资源简介

主题二 功和能
第三节 机械能守恒定律及其应用 教学设计案例
课程内容 第三节 机械能守恒定律及其应用
课程类型 启发讲授课 课时 2 学时
教材内容分析 本节主要让学生通过控制变量实验，了解重力势能和弹性势能的概念及特点，知道机械能是人类生活中常见的能量形式。通过实验，理解机械能守恒定律，了解机械能守恒的条件，能进行简单计算，并能用其分析生产、生活中的有关问题。
学情分析 学生在初中已经初步建构了势能的概念，但没有涉及定量计算。因此在中职物理中，要重新重点建构重力势能的概念。通过实验，观察物体的重力势能与物体的质量和高度的关系。重新建构机械能的概念，巩固在一定的条件下，物体的势能和动能之间可以发生相互转化的观念。通过观察实验、分析演绎，理解机械能守恒定律，能进行简单计算等。
教学目标 1．了解重力势能和弹性势能的概念及特点，知道机械能是人类生活中常见的能量形式。理解机械能守恒定律，了解机械能守恒的条件，能进行简单计算，提高对物体运动、相互作用和能量关系的认识，形成物体的机械能在一定条件下可以相互转化并保持守恒等能量观念，并能用其分析和解决生产、生活中简单的实际问题。
2．了解研究物体重力势能与其质量、高度关系时，使用的控制变量和比较等方法。了解定义重力势能使用的乘积定义法。了解研究机械能守恒定律时使用的分析、归纳、演绎、守恒原理等方法，增强科学论证等素养。
3．通过“研究重力势能与物体质量、高度关系”“观察动能与重力势能的相互转化”等演示实验，增强实验观察、技术运用等核心素养。
4．通过了解我国三峡水电站等大型水利工程等现代建设成就和水运仪象台等古代科学技术，增强民族自豪感和家国情怀。了解水力发电原理，养成节约能源的生活习惯，增强保护环境的社会责任感。
教学重点 让学生建构势能的概念，了解机械能守恒定律及其应用方法。
教学难点 推导机械能守恒定律过程中使用的分析、演绎方法，了解机械能守恒定律的应用条件及方法。
教学策略 让学生通过自主学习与合作学习了解新知识，形成新观念，提高实验观察能力，受到科学方法熏陶。
主要教法 启发式讲授、演示实验、组织合作学习
主要学法 自主学习、观察实验、思考讨论、合作学习
教学资源 多媒体课件展示系统、铁架台、沙箱、小铁桌、质量不同的两个砝码、刻度尺、夹子、细线、金属小球、绘图板、白纸等。
课堂实施
教学 环节 教学内容 教师活动 学生活动 设计意图
课前 准备 1. 什么是重力势能？ 2. 在“研究重力势能与物体质量、高度的关系”演示实验中，使用了哪些科学方法？ 3. 物体的重力势能如何计算？ 4. 零势能面怎样选择？ 5. 什么是弹性势能？ 6. “观察动能与重力势能的相互转化”演示实验，说明了什么？ 7. 机械能守恒定律的数学表达式是怎样的？ 8. 机械能守恒定律的条件是什么？ 1. 安排学生进行预习（阅读教材、观看老师提供的微课视频）。 2. 就学生提出的问题进行有针对性地备课，准备在课堂上学生讨论时给予指导。 对教材和教学视频进行学习和思考，并与同学讨论其中发现的问题，将疑问反馈给老师。 让学生通过课前自主学习，发现自己不理解的问题，准备到课堂上与同学讨论，与老师交流，解决疑问。
课堂 实施 新课引入 创设情境： 三峡水电站是当今世界上装机容量最大的水力发电站。工程设计正常蓄水位l75 m，总库容3.93×1010 m3，总装机容量为2.25×107 kW，年发电量约1. 0×1011 kW·h。 展示图片、提问： 三峡大坝为什么会有如此巨大的发电量呢？ 观看、思考 激发学生学习动力，明确学习目标
新课教学 在建筑工地，经常可以看见打夯机将重锤高高吊起，然后释放，让重锤落下将地基夯得更结实。被举高的重锤具有对地面做功的本领，因此说它具有某种能量。在物理学中，把地球表面附近的物体由于被举高而具有的能量，称为重力势能。 展示图片、讲述、提问： 重力势能的大小跟哪些因素有关呢？ 观看、倾听、思考 从日常观察现象引出新教学内容。
演示实验：研究重力势能与物体质量、高度的关系 将装满细沙的沙箱放在桌子上，表面辅平。用铁架台和夹子在沙箱里竖直安放一根直尺，使其零刻线与沙面平齐。再将小铁桌轻轻放在沙面上，记下小铁桌的高度值。 1．保持砝码质量不变，改变砝码的高度 先将质量为0.1 kg的砝码放置在小铁桌正上方20 cm处，使其从静止开始落下。砝码落在小铁桌上，将小铁桌压入沙中，记下小铁桌的高度值，计算出小铁桌的位移s1为 ；将小铁桌恢复原位，再将同一砝码放置在小铁桌正上方40 cm处，使其从静止开始落下。砝码落在小铁桌上，再次将小铁桌压入沙中，记下小铁桌的高度值，计算出小铁桌的位移s2为 。 进行演示实验，组织学生合作学习： 通过比较s1和s2，当砝码的质量相同时，初始高度越高，将小铁桌压入沙中的位移越 ，说明砝码对小铁桌做的功越 ，表明砝码开始下落前的重力势能越 。 观看实验、记录数据、合作学习、回答： 初始高度越高，将小铁桌压入沙中的位移越大，说明砝码对小铁桌做的功越多，表明砝码开始下落前的重力势能越大。 引导学生归纳重力势能与高度的关系。
演示实验： 2．保持砝码高度不变，改变砝码的质量 将小铁桌恢复原位，再将质量为0.2 kg的砝码放置在小铁桌正上方20 cm处，使其从静止开始落下。砝码落在小铁桌上，将小铁桌压入沙中，记下小铁桌的高度值，计算出小铁桌的位移s3为 。 进行演示实验，组织学生合作学习： 通过比较s1和s3，当砝码的初始高度相同时，砝码的质量越大，将小铁桌压入沙中的位移越 ，说明砝码对小铁桌做的功越 ，表明砝码开始下落前的重力势能越 。 观看实验、记录数据、合作学习、回答： 当砝码的初始高度相同时，砝码的质量越大，将小铁桌压入沙中的位移越大，说明砝码对小铁桌做的功越多，表明砝码开始下落前的重力势能越大。 引导学生归纳重力势能与物体质量的关系。
【思维与方法】 本实验采用的实验方法是控制变量法，每一步骤都采用了比较法。 讲述 倾听 让学生了解科学方法。
质量为m的物体从高处由静止开始竖直下落高度h。 由于物体只受重力，因此重力在下落过程中做的功为 W＝mgh 物理学中，把mgh作为物体在高度为h处的重力势能，用Ep表示，即 Ep＝mgh 重力势能是标量，国际单位制单位是J（焦）。 展示图片、讲解 观看、倾听、理解、记忆 让学生了解重力势能的计算方法。
实验和理论都可证明，物体重力势能的大小与物体的重力和高度都成正比。 物体的高度总是相对于某一水平面来说的，这个水平面称为零势能面。在零势能面上的物体，由于高度为0，因此重力势能也为0。 零势能面的选择是任意的，可视研究问题的方便而定。一般情况下，常选地面为零势能面。 处于零势能面以上的物体，重力势能为正值；处于零势能面以下的物体，重力势能为负值。重力势能为负值，表示物体的重力势能比在零势能面的重力势能小。 讲述零势能面的选择方法。 倾听、理解、记忆 了解零势能面的选择方法。
卷紧的发条、拉伸或压缩的弹簧、拉开的弓、正在击球的球拍、撑竿跳运动员手中弯曲的跳竿等，这些物体由于发生了弹性形变，而具有了做功的本领。物理学中，把物体由于弹性形变而具有的能量，称为弹性势能。 展示图片、讲述弹性势能的概念。 观看、倾听、记忆 让学生巩固弹性势能的概念。
动能和势能（包括重力势能和弹性势能）统称为机械能。在一定的条件下，物体的动能和势能之间可以相互转化。 讲述 倾听 让学生巩固机械能的概念。
演示实验：观察动能与重力势能的相互转化 用细线将小球悬挂起来，把小球拉到一定高度的初始点A，然后由静止开始释放，小球就会经过最低点O，摆到另一端的最高点B。 如果在小球摆到最低点O时，将细线在中间的某一点挡住，小球则会以该点为圆心，摆到一个新的最高点C。 进行演示实验。 观看、思考 让学生增加有关机械能转化与守恒的感性认识。
与本学习小组的同学讨论，小球在从A摆向O点的过程中，不考虑空气阻力，则只有 力对小球做功。小球的速度越来越 ，位置越来越 ，说明小球的动能越来越 ，重力势能越来越 。即可判断出在此过程中，小球的一部分 能转化成了 能。 小球在从O点摆向B点的过程中，也不考虑空气阻力，则只有 力对小球做功，小球的速度越来越 ，位置越来越 。说明小球的动能越来越 ，重力势能越来越 。小球到达最高点B时，速度变为 ，即可判断出在此过程中，小球的 能又全部转化成了 能。 本实验现象说明，小球在从A摆向B的过程中，机械能总量保持 。 当细线在摆动中被阻挡时，小球到达另一端的最高点C与初始点A的高度 ，说明在此过程中小球的机械能总量也保持 。 展示图片、组织学生合作学习、巡视、指导、答疑 合作学习、观察、讨论、质疑 引导学生分析小球摆过程中机械能的转化与守恒情况。
一个质量为m自由下落的物体，从高度为h1的A点下落到高度为h2的B点，速度从v1增加到v2。 根据动能定理 得 在此过程中，物体的重力势能减少了，而动能增加了，物体的重力势能减少的量等于动能增加的量，即物体的机械能保持不变。 展示图片、讲解推导机械能守恒定律的数学表达式及其物理意义。 观看、倾听、理解、记忆 让学生了解机械能守恒定律数学表达式的推导过程及物理意义。
在自由落体运动中，只有重力做功，动能与重力势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。在各种抛体运动中，如果忽略空气阻力，物体的总机械能也保持不变。 光滑水平面上，一个小球撞向一个一端固定的弹簧，弹簧被压缩后，又把小球弹开，。在此过程中，若只有弹簧的弹力做功，则小球的动能与弹簧的弹性势能发生了相互转化，动能与弹性势能之和保持不变。 通过大量实验，人们归纳出：在只有重力（或弹力）做功的情况下，物体的动能和重力势能（或弹性势能）发生相互转化，机械能的总量保持不变。这个结论称为机械能守恒定律。机械能守恒定律是力学中的一个重要规律，也是能量守恒定律的一种形式。 展示图片、讲解 观看、倾听、理解、记忆 让学生全面了解机械能守恒定律及守恒条件。
【思维与方法】 守恒原理 运用守恒原理是物理学研究中一种重要的科学方法，在判断出物体在某运动或变化过程中某一物理量守恒以后，可以只关注物体在该过程的始、末状态，从而使问题的研究过程大为简化。 讲述 倾听 让学生了解科学方法。
示例 一位小朋友从l m高、2 m长的滑梯顶端，由静止开始滑下，若不计摩擦力和空气阻力，他到达滑梯底端时速度有多大？ 分析 由于不计摩擦力和空气阻力，小朋友在下滑的过程中只受支持力和重力的作用。在下滑过程中，支持力的方向始终与运动方向垂直，因此对小朋友不做功。只有重力对小朋友做功，因此机械能守恒。 解 设小朋友的质量为m，并选取地面为零势能面，根据机械能守恒定律，有 展示图片、讲解例题 观看、倾听、理解、记忆 让学生了解应用机械能守恒定律解决实际问题的方法。
【行为与责任】 当我们骑行或开车遇到下坡时，车辆的速度可能会越来越大，因此要注意采取制动措施，控制好车速下坡。车辆上路前要对车辆进行制动检查，确保车辆的制动系统工作正常，防止因制动系统失灵，而导致车速过快，发生安全事故。 讲述 倾听 让学生了解机械能守恒定律在生活中的应用，提高安全意识
【应用与拓展】 水力发电 水力发电一般是指利用水的重力势能和动能进行发电。水力发电最常用的方法就是在河流上修筑能集中水流落差和调节流量的拦河坝和引水管涵等，将分散在河段上的水能资源集中起来，然后靠引水管涵引导水流去冲击水轮机，使水轮机带动发电机旋转，从而产生电能。水力发电是目前人类大规模利用清洁能源的方式之一。 组织学生自主学习、巡视、指导、答疑 阅读、质疑 让学生了解水力发电技术。
三峡水库蓄水后，形成长约600 km，高175 m，总面积达1 084 km2的人工湖泊，总库容3.93×1010 m3，蓄积了大量的重力势能。为了将重力势能转化为电能，三峡水电站安装了32台单机容量为7.0×105 kW的水电机组，再加上三峡电站自身的两台5×104 kW的电源电站，总装机容量达到了2.25×107 kW，因此年发电量达到约1. 0×1011 kW·h。三峡水电站是我国“西电东送”工程中的巨型电源点，共安装了15回500 kV高压输电线路，将电力源源不断地送往华东、华南各省，为我国经济快速发展做出了巨大贡献。 回应本节开始“情境与问题”栏目中的问题 倾听 了解三峡水库的发电原理和特点。
【技术·中国】 长江上的大型水利工程 我国是世界上河流水能资源最丰富的国家，目前技术可开发装机容量约为5.42×108 kW，开发潜力巨大。为充分利用我国水力资源，缓解电力缺乏困境，国务院批准兴建了长江三峡水利枢纽工程、溪洛渡水电站、向家坝水电站等一系列的大型水利工程。 组织学生自主学习、巡视、指导、答疑 阅读、讨论 对学生进行爱国主义教育，增强家国情怀。
自由讨论 本节的主要内容讲完了，同学还有哪些疑问，自由提问，小组讨论，自由抢答。 组织学生自由提问、讨论，或回答问题。 向老师提出自己的疑问、回答同学的问题。 通过思想的碰撞，发展学生质疑创新的核心素养。
归纳总结 本节学习了势能（重力势能、弹性势能）概念、机械能守恒定律及其应用，同时了解了守恒原理等科学方法，受到了爱国主义教育等。 归纳总结本节所学内容。 倾听、记忆 帮助学生巩固所学。
课后 提升 书面作业
实践活动
板书 设计 略。
评价 反馈 本节课堂上学生回答问题得到的分数，学生作业批改后将评语及时反馈给学生。
教学 反思 反思本节课是否让学生通过自主学习进行了预习？授课过程中是否考虑到新旧知识的衔接？是否注意由浅入深地进行引导？教学难点的处理方法是否恰当？是否调动了全体学生的学习积极性？是否采用了合作学习、探究学习的教学策略？是否给学生提供了思维方法指导？学生是否进行了动手实践活动？是否注重了学生正确价值观、爱国主义思想等的培养？思考自己的讲授、启发、提问、组织、指导、回答等方面有哪些需要改进的地方。
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