高中物理新课标人教版必修2优秀教案：追寻守恒量

高中物理新课标人教版必修2优秀教案：追寻守恒量

第七章 机械能守恒定律 本章设计 在具备了运用牛顿运动定律和运动学知识来解决力学问题的基础上,物理问题的研究开始 由力的观点向能的观点发展和深化引入功和能(动能、势能)等重要物理量和动能定理、机械能 守恒定律等重要规律.在应用时,不仅省略了对物理过程的分析和运算,而且从更高的角度驾驭 物理情景,为我们解决力学问题开辟了新的途径. 守恒关系是自然界中十分重要的关系,通过“追寻守恒量”的学习,加强学生对守恒关系的认 识,并把这种思想渗透在能量学习的全过程.在教学中,通过“功和能”的学习,培养学生的科学思 路和研究方法,强化学生的逻辑思维能力.在探究弹性势能的实验中,启迪学生通过自主探索,变 未知为已知.鼓励学生调查自己周围常见的各种机械,了解其功率,探讨功率的影响因素,加深对 功率这一常见概念的认识、理解. 本章的重点是正确理解功和能的概念和掌握功能关系.因此,逐步加深理解功和能的概念 以及功能关系是学习本章的基本线索. 本章的难点是变力的功,以及动能定理和机械能守恒定律的正确应用.在学习功的概念时, 要注意区分物体的位移和力的方向上的位移.学习动能定理和机械能守恒定律时,要抓住功能 关系这一主线,从中体会功与能的转化与转移. 全章共 10 节,建议用 12 课时.各节课时建议安排如下： 1 追寻守恒量 1 课时 2 功 1 课时 3 功率 2 课时 4 重力势能 1 课时 5 探究弹性势能的表达式 1 课时 6 实验:探究功与速度变化的关系 1 课时 7 动能和动能定理 2 课时 8 机械能守恒定律 1 课时 9 实验:验证机械能守恒定律 1 课时 10 能量守恒定律与能源 1 课时 1 追寻守恒量 整体设计 功和能量转化的关系不仅为解决力学问题开辟了一条新的重要途径,同时它也是分析解决 电磁学、热学等领域中问题的重要依据.但是学生在能量概念的建立上没有概念基础,所以教材 在第一节设立追寻守恒量,旨在让学生对能量能够有清晰的认识.教材从著名物理学家的理论 出发,展示伽利略的斜面实验,逐步引导能量的概念建立.继而利用生活中的实例,给出势能和动 能的概念.教材具体说明了引入能量概念的必要性. 在实际教学中,逐步渗透物理学家研究待认识问题的方法:设法找出所研究现象是否存在 物理量守恒的情况,一旦发现某种物理量守恒,就首先用以整理过去的经验和知识并总结成定 律,然后在新的现象或事例中对总结出的守恒定律进行检验,如果定律得以证实就可以借助它 解决问题,甚至作出新的预见,追寻和研究守恒量是物理学的一种重要研究方法. 守恒关系是自然界中十分重要的关系,通过本节课的学习,加强学生对守恒关系的认识,并 把这种物理思想渗透在能量学习的过程中. 教学重点 理解动能、势能的含义,体会能量转化、守恒的普遍存在性. 教学难点 培养创新能力,使学生在发现了能量转化、守恒的普遍存在性后,能意识到存在的巨大使用 前景. 课时安排 1 课时 三维目标 知识与技能 1.理解动能、势能及能量的概念与意义. 2.能独立分析伽利略理想斜面实验的能量转换和守恒关系. 3.能列举不同形式的能量可以相互转化并守恒的实例. 过程与方法 1.体会伽利略分析问题的精妙,学习分析事物本质的方法. 2.在列举事例过程中体会费恩曼所说话的深刻内涵,体会转化与守恒的普遍性. 情感态度与价值观 1.通过动能、势能间的相互转化来研究生活中的物体的运动,培养热爱生活的情趣. 2.通过“追寻守恒量”,使学生了解守恒思想的重要性,初步树立能量转化与守恒的观点,学会从物 理现象中探求事物本质的科学态度和研究方法. 3.通过学习,要善于把实际问题理想化. 课前准备 多媒体课件、学案、滚摆、单摆. 教学过程 导入新课 实验导入 如图所示,一个用细线悬挂的小球从 A 点开始摆动.记住它向右能够达到的最大高度.然后 用一把直尺在 P 点挡住摆线,看一看这种情况下小球所能达到的高度. 这个实验现象说明了什么?它是否说明在小球摆动的过程中某种“东西”是不变的?这种“东 西”会是什么? 通过本节课的学习,同学们就能理解这一实验现象了. 故事导入 新华社 2000 年 12 月 31 日和中央电视台 2001 年元月 6 日先后报道：在 20 世纪的最后几 分钟里，一项新的多米诺骨牌吉尼斯世界纪录，在北京颐和园体育健康城综合馆和网球馆诞 生了.中国、日本和韩国的 62 名青年学生成功地推倒了 340 多万张骨牌，一举打破了此前由荷 兰人保持的 297 万张的世界纪录.从电视画面可看出，骨牌瞬间依次倒下的场面蔚为壮观，其 间显示的图案丰富多彩，令人惊叹.其中蕴含着一定的科学道理,这就是“多米诺骨牌效应”.该效 应产生的能量是十分巨大的.这种效应的物理道理是：骨牌竖着时，重心较高，倒下时重心下 降，倒下过程中，将其重力势能转化为动能，它倒在第二张牌上，这个动能的一部分就转移 到第二张牌上，第二张牌将第一张牌转移来的动能和自己倒下过程中由本身具有的重力势能 转化来的动能之和，再传到第三张牌上……所以每张牌倒下的时候，虽然有部分能量损失， 但具有的动能都比前一块牌大，因此它们的速度一个比一个快，也就是说，它们依次推倒的 能量一个比一个大.你可以设想一下,如果牌的个数足够多,那么最后一个牌的速度将是怎样的 大！场面又是何等的壮观! 故事中应用到了动能、势能及其转化.今天,我们就来学习追寻守恒量这节课,学习问题中展 示的能量问题,探索其中的奥秘. 问题导入 “挽弓当挽强,用箭当用长;射人先射马,擒贼先擒王.”这是一首杜甫的诗.跳高运动员总是要 充分地助跑才能取得好的成绩.请同学们思考下面的问题: (1)为什么强弓就射得远?跳高运动员是以高度来计成绩的,而他们为什么要提高自己的速度呢? 难道速度和高度之间有什么联系吗? (2)这体现了一种什么过程? 推进新课 一、伽利略斜面实验 牛顿是经典力学的奠基人,他提出了三个定律和万有引力定律,但是他没有研究过能量(至 少没有深入研究),所以当时人类对自然的认识还很有局限.但在伽利略的实验中,已经有了“能 量”的影子. 能量概念的形成和发展,始终是和能量守恒定律的建立过程紧密相连的.能量守恒定律的 发现告诉我们,尽管物质世界千变万化,但这种变化不是没有规律的,基本的规律就是守恒定律. 这一节课我们从一个较高的角度去认识这个问题. 教师指导:让一位学生朗读教材开头费恩曼的话,让学生体会能量守恒定律的重要性. 活动探究 课件展示 1:大屏幕投影展示伽利略理想实验的 flash 模拟动画. 问题:1.当小球沿斜面从高处由静止滚下时,小球的高度不断减小,而速度不断增大,说明了什么? 2.当小球从斜面底沿另一个斜面向上滚时,小球的位置不断升高,而速度不断减小,说明了什么 问题? 学生观察交流、讨论并总结: 明确：1.说明小球凭借其位置而具有的物理量不断减少,而由于运动而具有的物理量不断增大. 2.说明小球凭借位置而具有的物理量不断增加,而由于运动而具有的物理量逐渐减少. 课件展示 2：利用动画模拟实验,将斜面调整,引导学生观察小球的运动情况.指导学生自己组织 语言,描述看到的物理现象.学生通过阅读并观察、讨论、总结:让小球沿一个斜面从静止开始滚 下,小球将滚上另一斜面,如果没有摩擦,小球将上升到原来的高度.减小后一斜面的倾角,小球在 这个斜面上仍达到同一高度,但这时他要滚得远些.若继续减小后一斜面的倾角,小球达到同一 高度,但滚得更远些. 教师设疑：若将后一斜面放平,小球的运动情况将是怎样? 引导学生讨论、交流,大胆猜想. 参考结论：小球好像“记得”自己的起始高度,但又永远达不到原来的高度,所以将永远滚动下去. 点评：教师通过动画展示,让学生感受到“有某一量是守恒的”.教师逐步引导,让学生体会“守恒 量”的追寻过程,进一步激发学生的探究意识和学习的欲望. 二、物体的动能和势能 实验演示：演示滚摆实验和单摆实验,进一步强化,如果没有摩擦和介质阻力,物体好像“记得”自 己初始的高度,即某一量是守恒的. 引导学生根据以上示例,举出生活中其他关于此种现象的事例. 公园里的秋千,游乐园里的海盗船,乒乓球自高处落到水泥地面上后的运动,在没有摩擦和 空气阻力的情况下,都能达到一定的高度.这说明,将实际生活中的问题理想化后,确实存在着某 一物理量是不变的. 通过学生列举实例,让学生体会生活中的普遍规律. 教师点评：在物理学中,我们把以上这一事实说成是“有某一量是守恒的”,并把这个量叫做 能量或能. 通过阅读体会,给出动能与势能的概念,体会动能与势能转化并守恒的普遍存在. 教师引导学生认识,伽利略的发现今天看来就是我们学习过的能量转化与守恒的思想.其 中与高度有关的量,我们称为势能;与速度有关的量我们称为动能. 课件展示实例,指导学生分析物体动能和势能之间的转化情况. 滚摆 1.视频展示:秋千与海盗船. 2.视频展示:滚摆与落下的乒乓球. 学生详细分析:讨论总结并由代表发言. 阶段小结: 1.能量:“有某一量是守恒的”,这个量叫做能量或能. 2.势能:相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫做势能. 3.动能:物体由于运动而具有的能量叫做动能. 视野拓展 2004 年 12 月 26 日，国际标准时间 00：58：50，一股压抑许久的“怒气”从印度洋深处狂 躁地迸发而出，里氏 9.0 级(美国地震局测定)地震劈开周围的海水,形成一道道相距百十公里的 弧形水幕，以每小时 800 公里的起始速度排山倒海般向四周袭去……巨浪呼啸，以摧枯拉朽 之势，越过海岸线,越过田野，迅猛地袭击着岸边的城市和村庄，瞬时人们都消失在巨浪之中. 港口所有设施、被震塌的建筑物，在狂涛的洗劫下，被席卷一空.事后，海滩上一片狼藉，到 处是残木破板和人畜尸体.地震海啸给人类带来的灾难是十分巨大的…… 试查阅有关资料，谈一谈此次海啸中存在哪些能量. 例 以竖直上抛的小球为例说明小球的势能和动能的转化情况.在这个例子中是否存在着能的 总量保持不变? 参考解析：竖直上抛运动的小球,首先由动能转化为势能,达到最高点时,动能为零,势能达到最 大;在下落时,势能逐渐减小,动能逐渐增大,势能又转化为动能.在小球运动过程中,小球的机械 能总量保持不变. 点评：本实例探究可以应用受力情况来作分析,亦可根据实际运动情况总结,紧紧抓住高度影响 势能,速度影响动能这一关键进行分析. 课堂训练 如图所示,一根不可伸长的细绳拴着一个小球在竖直平面内摆动,图中 a、b、c 三点分别表示小 球摆动过程中的三个不同位置,其中 a、c 等高.在小球摆动的整个过程中,动能最大时是在 _______点,在_________点势能最大;如果没有空气阻力的影响,小球在 a 点的动能________(填 “大于”“等于”或“小于”)在 c 点的动能. 解析：在小球来回摆动时,动能与势能不停地相互转化但总量不变.在 a、c 两点时位置最高,势 能最大,速度为零,动能为零.在 b 点时位置最低,势能最小,速度最大,动能最大. 答案：b a、c 等于 方法总结：在某一过程中,若仅涉及动能和势能的转化,若能判断出其中一种能量正在减小或增 大,则另一种能量一定正做相反变化,且一种能量为零时,另一种能量达到最大值. 课堂小结 1.物体由于位置高度而具有的能量叫做重力势能.对于同一水平面而言,物体被举得越高、质量 越大,物体具有的重力势能就越大. 2.物体由于运动而具有的能量叫做动能.动能是由物体的质量和速度共同决定的,物体运动的速 度越大、质量越大,它的动能就越大. 3.动能和势能统称为机械能.动能可以转化为势能,势能也可以转化为动能.在只有重力做功时, 动能和势能的相互转化过程中,总的机械能不变. 布置作业 1.通过各种途径查找资料,了解人类对能量的研究过程. 2.在其他自然学科中列举出几个能量转化与守恒的实例;转化与守恒的思想(不仅仅是能量)在 生产生活中的实例.(例如水资源) 板书设计 1 追寻守恒量 一、伽利略斜面实验 二、物体的动能和势能 1.势能:相互作用的物体凭借其位置而具有的能量 2.动能:物体由于运动而具有的能量 三、追寻守恒量的意义 活动与探究 课题:能量的应用. 内容:古代战争中常用滚木和檑石作为武器来阻止敌人的进攻,你能利用所学的知识说明其中 的科学道理吗?这种战术适用于哪种情况?怎样才能使杀伤力更大?为什么? 方法:利用动能与势能的转化思想. 参考答案：滚木和檑石的重力势能转化为动能,利用其动能来杀伤敌人;这种战术适用于居高防 守;提高其高度、增大其质量才能有更大的杀伤力. 习题详解 解答:做自由落体运动的物体在下落过程中,势能不断减小,动能不断增加,在转化的过程中,动能 和势能的总和不变. 设计点评 学生是知识的主动建构者,学生对所研究问题的热情程度及在探究过程中所表现出来的精 神状态和情绪,直接影响教学的效果.本设计利用学生生活中常见的秋千、海盗船,由静止下落的 乒乓球引入新课,用伽利略理想斜面实验,引发学生的思维能力,使学生产生求知的兴趣与热情. 通过感悟斜面实验的科学现象,重走追寻守恒量的科学之路,完成教学目标的情感态度这一难 度要求.继而通过滚摆、单摆的视频资源调动探求动能与势能转化的关系,体会能量的守恒思想.