和末位置的高度h2有关，跟物体运动的路径无关。
（三）弹性势能及其改变
（1）演示
装置如图所示：将一弹簧压缩不同程度观察现象。
取一个硬弹簧，一个软弹簧，分别把它们压缩相同程度，观察现象。
（2）学生叙述实验现象
实验1中：当弹簧压缩程度越大时，弹簧把木块推的越远。
实验2中：两根等长的软、硬弹簧，压缩相同程度时，硬弹簧把木块弹出的远。
（3）上述实验中，弹簧被压缩时，要发生形变，在恢复原状时能够对木块做功，我们说弹簧具有能，这种能叫弹性势能。
（4）教师：同学们能举几个物体具有弹性势能的例子吗？
学生：卷紧的发条，被拉伸或压缩的弹簧，拉弯的弓、击球时的网球拍或羽毛球拍、撑杆跳高时的撑杆等。
（5）教师分析上述各例中弹性势能和形变程度之间的关系，学生总结得到：形变程度越大，弹性势能也越大。
（6）教师：到现在为止，我们已学习了两种势能：重力势能和弹性势能。对于重力势能，其大小由地球和地面上物体的相对位置决定。
对于弹性势能，其大小由形变程度决定，而形变程度不同，发生形变的物体的各部分相对位置也会发生变化，得到：
①势能也叫位能。
②势能具有系统性：重力势能是物体和地球组成的系统共有的，弹性势能是物体的各部分所共有的。
【巩固练习】
1．将同一物体分两次举高，每次举高的高度相同，那么（ ）
A．不论选定什么参考平面，两种情况中，物体重力势能的增加值相同
B．不论选定什么参考平面，两种情况中，物体最后的重力势能相等
C．不同的参考平面，两种情况中，重力做功不等
D．不同的参考平面，两种情况中，物体最后的重力势能肯定不等
2．同一物体，第一次被匀速提升到l0m高处，第二次被沿着倾角为30°的光滑斜面拉到位移为20m处，那么，在这两次过程中（ ）
A．第一次增加的重力势能大
B．第二次增加的重力势能大
C．两次增加的重力势能一样大
D．两次物体克服重力做功值相等
3．下列说法中正确的是（ ）
A．选择不同的参考平面，物体的重力势能的数值是不同的
B．物体克服重力做功，物体的重力势能增加
C．重力对物体做正功，物体的重力势能增加
D．重力势能为负值的物体，肯定比重力势能为正值的物体做功要少
4．质量为m的物体，由静止开始下落，由于空气阻力的作用，下落的加速度为0.8g，在物体下落h的过程中，下列说法正确的是（ ）
A．物体重力做的功为mgh
B．物体的动能增加了mgh
C，物体重力势能减少了mgh
D．物体克服阻力所做的功为0.2mgh
5．在水平面上竖直放置一轻质弹簧，有一个物体在它的正上方自由落下，在物体压缩弹簧直至速度减为零时（ ）
A．物体的重力势能最大
B．物体的动能最大
C．弹簧的弹性势能最大
D．弹簧的弹性势能最小
6．质量为m的物体从地面上方H高处无初速释放，落在地面后出现一个深为h的坑，如图所示，在此过程中（ ）
A．重力对物体做功mgH
B．物体重力势能减少mg（H+h）
C．合力对物体做的总功为零
D．地面对物体的平均阻力为mgH/h
7．下列关于弹性势能的说法中，正确的是（ ）
A．任何发生弹性形变的物体都具有弹性势能
B．任何具有弹性势能的物体，一定发生弹性形变
C，物体只要发生形变，就一定具有弹性势能
D．弹簧的弹性势能只跟弹簧被拉伸或压缩的长度有关
8．井深8m，井上支架高2m，在支架上用一根长3m的绳子系住一个重100N的物体。若以地面为参考平面，则物体的重力势能为____________；若以井底面为参考平面，则物体的重力势能为_____________。
9．在水平地面上平铺n块砖，每块砖的质量为m，厚度为h，如将砖一块一块地竖直叠放起来，需要做的功为_____________。
10．质量是5kg的铜球，从离地面15m高处自由下落1s，其重力势能变为_____________。（g取10m/s2，取地面为参考平面）
11．如图所示，两木块质量分别为m1和m2，两轻质弹簧的劲度系数分别为kl和k2，上面的木块压在上面的弹簧上（但不拴接），整个系统处于平衡状态。现缓慢向上提上面的木块，直到它刚离开上面弹簧，在这过程中，两木块的重力势能各增加多少？
12．质量为m的物体放在地面上，其上表面竖直固定一根轻弹簧，弹簧原长为L，劲度系数为k，下端与物体相连接，如图所示。现将弹簧上端P缓慢提一段距离H，使物体离开地面。若以地面为参考平面，试求此时物体的重力势能。
参考答案：
1．A 2．CD 3．AB 4．ACD 5．C 6．BC 7．AB
8．-100J 700J
9．nn?1mgh2
10．500J
11．m1m1gk1+m2gk2g
12．mgH?mgk