第五章

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机械能守恒定律

执教：上海市浦东复旦附中分校

邓志文

一、教学任务分析

机械能守恒定律是学生在高中物理学习中首次遇到的守恒定律，作为能量守恒定律的一个特例，是高中生对能量转化和守恒的启蒙。在学习本节内容之前，学生已经学习过了功、功率、动能、重力势能、弹性势能、重力做功与重力势能变化的关系，已经具备了从理论上推导得出机械能守恒定律的能力。

本设计针对对象为上海市浦东复旦附中分校学生，作为市实验性示范性高中的学生总体上学习能力较强，求知欲旺盛，他们对DIS(数字化信息系统)操作有一定基础，能利用力学传感器进行简单测量、分析。

本设计从“摆球碰鼻”游戏引入，提出摆球运动过程中重力势能和动能可以相互转化，紧接着就提出问题：在转化过程中重力势能和动能遵循怎样的规律？通过演示实验，研究同一小车在斜面上滑下过程，摩擦力不同时小车在不同位置间机械能变化量的比较，并通过合理外推猜想如果斜面光滑则小车的机械能守恒，然后从理论上进行证明在光滑斜面运动的小车机械能守恒，再合理外推到斜面倾角为90时的小车做自由落体运动机械能守恒。将摆球球抽象为小摆锤，让学生通过DIS验证重力势能和动能转化过程中，在实验误差允许的范围内摆锤的机械能守恒。再通过比较分析归纳出机械能守恒的条件，并描述机械能守恒定律。最后，运用机械能守恒定律解决简单问题。

二、教学目标

1．知识与技能

(1)知道机械能的概念。

(2)理解机械能守恒定律及其条件，能判断某个过程中研究对象的机械能是否守恒。

(3)能用牛顿第二定律、匀加速直线运动规律推导机械能守恒定律。

(4)学会用DIS验证机械能守恒定律。

2．过程与方法

(1)通过对机械能守恒定律的理论推导和实验探究过程中，经历科学的探究过程，感受物理学中建立过程模型的方法。

(2)通过对机械能守恒条件的归纳，经历研究对象在不同的物理变化过程中寻找共性的方法。

(3)感受变中有恒的思想。

3．情感、态度与价值观

经历在几种不同运动的研究基础上建立机械能守恒定律的过程，养成严谨、认真的科学态度。

三、教学重点与难点

重点：理解机械能守恒定律及其适用条件。

难点：归纳出只有重力做功是机械能守恒的条件。

四、教学资源

1．器材：(1)演示实验：钢丝绳和实心球制成的摆，研究小车轨道斜面下滑过程中机械能的变化的实验；(2)学生实验：机械能守恒实验器、DIS(光电门传感器、数据采集器、计算机)。

2．自制课件

1

0

五、教学设计思路

本设计的内容包括三个方面：一是建立机械能的概念，二是探究出机械能守恒定律，三是应用机械能守恒定律解决简单问题。

本设计的基本思路是：从“摆球碰鼻”游戏引出动能和重力势能可以相互转化，进而提出探究的主题：在转化过程中动能和重力势能的总量是否相等。利用演示实验合理外推、学生理论推导、学生实验三种方式研究运动的过程中机械能是否守恒，然后从中找出共性，得出机械能守恒定律及其条件。最后运用机械能守恒定律解决简单的问题，加深对机械能守定律的理解。

本设计要突出的重点是：探究物体在不同运动中机械能是否守恒。方法是：演示实验得出小车在斜面上运动，摩擦力越小，小车在斜面上固定两点间的机械能减少量越小，合理外推如果没有摩擦则机械能不变；学生证明在光滑斜面上下滑的物体机械能守恒；学生通过DIS验证在实验误差允许的范围内摆锤在下摆的过程中机械能守恒。

本设计要突破的难点是：机械能守恒的条件是只有重力做功。方法是：在得出光滑斜面下滑的物体、自由落体运动的物体、摆锤运动过程中机械能守恒之后，引导学生思考功与能量变化密切相关，考察在三种运动过程中的力做功情况，寻找出在三种运动中力做功的共性——只有重力做功。

六、教学流程

1．教学流程图

活动I 演示实验

情景I

问题1

在一些运动中机械

能守恒

动能和势能可以相互转化

机械能的概念

活动

问题2 活动II 学生推导

活动III DIS实验

活动IV 探讨

机械能守恒的条件

机械能守恒定律

活动V 解决问题

2．流程图说明

情景I “摆球碰鼻”游戏 问题1：摆球向下运动和向上运动的过程中，能量是怎样变化的？

——物体的动能和重力势能是可以相互转化的。建立机械能的概念。 问题2：

“动能和重力势能在相互转化过程中遵循怎样的规律？” 活动I—III 探究物体在运动过程中机械能是否守恒

活动I 比较在斜面上下滑的小车在不同摩擦阻力的情况下机械能变化情况

2

小车在斜面上运动，越往下端，机械能越小；摩擦力越小，相同位移机械能改变量越小；

合理外推，如果小车不受摩擦力，机械能改变量为零。

活动II 理论推导物体在光滑斜面上下滑的过程中机械能守恒

合理外推：斜面倾角为90时的自由落体时物体的机械能守恒

摆球摆动时，摆球几乎能摆回到等高处，那么这个摆动的过程中机械能是否守恒呢？我们用实验来研究

活动III学生实验：用DIS验证摆锤的运动过程中，在实验误差允许的范围内机械能守恒。

活动IV 归纳探讨机械能守恒的条件

“是否所有的运动过程中机械能都是守恒的？”引出机械能守恒的条件的探究。

教师引导学生从“功是能量变化的量度”这个角度来研究机械能守恒的条件。学生考察几种运动过程中物体所受力做功的情况，归纳出共性——只有重力做功。

活动V 解决简单问题问题

从节能的视角解释火车站台坡度设置的原理；

3．教学的主要环节 第一环节，通过演示实验分析得出摆球在运动过程中动能和重力势能是可以相互转化的。

第二环节，探究几种运动中物体的机械能是否守恒，归纳机械能守恒的条件。

第三环节，应用机械能守恒定律解决简单的问题。

七、教学示例

导入新课

邀请同学做游戏——摆球碰鼻。实验装置如图所示。

实验者站立不动，把悬挂的重球拉至靠近鼻尖处由静止释放，小球摆回来时，会不会碰到鼻子？你敢不敢镇定自若地站立不动？

为什么？学习完今天的内容，我们就可以解释这种现象——机械能守恒定律。

(一)建立机械能的概念

问题1：摆球在运动过程中既具有动能又具有重力势能，从能量的角度来看，摆球在向下和向上运动的过程中，摆球的这些能量在发

生怎样的变化？

提出机械能概念，指出动能和势能可以相互转化。

(二)探究机械能守恒的规律

(1)问题2：小球的动能和重力势能相互转化过程中遵循怎样的规律？

(2)演示实验：比较在斜面上下滑的小车在不同摩擦力的情况下机械能变化情况

摩擦力不变时，小车在斜面上运动，越往下端，机械能越小；

两个相同的位置之间，摩擦力越小，机械能改变量越小；

合理外推——如果小车不受摩擦力，两位置间机械能改变量为零，即机械能相等。

(3)理论推导：在光滑斜面下滑的物体机械能守恒：

学生活动：推导沿光滑斜面匀加速下滑的物体在运动过程中任意两点的机械能相等。

合理外推：斜面倾角为90时，小车做自由落体时，机械能守恒

3

00

我们通过实验，结合理论推导，已经证明了沿着光滑斜面下滑的物体机械能守恒。

(4)学生实验：验证摆锤在运动中机械能守恒

测量摆锤在四个位置的速度、高度，算出摆锤经过该位置时的动能、重力势能，两者相加算出机械能，比较不同位置的机械能，看在实验误差允许的范围内是否相等。

结论：在实验误差允许的范围内，摆锤在运动过程中的机械能守恒。

(5)寻找机械能守恒的条件

从能量的转化与力做功有关来引导、分析几种运动(自由落体运动、沿光滑斜面下滑、摆锤的运动、沿粗糙斜面匀加速下滑)中物体所受力、做功的情况，发现：在机械能守恒的几种运动中，受力情况各不相同，但是做功情况相同，都是只有重力做功。得出结论：机械能守恒的条件是只有重力做功。

结论：机械能守恒定律(不完备的)

(三)机械能守恒定律的应用

问题：随着人类能源消耗的迅速增加，如何有效地提高能源的利用率是人类所面临的一项重要任务。图是上海地铁某车站的设计方案示意图，站台前轨道的两边都有一个小的坡度。请你从节能的角度，分析这种设计的优点。

(四)作业布置(略)

(五)板书设计

F 机械能守恒定律

一、机械能：动能、势能(重力势能、弹性势能)

二、机械能守恒定律

1、内容：在只有重力做功的情况下，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。

2、条件：只有重力做功

3、表达式： E1 = E2

即

11mv12

+mgh1=mv22 + mgh2

2211 ΔEk = -ΔEp

即

mv22-mv12=

-(mgh2-mgh1)

22

八、教学反思

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