资源简介

1.5《 自然界中的守恒定律》课时教案
学科 物理 年级册别 高二上册 共1课时
教材 粤教版选择性必修第一册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于粤教版高中物理选择性必修第一册第一章第五节，是整个力学乃至物理学中最核心的思想之一。教材从动能、动量等概念出发，引出能量守恒与动量守恒两大基本规律，并通过生活实例和实验现象帮助学生建立“守恒”这一抽象而深刻的物理观念。本节不仅是对前面机械能、冲量与动量知识的总结提升，更为后续学习电磁学、热学及近代物理中的守恒思想奠定基础，具有承上启下的关键作用。
学情分析
高二学生已具备一定的力学基础知识，掌握了动能、势能、动量、冲量等基本概念，具备初步的抽象思维能力。但“守恒”作为一种普适性的自然法则，其哲学意义和广泛适用性仍较难理解。学生的认知障碍主要体现在：难以将具体过程与守恒条件对应，容易混淆不同守恒律的应用前提。此外，部分学生缺乏系统建模意识，面对复杂情境时无法有效提取守恒要素。因此，教学中需借助真实情境、可视化实验和逻辑推理，引导学生由表及里地建构守恒观念。
课时教学目标
物理观念
1. 理解自然界中存在多种守恒量，掌握能量守恒定律和动量守恒定律的基本内容及其成立条件。
2. 能够识别实际问题中是否满足守恒条件，并运用守恒观点分析简单物理过程。
科学思维
1. 通过对比分析不同物理过程中的变化量与不变量，发展归纳与演绎能力，形成“寻找守恒量”的科学思维方式。
2. 在解决碰撞、爆炸等典型问题中，培养模型建构能力和逻辑推理能力。
科学探究
1. 经历气垫导轨上两滑块碰撞实验的设计与数据分析过程，体验科学探究的基本流程。
2. 能根据实验数据判断动量是否守恒，提出误差来源并改进方案。
科学态度与责任
1. 感受守恒定律揭示自然和谐统一之美，增强探索自然规律的兴趣与信心。
2. 认识守恒思想在科技发展（如航天推进、粒子物理）中的重大价值，树立用物理知识服务社会的责任感。
教学重点、难点
重点
1. 掌握能量守恒定律和动量守恒定律的内容及适用条件。
2. 能够在具体问题中判断守恒量的存在并进行定量计算。
难点
1. 理解“守恒”的本质是系统内部转移而非凭空产生或消失。
2. 区分不同守恒定律的应用边界，避免概念混淆。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法、实验验证法
教具准备
气垫导轨、光电门、滑块、弹簧撞针、天平、计算机数据采集系统、多媒体课件
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入：宇宙的密码
【5分钟】 一、播放视频：宇宙运行图景 （1）、呈现星体运动与微观粒子碰撞画面
教师播放一段精心剪辑的视频：浩瀚宇宙中行星绕恒星运转，流星划破夜空；镜头切换至实验室高速摄像下的原子碰撞、粒子加速器轨迹图。随后定格在一个旋转的陀螺逐渐停下，提问：“我们看到的一切都在变化——星球转动、物体运动、生命更替。但在这些变化背后，有没有什么是永恒不变的？”
紧接着展示爱因斯坦名言：“宇宙最不可理解之处，在于它是可以被理解的。”引导学生思考：人类如何破解自然的密码？是不是有一些不变的规则贯穿始终？
（2）、引入“守恒”主题
教师讲述：“两千多年前，古人观察日月星辰，提出了‘天道有常’的思想；今天，科学家发现，自然界的确存在着一些‘不变量’——它们就像隐藏在万物背后的密码，控制着一切变化的方向。这种‘变中的不变’，就是我们今天要学习的核心概念——守恒定律。”
板书课题：1.4 自然界中的守恒定律，并强调：“这不仅是一条物理规律，更是一种看待世界的方式。” 1. 观看视频，感受自然界的宏大与秩序。
2. 思考教师提出的问题，进入探究状态。
3. 回忆已有知识，尝试回答“什么不变”。
4. 明确本节课的学习主题。
评价任务 观察能力：☆☆☆
问题意识：☆☆☆
兴趣激发：☆☆☆
设计意图 通过宏大的宇宙图景与深刻的科学哲思相结合，创设震撼心灵的情境，激发学生的求知欲和敬畏感。引用爱因斯坦语录提升课堂格调，使学生意识到物理学不仅是公式计算，更是对世界本质的追问。以“变中之不变”为主线，为后续建立守恒观念埋下伏笔。
新知建构：寻找不变量
【12分钟】 一、回顾已有知识，提炼守恒雏形 （1）、机械能守恒再认识
教师引导：“请大家回忆自由落体运动：一个物体从高处下落，速度越来越大，高度越来越低。请问，在这个过程中，哪些量在变？哪些量可能保持不变？”学生回答后，教师写出表达式：
重力势能 Ep = mgh，动能 Ek = (1/2)mv
总机械能 E = Ep + Ek
接着演示小球沿光滑斜面下滑的动画，实时显示Ep、Ek、E的变化曲线。曲线显示E始终保持水平直线。“这说明什么？”教师追问，“即使动能和势能在不断转化，只要没有摩擦阻力做功，系统的总机械能就保持不变——这就是一种守恒。”
（2）、动量守恒初探
教师转向另一个例子：“两个冰面上的人互相推开，原本静止，推开后都向后退。他们的速度不同，但有没有什么共同点？”引导学生想到“一个轻一个重，轻的快，重的慢”。然后引入动量 p = mv 的概念，指出两人动量大小相等方向相反，系统总动量为零，前后未变。
教师总结：“刚才的例子中，虽然个体的状态在改变，但系统的某个总量却没有变。这种‘系统总量不变’的现象，就是守恒。”
二、抽象概括守恒定律的本质 （1）、定义守恒量
教师在黑板上写下：“若某物理量在某一过程中保持不变，则称该量在此过程中守恒。”并强调三个关键词：系统、过程、不变。
举例说明：“比如烧水时，热量从火传给水，火的能量减少，水的能量增加，但如果我们把火和水看作一个整体系统，能量总数并没有变——只是形式变了。”
（2）、列举自然界其他守恒律
教师简要介绍电荷守恒、角动量守恒、质量-能量守恒（E=mc ），并指出：“这些都不是巧合，而是自然深层对称性的体现。”引用诺特定理：“每一种对称性都对应一个守恒定律。”虽不深入讲解，但让学生感受到物理之美。 1. 回顾机械能守恒条件与表达式。
2. 分析动量变化中的不变特征。
3. 理解“系统”与“过程”的关系。
4. 初步接受守恒思想的普遍性。
评价任务 概念理解：☆☆☆
迁移能力：☆☆☆
思维深度：☆☆☆
设计意图 通过复习旧知实现知识迁移，让学生从熟悉的机械能守恒过渡到更广义的守恒观念。采用“现象—数据—结论”的路径，强化科学思维训练。引入诺特定理虽不深究，却打开一扇通往理论物理的大门，点燃学生的好奇心，体现“高端引领、适度渗透”的教学智慧。
实验探究：验证动量守恒
【15分钟】 一、明确实验目的与原理 （1）、提出驱动性问题
教师设问：“两辆小车在光滑轨道上相撞，碰撞前后它们的速度都变了，那它们的动量之和会不会也跟着变呢？如果不变，又该如何测量验证？”
组织学生分组讨论3分钟，鼓励他们设计实验思路。教师巡视指导，提示使用气垫导轨减小摩擦、利用光电门测速、用天平测质量。
（2）、讲解实验装置与步骤
教师展示气垫导轨实物，并连接电脑投影实时数据界面。说明实验分为两种情况：
① 弹性碰撞：滑块A以初速撞击静止的滑块B，两者分开；
② 完全非弹性碰撞：滑块A撞击粘性连接的滑块B，二者合为一体运动。
给出动量守恒表达式：
m v + m v = m v + m v （弹性）
m v + m v = (m + m )v （完全非弹性）
强调实验前必须调平导轨、校准光电门位置。
二、学生动手实验与数据采集 （1）、分组操作，记录数据
将全班分为6组，每组配备一套气垫导轨设备。要求：
① 测量两滑块质量m 、m ；
② 设置不同初始条件（如m >m , m ③ 分别完成一次弹性碰撞和一次完全非弹性碰撞；
④ 记录每次碰撞前后各滑块通过光电门的时间t，计算速度v=L/t（L为遮光片宽度）。
教师巡回指导，提醒安全事项，协助调试仪器。
（2）、数据处理与初步判断
各组将原始数据填入表格，计算碰撞前后的总动量P前 = m v + m v ，P后r = m v + m v 或 (m +m )v。
比较P前与P后是否近似相等（允许±5%误差）。
教师投影一组典型数据，带领全班分析：“你们发现了什么？动量总和真的守恒吗？” 1. 小组讨论实验方案，提出设想。
2. 动手组装器材，测量质量与时间。
3. 记录数据并计算动量前后值。
4. 分析结果，得出实验结论。
评价任务 操作规范：☆☆☆
数据准确：☆☆☆
结论合理：☆☆☆
设计意图 通过真实实验让学生亲历“提出假设—设计方案—收集证据—得出结论”的完整探究过程。选择气垫导轨这一经典实验装置，确保数据可靠性。设置弹性与非弹性两种情形，拓展学生视野，深化对守恒条件的理解。小组合作培养团队协作精神，教师适时介入保证探究有效性。
深化应用：生活中的守恒
【8分钟】 一、解析现实案例 （1）、火箭升空原理
教师播放短视频：长征火箭发射升空，喷出炽热火焰。提问：“火箭本身没有外力推动，为什么能前进？”
引导学生构建模型：火箭+燃料为系统，燃料向后喷射获得向后的动量，火箭则获得向前的反冲动量。尽管外形剧烈变化，但系统总动量守恒（忽略空气阻力和重力短时影响）。
写出表达式：m火v火 + m气v气 = 0 → v火 = -(m气/m_火)v气
强调：“这不是魔法，而是动量守恒的胜利！”
（2）、台球碰撞分析
展示台球桌上的碰撞瞬间图像：
假设白球以速度v撞击静止红球，发生弹性正碰。已知两球质量相同，问碰撞后各自速度？
引导学生列出动量守恒方程：mv + 0 = mv + mv v = v + v
再结合动能守恒：(1/2)mv = (1/2)mv + (1/2)mv v = v + v
联立解得：v = 0, v = v —— 白球停止，红球以原速前进！
“这正是台球高手打出‘定杆球’的物理依据。”
二、辨析常见误区 （1）、能量一定守恒吗？
教师举例：“汽车刹车停下来，动能去哪儿了？”学生答：“变成热能。”教师追问：“那还能变回动能吗？”引出“能量品质下降”，说明虽然总量守恒，但可用性降低。
（2）、动量守恒需要什么条件？
强调：“只有当系统所受合外力为零时，动量才守恒。”举例跳远运动员起跳瞬间地面施加力，系统（人+地球）动量守恒，但仅对人而言不守恒。 1. 分析火箭推进机制。
2. 解读台球碰撞图像。
3. 进行简单计算验证。
4. 辨析守恒条件限制。
评价任务 模型建构：☆☆☆
应用能力：☆☆☆
批判思维：☆☆☆
设计意图 通过火箭发射与台球碰撞两个贴近生活的案例，打通物理与现实的桥梁，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。SVG图示直观呈现碰撞情境，增强空间想象。设置认知冲突（如刹车能量去向），促使学生深入思考守恒的本质与局限，防止机械套用公式。
课堂总结：守恒之美
【5分钟】 一、结构化梳理知识脉络 （1）、回顾核心内容
教师带领学生齐声复述：
“在自然界中，某些物理量在特定条件下保持不变，称为守恒。”
“能量守恒：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式。”
“动量守恒：当系统不受外力或所受合外力为零时，系统总动量保持不变。”
同时在黑板上画出思维导图框架：
守恒定律 → 能量守恒（条件：孤立系统）→ 应用于机械能、热能转换
　　　　→ 动量守恒（条件：合外力为零）→ 应用于碰撞、反冲现象
二、升华情感与价值观 （1）、感悟自然之律
教师深情总结：“同学们，今天我们触摸到了自然最深沉的节奏——守恒。它像一首无声的诗，贯穿于星辰运转、粒子碰撞、火箭升空之间。正如费曼所说：‘大自然用最简洁的语言书写最复杂的剧本。’而守恒定律，正是这部剧本中最动人的韵脚。”
“当我们学会用守恒的眼光看世界，就会明白：每一次付出都不会白费，每一份努力都在积蓄力量。就像能量不会消失，它只是换了一种方式存在。愿你们也能在人生的旅途中，守住内心的信念，让那份属于你的‘动量’持续前行。” 1. 复述守恒定律内容。
2. 构建知识结构图。
3. 领悟物理哲学内涵。
4. 升华学习情感体验。
评价任务 知识整合：☆☆☆
语言表达：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
设计意图 采用“结构化+升华式”双重总结策略，既巩固知识体系，又提升精神境界。通过费曼名言增强文化厚度，将物理规律延伸至人生哲理，实现“教书育人”的深度融合。结尾寄语温暖有力，赋予课堂持久的生命力。
作业设计
一、基础巩固题
1. 下列说法正确的是（　　）
　A．物体做匀速直线运动时，机械能一定守恒
　B．物体所受合外力为零时，动量一定守恒
　C．系统内力做功不会改变系统的总动量
　D．能量耗散说明能量不守恒
2. 质量为60kg的人站在质量为40kg的小车上，小车静止在光滑水平面上。人从车尾走到车头，车长为3m。求小车后退的距离。
二、拓展探究题
3. 查阅资料，了解我国“天宫空间站”如何利用动量守恒原理进行姿态调整？写出简要说明，并附参考文献来源。
4. 设计一个小实验，在家中验证“角动量守恒”现象（可使用转椅、哑铃等物品），拍摄视频并解释原理。
【答案解析】
一、基础巩固题
1. C 【解析】A错，若有摩擦仍可能机械能不守恒；B错，动量守恒需系统合外力为零，单个物体合外力为零时动量守恒，但题目未明确“系统”；C正确，内力成对出现，不影响总动量；D错，能量耗散是能量转化方向问题，总量仍守恒。
2. 解：取人和车为系统，水平方向无外力，动量守恒。设人相对地速度v ，车速度v ，方向相反。
　　由 m v + m v = 0 得 v = -(m /m )v
　　时间相同，位移比等于速度比：s /s = |v |/|v | = m /m = 60/40 = 3/2
　　又 s + s = 3m，解得 s = 1.8m
　　答：小车后退1.8米。
二、拓展探究题
3. 提示：空间站使用控制力矩陀螺（CMG）或喷气推进器调整姿态。前者利用旋转飞轮角动量变化产生反扭矩；后者通过喷出气体获得反冲动量，均基于动量/角动量守恒。
4. 示例：坐在转椅上双手持哑铃伸展，让人推动旋转；然后收拢双臂，转速加快。说明转动惯量减小，为保持角动量守恒，角速度增大。
板书设计
1.4 自然界中的守恒定律
守恒：变中之不变
　　　　↓
能量守恒定律 ── 条件：孤立系统
　E初 = E末（形式可转化）
　　例：机械能转化、火箭燃烧
动量守恒定律 ── 条件：∑F外=0
　　p + p = p + p
　　例：碰撞、反冲、人车系统
守恒之美：对称·简洁·永恒
教学反思
成功之处
1. 以“宇宙密码”为线索贯穿全课，情境设计富有感染力，有效激发了学生的学习兴趣与哲学思考。
2. 实验环节组织有序，学生参与度高，通过亲手操作真正理解了动量守恒的验证过程，达成了科学探究目标。
3. 结合火箭发射、台球碰撞等现实案例，增强了知识的实用性与趣味性，体现了物理与生活的紧密联系。
不足之处
1. 实验时间略显紧张，部分小组未能完成两种碰撞类型的重复测量，影响数据完整性。
2. 对于“守恒源于对称性”的拓展内容，少数学生反映理解困难，今后应辅以更多形象比喻。
3. 个别学生在作业中仍混淆能量守恒与机械能守恒，需在下一节课加强辨析训练。

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