2019-2020年高中物理《能量守恒定律》教案1 魯科版必修2.doc
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2019-2020年高中物理《能量守恒定律》教案1 魯科版必修2 本節(jié)課的設(shè)計,教材繼續(xù)沿用了前幾節(jié)的課程模式,先由生活中的實例引出研究問題,然后用實驗加以證實,讓學(xué)生接受這個物理事實.接著再從理論上推導(dǎo)、證明,從而得出結(jié)論. 這節(jié)課教材是從生活中騎自行車上坡的實例入手,引出動能和重力勢能在此過程中是在相互轉(zhuǎn)化的.接著通過實驗來證實這個轉(zhuǎn)化過程中的守恒結(jié)論.最后提出了自然界中最普遍、最基本的規(guī)律之一能量轉(zhuǎn)化和守恒定律. 機械能守恒定律是能量守恒定律的一個特例,要使學(xué)生對定律的得出、含義、適用條件有一個明確的認識,這是能夠用該定律解決力學(xué)問題的基礎(chǔ). 各種不同形式的能相互轉(zhuǎn)化和守恒的規(guī)律,貫穿在整個物理學(xué)中,是物理學(xué)的基本規(guī)律之一.能量守恒定律是學(xué)習(xí)各種不同形式的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的起點,也是運動學(xué)和動力學(xué)知識的進一步綜合和展開的重要基礎(chǔ).所以這一節(jié)知識是本章重要的一節(jié). 機械能守恒定律是本章教學(xué)的重點內(nèi)容,本節(jié)教學(xué)的重點是使學(xué)生掌握物體系統(tǒng)機械能守恒的條件;能夠正確分析物體系統(tǒng)所具有的機械能. 分析物體系統(tǒng)所具有的機械能,尤其是分析、判斷物體所具有的重力勢能,是本節(jié)學(xué)習(xí)的難點之一.在教學(xué)中應(yīng)讓學(xué)生認識到,物體重力勢能大小與所選取的參考平面(零勢面)有關(guān);而重力勢能的變化量是與所選取的參考平面無關(guān)的.在討論物體系統(tǒng)的機械能時,應(yīng)先確定參考平面. 教學(xué)重點1.理解機械能守恒定律的內(nèi)容; 2.在具體的問題中能判定機械能是否守恒,并能列出定律的數(shù)學(xué)表達式; 3.理解能量轉(zhuǎn)化和守恒定律. 教學(xué)難點1.從能的轉(zhuǎn)化和功能關(guān)系出發(fā)理解機械能守恒的條件; 2.能正確判斷研究對象在所經(jīng)歷的過程中機械能是否守恒. 教具準備自制投影片、CAI課件、重物、電磁打點計時器以及紙帶、復(fù)寫紙片、低壓電源及兩根導(dǎo)線、鐵架臺和鐵夾、刻度尺、小夾子. 課時安排1課時 三維目標 一、知識與技能 1.知道什么是機械能,知道物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化; 2.理解機械能守恒定律的內(nèi)容; 3.在具體問題中,能判定機械能是否守恒,并能列出機械能守恒的方程式; 4.理解能量守恒定律,能列舉、分析生活中能量轉(zhuǎn)化和守恒的例子. 二、過程與方法 1.初步學(xué)會從能量轉(zhuǎn)化和守恒的觀點解釋現(xiàn)象、分析問題; 2.通過用紙帶與打點計時器來驗證機械能守恒定律,體驗驗證過程和物理學(xué)的研究方法. 三、情感態(tài)度與價值觀 1.通過能量守恒的教學(xué),使學(xué)生樹立科學(xué)觀點,理解和運用自然規(guī)律,并用來解決實際問題; 2.通過實驗驗證,體會學(xué)習(xí)的快樂,激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣;通過親身實踐,樹立“實踐是檢驗真理的唯一標準”的科學(xué)觀.培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實踐能力,培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度. 教學(xué)過程 導(dǎo)入新課 [實驗演示] 動能與勢能的相互轉(zhuǎn)化 教師活動:演示實驗1:如下圖,用細線、小球、帶有標尺的鐵架臺等做實驗. 把一個小球用細線懸掛起來,把小球拉到一定高度的A點,然后放開,小球在擺動過程中,重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化.我們看到,小球可以擺到跟A點等高的C點,如圖甲. 如果用尺子在某一點擋住細線,小球雖然不能擺到C點,但擺到另一側(cè)時,也能達到跟A點相同的高度,如圖乙. 問題:這個小實驗中,小球的受力情況如何?各個力的做功情況如何?這個小實驗說明了什么? 學(xué)生活動:觀察演示實驗,思考問題,選出代表發(fā)表見解. 小球在擺動過程中受重力和繩的拉力作用.拉力和速度方向總垂直,對小球不做功;只有重力對小球做功. 實驗表明,小球在擺動過程中重力勢能和動能在不斷轉(zhuǎn)化.在擺動過程中,小球總能回到原來的高度.可見,重力勢能和動能的總和,即機械能應(yīng)該保持不變. 教師活動:演示實驗2:如圖,水平方向的彈簧振子. 用彈簧振子演示動能和彈性勢能的相互轉(zhuǎn)化. 問題:這個實驗中,小球的受力情況如何?各個力的做功情況如何?這個實驗說明了什么? 學(xué)生活動:觀察演示實驗,思考問題,選出代表發(fā)表見解. 小球在往復(fù)運動過程中,豎直方向上受重力和桿的支持力作用,水平方向上受彈力作用.重力、支持力和速度方向總垂直,對小球不做功;只有彈簧的彈力對小球做功. 實驗表明,小球在往復(fù)運動過程中彈性勢能和動能在不斷轉(zhuǎn)化.小球在往復(fù)運動過程中總能回到原來的位置,可見,彈性勢能和動能的總和,即機械能應(yīng)該保持不變. 教師活動:總結(jié)、過渡: 通過上述分析,我們得到動能和勢能之間可以相互轉(zhuǎn)化,那么在動能和勢能的轉(zhuǎn)化過程中,動能和勢能的和是否真的保持不變?下面我們就用實驗來探索這個問題. 推進新課 一、機械能的轉(zhuǎn)化和守恒的實驗探索 在學(xué)生開始做實驗之前,老師應(yīng)強調(diào)如下幾個問題: 1.該實驗中選取被打點紙帶應(yīng)注意兩點:一是第一點O為計時起點,O點的速度應(yīng)為零.怎樣判別呢? 2.是否需要測量重物的質(zhì)量? 3.在架設(shè)打點計時器時應(yīng)注意什么?為什么? 4.實驗時,接通電源和釋放紙帶的順序怎樣?為什么? 5.測量下落高度時,某同學(xué)認為都必須從起始點算起,不能弄錯.他的看法正確嗎?為了減小測量 h值的相對誤差,選取的各個計數(shù)點要離起始點適當遠些好,還是近些好? 學(xué)生活動:思考老師的問題,討論、交流,選出代表發(fā)表見解. 1.因為打點計時器每隔0.02 s打點一次,在最初的0.02 s內(nèi)物體下落距離應(yīng)為0.002 m,所以應(yīng)從幾條紙帶中選擇第一、二兩點間距離接近2 mm的紙帶進行測量;二是在紙帶上所選的點就是連續(xù)相鄰的點,每相鄰兩點時間間隔t=0.02 s. 2.因為不需要知道物體在某點動能和勢能的具體數(shù)值,所以不必測量物體的質(zhì)量 m,而只需驗證就行了. 3.打點計時器要豎直架穩(wěn),使其兩限位孔在同一豎直平面內(nèi),以盡量減少重物帶著紙帶下落時所受到的阻力作用. 4.必須先接通電源,讓打點計時器正常工作后才能松開紙帶讓重物下落. 5.這個同學(xué)的看法是正確的.為了減小測量 h值的相對誤差,選取的各個計數(shù)點要離起始點適當遠些好. 教師活動:聽取學(xué)生匯報,點評,幫助學(xué)生解決困難. 學(xué)生活動:學(xué)生進行分組實驗. 數(shù)據(jù)處理: 明確本實驗中要解決的問題即研究動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化與守恒. 在右圖中,質(zhì)量為m的物體從O點自由下落,以地面作零勢能面,下落過程中任意兩點A和B的機械能分別為: , 如果忽略空氣阻力,物體下落過程中如果動能的改變量等于勢能的改變量,于是有 Ea=Eb,即 上式亦可寫成 該式左邊表示物體由A到B過程中動能的增加,右邊表示物體由A到B過程中重力勢能的減少. 如果實驗證明等式成立,說明物體重力勢能的減少等于動能的增加.為了方便,可以直接從開始下落的O點至任意一點(上圖中A點)來進行研究,這時應(yīng)有:.式中h是物體從O點下落至A點的高度,vA是物體在A點的瞬時速度. 1.如何求出A點的瞬時速度vA? 根據(jù)做勻加速運動的物體在某一段時間t內(nèi)的平均速度等于該時間中間時刻的瞬時速度可求出A點的瞬時速度vA. 右圖是豎直紙帶由下而上實際打點后的情況.從O點開始依次取點1、2、3……圖中s1、s2、s3……分別為0~2點,1~3點,2~4點……各段間的距離.根據(jù)公式,t=20.02 s(紙帶上任意兩個相鄰的點間所表示的時間都是0.02 s),可求出各段的平均速度.這些平均速度就等于1、2、3……各點相對應(yīng)的瞬時速度v1、v2、v3……例如: 量出0~2點間距離s1,則在這段時間里的平均速度,這就是點1處的瞬時速度v1,以此類推可求出點2、3……處的瞬時速度v2、v3…… 2.如何確定重物下落的高度? 上圖中h1、h2、h3……分別為紙帶從O點下落的高度. 根據(jù)以上數(shù)值可以計算出任意點的重力勢能和動能,從而驗證動能與重力勢能的轉(zhuǎn)化和守恒. 二、機械能守恒定律 機械能守恒定律的推導(dǎo): 教師活動:[多媒體展示下列物理情景] 在自由落體運動中機械能守恒 一個質(zhì)量為m的物體自由下落,經(jīng)過高度為h1的A點(初位置)時速度為v1,下落到高度為h2的B點(末位置)時速度為v2. 學(xué)生活動:思考并證明 如右圖所示,設(shè)一個質(zhì)量為m的物體自由下落,經(jīng)過高度為h1的A點(初位置)時速度為v1,下落到高度為h2的B點(末位置)時速度為v2.在自由落體運動中,物體只受重力G=mg的作用,重力做正功.設(shè)重力所做的功為WG,則由動能定理可得 ① 上式表示,重力所做的功等于動能的增量. 另一方面,由重力做功與重力勢能的關(guān)系知道, WG=mgh1-mgh2② 上式表示,重力所做的功等于重力勢能的減少. 由①式和②式可得 .③ 小結(jié):在自由落體運動中,重力做了多少功,就有多少重力勢能轉(zhuǎn)化為等量的動能,移項后可得 或者Ek1+Ep1=Ek2+Ep2④ 上式表示,在自由落體運動中,動能和重力勢能之和即總的機械能保持不變. 【教師精講】 上述結(jié)論不僅對自由落體運動是正確的,可以證明,在只有重力做功的情形下,不論物體做直線運動還是曲線運動,上述結(jié)論都是正確的. 所謂只有重力做功,是指:物體只受重力,不受其他的力,如自由落體運動和其他方向運動;或者除重力外還受其他的力,但其他力不做功,如物體沿光滑斜面的運動. 在只有重力做功的情形下,物體的動能和重力勢能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,但機械能的總量保持不變. 這個結(jié)論叫做機械能守恒定律,它是力學(xué)中的一條重要定律,是更普遍的能量守恒定律的一種特殊情況. 不僅重力勢能和動能可以相互轉(zhuǎn)化,彈性勢能和動能也可以相互轉(zhuǎn)化.放開被壓縮的彈簧,可以把跟它接觸的小球彈出去,這時彈簧的彈力做功,彈簧的彈性勢能轉(zhuǎn)化為小球的動能.在彈性勢能和動能的相互轉(zhuǎn)化中,如果只有彈力做功,動能和彈性勢能之和保持不變,即機械能守恒. 【方法引導(dǎo)】 解決某些力學(xué)問題,從能量的觀點來分析,應(yīng)用機械能守恒定律求解,往往比較方便.應(yīng)用機械能守恒定律解決力學(xué)問題,要分析物體的受力情況.在動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化中,如果只有重力做功,就可以應(yīng)用機械能守恒定律求解. 【例題剖析】 (一)機械能守恒條件的判斷 [例1]下列關(guān)于機械能是否守恒的敘述正確的是( ) A.做勻速直線運動的物體機械能一定守恒 B.做勻變速直線運動的物體的機械能可能守恒 C.合外力對物體做功為零時,機械能一定守恒 D.只有重力對物體做功,物體機械能一定守恒 解析: A.做勻速直線運動的物體,除了重力做功外,可能還有其他力做功,如降落傘在空中勻速下降時,除了重力做功外,空氣阻力也對降落傘做功,所以機械能不守恒,不選. B.做勻變速直線運動的物體可能只受重力且只有重力做功,如自由落體運動,物體機械能守恒,應(yīng)選. C.如降落傘在空中勻速下降時合外力為零,合外力對物體做功為零,除重力做功外,空氣阻力也做功,所以機械能不守恒,不選. D.符合機械能守恒的條件,應(yīng)選. 可見,對物體進行受力分析,確定各力做功情況是判定機械能是否守恒的一般程序. [例2]如圖所示,斜面體置于光滑水平地面上,其光滑斜面上有一物體由靜止沿斜面下滑,在物體下滑過程中,下列說法正確的是( ?。? A.物體的重力勢能減少,動能增大 B.物體的重力勢能完全轉(zhuǎn)化為物體的動能 C.物體的機械能減少 D.物體和斜面體組成的系統(tǒng)機械能守恒 解析:由于斜面體放在光滑斜面上,當物體沿斜面下滑時,物體實際位移方向和物體所受支持力的方向不垂直,所以支持力對物體做了功(負功),物體的機械能不守恒,物體的機械能減少了,物體對斜面體的壓力對斜面體做了功(正功),斜面體的機械能增加了,斜面體的機械能也不守恒. 對物體和斜面體組成的系統(tǒng),斜面體和物體之間的彈力是內(nèi)力,對系統(tǒng)做功的代數(shù)和為零,即不消耗機械能.在物體和斜面體的運動過程中只有重力做功,所以系統(tǒng)的機械能守恒. 物體在下滑過程中重力勢能減少,一部分轉(zhuǎn)化為物體的動能,另一部分則轉(zhuǎn)化為斜面體的動能. 所以本題選ACD. (二)機械能守恒定律的應(yīng)用 [例3] 一個物體從光滑斜面頂端由靜止開始滑下(如圖),斜面高1 m,長2 m.不計空氣阻力,物體滑到斜面底端的速度是多大? 物體沿光滑斜面下滑時機械能守恒 分析:斜面是光滑的,不計摩擦,又不計空氣阻力,物體所受的力有重力和斜面的支持力,支持力與物體的運動方向垂直,不做功.物體在下滑過程中只有重力做功,所以可用機械能守恒定律求解. 解析:題中沒有給出物體的質(zhì)量,可設(shè)物體的質(zhì)量為m.物體在開始下滑到達斜面底端時的速度為v,則有Ep2=0, ,末狀態(tài)的機械能.此時,Ep1=mgh,Ek1=0,初狀態(tài)的機械能Ek1+Ep1=mgh. 根據(jù)機械能守恒定律有 Ek2+Ep2=Ek1+Ep1 , 所以. 【方法引導(dǎo)】 這個問題也可以應(yīng)用牛頓第二定律和運動學(xué)公式求解,但是應(yīng)用機械能守恒定律求解,在思路和步驟上比較簡單.在這個例題中,如果把斜面換成光滑的曲面(如圖),同樣可以應(yīng)用機械能守恒定律求解,要直接用牛頓第二定律求解,由于物體在斜面上所受的力是變力,處理起來就困難得多. 物體沿光滑曲面下滑時機械能守恒 [例4]把一個小球用細繩懸掛起來,就成為一個擺.擺長為L,最大偏角為θ.小球運動到最低位置時的速度是多大? 分析:小球受兩個力:重力和懸線的拉力.懸線的拉力始終垂直于小球的運動方向,不做功.小球在擺動過程中,只有重力做功,所以可用機械能守恒定律求解. 解析:選擇小球在最低位置時所在的水平面為參考平面.小球在最高點時為初狀態(tài),初狀態(tài)的動能Ek1=0,重力勢能Ep1=mg(L-Lcosθ),機械能Ek1+Ep1=mg(L-Lcosθ).小球在最低點時為末狀態(tài),末狀態(tài)的動能,重力勢能Ep2=0,末狀態(tài)的機械能為. 根據(jù)機械能守恒定律有 Ek2+Ep2=Ek1+Ep1 所以. 【教師精講】 由這兩個例題可以看出,應(yīng)用機械能守恒定律解題,可以只考慮運動的初狀態(tài)和末狀態(tài),不必考慮兩個狀態(tài)之間的過程的細節(jié).這可以避免直接用牛頓第二定律解題的困難,簡化解題的步驟. 守恒定律不僅給處理問題帶來方便,而且有更深刻的意義.自然界千變?nèi)f化,但有些物理量在一定條件下是守恒的,可以用這些“守恒量”表示自然界的變化規(guī)律,這就是守恒定律.尋求“守恒量”已經(jīng)成為物理學(xué)研究中的重要方面.我們學(xué)習(xí)物理,要學(xué)會運用守恒定律處理問題. 三、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律 教師活動:提出問題:我們已學(xué)習(xí)了多種形式的能,請同學(xué)們說出你所知道的能量形式.我們還知道不同能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的,請你舉幾個能量轉(zhuǎn)化的例子. 學(xué)生活動:思考并回答問題,列舉實例. 教師活動: 演示實驗1:在一個玻璃容器內(nèi)放入沙子,拿一個小鐵球分別從某一高度釋放,使其落到沙子中. 思考:小球運動過程中機械能是否守恒?請說出小球運動過程中能量的轉(zhuǎn)化情況. 演示實驗2:在盛有水的玻璃容器中放一小木塊,讓小木塊在水中上下浮動,過一段時間,小木塊停止運動. 思考:小木塊運動過程中機械能是否守恒?請說出小木塊運動過程中能量的轉(zhuǎn)化情況. 學(xué)生活動:觀察實驗并積極思考討論后,選出代表發(fā)表見解. 教師活動: 聽取學(xué)生匯報,總結(jié)點評,回答學(xué)生可能提出的問題. 通過學(xué)生舉例和演示實驗,說明各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化,增強學(xué)生的感性認識,并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,喚起學(xué)生強烈的求知欲. 以上實驗表明,各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化,一種能量減少,必有其他能量增加,一個物體的能量減少,必定其他物體的能量增加,能量的總和并沒有變化.這就是大自然的一條普遍規(guī)律,而機械能守恒定律只是這一條規(guī)律的一種特殊情況. 學(xué)生活動:列舉生活中不同能量之間相互轉(zhuǎn)化的例子. 教師活動:引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材,說出能量守恒定律的內(nèi)容,并引導(dǎo)學(xué)生說明能量守恒定律的建立有何重大意義.歷史上曾有人設(shè)想制造一種不需要消耗任何能源就可以不斷做功的機器,即永動機,這樣的機器能不能制成?為什么? 學(xué)生活動:認真閱讀教材,思考并回答問題. 課堂小結(jié) 本節(jié)課我們學(xué)習(xí)了機械能守恒定律,重點是機械能守恒定律的內(nèi)容和表達式,難點是判斷物體的機械能是否守恒,所以應(yīng)透徹理解機械能守恒定律成立的條件,從而正確應(yīng)用機械能守恒定律解題. 布置作業(yè) 課本P37作業(yè)4、5、6. 板書設(shè)計 活動與探究 有人設(shè)計了這樣一臺“永動機”:距地面一定高度架設(shè)一個水槽,水從槽底的管中流出,沖擊一個水輪機,水輪機的軸上安裝一個抽水機和一個砂輪.他指望抽水機把地面水槽里的水抽上去,這樣循環(huán)不已.機器不停地轉(zhuǎn)動,就可以永久地用砂輪磨制工件做功了(右圖) . 請你分析一下,高處水槽中水的勢能共轉(zhuǎn)變成哪幾種形式的能,說明這個機器是否能夠永遠運動下去.- 1.請仔細閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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