资源简介

第8章
机械能守恒定律
第2节
重力势能
安徽省临泉第一中学
郭雪鹏
教学内容分析
《重力势能》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”主题中的内容，要求为：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。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对该条目的解读为：要理解重力势能，需要理解重力做功与路径无关的特点，知道一个已知重力所做功的多少只取决于移动的始末位置。根据初中学过的做功过程就是能量转化过程的知识进行推理，可以得到这种能量跟物体所处的位置有关的结论，定义这种能量为重力势能。这样也就明确了重力所做的功与重力势能变化的关系：重力所做的功等于重力势能的减少量。
定性了解弹性势能，包括了解弹性势能的产生原因，影响弹性势能大小的因素，以及弹性势能跟其他形式能量的转化分析。关于弹性势能的计算，不排斥弹性势能跟其他形式能量转化的过程中根据能量转化关系计算弹性势能的大小，但不要求根据弹簧的劲度系数和形变量来计算弹簧的弹性势能。
重力势能是建立功能关系，体现“功是能量转化的量度”思想的重要内容，功的概念的意义在于决定能量的变化。本节从重力做功和重力势能的变化视角，讨论功能关系。在得出重力势能表达式的过程中，不仅要告诉学生结论，更为重要的是结论的得出过程，体现出科学思维的过程，经历科学思维过程有利于培养学生的逻辑思维能力。
学情分析
从知识层面上，学生在初中已经了解重力势能的含义及重力势能与高度有关，会计算功，知道物体下降，重力做正功，重力势能减小，定性理解重力做功与重力势能变化的关系。学生在学习匀变速运动的位移时间公式，初步了解微元法，但还不能熟练运用微元法处理问题，对于曲线运动，证明重力做功只决定于高度差有一定难度。高一学生逻辑思维能力仍有待提高，偏好直观现象和定性理解，在抽象思维和逻辑定量推导方面需要提高，教学时要考虑学生的物理学习心理特点，设置情景分析，依托情景从定性分析到定量计算，逐步实现本节课的教学目标。
教学目标
1.学生通过不同路径重力做功的分析，归纳出重力做功与路径无关的特点。
2.学生理解重力势能的表达式，通过重力做功与重力势能变化的关系体会功能关系。
3.学生知道重力势能的大小与参考平面的选取有关，即重力势能具有相对性，但重力势能的变化量与参考平面的选取无关。
4.学生了解弹性势能的决定因素，知道弹簧的弹性势能与形变量和弹簧的劲度系数有关。
教学重难点
教学重点：重力做功的特点、重力势能的相对性及系统性
教学难点：重力势能表达式的得出过程、重力势能的系统性、用微元法分析重力做功与路径无关
教学方法：讲授法、谈话法、启发式教学
教学过程
新课引入
展示图片：
问题：若有人让你站在图中石头下面，你愿意吗？为什么？
生1：不愿意.石头掉下来，会砸到人。
师：石头掉下来了吗？
生1：石头对人有潜在的威胁。
师：“潜在威胁”是什么意思？
生1：石头的位置很高，蕴含着很大的能量.
师：是什么能量？
生1：重力势能。
问题：重力势能与什么因素有关？你能举例说明吗？
情境1：站在高处的石头下面，人会害怕，但站在地面上的石头旁边，人不会害怕。高处的石头具有很大的重力势能，重力势能与高度有关。
情景2：水力发展点储蓄很高的水位，重力势能越多，转化为更多的电能。
情境3：将等大的塑料球和钢球分别放在学生头顶。放置钢球时学生会出现闪躲动作。钢球的重力质量大，重力势能大。
新课教学
问题：重力势能与物体的质量和所处的高度有关。重力势能的表达式是什么？如何定量计算重力势能的数值？
情境
竖直方向的运动
问题1：物体下落，重力对物体做什么功？重力势能增加了还是减少了？
问题2：物体竖直上升时，重力对物体做正功还是负功？物体的重力势能如何变化？
问题3：重力做功与重力势能的变化有关吗？是否可以从重力做功入手，分析求解重力势能的表达式？
1.重力做的功
展示质点从A到B的五种不同运动路径，分析比较沿不同路径重力做的功。
教师活动：出示五种不同的运动路径，初、末位置对应相同，提示学生设置物理量，求出重力做功的表达式。
学生活动：根据功的含义计算重力做功。对于曲线运动情况，根据丙、丁中的运动用微元法求解，将曲线运动划分为很多小段，根据直线运动计算重力做功。
重力做功特点：物体运动时，重力对它做的功只跟它的起点和终点位置有关，和物体运动路径无关.
WG=mgh1-mgh2
物体下降，h1>h2，重力做正功，重力势能减小
物体上升，h1思考与讨论：
问题1：mgh的单位是什么？
问题2：物体位置越高，质量越大，重力势能越大。mgh与重力势能变化规律相同吗？
问题3：你认为如何表示重力势能表达式较为方便？
2.重力势能
(1)含义：物体的重力势能等于它所受重力与所处高度的乘积.
(2)表达式：EP=mgh
(3)标量
(4)重力做功与重力势能变化的关系
思考与讨论：质点从A运动到B，重力势能变化了多少？如何求重力势能的变化量？在必修一部分，物体的运动速度发生变化，如何求速度变化量？
生：变化量是某物理量的末态值减去初态值。重力势能变化量?EP=EP2-EP1.
师：重力做功WG=?EP吗？
生：不等于，WG=EP1-EP2=-?Ep
师：重力做功等于重力势能的变化量吗？
(学生意见不一，有的认为等于，有的认为不等于)
师：变化量?Ep也称为重力势能的增加量。WG=-?EP，如果没有负号重力做功等于重力势能的增加量，但前面有一个负号，这个负号如何理解？
生：是重力势能的减少量。
师：重力做功与重力势能有什么关系？
生：重力做功等于重力势能的减少量。
3.重力势能的相对性
情境：质量m=1kg的木块静止在二楼.在二楼的赵明杰同学认为木块的重力势能为0.一楼的李浩然同学认为木块的重力势能是30J.楼层高为3m.两位同学都认为自己正确，争执不下.
问题：如何评价两位同学的观点？你的意见是什么？
如何理解势能表达式mgh中的“h”?
学生活动：学生交流讨论，表达意见。两位同学的观点都正确，选择的参考平面不同，得出的重力势能的数值不同。计算重力势能的数值，应首先选择参考平面，确定物体到参考平面的高度。
归纳总结：
确定重力势能的数值，须先选择参考平面.参考平面的选择是任意的.
h是相对于参考平面的高度.物体在参考平面上，高度h取正值，物体的重力势能是正值；物体在参考平面下方，高度取负值，物体的重力势能是负值。
问题：重力做功与参考平面的选取有关吗？重力势能变化量与参考平面位置有关吗？
练一练
教材83页
第4题.
如图，质量为0.5kg的小球，从A点下落到地面的B点，h1=1.2m,h2=0.8m.g=10m/s2.在表格空白处按要求填入数据.
所选择的参考平面
小球在A点的重力势能
小球在B点的重力势能
整个下落过程重力做功
整个下落过程重力势能变化量
桌面
地面
设计意图：通过具体案例说明重力势能与参考平面有关，但重力做功和重力势能变化量与参考平面无关。
课堂练习：质量m的小球(视为质点)被长L的轻质细线拴着从图示位置运动到最低点.重力加速度为g。求：
(1)重力对小球做的功；
(2)若阻力为
f，求重力做功.
(3)重力势能变化了多少？
4.弹性势能
情境1：跳高运动员跳高动态图片
情境2：跳水运动员跳水动态图片
问题1：为何跳高运动员比赛时手中拿着一根杆？为何跳水运动员在板上弹跳几次后才开始跳水？杆和跳板对运动员有什么作用？
问题2：你对弹性势能是如何认识的？
问题3：弹性势能与什么因素有关？你能举例证明你的观点吗？
学生活动：分析体育竞技中弹性势能的运用，初步体会能量的转化。
教师活动：对学生的回答进行点评，补充完善学生对弹性势能的认识。
设计意图：通过具体情境让学生复习初中学过的弹性势能知识，通过学生表达观点，暴露学生对弹性势能认识的不足。跳高和跳水蕴含弹性势能和机械能转化的思想，为能量守恒的教学作铺垫。
弹簧相同，球完全相同，地面光滑，弹簧一端固定在墙壁上，另一端与球接触但不连接。使弹簧发生形变，形变量不同。小球最终上升到斜面某位置然后下滚。甲、乙中小球所能到达的最大高度不同。
问题4：弹簧劲度系数相同，弹性势能与形变量有何关系？你是如何分析的？
问题5：请设计实验研究弹性势能与劲度系数的关系。需要什么器材，实验步骤是怎样的？如何分析现象得到结论？
教师活动：归纳总结弹性势能的含义和弹性势能的影响因素。
课堂小结：引导学生从物理观念、科学思维等方面总结本节课要点。
本节课学习了哪些知识？
运用了什么物理思想方法？
关于重力势能和弹性势能，你有什么疑惑？还有什么为解决的问题？
作业：教材87页第1题、第2题
板书设计
§
8.2
重力势能
一、重力做的功
1.特点：重力做功和路径无关，只和初末位置有关.
2.做功：W=mgh1-mgh2
二、重力势能
1.含义
2.表达式：Ep=mgh
3.标量
4.单位：焦耳
(J)
5.重力做功与重力势能关系
WG=Ep1-EP2=-ΔEp
重力势能变化量：
ΔEp
=Ep2-Ep1
6.重力势能的相对性
三、弹性势能
1.弹性势能含义
2.影响因素：k、x
教学反思
建构主义认为知识应由学生自主建构才有意义，将新知识和学生已学的知识建立练习，学习才真正的发生。教学不能教给学生零碎的事实，应让学生建立起知识的结构，将新知识的教学建立在学生原有认知结构基础上，扩大、补充原有的认知结构，教学才是有意义的。本节课教学设计以建构主义为理论指导，依托问题情境开展新课教学，强调学生的自主学习。实践表明，课堂教学效果较好，学生在课堂上被充分地调动起来，进行积极地思考。需要教师进行教学设计，高效教学，在规定课时内完成教学任务。

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