“机械能守恒定律”教学设计

上海市杨浦区教师进修学院 李沐东 选自《中学物理教学参考》2008年第11期

教学内容

上海科学技术出版社《物理》（试用本）高一年级第二学期，第五章《机械能》中“机械能守恒定律”第一课时。

教学分析

1．教材分析

机械能守恒定律是本章的重点内容。本节知识点包括动能和重力势能的转化、机械能的概念、机械能守恒定律的探究、机械能守恒定律的含义和适用条件。其中机械能守恒定律的探究和理解是本节课教学的重点。

本节教材内容首先以学生熟悉的游乐项目为情境，结合生活经验与之前学习的知识，引导学生体验动能和势能之间是可以相互转化的。然后通过实验来探究两者转化时遵循的规律，最后应用规律解释和解决生活中的实际问题。本节知识是前面知识的深化与提升，也为学生深入理解能量守恒定律做铺垫，为学生建立守恒的思想、以该思想去认识世界奠定基础。

2．学情分析

学生在初中初步了解了能的形式，知道不同形式的能可以相互转化，并且知道能量守恒定律。本章又学习了动能与势能的决定因素及具体表达式。在技能方面，之前利用DIS实验系统做过几次实验，对DIS实验系统有了初步的了解，但熟练使用还有困难。

教学目标

1．知识与技能

（1）知道什么是机械能，知道物体的动能和势能可以相互转化；

（2）理解机械能守恒定律及其条件；

（3）学会探究机械能守恒定律的实验操作，掌握相关仪器的使用技能。

2．过程与方法

（1）在机械能守恒定律的探究中，经历科学探索的过程，感受理想化是探究物理规律的一种重要手段；

（2）运用能量转化和守恒的观点来解释物理现象、分析生活中的实际问题。

3．情感、态度与价值观

树立科学的观点，感受物理中守恒思想的意义。

教学重点

机械能守恒定律的探究和理解。

教学难点

机械能守恒定律条件的归纳和理解。

教学准备

PPT课件、过山车模型、斜面、小车、单摆、DIS实验设备等。

教学过程

一．创设情境，引入新课

[录像]播放国内垂直落差最大的过山车运行录像。

[介绍]实际中，过山车上并未装配任何动力装置。开始阶段，过山车在机械装置的牵引下达到最高处，之后它在完全没有动力的情况下完成各项运转。

问题1：“一辆滑车在下滑过程中，既然没有什么动力，为什么能完成一连串有惊无险的动作呢？”

回答：……

设计说明：通过学生感兴趣的游乐项目引入，可以很快地将学生的注意力吸引到要讨论的主题上。问题1的提出，一方面使学生复习和应用之前所学的知识，另一方面是为了明确动能和重力势能之间是可以转化的。

二．引导探究，归纳规律

[讲解]动能和势能（包括重力势能和弹性势能）属于力学范畴，统称为机械能。动能和势能都是标量，所以机械能E也是标量，它等于动能和势能之和，但这个等式成立是有前提的。动能中的速度为某一时刻的瞬时速度，而重力势能中的高度为某一状态物体距离零势能面的高度。同一状态的动能和势能之和为该状态的机械能，即E=E_k+E_p（不同时刻或状态的动能与势能之和不表示该时刻或该状态的机械能）。

板书：机械能：动能E_k=mv²/2 重力势能E_p=mgh

[演示]过山车模型，模拟过山车的运动，如图1所示。

问题2：过山车在运动过程中，重力势能、动能相互转化，而每一状态的动能和重力势能之和机械能是如何变化的呢？

设计说明：在引出机械能概念的同时，强调它是一个状态量，为接下来机械能守恒定律的探索和理解做好铺垫。通过过山车模型的演示，一是对问题1学生的回答给一个反馈，二是让学生经历从原型到模型的过程，三是便于学生观察和理解，四是以此提出问题2。问题2的提出，正式指向机械能变化规律的研究。

猜测：不变、减少，等等。

[演示实验]研究小车沿斜面下滑过程中，机械能总量的变化。

[实验原理]实验简图如图2所示，让小车分别沿不同材质的斜面滑下，以桌面为零势能面，分别测出每种材质下，在A、B、C三个位置小车的动能和重力势能，研究其机械能总量的变化情况。

数据记录表格如下：

[实验过程]（略）

[数据分析]

（1）每种情况下，小车的机械能如何变化？变化原因是什么？

（2）由三种情况下机械能变化量的改变趋势，你可以得到什么推测呢？

推测：如果物体不受摩擦力，其机械能将保持不变（守恒）。

设计说明：该演示实验模拟的是过山车的一部分，看似解决问题2所提出的问题，其实更关心的是探索其中所蕴含的规律。因此，设计和研究了不同斜面材质的情况。通过实验，学生知道了小车机械能的变化情况，并能找到变化的原因，特别在比较不同材质情况下机械能的变化，合理外推，做出推测，使问题过渡到机械能守恒定律条件的探究上。

[过渡]推测是否正确，同样需要经过实验的检验。若通过实验验证，就必须使斜面光滑，那怎样才能使斜面尽可能的光滑呢？

[引导]引导学生思考如何使物体和斜面不接触，得出物体做自由落体或单摆运动。 [学生实验]探究物体自由下落过程中，机械能总量的变化或摆锤在摆动过程中，机械能总量的变化。

[实验原理]实验简图如图3所示，分别测出A、B、C三个位置物体的动能和重力势能，研究其机械能总量的变化情况。

数据记录表格如下：

[实验过程]（略）

[数据分析]

（1）在实验误差允许的范围内，物体的机械能是否守恒？

（2）通过这个实验是不是证实了上述的“推测”？

[过渡]通过实验验证了推测，但是不是物体不受摩擦力这个条件下，机械能就一定守恒呢？一个结论的确立不仅要能得到证实，还要能经得起证伪，怎样证伪呢？方式之一就是能否举出反例。例如，如图4所示，物体在力F的作用下，沿光滑斜面匀速上滑，机械能守恒吗？

问题3：物体不受摩擦力，不是机械能守恒的条件，那么是什么呢？

[理论分析]对如图5所示的几种运动情况进行分析（从物体受力及力做功的角度），归纳机械能守恒的条件——“只有重力做功”。

设计说明：通过实验、理论分析，逐层递进得出机械能守恒定律的条件。采用归纳法教学，是为了加强学生的直观体验、加深学生对机械能守恒定律的条件的理解，从而突破教学难点。学生实验有两个方案，每小组学生可以自行选择一种进行实验，最后教师组织交流汇总。

（板书）二．机械能变化规律的研究

1．猜测：不变，减少…

2．推测：物体不受摩擦力，其机械能保持不变（守恒）。

3．检验：……

4．结论：……

机械能守恒定律：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，这个规律叫做机械能守恒定律。

表达式：E₁＝E₂（初状态与末状态机械能相等）

E_k1＋E_p1＝E_k2＋E_p2（分成动能与势能之和来书写）

mv₁²/2＋mgh₁＝mv₂²/2＋mgh₂（如果研究对象为“一个物体”）

条件：只有重力做功。

三．巩固概念，应用规律

问题4：下列哪些实例中物体机械能是守恒的？

（1）抛出的篮球在空中的运动（空气阻力不计）；

（2）跳伞员在空中匀速下落；

（3）轮滑极限运动员沿光滑曲面下滑。

[现象解释]在能源有限的前提下，我们如何提高能源利用率和节能就变得尤为重要。如图6是上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案，与站台连接的轨道有一个小的坡度。为什么在站台上要设置一个小坡度？

[规律应用]如图7所示，过山车是从32 m高的地方A开始下滑的，设竖直圆轨道半径为10m，不计一切摩擦，则过山车经过圆轨道最高点B的速度为多少？

设计说明：判断物体的运动过程中，机械能是否守恒尤为重要，因为它是应用该规律解决问题的前提。因此通过“守恒判断”，对“只有重力”和“重力做功”两种情况进行辨析，进一步加深学生对机械能守恒定律条件的理解。“现象解释”的目的是对动能和机械能之间转化的巩固和应用，同时联系社会实际，将情感、态度的教育蕴入其中。“规律应用”与课堂的引入相呼应，并将情景具体化，让学生得以运用机械能守恒定律进行解决。

四．归纳小结、拓展延伸

[归纳小结]（1）学习了机械能的概念，“同一状态”下物体的机械能等于动能与势能之和；

（2）知道动能和势能之间可以相互转化，在“只有重力做功”的条件下，虽然它们相互转化，但总量保持不变，这条规律称之为机械能守恒定律；

（3）注意：由于重力势能是物体与地球系统共有的，所以我们在讨论机械能守恒的时候，所指的物体就是系统。

[自主阅读]将书翻到第60页，阅读“点击”部分的内容。

[讲解]根据阅读，我们知道在有其他外力做功的情况下，机械能就不守恒了。但从更广的范围来看，能量还是守恒的，这是前人从大量的现象和实验中总结归纳出来的规律。机械能守恒定律只是能量守恒定律的一个特例。

“守恒”的规律是自然界的一种普遍现象，它使纷繁复杂的自然界变得有序和有规律可循，正是知道了这一点，人们在有意识地追寻各种守恒量．因为利用这种守恒规律可以帮助我们解释现象，解决问题，更为重要的是建立这种守恒的思想可以指导我们更好地认识和改造自然世界。

[课后思考]为了保证过山车安全通过圆环，对释放的高度有什么要求呢？

设计说明：在将课堂学习的知识小结的同时，补充之前没有提到的注意事项．通过学生的自主阅读，将机械能守恒定律的内涵进行拓展，将能量守恒的思想进行拓展。最后的课后思考题与课堂开始引入的问题相呼应，使课堂的主线明确，同时也使学生的思维向课外延续，为下一课时的教学做铺垫。

五．教学设计说明

（1）本节课按照“情景——探究一一应用”的模式展开，具体做法是：引导和提出要探究的问题后，先让学生做出猜测，之后通过“斜面滑车”的演示实验进行检验，在实验数据分析的基础上，再让学生进一步做出推测，再通过“自由落体”“单摆”学生自主实验进行验证，最后对所涉及的实例进行综合分析得出机械能守恒定律。了解定律本身内容后，再通过对生活实例的机械能是否守恒的分析，加深理解。各环节都渗透新课程理念，注重学生的学习过程，而不仅仅是知识的传授。

（2）本节课充分尊重学生学习概念的过程，即以归纳、概括为主的思维过程。它不是机械地重复历史中的“原始创造”，而是根据学生自己的体验，用他们自己的思维方式，重新建构有关物理知识，即学生的“再创造”过程。这对理解概念来说是非常有意义的。同时，本节课根据概念规律本身的特点，在考虑学生学习概念过程中可能出现的困难的基础上，采用了充分体验、感知的教学策略，突破教学难点。

（3）本节课充分重视实验的作用，以加强学生的体验，从而帮助学生自主建构知识。虽然实验的探究过程看上去不如理论推导来得直观和快捷，但对学生深刻理解规律本身大有裨益。此外，通过本节学习，学生收获的不仅仅是理解机械能守恒定律，更主要的是学习了探究规律的一种方法。

（4）本节课充分理顺知识逻辑关系，为学生的学习铺设台阶。要做到“知识序、教学序、认知序”三序合一，理顺知识序是前提。本节课的教学从动能、势能之间可以相互转化，到动能、势能之和机械能概念的建立，再到机械能变化规律——机械能守恒定律的探究，逐次开展。此外，教师演示实验是学生实验的基础，教师在做演示实验时对实验原理和实验操作的讲解，其实都是对学生接下来的实验的指导。因此，这就易使学生在教学中得以拾阶而上，收获知识、获得成功体验。

（5）本节课注重体现三维教学目标．除上述提到的知识、过程外，本节课还努力潜移默化地渗透情感态度与价值观的教育。如结合国内最大的过山车设施、上海世贸大厦的极限跳伞等培养国家、城市自豪感与认同感；结合轻轨站台的设计进行节能与环境教育；尤其突出对学生建立和应用“守恒思想”的教育。

发布时间：2009/6/18 下午2:38:04  阅读次数：18006