第五章 F 机械能守恒定律

执教：上海市卢湾区教师进修学院 杨鸣华

一、教学任务分析

机械能守恒定律是中学物理学习中最为重要且要求最高的几个学习内容之一，同时也是以后学习能量守恒的基础；本节课的学生实验——用DIS研究机械能守恒定律是新课标规定的学生实验，也是本教材12个重点探究内容之一。

学习本节课需要以动能、势能、功和能的关系、牛顿运动定律等为知识基础，以DIS实验系统的熟练使用为实验基础。

本设计从游乐场的高架滑车引入，在发现动能和重力势能可以相互转化之后，引出探究的主题：在转化过程中动能和重力势能的变化量是否相等。通过对三种运动的过程中机械能是否守恒的研究，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。

本设计注重知识内容的探究过程，并且强调学生的参与。在逐步形成概念规律的过程中，学生经历了学习、研究物理的一般方法，在运用物理规律解决社会生活中的问题的过程中体验学以致用的快乐并感悟物理与社会生活的紧密联系。

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。

（3）学会用利用数学演绎的方法推导机械能守恒定律。

（4）学会用DIS实验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，感受学习和研究物理的科学方法。

（2）通过对机械能守恒条件的归纳，经历在不同的现象中寻找共性的研究方法。

（3）通过利用DIS实验探究在摆锤的运动中机械能是否守恒，认识到DIS实验是现代实验研究的重要途径之一。

3．情感、态度与价值观

（1）通过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，增强严谨的科学态度。

（2）通过自主推导、DIS实验验证机械能守恒的过程，激发学习的积极性、能动性。

（3）在运用机械能守恒定律解决实际问题的过程中，体验学有所得的快乐，并感悟物理与社会生活的紧密联系。

三、教学重点与难点

重点：理解机械能守恒定律及其条件。

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

学生实验：机械能守恒实验器、DIS实验系统（光电门传感器、数据采集器、计算机） 。

2．课件

视频（高架滑车）、阅读材料（火车站台）。

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：从生活中的运动中发现动能和重力势能可以相互转化，进而引出探究的主题：在转化过程中动能和重力势能的变化量是否相等。利用老师示范、学生理论推导、学生实验三种不同方式研究三种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：探究在某些运动中机械能是否守恒。方法是：教师证明在自由落体运动中机械能守恒；学生自行证明在光滑斜面上下滑的物体机械能守恒；学生通过DIS实验证明摆锤的运动过程机械能守恒。

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：在证明三种运动过程中机械能守恒之后，引导学生想到能的变化是与力做功有密切关系的，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，即只有重力做功。

本设计针对三种运动采用三种不同的证明方式，学生可以感受到物理学习和研究的一般方法——理论演绎和实验探究，同时经历归纳机械能守恒条件的过程。DIS实验在证明摆锤在摆动过程中机械能守恒发挥的作用可以让学生体会信息技术对物理学习带来的改变，激发学习的兴趣。 最后应用机械能守恒定律解决问题的环节可以使学生体验学以致用的快乐，并且领略到物理与生活的紧密联系。

完成本设计的内容约需2课时。

六、教学流程

1．教学流程图

2．流程图说明

情景Ⅰ 播放视频，提出问题1

观看游乐场里“高架滑车”的运动，提出问题：在滑车向下运动和向上运动的过程中，能量是怎样变化的？

从视频和问题中，引出在运动过程中物体的动能和势能间是可以相互转化的，同时建立机械能的概念。

情景Ⅱ 提出问题2

通过问题：“动能和势能的相互转化的遵循怎样的规律？”引出探究的主题——在运动中机械能是否守恒。

活动Ⅰ、活动Ⅱ、活动Ⅲ 探究在运动过程中机械能是否守恒

研究在三种运动中机械能是否守恒。教师用演绎的方法证明在自由落体运动过程中机械能守恒；学生用演绎的方法证明物体在光滑斜面上下滑的过程中机械能守恒；用DIS学生实验证明摆锤的运动过程中机械能守恒。

情景Ⅲ 提出问题3

从问题：“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。

活动Ⅳ 师生互动

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。学生考察三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 解决问题

阅读材料，定性地解释火车站台坡度设置的原理；运用机械能守恒定律解决教材P63页示例中的问题。

3．教学的主要环节

本设计可分为三个主要的教学环节。

第一环节，通过视频和经验得出在运动过程中动能和势能可以相互转化。

第二环节，探究在所研究的运动中机械能是否守恒及其条件。

第三环节，应用机械能守恒定律解决简单的问题。

七、教案示例

（一）建立机械能的概念

观看视频，提问讨论：

问题1：哪位同学曾经做过这样的高架滑车，请谈谈你的感受。

问题2：如果从能量的角度来看，在向下和向上运动的过程中，滑车具有的哪些能，它们分别在发生怎样的变化？

结论一：在这类运动中，物体因为质量、速度、位置等力学量而具有的动能、势能统称为机械能。

结论二：在机械运动中，动能和势能可以相互转化。

（二）探究机械能守恒的规律

请再举一些在物体运动过程中动能和重力势能相互转化的例子。（列在黑板上）

问题1：在这些运动中，物体的动能和重力势能相互转化，可能会遵循怎样的规律？

学生猜测：动能与势能的总和即机械能可能不变。

1．验证在一些常见运动中，机械能是否守恒

我们从较为简单运动中入手，看看是否存在这样的规律。

（1）验证在自由落体运动中机械能是否守恒：

教师示范，通过数学演绎的方法验证做自由落体运动的物体在运动过程中任意两点的机械能相等。

（2）验证在光滑斜面下滑的物体机械能是否守恒：

学生利用教材P62的自主活动，通过数学演绎的方法验证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。

（3）验证摆锤在运动中机械能是否守恒：

DIS实验一：观察摆锤摆到另一侧的最高位置与开始释放位置的高度关系。

结论：摆锤在两侧最高位置时的机械能是相等的。

问题：要证明摆锤在运动过程中的机械能总是不变的，还必须怎样做实验？

DIS实验二：验证在摆锤运动的过程中机械能是不变的。

实验方案：测量摆锤任意位置的速度、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，看其是否相等。（该方案在老师启发、提问，学生讨论、交流的过程中逐步形成。）

结论：摆锤在运动过程中的机械能守恒。

问题2：受否所有的运动中物体的机械能都是守恒的呢？

（4）验证在粗糙斜面上匀加速下滑物体的机械能是否守恒：

经过数学演绎，发现在粗糙斜面上匀加速下滑物体的机械能不守恒。

2．寻找机械能守恒的条件

通过对上述几种运动的研究，我们发现，有些运动机械能是守恒的，有些运动机械能是不守恒的，由此我们想到机械能守恒可能是要满足一定的条件的。下面我们就来看看这些机械能守恒的运动中，有什么共同的特征，而这些特征又恰恰是那些机械能不守恒的运动中不具备的。

在上一节课的学习中，我们已经知道能量的变化是与力做功有关的，所以，我们可以仔细分析一下在这几种运动中，物体所受力做功的情况，看看会不会有什么发现。

运动类型 受力情况 做功的力自由落体运动 重力 重力沿光滑斜面下滑的物体 重力、支持力 重力摆锤的运动 重力、绳子拉力 重力沿粗糙斜面匀加速下滑的物体 重力、支持力、摩擦力 重力、摩擦力

我们发现，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，在机械能不守恒的运动中，除了重力之外，还有别的力做功。我们初步可以得出这样的结论：机械能守恒的条件可能是只有重力做功。

如果时间允许，我们可以对更多的运动进行仔细的分析。科学家们对大量的运动做了仔细的研究，他们得出的结论和我们是一样的。

结论：机械能守恒定律。

（三）机械能守恒定律的应用

1．阅读相关材料，解释为什么火车进站时要上坡、出站时要下坡。

2．完成教材P63示例中的问题。

（四）作业布置（略）

发布时间：2013/5/25 下午9:28:07  阅读次数：2183