高一物理《機械能守恒定律》優(yōu)秀教案
一、教學(xué)目標(biāo)
1．在已經(jīng)學(xué)習(xí)有關(guān)機械能概念的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)機械能守恒定律，掌握機械能守恒的條件，掌握應(yīng)用機械能守恒定律分析、解決問題的基本方法。
2．學(xué)習(xí)從功和能的角度分析、處理問題的方法，提高運用所學(xué)知識綜合分析、解決問題的能力。
二、重點、難點分析
1．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；能夠應(yīng)用機械能守恒定律解決有關(guān)問題。
2．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(rèn)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。
3．能否正確選用機械能守恒定律解決問題是本節(jié)學(xué)習(xí)的另一難點。通過本節(jié)學(xué)習(xí)應(yīng)讓學(xué)生認(rèn)識到，從功和能的角度分析、解決問題是物理學(xué)的重要方法之一；同時進(jìn)一步明確，在對問題作具體分析的條件下，要能夠正確選用適當(dāng)?shù)奈锢硪?guī)律分析、處理問題。
三、教具
演示物體在運動中動能與勢能相互轉(zhuǎn)化。
器材包括：麥克斯韋滾擺；單擺；彈簧振子。
四、主要教學(xué)過程
(一)引入新課
結(jié)合復(fù)習(xí)引入新課。
前面我們學(xué)習(xí)了動能、勢能和機械能的知識。在初中學(xué)習(xí)時我們就了解到，在一定條件下，物體的動能與勢能(包括重力勢能和彈性勢能)可以相互轉(zhuǎn)化，下面我們觀察演示實驗中物體動能與勢能轉(zhuǎn)化的情況。
[演示實驗] 依次演示麥克斯韋滾擺、單擺和彈簧振子，提醒學(xué)生注意觀察物體運動中動能、勢能的變化情況。
通過觀察演示實驗，學(xué)生回答物體運動中動能、勢能變化情況，教師小結(jié)：
物體運動過程中，隨動能增大，物體的勢能減小；反之，隨動能減小，物體的勢能增大。
提出問題：上述運動過程中，物體的機械能是否變化呢？這是我們本節(jié)要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。
(二)教學(xué)過程設(shè)計
在觀察演示實驗的基礎(chǔ)上，我們從理論上分析物理動能與勢能相互轉(zhuǎn)化的情況。先考慮只有重力對物體做功的理想情況。
1．只有重力對物體做功時物體的機械能
問題：質(zhì)量為的物體自由下落過程中，經(jīng)過高度h1處速度為v1，下落至高度h2處速度為v2，不計空氣阻力，分析由h1下落到h2過程中機械能的變化(引導(dǎo)學(xué)生思考分析)。
分析：根據(jù)動能定理，有
下落過程中重力對物體做功，重力做功在數(shù)值上等于物體重力勢能的變化量。取地面為參考平面，有
WG＝gh1-gh2
由以上兩式可以得到
引導(dǎo)學(xué)生分析上面式子所反映的物理意義，并小結(jié)：下落過程中，物體重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，此過程中物體的機械能總量不變。
指出問題：上述結(jié)論是否具有普遍意義呢？作為課后作業(yè)，請同學(xué)們課后進(jìn)一步分析物體做平拋和豎直上拋運動時的情況。
明確：可以證明，在只有重力做功的`情況下，物體動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而機械能總量保持不變。
提出問題：在只有彈簧彈力做功時，物體的機械能是否變化呢？
2．彈簧和物體組成的系統(tǒng)的機械能
以彈簧振子為例(未講振動，不必給出彈簧振子名稱，只需講清系統(tǒng)特點即可)，簡要分析系統(tǒng)勢能與動能的轉(zhuǎn)化。
明確：進(jìn)一步定量研究可以證明，在只有彈簧彈力做功條件下，物體的動能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，物體的機械能總量不變。
綜上所述，可以得到如下結(jié)論：
3．機械能守恒定律
在只有重力和彈簧彈力對物體做功的情況下，物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化，物體機械能總量保持不變。這個結(jié)論叫做機械能守恒定律。
提出問題：學(xué)習(xí)機械能守恒定律，要能應(yīng)用它分析、解決問題。下面我們通過具體問題的分析來學(xué)習(xí)機械能守恒定律的應(yīng)用。在具體問題分析過程中，一方面要學(xué)習(xí)應(yīng)用機械能守恒定律解決問題的方法，另一方面通過問題分析加深對機械能守恒定律的理解與認(rèn)識。
4．機械能守恒定律的應(yīng)用
例1．在距離地面20高處以15/s的初速度水平拋出一小球，不計空氣阻力，取g＝10/s2，求小球落地速度大小。
引導(dǎo)學(xué)生思考分析，提出問題：
(1)前面學(xué)習(xí)過應(yīng)用運動合成與分解的方法處理平拋運動，現(xiàn)在能否應(yīng)用機械能守恒定律解決這類問題？
(2)小球拋出后至落地之前的運動過程中，是否滿足機械能守恒的條件？如何應(yīng)用機械能守恒定律解決問題？
歸納學(xué)生分析的結(jié)果，明確：
(1)小球下落過程中，只有重力對小球做功，滿足機械能守恒條件，可以用機械能守恒定律求解；
(2)應(yīng)用機械能守恒定律時，應(yīng)明確所選取的運動過程，明確初、末狀態(tài)小球所具有的機械能。
例題求解過程：
取地面為參考平面，拋出時小球具有的重力勢能Ep1＝gh，動能落地時小球的速度大小為
提出問題：請考慮用機械能守恒定律解決問題與用運動合成解決問題的差異是什么？
例2．小球沿光滑的斜軌道由靜止開始滑下，并進(jìn)入在豎直平面內(nèi)的離心軌道運動，如圖所示，為保持小球能夠通過離心軌道最高點而不落下來，求小球至少應(yīng)從多高處開始滑下？已知離心圓軌道半徑為R，不計各處摩擦。
提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考分析：
(1)小球能夠在離心軌道內(nèi)完成完整的圓周運動，對小球通過圓軌道最高點的速度有何要求？
(2)從小球沿斜軌道滑下，到小球在離心軌道內(nèi)運動的過程中，小球的機械能是否守恒？
(3)如何應(yīng)用機械能守恒定律解決這一問題？如何選取物體運動的初、末狀態(tài)？
歸納學(xué)生分析的結(jié)果，明確：
(1)小球能夠通過圓軌道最高點，要求小球在最高點具有一定速度，即此時小球運動所需要的向心力，恰好等于小球所受重力；
(2)運動中小球的機械能守恒；
(3)選小球開始下滑為初狀態(tài)，通過離心軌道最高點為末狀態(tài)，研究小球這一運動過程。
例題求解過程：
取離心軌道最低點所在平面為參考平面，開始時小球具有的機械能E1＝gh。通過離心軌道最高點時，小球速度為v，此時小球的機械能成完整的圓周運動。
進(jìn)一步說明：在中學(xué)階段，由于數(shù)學(xué)工具的限制，我們無法應(yīng)用牛頓運動定律解決小球在離心圓軌道內(nèi)的運動。但應(yīng)用機械能守恒定律，可以很簡單地解決這類問題。
例3．長l＝80c的細(xì)繩上端固定，下端系一個質(zhì)量 ＝100g的小球。將小球拉起至細(xì)繩與豎直方向成60°角的位置，然后無初速釋放。不計各處阻力，求小球通過最低點時，細(xì)繩對小球拉力多大？取g＝10/s2。
提出問題，引導(dǎo)學(xué)生分析思考：
(1)釋放后小球做何運動？通過最低點時，繩對小球的拉力是否等于小球的重力？
(2)能否應(yīng)用機械能守恒定律求出小球通過最低點時的速度？
歸納學(xué)生分析結(jié)果，明確：
(1)小球做圓周運動，通過最低點時，繩的拉力大于小球的重力，此二力的合力等于小球在最低點時所需向心力；
(2)繩對小球的拉力不對小球做功，運動中只有重力對球做功，小球機械能守恒。
例題求解過程：
小球運動過程中，重力勢能的變化量ΔEp＝-gh＝-gl(1-cs60°)，
在最低點時繩對小球的拉力大小為
提出問題：通過以上各例題，總結(jié)應(yīng)用機械能守恒定律解決問題的基本方法。
歸納學(xué)生的分析，作課堂小結(jié)。
五、小結(jié)
1．在只有重力做功的過程中，物體的機械能總量不變。通過例題分析要加深對機械能守恒定律的理解。
2．應(yīng)用機械能守恒定律解決問題時，應(yīng)首先分析物體運動過程中是否滿足機械能守恒條件，其次要正確選擇所研究的物理過程，正確寫出初、末狀態(tài)物體的機械能表達(dá)式。
3．從功和能的角度分析、解決問題，是物理學(xué)研究的重要方法和途徑。通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，逐步培養(yǎng)用功和能的觀點分析解決物理問題的能力。
4．應(yīng)用功和能的觀點分析處理的問題往往具有一定的綜合性，例如與圓周運動或動量知識相結(jié)合，要注意將所學(xué)知識融匯貫通，綜合應(yīng)用，提高綜合運用知識解決問題的能力。
六、說明
勢能是相互作用的物體系統(tǒng)所共有的，同樣，機械能也應(yīng)是物體系統(tǒng)所共有的。在中學(xué)物理教學(xué)中，不必過份強調(diào)這點，平時我們所說物體的機械能，可以理解為是對物體系統(tǒng)所具有的機械能的一種簡便而通俗的說法。
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