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第五章 F 机械能守恒定律
一、教学任务分析
机械能守恒定律是本章的重点内容，也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、机械能守恒定律的内容和适用条件。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。
在学生的基础知识方面，初中物理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。前几节内容中又学习了动能与势能的决定因素及具体表达式。在本课的
学习过程中，学生需要以动能、势能、功和能的关系、牛顿运动定律等为知识基础用以理论推导
机械能守恒定律。
在实验技能方面，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。而本实验中由于学校的 DIS 设备目前还没有完全配齐全，即学生的探究实
验需要改为师生共同参与探究的演示实验。
教学设计的内容包括三个方面：（1）建立机械能的概念；（2）探究机械能守恒定律；（3）应用
机械能守恒定律解决简单问题。
按教材内容，在本设计中首先以学生熟悉的游乐项目——过山车为情境引入课题，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。并用小型的实物模型进
一步引出本课探究目的：在动能与势能的转化过程中，其总量是否会发生变化。利用教师示范、
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，即教师证明在自
由落体运动中机械能守恒、学生小组合作共同证明在光滑斜面上下滑的物体机械能守恒、师生共
同通过 DIS 实验证明摆锤的运动过程机械能守恒。观察与分析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，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）知道物体的动能和势能可以相互转化
（3）理解机械能守恒定律及其条件。
（4）学会用利用数学演绎的方法推导机械能守恒定律。
（5）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
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（1）通过对机械能守恒定律的理论推导和实验探究，经历科学探索的过程，感受学习和研究
物理的科学方法。
（2）通过对各类运动机械能守恒条件的归纳，经历在不同的物理现象或过程中寻找共性的研
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 DIS 实验是现代实验研究
的重要途径。
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，体验严谨的科学态度。
（2）通过理论推导、实验探究的过程，激发学习的积极性与合作学习的快乐。
（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，感受物理中的守恒思想。
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：机械能守恒定律条件的归纳和理解
四、教学资源
1．硬件：
机械能守恒相关 DIS 实验系统（光电门传感器、数据采集器、计算机、摆锤等） 、多媒体教
室、过山车模型。
2．软件：
PPT 课件、视频（过山车）、极域电子教室软件
五、教学过程
（一）建立机械能的概念
创设情境，引入新课：播放过山车运行视频
[情境介绍]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。
设问 1：哪位同学曾经玩过过山车，请谈谈你的感受。
设问 2：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？
追问 3：如果从能量的角度来看，在过山车向下或向上的运动过程中，滑车具有的什么能？它
们分别在发生怎样的变化？
结论一：在机械运动中，动能和势能可以相互转化。
结论二：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。
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。
同一状态的动能和势能之和为该状态的机械能，即 E=Ek+Ep
（二）探究机械能守恒的规律
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请学生再举一些在生活中动能和重力势能相互转化的例子。
过山车模型演示。
设问 4：过山车在运动过程中，重力势能、动能相互转化，而在此过程
中任一状态的机械能是如何变化的呢？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．验证在三种常见运动中，验证其机械能是否不变
（1）验证物体在自由落体运动中其机械能是否不变：
教师在黑板上通过数学公式推导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：
教材 P59 的自主活动，学生分组通过数学推导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：观察摆锤在下摆到另一侧的最高位置时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。
设问 5：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。实验中采集三组数据，判断三个位
置上动能与势能之和的关系。
结论：摆锤在运动过程中的机械能守恒。
设问 6：自由落体运动、光滑斜面下滑、摆锤运动过程中，机械能都守恒，那么是否所有的运
动中物体的机械能都是守恒的呢？
例：托举着物体沿竖直方向上匀速上升，物体的机械能是否守恒？
由学生再例举一些机械能可能不守恒的实例，填在表内。
2．归纳物体机械能守恒的条件
对不同的的运动的研究，我们可以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，所以物体机械能守恒是要满足一定的条件的。
列表分析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。能量的变化是与力做功有关的，所以，可以通过列表仔细分析一下在这
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。
学生小组讨论，完成列表项中的内容，对表格中的信息进行分析，猜想机械能守恒的条件。
小结：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。
我们可以对更多的运动进行仔细的分析，判断机械能守恒的条件。科学家们对大量的运动做
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了仔细的研究，他们得出的结论和我们一样：即只有重力做功。
运动类型 受力情况 做功的力
E 守恒 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
E 不守恒 托着物体匀速上升 重力、支持力 重力、支持力
物体沿粗糙斜面匀速下滑 重力、支持力、摩擦力 重力、摩擦力
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
Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2
2
2
21
2
1 2
1
2
1 mghmvmghmv
条件：只有重力做功。
（三）机械能守恒定律的应用
问题：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？
（四）作业布置
练习册：P45 1，2，3，4，5
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