粤教版高一物理必修二教案：4.5验证机械能守恒定律

4.4 机械能守恒定律 1.教学目标要求的分析 2017 年版《普通高中物理课程标准》“把核心素养作为物理教学的重要目标，将“物理观念” “科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等核心素养的培养落实于教学活动中”的教学建议。 本课是高中物理必修 2 模块“机械能及其守恒定律”的核心内容。新课程标准对本课的目标要求 是“通过实验，验证机械能守恒定律。理解机械能守恒定律。体会守恒观念对认识物理规律的重要性。 能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题”。 2.教材分析 本节课位于粤教版必修二第四章机械能和能源的第四节，是本章的核心内容。机械能守恒定律是 对功能关系的进一步认识，为学生理解能量转化与守恒做铺垫。同时为今后学习动量守恒、电荷守恒 打下坚实的基础。运用机械能守恒定律解答相关问题，这一内容在整个高中力学中起着承前启后的作 用，在物理学理论和应用方面十分重要。 本节课教材要求学生知道机械能的各种形式，能够分析动能与势能之间相互转化问题。能够根据 动能定理和重力做功与重力势能变化间的关系，推导出机械能守恒定律。会根据机械能守恒的条件判 断机械能是否守恒，能运用机械守恒定律解决有关问题。能从能量转化的角度理解机械能守恒的条件， 领会运用机械能守恒定律解决问题的优越性。 3.学情分析 学生已经在初中学习过有关机械能的概念，在此基础学习机械能守恒定律学生比较容易理解，但 守恒思想及机械能守恒定律抽象性强，学生真正掌握和灵活运用还是有一定的困难。学生学习本节课 前，能够理解动能和动能定理。也知道重力势能变化与重力做功的关系，为从理论推导机械能守恒定 律打下坚实的基础。 4.教学目标的确定 本节课是机械能守恒定律的第一课时，本节课重点突破如何从实验探究得到机械能守恒定律。本 节课开始引导学生在“运动与相互作用观念”和“能量观念”的基础上，理解动能和重力势能能够相 互转化。从能量转化的角度入手，通过实验探究、归纳分析、讨论交流，自然探究出机械能守恒定律。 从而能够深刻地理解机械能守恒定律，体会守恒观念对认识物理规律的重要性。课堂上注重情景的创 设，引导学生经历建构模型过程，突破难点，侧重发展学生的科学探究能力、推理能力和交流能力。 5.教学过程的设计 【引入】 学生活动 1——观察玩具“重力小车”的运动过程，思考“重力小车”运动中的能量转化。 问题 1——请同学们思考：在动能势能转化过程中总的机械能是否会发生变化，如何设计实验探 究机械能是否守恒？ 创设趣味性问题情境，不仅可以激发学生的学习热情，而且能够引发学生从情境中理解物理概念、 发现物理规律。学生通过上述活动，初步理解动能和势能能够相互转化，并提出需要探究的核心问题 ---在动能势能转化过程中总的机械能是否会发生变化。 【探究活动设计】 实验目的：通过对所研究系统物体运动过程中的动能和势能变化，探究机械能是否守恒。 实验原理：比较物体动能变化量与重力势能变化量，若满足ΔEp＝－ΔEk，则说明机械能守恒； 比较运动过程中初末状态的机械能，若满足 Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2，也说明机械能守恒。 实验器材：单摆、有格子的平板、气垫导轨、光电门、数字计时器、带遮光片的滑块、钩码、电 源、定滑轮等。 学生活动 2——学生从自由落体运动、单摆摆动等常见物理情境中发现问题，对机械能是否发生 变化作出假设。运用已有知识制订探究计划、选择实验装置，进行探究机械能守恒定律的实验设计。 通过设计探究机械能守恒定律的实验，提高学生科学探究的能力。让学生探究解决机械能是否守 恒问题的不同方法，根据现实条件选择适当方法形成探究计划。让学生学会从原理、器材、信息收集 技术、信息处理方法等各方面来构思探究计划。 【实验探究】 根据学生设计的探究实验方案，给予适当的评价，并引 导学生选择合理的方案进行实践。在探究机械能守恒定律的 过程中，教师合理设计任务情境，引导学生对探究的问题逐 步明确探究过程。 任务情境 1——如何运用光电门、数字计时器等仪器测 速度。 任务情境 2——探究动能势能转化过程中机械能 是否守恒实验过程中哪些物理量是需要测量的？哪 些物理量是通过计算得到的？ 任务情境 3——以系统为研究对象，怎样推理动 能势能转化过程中机械能是否不变？ 学生活动 3——实践操作、测量记录数据，应用实验探究机械能守恒定律。 发掘实验在培养学生发现和解决问题能力方面的潜在价值。在实验中创设阶梯式的任务情境，让 学生在完成任务中运用科学思维，自己提炼出问题的解决方法。 实验 1 步骤： (1)手持电磁继电器，吸引单摆下方的小球。 (2)把摆球移动适当的高度处断开电磁继电器电源，则小球下落，经过光电门的时间 t 可以通过数字 计时器读出。小球经过光电门的速度可通过计算得出。 (3)带有格子的平板可以得到小球竖直方向下落的距离。 (4)以小球和地球系统为研究对象，通过比较系统重力势能的减少量和系统动能的增加量在实验误差 允许的范围内相等，从而系统的机械能守恒。 实验 2 步骤： (1)实验前需要调整气垫导轨底座使之水平。 (2)遮光条的宽度 d，实验时将滑块从由静止释放，由数字计时器记录遮光条通过光电门 1 的时间 t1 和通过光电门 2 的时间 t2，则滑块经过光电门时的速度 V1、V2 可通过计算得出。 (3)以滑块和钩码系统为研究对象，通过比较系统重力势能的减少量和系统动能的增加量在 实验 误差允许的范围内相等，从而系统的机械能守恒。 学生活动 5——学生在老师的带领下进行实验探究，收集客观、真实的数据。通过对数据的计算、 分析形成关于在动能势能转化的过程中机械能守恒的结论。从而自然地突破机械能守恒定律的理解这 个重难点内容。 学生在小组中互相交流，内容主要包括：探究方案的设计、数据的收集和整理、结论的得出及解 释、探究过程中存在的问题等。学生通过口头交流、文字、表格、图像、公式等表达形式进行了交流， 彼此促进、互相学习。在处理上述信息过程中，学生经历了“比较-概括-抽象”的过程，发展了科学 思维。 实验数据记录表 1 小球高度 （m） 小球通过光电 门的时间（s） 小球质量 （kg） 小球直径 （m） 小球通过光电门 的速度（m/s） 小球下落高 度（m） 小球动能 增加量（J） 小球重力势 能减少量 （J） 0.1 0.0141 0.05 0.02 1.418 0.100 0.050 0.049 0.15 0.0117 0.05 0.02 1.709 0.150 0.073 0.074 0.2 0.0101 0.05 0.02 1.980 0.200 0.098 0.098 0.25 0.009 0.05 0.02 2.222 0.250 0.123 0.123 0.3 0.0082 0.05 0.02 2.439 0.300 0.149 0.147 实验数据记录表 2 )(2 1 2 1 2 2 vvmMEK  ）（增 LmgEP  减 组别 光电 门 1 的位 置（m） 光电 门 2 的位 置（m） 通过光 电门 1 的时间 （s） 通过光 电门 2 的时间 （s） 滑块质 量（kg） 钩码 质量 （kg） 遮光 条宽 度（m） 两个光 电门之 间距离 ΔL（m） 通过光 电门 1 速度 （m/s） 通过光 电门 2 速度 （m/s） 滑块和 钩码动 能增加 量（J） 钩码重 力势能 减少量 （J） L1 L2 t1 t2 M m d L2-L1 d/t1 d/t2 增KE 减PE 第一 组 0.3 0.4 0.0458 0.0389 0.191 0.1 0.06 0.1 1.310 1.542 0.096 0.098 第二 组 0.3 0.5 0.0458 0.0338 0.191 0.1 0.06 0.2 1.310 1.775 0.209 0.196 第三 组 0.3 0.6 0.0458 0.0308 0.191 0.1 0.06 0.3 1.310 1.948 0.302 0.294 第四 组 0.3 0.7 0.0458 0.0284 0.191 0.1 0.06 0.4 1.310 2.113 0.400 0.392 第五 组 0.3 0.8 0.0458 0.0263 0.191 0.1 0.06 0.5 1.310 1.542 0.096 0.098 【探究结论】 1．机械能守恒定律的内容 在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变． 2．机械能守恒定律表达式 (1)Ek2－Ek1＝Ep1－Ep2，或ΔEk 增＝ΔEp 减． (2)Ek2＋Ep2＝Ek1＋Ep1 ，或 E2＝E1. 理论推导 物体从 A 点自由下落过程中经过 B、C 两位置，如图所示， ◎由动能定理有 GW ◎由重力做功和重力势能变化的关系有 GW ◎初机械能与末机械能的关系 【理论联系实际】 上海的磁悬浮列车为什么在站台上要设置一个小小的坡度？ 【课堂总结】 知识点一：动能、势能的相互转化 知识点二：机械能守恒定律 实验探究机械能守恒定律内容、表达式 6.教学媒体与教学器材 教学媒体：Excel 表格、散点图、图片、等各种媒体。 教学器材：重力小车、单摆、有格子的平板、电磁铁、气垫导轨、光电门、数字计时器、带遮光片的 滑块、钩码、电源、定滑轮等。 7.教学板书设计 一、动能、势能的相互转化 二、机械能守恒定律 车 实验探究机械能守恒定律 机械能守恒定律的内容、表达式 (1)Ek2－Ek1＝Ep1－Ep2，或ΔEk 增＝ΔEp 减． (2)Ek2＋Ep2＝Ek1＋Ep1 ，或 E2＝E1.