高中物理人教版必修 第二册 4. 机械能守恒定律教学设计.docxVIP

4.机械能守恒定律

课程：高中物理

教材：高中物理人教版必修第二册

章节：4.机械能守恒定律

教材分析

机械能守恒定律是力学知识体系中的重要环节，衔接了牛顿运动定律与能量守恒定律，为后续学习热力学第一定律奠定基础。核心概念包括动能Ek=12mv2、重力势能Ep=mgh和弹性势能，通过伽利略斜面实验和跳板跳水等实例，建立能量转化与守恒的物理观念。教材采用实验观察→定性分析

学情分析

学生已掌握力学中的运动学、牛顿定律及功和能的基本概念，具备分析物体受力与运动关系的能力。高中阶段学生抽象思维逐步发展，但对能量转化与守恒这类非直观概念仍存在理解困难，易将“能量”视为具体物质而忽略其作为状态量的本质。本节重点在于引导学生从伽利略实验中发现守恒思想，理解动能与势能的相互转化及机械能守恒的条件；难点是准确把握“只有重力或弹力做功”的内涵，并运用守恒定律解决实际问题，要求学生具备模型建构与过程简化的物理思维能力。

教学目标

物理观念：

能够运用机械能守恒定律分析物体在重力场和弹性力场中的能量转化过程，解释动能与势能相互转化的物理现象。

科学思维：

通过推导机械能守恒定律的数学表达式，能够运用守恒思想分析力学问题，理解能量转化过程中的定量关系。

科学探究：

能够设计简单实验验证机械能守恒定律，会分析实验数据得出动能与势能相互转化的规律。

科学态度与责任：

认识守恒定律在物理学研究中的重要性，培养运用守恒思想解决实际问题的意识，体会自然界能量转化的普遍规律。

重点难点

教学重点：

通过伽利略斜面实验，理解机械能守恒中“守恒量”的物理意义

通过动能与势能转化实例，掌握机械能守恒定律的表达式和应用条件

教学难点：

通过功能关系分析，理解机械能守恒的条件及能量转化的定量关系

通过多过程问题情境，掌握运用机械能守恒定律解决实际问题的方法

课堂导入

同学们，你们是否注意过游乐场的海盗船？当它从最高点荡下时速度越来越快，而荡到另一侧最高点时又会几乎停在半空。更神奇的是，无论船身多重，只要起始高度相同，它每次都能荡回几乎相同的高度。这种看似简单的摆动背后隐藏着什么奥秘？为什么物体会在运动过程中保持某种东西始终不变？

追寻守恒量

探究新知

创设情景

在游乐场中，过山车从高处的起点由静止开始下滑，随后冲上另一侧的斜坡。细心观察可以发现，若忽略空气阻力和轨道摩擦，过山车几乎能到达与起点相同高度的位置。这一现象不仅出现在过山车运动中，也常见于秋千来回摆动、小球在U形轨道中滚动等情境。

问题探讨

问题：

问题1：过山车从高点滑下再上升的过程中，速度和高度如何变化？

问题2：尽管速度和高度不断变化，是否存在某个“不变的量”贯穿整个运动过程？

问题3：为什么小球在无阻力情况下总能回到原来的高度，而不是更高或更低？

问题4：伽利略斜面实验中，小球在两侧斜面上升的最大高度相等，这说明了什么物理规律？

探讨：

问题1：过山车从高点滑下时，高度减小，速度增大；上升时，高度增加，速度减小。这表明高度与速度之间存在某种转换关系。

问题2：虽然位置和速度不断变化，但小球每次上升所能达到的最大高度保持不变。这暗示着某种“量”在运动过程中保持不变，即守恒。

问题3：若小球能回到原高度，说明它在最低点获得的“运动能力”恰好足以克服重力回到原位。这种“能力”既不是单纯的速度，也不是单纯的高度，而是一种与位置和运动状态相关的物理量。

问题4：伽利略实验表明，无论斜面倾角如何，小球总能回到相同高度。这说明在没有阻力的情况下，系统中存在一个守恒量，它在动能与势能之间相互转化，但总量不变。这一守恒量正是能量的雏形。

归纳总结

在忽略空气阻力和摩擦力的情况下，小球在斜面间运动时总能回到起始高度。

某种“东西”在运动过程中保持不变，这种不变的量是能量概念的起源。

伽利略虽未提出能量概念，但其实验已揭示机械能守恒的初步现象。

能量概念的引入是科学追寻守恒量的重要成果之一。

概念深化

问题

为什么说伽利略的斜面实验已经触及机械能守恒的边缘，却未能明确提出这一规律？

答案

因为伽利略时代尚未建立“能量”的科学概念，也没有区分动能与势能的理论框架。尽管他观察到小球总能回到原高度，说明系统中存在某种守恒性，但他只能用几何与运动学语言描述现象，无法抽象出“能量转化与守恒”的物理思想。直到后来科学家引入能量概念，才将这类现象统一解释为机械能守恒。这表明科学进步不仅依赖实验观察，还需要恰当的概念工具来表达自然规律。

新知巩固

例题1

质量为m的汽车沿路面abcd运动，ab段、cd段长度相同，与水平面间的夹角均为30°，bc段水平。t=0时刻，汽车从a点保持恒定功率P从静止开始启动，t=t0时刻到达b点且速度恰好达到最大，此后汽车开启定速巡航（即保持速率不变）通过路面bc