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2019-2020年高中物理必修2机械能守恒定律I教学目标1、学习机械能守恒定律及掌握应用机械能守恒定律分析、解决问题的基本方法2、学习从功和能的角度分析、处理问题的方法,提高运用知识综合分析、解决问题的能力教学重点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教学难点1、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2、正确选用机械能守恒定律解决问题同时让学生认识到从功和能的角度分析、解决问题是物理学的重要方法之一教 具演示物体在运动中动能与势能相互转化用器材单摆、弹簧振子及多媒体电脑课件教 学 过 程 说 明教学激发观看实验依次演示单摆和弹簧振子,提醒学生注意观察物体运动中动能、势能的变化情况小结物体运动过程中,随动能增大,物体的势能减小;反之,随动能减小,物体的势能增大复习提问上述运动过程中,物体的机械能是否变化呢?(见演示课件)
一、新课教学在观察演示实验的基础上,我们从理论上分析物体动能与势能相互转化的情况先考虑只有重力对物体做功的理想情况1、只有重力对物体做功时物体的机械能问题质量为m的物体自由下落过程中,经过高度h1处速度为v1,下落至高度h2处速度为v2,不计空气阻力,分析由h1下落到h2过程中机械能的变化情况分析根据动能定理,有下落过程中重力对物体做功,重力做功在数值上等于物体重力势能的变化量取地面为参考平面,有WG=mgh1-mgh2由以上两式可以得到小结下落过程中,物体重力势能转化为动能,此过程中物体的机械能总量不变问题上述结论是否具有普遍意义呢?请同学们进一步分析物体做平抛和竖直上抛运动时的情况明确可以证明,在只有重力做功的情况下,物体动能和势能可以相互转化,而机械能总量保持不变建立具体情景,学生有了思维的依托,在此基础上,进行知识的正向迁移,并为学生的猜想提供了依据,激励起学生的学习兴趣和求知欲,引导学生回答物体运动中动能、势能变化情况,并作小结引导学生思考分析并推导让学生独立推导此定律,突出学生的主体地位,不仅能提高学生的推理能力,而且也能使学生体会到成功的乐趣引导学生分析式子所反映的物理意义,并小结问题在只有弹簧弹力做功时,物体的机械能是否变化呢?2、弹簧和物体组成的系统的机械能以弹簧振子为例,简要分析系统势能与动能的转化明确进一步定量研究可以证明,在只有弹簧弹力做功条件下,物体的动能与势能可以相互转化,物体的机械能总量不变综上所述,可以得到如下结论3、机械能守恒定律(两种表述方法)
①在只有重力和弹力(弹簧)做功的情况下,物体的动能和势能发生相互转化,但机械能总量保持不变这个结论叫做机械能守恒定律
②如果没有摩擦和介质阻力,物体只发生动能和重力势能的相互转化时,机械能的总量保持不变4、机械能守恒定律的应用解题步骤
①明确研究对象和它的运动过程
②分析研究对象的受力情况,判断机械能是否守恒
③确定对象运动的起始和终了状态,选定零势能参考平面,确定物体在始、末两状态的机械能
④选定一种表达式,统一单位,列式求解机械能守恒定律的研究对象一定是系统,至少包括地球在内通常我们说“小球的机械能守恒”就包括地球在内,因为重力势能就是小球和地球共有的,另外小球的动能中用到的v,也是相对于地面的速度当研究对象只有一个物体时(地球自然包括在内),往往用是否“只有重力做功”来判定机械能是否守恒;当研究对象有多个物体在内时,往往用是否“没有摩擦和介质阻力”来判定机械能是否守恒各种不同的表达式
①;既;
②; ; 用
①时,需要规定重力势能的参考平面;用
②时则不必规定重力势能的参考平面,因为重力势能的改变量与参考平面的选取没有关系尤其是用ΔE增=ΔE减,只要把增加的机械能和减少的机械能都写出来,方程自然就列出来了例1、质量为m小球从一定高处自由落下,落到直立的下端固定的弹簧上,请分析系统的能量转化关系(见演示课件)问题
①系统中涉及几种形式的能量?
②那些力对小球作了功?
③机械能守恒吗?
④球运动过程中能量转化情况? 分析找小球的平衡位置O点,取O点的重力势能为零,在O点弹簧已有一定的压缩,弹性势能不为零,小球在往复运动过程中,经过平衡位置O点时速度最大,所以小球经过平衡位置O未讲振动,不必给出弹簧振子名称,只需讲清系统特点即可学习机械能守恒定律,要能应用它分析、解决问题下面我们通过具体问题的分析来学习机械能守恒定律的应用在具体问题分析过程中,一方面要学习应用机械能守恒定律解决问题的方法,另一方面通过问题分析加深对机械能守恒定律的理解与认识引导学生思考分析动能,重力势能、弹性势能;只有重力和弹簧弹力做功;系统总的机械能守恒点时,动能最大,重力势能为零,弹性势能不为零,小球位于B点位置时,小球重力势能最大,动能、弹性势能为零,小球位于A点位置时,小球弹性势能最大,动能为零,重力势能最小例2、小球沿光滑斜轨道由静止开始滑下,并进入在竖直平面内的离心轨道运动,如图所示,为保持小球能够通过离心轨道最高点而不落下,求小球至少应从多高处开始滑下?已知离心圆轨道半径为R,不计各处摩擦问题
①小球能够在离心轨道内完成完整的圆周运动,对小球通过圆轨道最高点的速度有何要求?
②从小球沿斜轨道滑下,到小球在离心轨道内运动的过程中,小球的机械能是否守恒?
③如何应用机械能守恒定律解决这一问题?如何选取物体运动的初、末状态?明确
①小球能够通过圆轨道最高点,要求小球在最高点必须具有一定速度,即此时小球运动所需向心力,恰好等于小球所受重力;
②运动中小球的机械能守恒;
③选小球开始下滑为初状态,通过离心轨道最高点为末状态,研究小球这一运动过程(见实物实验及演示课件)解取离心轨道最低点所在平面为参考平面,开始时小球具有的机械能E1=mgh通过离心轨道最高点时,小球速度为v,此时小球的机械能为根据机械能守恒定律E1=E2,有小球能够通过离心轨道最高点,应满足由以上两式解得h≥5R/2小球从h≥5R/2的高度由静止开始滚下,可以在离心圆轨道内完成完整的圆周运动进一步说明在中学阶段,由于数学工具的限制,我们无法应用牛顿运动定律解决小球在离心圆轨道内的运动但应用机械能守恒定律,可以很简单地解决这类问题例3、如图所示,A、B两木块质量分别为m和2m,用一轻质弹簧连在一起,放在光滑的水平面上,用一外力F把两木块压在墙上,请定性分析(见演示课件)
1、撤去外力F后,B木块的最大速度?
2、撤去外力F后,A木块的最大速度?
3、撤去外力F后,系统质心的运行情况及速度?引导学生思考分析引导学生归纳分析的结果让学生自己推导计算
二、巩固练习1、下列过程中,机械能守恒的是(ABD) A、物体做自由落体运动; B、用轻绳系一小球,给小球一初速度,使小球以另一端为圆心,在竖直面内做圆周运动,小球在做圆周运动的过程中; C、自由下落的炸弹在空中爆炸; D、物体以一定的初速度冲上光滑的斜面(以上均不计空气阻力)2、将质量相同的三个小球A、B、C在地面上方同一高度以相同的初速率抛出,A球竖直上抛,B球竖直下抛,C球水平抛出,不计空气阻力,三个小球刚落在同一地面上,则下列说法正确的是(ADC) A、重力对三个小球做的功相同; B、三个小球落地速度相同; C、三个小球落地时动能相同; D、三个小球的机械能相同3、体积相同的木块和铁块,它们的重心在同一水平面O上关于它们的重力势能的下列说法中,正确的是(BCD) A、不管参考平面怎样选取,铁块的重力势能一定比木块大 B、若参考平面选取在O之上,铁块的重力势能比木块重力势能小 C、若参考平面选取在O之下,铁块的重力势能比木块重力势能大 D、重力势能的正、负与参考平面的选择有关4、如图10所示,长度为l的轻弹簧和长度为LLl的轻绳,一端分别固在同一高度的O点和O点,另一端各系一个质量为m的小球A、B把它们拉成水平状态,如图10(甲)和(乙),这时弹簧未伸长由静止释放,到最低点,弹簧的长度也等于L(在弹性限度内),这时A、B两球在最低点的速度分别为vA和vB和,则() A、vAvB; B、vAvB; C、vA=vB; D、无法判定
三、课堂小结1、在只有重力做功的过程中,物体的机械能总量不变通过例题分析要加深对机械能守恒定律的理解2、应用机械能守恒定律解决问题时,应首先分析物体运动过程中是否满足机械能守恒条件,其次要正确选择所研究的物理过程,正确写出初、末状态物体的机械能表达式3、从功和能的角度分析、解决问题,是物理学研究的重要方法和途径通过本节内容的学习,逐步培养用功和能的观点分析解决物理问题的能力4、应用功和能的观点分析处理的问题往往具有一定的综合性,例如与圆周运动或动量知识相结合,要注意将所学知识融汇贯通,综合应用,提高综合运用知识解决问题的能力由提问学生回答,其它同学讨论补充培养学生积极参与的意识和合作精神提示若取水平面O为参考平面,则木块和铁块的重力势能相等,均为零,可见选项A是错误的当参考平面选在O之上,根据EF=mgh可知,木块与铁块的重力势能为负值;由m=ρv可知铁块的质量大于木块的质量,所以铁块的重力势能小于木块同理,当参考平面选在O之下,铁块的重力势能大于木块综上所述,重力势能与参考平面的选择有关因此选项B、C、D正确提示A球减少的重力势能一部分转化为弹簧性势能通过以上例题和练习,引导学生总结应用机械能守恒定律解决问题的基本方法归纳学生的分析,作课堂小结势能是相互作用的物体系统所共有的,同样,机械能也应是物体系统所共有的在中学物理教学中,不必过份强调这点,平时我们所说物体的机械能,可以理解为是对物体系统所具有的机械能的一种简便而通俗的说法
四、教学反思
①教学过程设计积极贯彻“学为主体,教为主导”的教学思想主导作用表现在,组织课堂教学、激发学生学习动机;提供问题的背景,引导学生学习;注意把握激发、疏导、深化、迁移、创造等环节,发展学生思维;注意评价学生的学习,促进学生积极思维,主动获取知识,达到会学的目的
②深化理解机械能守恒定律从守恒的数学表达式的转换,使学生对机械能守恒定律有了多角度的理解,突出重点对守恒条件能够着眼于整体,揭示了事物间的内在联系,有利于学生克服思维的单向性,表现出思维的灵活多向性,突破难点
③注重培养学生的推理能力和科学思维方法通过学生自己的探索、研究,体现出直觉思维与理论思维的结合,并利用归纳的方法,同时引申到只有弹力做功时,得到机械能守恒定律体现了再现思维与创造思维的结合
④教学过程中充分利用现代教育技术,发展了学生的兴趣,有效突破了教学难点使学生较好地建立起正确的物理图景,较顺利的从形象思维过渡到抽象思维。