8.4《机械能守恒定律》教案—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第二册 Word版含答案

第8章 机械能守恒定律
第4节 机械能守恒定律

教学内容分析
《机械能守恒定律》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修2模块中“机械能及其守恒定律”主题下的内容，要求为：理解机械能守恒定律，体会守恒观念对认识物理规律的重要性。能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对该条目的解读为：理解机械能守恒定律，要知道机械能守恒定律的内容和表达式；了解机械能守恒定律的推导过程；明确机械能守恒定律所描述的系统对象；领悟机械能守恒定律的适用条件；体会用机械能守恒定律解决问题的思路——它建立的是两个状态的联系，对这两个状态之间过程的分析仅用来判断该过程是否符合机械能守恒定律的条件，并不涉及机械能守恒的方程表达式。通过机械能守恒定律的应用，学生第一次经历守恒定律的定量运算，感受守恒定律对研究和解决物理问题的重要意义。
本节内容是对前面几节内容的总结，也是对学习能量守恒定律所作的铺垫。本节内容将加深学生对功是能量转化的量度的理解，也为学生从能量角度处理力学问题提供了途径。教材从伽利略斜面的实验讨论开始，分析实验过程中的变化量与不变量，讨论动能与势能的相互转化，接着推理得到机械能守恒定律，在推理的过程中深入理解机械能守恒定律的条件。
学情分析
学生从生活经验积累大量的能量转化实例，例如跳水运动员、蹦极运动、射击比赛等。这些实例使得学生对不同能量可以发生转化以及能量在转化过程中守恒有了初步了解，有助于学生理解机械能守恒定律。但学生的认识是定性的、表层次的，是一种模糊的心理认识，还没有上升到理性的认识高度，没有达到定量认识。教学在学生定性认识基础上，结合各种案例分析，利用动能定理定量推导机械能守恒定律，全面地理解机械能守恒定律。学生在第3节学习后可以熟练应用动能定理分析各种案例，学生的数学推导能力和逻辑思维能力相对于高一上学期有了大幅度提高，这有助于学生掌握机械能守恒定律的推导，建立能量守恒观念。
教学目标
学生通过学习机械能守恒定律，初步建立能量观念、体会物理学中的守恒思想。
学生能用能量观念分析具体实例中动能与势能(包括弹性势能)之间的相互转化。
学生理解机械能守恒定律的推导过程。
学生会从做功和能量转化的角度判断机械能是否守恒，能应用机械能守恒定律解决有关问题，体会用能量守恒观点解决问题的便利性。
教学重难点
教学重点：进一步促进学生理解“功是能量转化的量度”；机械能守恒的条件；运用机械能守恒定律分析相关问题。
教学难点：机械能守恒定律的推导过程；运用机械能守恒定律条件判断研究对象的机械能是否守恒；对机械能守恒定律的理解。
教学方法：启发式教学、教授法、讨论法、演示实验
教学过程
新课引入
情境引入 投影①瀑布飞流直下三千尺；②惊险刺激的过山车
师：这些情境有能量在转化吗？能量是如何转化的？你能举出更多的动能和势能转化的实例吗？
生：势能转化为动能。例如弹弓的弹性势能转化为动能、古代弓弩。
师：在能量转化过程，是否遵循某种隐藏的法则？如何发现现象背后的普适法则？ 能量转化的思想在伽利略的实验中已经初现端倪。
新课教学
1.追寻守恒量
伽利略斜面实验
问题1：牛顿第一定律的内容是什么？
问题2：哪些科学家对牛顿第一定律的建立作出了贡献？伽利略的贡献是什么？
问题3：伽利略是如何推理得到当物体不受力时将一直运动下去的？他的斜面实验是如何做的？
设计意图：通过问题引导学生回顾伽利略的斜面实验和思想方法，分析斜面实验中势能和动能相互转化，蕴含着机械能守恒。
问题4：若斜面光滑，物体沿不同斜面上上升的高度相同吗？你能证明这个结论吗？
（引导学生用运动学公式证明上升高度相同）
问题5：用能量语言如何描述小球的运动情况？能量是如何转化的？
学生活动：分析小球下降时重力势能转化为动能；沿斜面上升时重力势能转化为动能。
设计意图：通过对斜面实验从各个角度分析，培养学生的科学思维能力，提升能量物理观念的认识。学会从不同视角研究问题。
2.动能与势能的相互转化
问题：很多现象中动能与势能发生相互转化。你还能举出哪些情境？
学生活动：学生发言举出各种情境实例，并分析其中的能量转化。孤立学生尽量举更多的实例分析。通过实例认识能量转化，逐步将抽象的能量概念外显化、情境化、形象化。
案例1 自由落体运动
演示实验 教师演示粉笔头做自由落体运动
问题1：在粉笔头自由下落时，动能如何变化？ 重力势能如何变化？ 能量是如何转化的？
案例2 人站在滑板车上在竖直面光滑轨道上运动(交互式程序)
https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy-skate-park-basics_zh_CN.html
问题2：从初始位置到最低点，动能如何变化？重力势能如何变化？能量如何转化的？
案例3：连接体问题
桌面光滑、空气阻力忽略不计
问题3：重锤和小车的动能如何变化？重力势能如何变化？能量是如何转化的？
生：小车和重锤的动能增加，重锤的重力势能减小，小车的重力势能不变。重锤的重力势能转化为小车的动能和重锤的动能。
案例4：竖直方向弹簧振子
教师演示模拟程序，学生观察现象和能量图表。

问题1：没有阻力，重物会一直做周期运动吗？
问题2：有哪些能量参与转化？这些能量如何变化？
问题3：动能、重力势能和弹性势能的和变化吗？
归纳总结：
机械能：动能与势能(重力势能、弹性势能)之和
表达式：E=Ek+EP重+EP弹.
3.机械能守恒定律
问题：动能和势能互相转化，在这种转化过程中遵循什么定量规律？如何找到这种定量规律？能量如何从一种形式转化为另一种形式？
情境1 动能和重力势能转化
h
问题1：物体下落重力做功是多少？
问题2：动能的增加量是多少？
问题3：如何运用动能定理？
问题4：初、末状态机械能分别是多少？你有何发现？
问题5：结论的成立要满足什么条件？
情境2 动能和弹性势能互相转化
问题1：类比重力做功与重力势能变化量的关系，弹力做功W与弹性势能的变化量有何关系？
问题2：设小球初、末状态动能分别为Ek1和Ek2，对小球如何运用动能定理列方程？
问题3：如何计算初、末态机械能？二者相等吗？
问题4：在推理过程中，对地面有何要求？空气阻力要考虑吗？
分析讨论：
若地面光滑，根据动能定理
Ek2-Ek1=W
W =-ΔEp=Ep1-Ep2
由两式得 Ek2-Ek1=Ep1-Ep2
Ek2+Ep2=Ek1+Ep1
即 E2=E1
问题5：通过分析，你能得出什么结论？
生：初状态和末状态机械能相等，机械能不变。
师：有空气阻力还相等吗？在什么条件下机械能不变。
生：只有重力或弹力做功，没有空气阻力、摩擦力。
机械能守恒定律：
文字表述：只有重力或弹簧弹力做功，物体的机械能守恒，任何一个时刻的机械能均相等。
表达式： E1=E2、?Ek= - ?EP、?EA= -?EB。
课堂练习：判断下列各情境物体的机械能是否守恒。
1.物体做平抛运动
2.跳伞运动员在空中匀速下落过程
3.光滑水平面上匀速运动的物体
4.物体沿斜面匀速下滑
5.物体沿光滑斜面向上减速
6.乘客乘坐电梯向上
7.物体在光滑竖直圆轨道运动
答案：守恒、不守恒、守恒、不守恒、守恒、不守恒、守恒
例题 物体从高h处沿光滑轨道滑下后，在光滑环内做圆周运动.设圆环半径为R，要求物体能通过圆环最高点，且在最高点与轨道间的压力不能超过5mg，求h的取值范围?
答案：2.5R ≤ h ≤5R
课堂小结：
本节你学习了哪些物理知识？什么是机械能？机械能守恒定律的内容是什么？
使用什么方法得到机械能守恒定律的？分析的思路是什么？
你有哪些疑惑和问题？
作业：93页第2题 、94页第4题、99页第6题
板书设计
§ 8.4 机械能守恒定律
一、追寻守恒量
二、动能和势能的转化
三、机械能守恒定律
1.内容
若只有重力、弹簧弹力做功
那么 Ek+Ep=常数
2.表达式
E1=E2、
?Ek= - ?EP
教学反思
对于简单情境，学生能分析能量转化。对于弹簧连接重物这类问题，涉及能量多，变化复杂，学生感觉困难，引导学生画出变化过程的几个特殊状态，通过画示意图帮助学生分析。学生对于模拟动画兴趣较高，应充分利用模拟交互程序和课堂教学深度融合，对于有条件的学生可以在计算机上模拟运行程序，多次观察现象、分析其中的能量转化。
学生对于功是能量转化的量度理解不深入，无法通过该思路定量研究动能和势能转化的关系，要在教学中、习题讲解中逐步渗透这种思想，逐渐深入理解能量转化是通过力做功实现的，理解机械能守恒是有条件的，掌握物理规律的内涵和外延。