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高中物理必修二第8章
《机械能守恒定律》单元教学设计及案例分析
《物理学科课程标准》对此部分的要求
2.1.1 理解功和功率。了解生产生活中常见机械的功率大小及其意义。
例1 分析物体移动的方向与所受力的方句不在一条直线上时，该力所做的功。
例2 分析汽车发动机的功率一定时，牵引力与速度的关系。
2.1.2 理解动能和动能定理。能用动能定理解释生产生活中的现象。
例3 根据牛顿第二定律推导出动能定理。
21.3 理解重力势能，知道重力势能的变化与重力做功的关系。定性了解弹性势能。
2.1.4 通过实验，验证机械能守恒定律。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。
活动建议
通过查阅资料、访问有关部门，收集汽车刹车距离与车速关系的教据，用动能定理进行解释。
一、《机械能守恒定律》单元教学设计指导思想
本单元围绕能量这个物理核心观念展开，通过对重力做功、弹力（弹簧）做功、合力做功的推理演绎，引出势能、动能，进而建立“功是能量变化的量度”的定量观念，再通过推理演绎得出机械能守恒定律，同时挖掘极限思想、微元法等思想方法，促进学生深度思考，形成基本的能量观，让学生对守恒这个科学本质有一定了解，为学生成长奠定基础。
二、《机械能守恒定律》单元教学教学内容分析
1.本单元的知识结构图
2.本单元蕴含的学科方法
功与功率：等效替代、极限思想、模型建构
重力势能：抽象概括、微元方法
动能和动能定理：演绎推理、微元方法
机械能守恒定律：推理演绎、能量观念、守恒思想
验证机械能守恒定律：模型建构、科学论证、科学探究
三、《机械能守恒定律》单元学情分析
1. 物理观念:
学生在初中对功、功率、做功的两个要素、能量等都有一定的认识，对动能和势能之间的相互转化、对守恒思想有一些了解，但对能量的定量表达，对能量守恒的定量表述还不清楚，“功是能量转化的量度”、“守恒思想”有模糊的印象，清晰的物理观念尚未建立，进而运用功能关系、守恒思想处理分析实际问题存在非常大的挑战。
2. 科学思维:
学生能比较熟练的运动和相互作用的观念分析解决问题,对运用极限思想、微元方法等研究方法有基础。
本章以功的计算为基础，通过推导定义重力势能、动能，理解功是能量转化的量度，以此为基础，通过研究动能和势能的相互转化，推理得出机械能守恒定律，对学生的抽象思维、理解能力、推理演绎等要求比较高。
利用动能定理、机械能守恒解决问题是一种方法上的更新，从熟悉的动力学解决问题转换过来，对学生是个挑战，因此要适时的展示能量方法处理问题的优越性。同时能量观点解决问题关注过程和初末状态，对学生的思维深度要求比较高，功、能容易混淆，造成学习困难，通过明确的步骤让学生有抓手，进而降低思维难度。
3. 科学探究:
学生对高中实验已经有所涉猎，能比较熟练地使用打点计时器，具有比较好的实验操作能力和数据分析能力，能够用图像法处理数据。有一定的实验探究能力，对理论探究接触少，较为陌生，可以通过本章的学习让学生熟悉。
4. 科学态度和责任:
本章的学习可以让学生很好地认识到推理演绎和实验探究的完美结合，通过对学史的介绍让学生认识到任何一个科学规律的得出都不是一蹴而就的，需要很多科学家的接续努力。通过本章学习，让学生对科学本质（守恒思想）有了解，埋下守恒观念的种子。
四、《机械能守恒定律》单元教学目标
1. 初步建立能量观念。
包括建立功、功率、重力势能、弹性势能、动能、机械能的概念；通过分析重力做功、合力做功与对应能量变化的关系，让学生经历从特殊到一般的探究过程，初步建立功是能量转化的量度的观念；通过理论探究和实验验证，建立机械能守恒，形成能量守恒观念。
2. 体会演绎推理、微元法等学科方法。
包括以匀变速直线运动为基础，通过牛顿第二定律推导动能定理，再通过微元法推广到一般运动过程；通过分析物体沿直线运动中重力做功，再到用微元法分析物体沿曲线运动重力做功，得出重力做功与路径无关；通过动能定理、重力做功与重力势能的关系推理得出机械能守恒定律，通过实验验证机械能守恒定律，进而建立守恒思想。
3. 形成用能量方法处理问题的大思路。
包括解决问题时关注状态和过程，了解能量方法处理问题的特点和优越性；了解动能定理的普适性和机械能守恒定律的条件；理解功能关系和守恒思想的具体应用过程和步骤；愿意从功能关系的视角分析能量的转化。
五、《机械能守恒定律》主要教学活动设计
1. 通过概念进阶逐步建立功的概念
功的起源（历史起源、能量的转化与做功紧密相连）
如何计算功？F、l同方向时，W=Fl；F、l相互垂直时，W=0；
当F、l有一定夹角时，利用分解,可以得出功的表达W=Flcosθ。其中l是作用点的位移。
θ不同，功的正负不同，功有正负之分。
通过计算并发现各个力的功和合力的功的关系，得出功是标量。
会计算合力的功：各力做功之和，也等于合力的功。
以子弹射入木块为例，区分作用点的改变和作用点的位移。
相互作用力的功不一定互为相反数。
变力做功的计算：微元思想，小量求和，示功图（F—x图）。
功是能量转化的量度。
2. 通过演绎推理和微元思想，科学建立能量概念和功能关系（以重力势能的建立为例）
（1）结合课前问题，引出重力势能的研究离不开重力做功？
（2）研究不同图景中重力做功。
（3）利用微元思想研究曲线运动中重力做功特点。
（4）得出结论：重力做功与路径无关，与物体的起末位置的高度差有关。
即WG=mg h。
（5）建立和始末位置的直接联系：
即WG=mgh1- mgh2。
3. 在不同的模型中，通过演绎推理，建立守恒思想（以机械能守恒定律为例）
（1）认识物体在不同运动过程中势能和动能的转化，提出问题：这些过程中动能的变化量与势能的变化量有什么关系呢？
（2）研究物体沿光滑曲面运动过程中动能和势能的变化，进行推理。
（3）研究单摆运动过程中的动能和势能的变化，进行推理。
此过程中物体受重力、拉力，只有重力做功，所以:
此过程虽然受到拉力，但拉力不做功，只有重力做功，动能的增量也等于势能的减少量。
（4）得出守恒条件，建立守恒思想。
4. 通过实验验证机械能守恒定律
（1）创设满足机械能守恒定律的情景。
自由落体减小阻力影响：纸带竖直穿过限位空，使用密度比较大的重锤。
（2）物理量测量及定律的验证。
（3）常见学生疑问：
自由落体：纸带选择：第一个点与第二个点之间的间隔约为2mm；
任意找两点A、B，分别测出两点的速度大小vA、vB以及两点之间的距离d。满足下面的表达即可证明：
测出某个计数点的速度： ；不能使用
能不能通过验证加速度是否为g来验证？
六、课时教学设计案例——以《动能和动能定理》为例
任务一：观看、提出问题：
这两个过程哪个过程中阻力做功多呢？
外力做功
速度变化
任务二：建立模型，确定研究过程：
物理中研究问题往往先从最普遍、最简单的图景或者模型入手，物体在什么样的外力作用下是最简单的？速度发生怎样的变化是比较简单的？——在恒力作用下，物体沿直线运动，速度从v1变为v2。
任务三：演绎推理，逐步深入：
（1）在光滑水平面上，质量m的物体，在恒定外力作用下，经过一段水平位移，速度从v1变为到v2 ，外力做了多少功？
F
F
N
mg
N
mg
（2）如果在粗糙的水平面呢？
F
F
N
mg
N
mg
f
f
（3）如果在变化的外力作用下呢？沿直线运动，速度从vA变为到vB，外力做了多少功？
FA
FB
N
mg
N
mg
vA
vB
1
2
n-1
A
B
vA
vB
vA
vB
…
1
2
n-1
A
B
vA
vB
vA
vB
…
…
（4）如果物体沿曲线从A运动到B，外力又做了多少功？
（5）类比迁移
任务四：建立概念和规律：
一、动能：
物体因运动而具有的能量
（1）
（2）单位：J
（3）动能是一个标量、状态量
二、动能定理：
力在一个过程中对物体做功，等于物体在这个过程中动能的变化。
W：合外力的功 动能的变化
五、联系实际，学以致用，体会动能定理的优越性
下抛
v0
平抛
v0
上抛
v0
h
物块沿光滑曲面下滑
v
物块沿光滑斜面下滑
解：在物块下滑的过程中，受力如图，根据动能定理：
mg
N
mg
N
v

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