第五章 C 动能

执教：上海市徐汇区教师进修学院桑嫣

一、教学任务分析

动能是牛顿力学中的核心能量，是学生在高中阶段学习的第一种能量。由于动能在生活中普遍存在，且较易被理解，因此对该概念的学习和理解，能帮助学生进一步理解能量、做功等较抽象的物理概念。动能的概念也是今后学习功能关系及动能定律的基础与关键。在初中已学过动能的定性知识的基础上，本节内容要求学生进一步掌握动能的定量表达。

学习动能的概念需要以初中的相关知识、功的概念、运动学和牛顿第二定律等知识为基础。

从摆球撞击木块实验入手，使学生不仅能从实验现象中猜想出物体动能与哪些因素有关，而且能定性地了解：物体的质量越大，动能越大；物体的速度越大，动能越大。

然后用DIS实验定量研究物体的动能与物体的质量、速度的关系。根据物体具有的能越多，做功的本领越大的原理，以测量滑块被推动的位移来代替小车的动能，猜想变量之间的函数关系，并将此关系通过计算机对测量出的数据进行图像拟合，以寻找到最符合实际情况的变量关系。根据实验归纳得出物体动能大小的粗略表达：物体的动能与物体的质量成正比，与物体的速度的平方成正比。

根据实际情景进一步理论推导得出物体动能大小的精确表达：动能等于物体质量与速度的二次方的乘积的一半。

通过简单的实例训练，练习使用动能的表达式计算物体的动能大小。

通过了解人类在生活中利用动能的实例及动能带来的危害，感悟对待自然辨证的唯物观点。

在得到物体的动能与物体的质量、速度精确的定量关系的过程中，使学生体验“科学猜想”、“图像拟合”、“归纳推理”等多种物理学研究方法，培养学生观察分析、比较判断、归纳总结及处理实际问题的能力。通过小组讨论、实验探究、相互交流等方式，创设平台，让学生对生活中常见的一些事例讨论分析，调动学生学习的情感，感受辨证唯物的科学品质。

二、教学目标

1．知识与技能

（1）理解动能的概念，理解物体的动能与质量、速度间的定量关系式。

（2）知道动能是标量，知道动能的单位。

（3）能用动能表达式计算物体的动能。

（4）知道在生活中人类对动能利用的实际事例。

2．过程与方法

（1）通过实验探究获得动能表达式的过程，认识图像拟合方法在得出物理规律中的作用。

（2）在得出动能表达式的过程中，认识实验探究和理论演绎的方法。

3．情感、态度与价值观

（1）在探究物体的动能与质量、速度的定量关系的过程中，体验“大胆猜想、小心求证”的科学实验态度。

（2）从动能的危害和利用了解事物的两面性，感悟辨证唯物思想。

三、教学重点与难点

重点：理解动能的概念，知道动能与哪些因素有关，并用动能的定义式进行计算。

难点：对动能定义式的实验探究和理论探究。

四、教学资源

1、器材

（1）定性研究物体的动能与什么因素有关：木块、摆球（大小各1个）、铁架台。

（2）定量研究物体的动能与质量、速度间关系：小车、摩擦块、轨道、DIS实验器材（包括：光电门传感器、电脑、数据采集器等）。

2、信息化平台

多人一机的网络教室、文件管理展示平台。

3、课件

动能的存在、生活中的动能的图片、储能飞轮的flash课件。

五、教学设计思路

本设计的内容包括三个方面：一是定性探究物体的动能与哪些因素有关，二是通过定量探究实验与理论探究方法得出动能的表达式，三是利用动能表达式练习计算物体的动能大小，并了解动能的利用和危害。

本设计的基本思路是：从定性实验入手，先猜想出物体动能与哪些因素有关，然后用DIS实验定量研究物体的动能与物体的质量、速度的关系，最后根据实际情景进一步理论推导得出物体动能大小的精确表达式。通过对实际事例的计算、了解，进一步深入理解动能的概念。

本设计要突出的重点是：理解动能的概念，知道动能与哪些因素有关。方法是：通过定性实验、定量实验、理论推导等多种方式逐步建立准确的动能表达式，并用定义式计算物体的动能，从而从理论到实际来理解动能的概念。

本设计要突破的难点是：对动能定义式的实验探究和理论探究。方法是：在复习初中所学相关知识的基础上，通过对小车的动能与摩擦块滑行距离之间的关系的分析讨论，帮助同学突破实验中存在的理解“瓶颈”。在学生猜想物体的动能与质量、速度的函数关系时，引导学生从简单的猜想起步，逐步验证，以突破对变量函数关系的求证。

本设计强调用定性、定量实验探究与理论演绎等多种科学探究手段相结合的方法来得出正确结论；强调通过学生主动的参与、大胆的猜想，培养学生实验、分析判断、归纳概括的能力；使学生通过运用电脑分析和处理数据，掌握用物理图像拟合的方法研究归纳物理量间函数关系的数据处理方法，使之感受“实验探究”、“归纳总结”等科学方法，提高探究学习的兴趣。

完成本设计的内容约需1课时。

六、教学流程

1、教学流程图

2、流程图说明

情景动能图片

设问：物体的动能大小究竟和哪些因素有关？

活动Ⅰ 学生实验1

摆球撞木块。学生用提供的不同质量的摆球撞击小木块，观察木块发生的位移大小，思考并猜想物体的动能与什么因素有关。

活动Ⅱ 学生实验2

利用DIS实验系统，寻找物体的动能与质量、速度的定量关系。

根据初中已经学过的物体具有的能越多，对其他物体做功的本领越大的原理，可用小车对摩擦块做功后，摩擦块滑行的距离表示小车动能的大小。测量记录下不同情况下小车的质量、速度的数值，来寻找位移与这两者的定量关系。瞬时速度由DIS直接测量，质量事先已知。本实验要得出动能与质量、速度的关系，由于DIS处理数据的能力较强，本实验不采用控制变量法，短时间可以得出多组s（E_k）、m、v的数据，为找出它们的关系，可提出不同的猜想。用不同猜想对应的图线与实验数据呈现的图线相对照，得出合理的结论。

活动Ⅲ 学生理论探究

为了理论得出完整的动能表达式，必须经过理论推导，推导过程也是一个探究的过程。推导的出发点是外力对静止物体做多少功，物体就具有多少动能。这是物体具有多少动能，就可对外做多少功的逆过程。学生自行运用运动学和牛顿第二定律完成探究，教师可适当启发点拨。

活动Ⅳ 应用

动能表达式进行计算 “自主活动”估算子弹和人骑自行车的速度时，提供一定的数据。

储能飞轮是一种存储利用动能的装置，只能用在能耗不大的场合。

3、教学主要环节

本设计采用情景——问题——猜想——活动——归纳——应用的模式组织教学，整个教学过程可分为三个主要的教学环节：

第一环节，通过情景、提出问题和学生探究实验，定性得到物体的动能与质量、速度有关。

第二环节，通过DIS实验与理论推导，定量得到物体的动能与质量、速度间的关系，得出动能的表达式。

第三环节，利用动能表达式计算物体的动能大小，并了解动能的利用和危害，以深入理解动能的概念。

七、教案示例

（一）引入

1、复习旧知，设立情景

图片资料：生活中动能存在的事例展示。

初中已经学过：机械可以做功，是因为它具有能量。能量的形式多种多样，图片展示的事例都是处于运动状态的物体对其他物体做功，这说明处于运动状态的物体具有能量，这种能量叫做动能。

2、提问设疑，导入新课

物体由于运动而具有的能量叫做动能，动能是我们生活中常见的一种能量。那么物体的动能大小究竟和哪些因素有关？和这些相关的因素又是什么样的定量关系？根据初中学过的物体具有的能量大小和物体做功的本领有关这条规律，今天我们来深入研究物体的动能。

（二）定性探究

1、实验探究、提出猜想

学生分组实验：摆球撞木块。学生用提供的不同质量的摆球撞击小木块，观察木块发生的位移大小，思考并猜想物体的动能与什么因素有关。

速度和质量。

2、联系实际，印证猜想

分析讨论：一辆水平行驶的肇事车辆撞上护栏，造成的物体损坏是否和物体的质量与速度有关？

同样的汽车，速度越快，撞到某物时对这个物体破坏力越大，说明对外作功能力强，即动能大；一辆小轿车与一辆集装箱卡车以相同速度撞击某物时，显然卡车破坏力大，即动能大。

从而印证前面探究实验中猜想的结论是否合理。

小组交流：生活中还能举出类似的事例吗？

激疑：一颗出膛的子弹与一位骑着自行车的人，哪个动能大？

如果说子弹动能大，你们肯定会说子弹速度快，而说骑着自行车的人动能大，是因为质量大；但是，动能与质量和速度都有关，我们不能只看其中某一方面的因素就下结论，看问题要全面，应该把速度和质量两个因素都考虑在内。

要解决这个问题，必须要知道动能与这两个因素有怎样的定量关系，这就是今天这节课我们要研究的主要问题。

（三）定量探究

1．学生分组实验探究：利用DIS实验系统，寻找物体的动能与质量、速度的定量关系

（1）教师对实验装置、实验目的、操作方法和注意事项作简要说明。

根据初中已经学过的物体具有的能越多，对其他物体做功的本领越大的原理，可用小车对摩擦块做功后，摩擦块滑行的距离表示小车动能的大小。测量记录下不同情况下小车的质量、速度的数值，来寻找位移与这两者的定量关系。

（2）学生进行操作、观察、记录、分析、归纳和探讨。

本实验采用计算机拟合曲线的技术，不需控制变量。测量记录多组数据后，根据数据提供的信息，猜想摩擦块的位移与小车的质量和速度的关系。将猜想的可能的三者的函数关系输入计算机，通过计算机拟合得到不同猜想的函数关系曲线，从多种可能的猜想中，观察归纳出最合理的变量间的关系。

（3）结合学生分组实验情况，应用展示平台进行交流总结，形成初步结论。

即：物体的动能与物体的质量成正比，与速度平方成正比，表示为E_k∝mv²。

2、创设情景，理论推导探究

前面通过DIS实验，根据小车所做的功与小车动能相等的事实，掌握了物体的动能与它的速度、质量间的关系。但这个关系还不精确。在历史上，动能最初叫做“活力”，并认为它等于mv²，后来发现这个表示是不对的，那么正确的表示应怎样的呢？下面我们就来推导得出动能的精确的表达式。

书图5-21中有一颗质量为m、静止在枪膛中的子弹，要知道它被射出枪口时有多少动能，只要看击发后火药气体推力对它做了多少功。设火药气体对子弹的推力F不变，子弹在枪膛中做初速为零的匀加速运动，从静止到离开枪口，发生的位移为s，到达枪口时子弹速度为v。请同学自行推导出子弹到达枪口时所具有的动能E_k的大小。

由功的定义和运动学公式有 $W = F s = m a \cdot \frac{v^{2}}{2 a} = \frac{1}{2} m v^{2}$

因为子弹的动能等于火药气体对它所做的功，由 $E_{k} = W$ ，可得 $E_{k} = \frac{1}{2} m v^{2}$

这就是物体的动能与它的质量、速度间的定量关系式，也是动能表达式。

（说明：该理论推导也可直接利用前DIS实验的情景，由小车撞击摩擦块时具有的动能等于小车m₁和摩擦块m₂克服阻力所做的功，得小车的动能 $E_{k} = f s = (m_{1} + m_{2}) a \cdot \frac{v^{2}}{2 a}$ ，再由小车的质量远大于滑块的质量，可得小车的动能 $E_{k} = \frac{1}{2} m_{1} v^{2}$ 。这个推导也可进一步说明前面实验可能产生的误差来源。）

3．概念巩固，公式理解

（1）动能是标量。它的单位与功的单位相同，在国际单位制中都是焦耳（J）。从动能表达式也可看出，1kg•（m/s）²＝1kg•（m/s²）•m＝1N•m＝1J。

（2）动能是描述物体运动状态的一个物理量，是一种基本形式的能。

（3）动能计算公式中的v是瞬时速度，计算出来的动能是某一时刻或某一位置的动能，所以变速运动中计算的动能必须指出是哪一时刻或哪一位置的，不能用平均速度代入动能公式中而求所谓的平均动能。

（四）运用动能表达式计算物体的动能

1．回到前面提出的问题：一颗出膛的子弹与一位骑着自行车的人，哪个动能大？假设子弹质量50g，出膛速度可达700m/s，人加自行车的总质量约为80kg，行驶速度10 m/s，试计算它们动能分别为多少？哪个大？

子弹： $E_{k} = \frac{1}{2} \times 0.05 \times 700^{2} J = 12250 J$ 人骑车 $E_{k} = \frac{1}{2} \times 80 \times 10^{2} J = 4000 J$

很明显，子弹的动能大于人和自行车的动能。

2．完成书上的示例。

（五）动能的利用

1．动能的利用（图片展示）：投石机、打桩机、水轮机和风力机等。

2．动能的危害：龙卷风、洪水、海啸、地震、泥石流等。

3．储能飞轮（惯性玩具汽车）：一种存储利用动能的装置。

（六）归纳小结、布置作业

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发布时间：2013/5/24 上午7:47:15 阅读次数：2563