能量守恒定律教学设计讲解学习.docx
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能量守恒定律教学设计讲解学习
2.3能量守恒定律
本节课的设计,教材继续沿用了前几节的课程模式,先由生活中的实例引出研究问题,然后用实验加以证实,让学生接受这个物理事实.接着再从理论上推导、证明,从而得出结论.
这节课教材是从生活中骑自行车上坡的实例入手,引出动能和重力势能在此过程中是在相互转化的.接着通过实验来证实这个转化过程中的守恒结论.最后提出了自然界中最普遍、最基本的规律之一能量转化和守恒定律.
机械能守恒定律是能量守恒定律的一个特例,要使学生对定律的得出、含义、适用条件有一个明确的认识,这是能够用该定律解决力学问题的基础.
各种不同形式的能相互转化和守恒的规律,贯穿在整个物理学中,是物理学的基本规律之一.能量守恒定律是学习各种不同形式的能量转化规律的起点,也是运动学和动力学知识的进一步综合和展开的重要基础.所以这一节知识是本章重要的一节.
机械能守恒定律是本章教学的重点内容,本节教学的重点是使学生掌握物体系统机械能守恒的条件;能够正确分析物体系统所具有的机械能.
分析物体系统所具有的机械能,尤其是分析、判断物体所具有的重力势能,是本节学习的难点之一.在教学中应让学生认识到,物体重力势能大小与所选取的参考平面(零势面)有关;而重力势能的变化量是与所选取的参考平面无关的.在讨论物体系统的机械能时,应先确定参考平面.
教学重点1.理解机械能守恒定律的内容;
2.在具体的问题中能判定机械能是否守恒,并能列出定律的数学表达式;
3.理解能量转化和守恒定律.
教学难点1.从能的转化和功能关系出发理解机械能守恒的条件;
2.能正确判断研究对象在所经历的过程中机械能是否守恒.
教具准备自制投影片、CAI课件、重物、电磁打点计时器以及纸带、复写纸片、低压电源及两根导线、铁架台和铁夹、刻度尺、小夹子.
课时安排3课时
三维目标
一、知识与技能
1.知道什么是机械能,知道物体的动能和势能可以相互转化;
2.理解机械能守恒定律的内容;
3.在具体问题中,能判定机械能是否守恒,并能列出机械能守恒的方程式;
4.理解能量守恒定律,能列举、分析生活中能量转化和守恒的例子.
二、过程与方法
1.初步学会从能量转化和守恒的观点解释现象、分析问题;
2.通过用纸带与打点计时器来验证机械能守恒定律,体验验证过程和物理学的研究方法.
三、情感态度与价值观
1.通过能量守恒的教学,使学生树立科学观点,理解和运用自然规律,并用来解决实际问题;
2.通过实验验证,体会学习的快乐,激发学习的兴趣;通过亲身实践,树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观.培养学生的观察和实践能力,培养学生实事求是的科学态度.
教学过程
导入新课
[实验演示]
动能与势能的相互转化
教师活动:
演示实验1:
如下图,用细线、小球、带有标尺的铁架台等做实验.
把一个小球用细线悬挂起来,把小球拉到一定高度的A点,然后放开,小球在摆动过程中,重力势能和动能相互转化.我们看到,小球可以摆到跟A点等高的C点,如图甲.
如果用尺子在某一点挡住细线,小球虽然不能摆到C点,但摆到另一侧时,也能达到跟A点相同的高度,如图乙.
问题:
这个小实验中,小球的受力情况如何?
各个力的做功情况如何?
这个小实验说明了什么?
学生活动:
观察演示实验,思考问题,选出代表发表见解.
小球在摆动过程中受重力和绳的拉力作用.拉力和速度方向总垂直,对小球不做功;只有重力对小球做功.
实验表明,小球在摆动过程中重力势能和动能在不断转化.在摆动过程中,小球总能回到原来的高度.可见,重力势能和动能的总和,即机械能应该保持不变.
教师活动:
演示实验2:
如图,水平方向的弹簧振子.
用弹簧振子演示动能和弹性势能的相互转化.
问题:
这个实验中,小球的受力情况如何?
各个力的做功情况如何?
这个实验说明了什么?
学生活动:
观察演示实验,思考问题,选出代表发表见解.
小球在往复运动过程中,竖直方向上受重力和杆的支持力作用,水平方向上受弹力作用.重力、支持力和速度方向总垂直,对小球不做功;只有弹簧的弹力对小球做功.
实验表明,小球在往复运动过程中弹性势能和动能在不断转化.小球在往复运动过程中总能回到原来的位置,可见,弹性势能和动能的总和,即机械能应该保持不变.
教师活动:
总结、过渡:
通过上述分析,我们得到动能和势能之间可以相互转化,那么在动能和势能的转化过程中,动能和势能的和是否真的保持不变?
下面我们就用实验来探索这个问题.
推进新课
一、机械能的转化和守恒的实验探索
在学生开始做实验之前,老师应强调如下几个问题:
1.该实验中选取被打点纸带应注意两点:
一是第一点O为计时起点,O点的速度应为零.怎样判别呢?
2.是否需要测量重物的质量?
3.在架设打点计时器时应注意什么?
为什么?
4.实验时,接通电源和释放纸带的顺序怎样?
为什么?
5.测量下落高度时,某同学认为都必须从起始点算起,不能弄错.他的看法正确吗?
为了减小测量h值的相对误差,选取的各个计数点要离起始点适当远些好,还是近些好?
学生活动:
思考老师的问题,讨论、交流,选出代表发表见解.
1.因为打点计时器每隔0.02s打点一次,在最初的0.02s内物体下落距离应为0.002m,所以应从几条纸带中选择第一、二两点间距离接近2mm的纸带进行测量;二是在纸带上所选的点就是连续相邻的点,每相邻两点时间间隔t=0.02s.
2.因为不需要知道物体在某点动能和势能的具体数值,所以不必测量物体的质量m,而只需验证
就行了.
3.打点计时器要竖直架稳,使其两限位孔在同一竖直平面内,以尽量减少重物带着纸带下落时所受到的阻力作用.
4.必须先接通电源,让打点计时器正常工作后才能松开纸带让重物下落.
5.这个同学的看法是正确的.为了减小测量h值的相对误差,选取的各个计数点要离起始点适当远些好.
教师活动:
听取学生汇报,点评,帮助学生解决困难.
学生活动:
学生进行分组实验.
数据处理:
明确本实验中要解决的问题即研究动能与重力势能的转化与守恒.
在右图中,质量为m的物体从O点自由下落,以地面作零势能面,下落过程中任意两点A和B的机械能分别为:
如果忽略空气阻力,物体下落过程中如果动能的改变量等于势能的改变量,于是有
Ea=Eb,即
上式亦可写成
该式左边表示物体由A到B过程中动能的增加,右边表示物体由A到B过程中重力势能的减少.
如果实验证明等式成立,说明物体重力势能的减少等于动能的增加.为了方便,可以直接从开始下落的O点至任意一点(上图中A点)来进行研究,这时应有:
.式中h是物体从O点下落至A点的高度,vA是物体在A点的瞬时速度.
1.如何求出A点的瞬时速度vA?
根据做匀加速运动的物体在某一段时间t内的平均速度等于该时间中间时刻的瞬时速度可求出A点的瞬时速度vA.
右图是竖直纸带由下而上实际打点后的情况.从O点开始依次取点1、2、3……图中s1、s2、s3……分别为0~2点,1~3点,2~4点……各段间的距离.根据公式
,t=2×0.02s(纸带上任意两个相邻的点间所表示的时间都是0.02s),可求出各段的平均速度.这些平均速度就等于1、2、3……各点相对应的瞬时速度v1、v2、v3……例如:
量出0~2点间距离s1,则在这段时间里的平均速度
,这就是点1处的瞬时速度v1,以此类推可求出点2、3……处的瞬时速度v2、v3……
2.如何确定重物下落的高度?
上图中h1、h2、h3……分别为纸带从O点下落的高度.
根据以上数值可以计算出任意点的重力势能和动能,从而验证动能与重力势能的转化和守恒.
二、机械能守恒定律
机械能守恒定律的推导:
教师活动:
[多媒体展示下列物理情景]
在自由落体运动中机械能守恒
一个质量为m的物体自由下落,经过高度为h1的A点(初位置)时速度为v1,下落到高度为h2的B点(末位置)时速度为v2.
学生活动:
思考并证明
如右图所示,设一个质量为m的物体自由下落,经过高度为h1的A点(初位置)时速度为v1,下落到高度为h2的B点(末位置)时速度为v2.在自由落体运动中,物体只受重力G=mg的作用,重力做正功.设重力所做的功为WG,则由动能定理可得
①
上式表示,重力所做的功等于动能的增量.
另一方面,由重力做功与重力势能的关系知道,
WG=mgh1-mgh2②
上式表示,重力所做的功等于重力势能的减少.
由①式和②式可得
.③
小结:
在自由落体运动中,重力做了多少功,就有多少重力势能转化为等量的动能,移项后可得
或者Ek1+Ep1=Ek2+Ep2④
上式表示,在自由落体运动中,动能和重力势能之和即总的机械能保持不变.
【教师精讲】
上述结论不仅对自由落体运动是正确的,可以证明,在只有重力做功的情形下,不论物体做直线运动还是曲线运动,上述结论都是正确的.
所谓只有重力做功,是指:
物体只受重力,不受其他的力,如自由落体运动和其他方向运动;或者除重力外还受其他的力,但其他力不做功,如物体沿光滑斜面的运动.
在只有重力做功的情形下,物体的动能和重力势能发生相互转化,但机械能的总量保持不变.
这个结论叫做机械能守恒定律,它是力学中的一条重要定律,是更普遍的能量守恒定律的一种特殊情况.
不仅重力势能和动能可以相互转化,弹性势能和动能也可以相互转化.放开被压缩的弹簧,可以把跟它接触的小球弹出去,这时弹簧的弹力做功,弹簧的弹性势能转化为小球的动能.在弹性势能和动能的相互转化中,如果只有弹力做功,动能和弹性势能之和保持不变,即机械能守恒.
【方法引导】
解决某些力学问题,从能量的观点来分析,应用机械能守恒定律求解,往往比较方便.应用机械能守恒定律解决力学问题,要分析物体的受力情况.在动能和重力势能的相互转化中,如果只有重力做功,就可以应用机械能守恒定律求解.
【例题剖析】
(一)机械能守恒条件的判断
[例1]下列关于机械能是否守恒的叙述正确的是( )
A.做匀速直线运动的物体机械能一定守恒
B.做匀变速直线运动的物体的机械能可能守恒
C.合外力对物体做功为零时,机械能一定守恒
D.只有重力对物体做功,物体机械能一定守恒
解析:
A.做匀速直线运动的物体,除了重力做功外,可能还有其他力做功,如降落伞在空中匀速下降时,除了重力做功外,空气阻力也对降落伞做功,所以机械能不守恒,不选.
B.做匀变速直线运动的物体可能只受重力且只有重力做功,如自由落体运动,物体机械能守恒,应选.
C.如降落伞在空中匀速下降时合外力为零,合外力对物体做功为零,除重力做功外,空气阻力也做功,所以机械能不守恒,不选.
D.符合机械能守恒的条件,应选.
可见,对物体进行受力分析,确定各力做功情况是判定机械能是否守恒的一般程序.
[例2]如图所示,斜面体置于光滑水平地面上,其光滑斜面上有一物体由静止沿斜面下滑,在物体下滑过程中,下列说法正确的是( )
A.物体的重力势能减少,动能增大
B.物体的重力势能完全转化为物体的动能
C.物体的机械能减少
D.物体和斜面体组成的系统机械能守恒
解析:
由于斜面体放在光滑斜面上,当物体沿斜面下滑时,物体实际位移方向和物体所受支持力的方向不垂直,所以支持力对物体做了功(负功),物体的机械能不守恒,物体的机械能减少了,物体对斜面体的压力对斜面体做了功(正功),斜面体的机械能增加了,斜面体的机械能也不守恒.
对物体和斜面体组成的系统,斜面体和物体之间的弹力是内力,对系统做功的代数和为零,即不消耗机械能.在物体和斜面体的运动过程中只有重力做功,所以系统的机械能守恒.
物体在下滑过程中重力势能减少,一部分转化为物体的动能,另一部分则转化为斜面体的动能.
所以本题选ACD.
(二)机械能守恒定律的应用
[例3]一个物体从光滑斜面顶端由静止开始滑下(如图),斜面高1m,长2m.不计空气
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