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2019-2020年高中物理《重力勢能》教案14 新人教版必修2 一、教學任務分析 重力勢能是繼動能后學習的另一種重要能量。與動能相比，重力勢能概念更復雜，學生第一次接觸到能量的相對性、零勢能面等較抽象的概念，對能的概念的理解將更深刻全面。學習重力勢能和重力做功的特點將為接下來學習功和能量變化的關系、機械能守恒定律及以后學習電場力做功的特點等知識奠定重要基礎。 學習重力勢能需要以做功、牛頓運動定律等知識為基礎。 從研究物體的重力勢能與什么因素有關入手，運用實驗探究和理論推導兩種方式得出重力勢能表達式。 通過在實際情景中討論零勢能面的確定對重力勢能值的影響，深入理解重力勢能的相對性。然后通過簡單的實例訓練，在練習使用重力勢能的表達式計算物體重力勢能的大小的過程中，進一步加深這種體會，深刻理解重力勢能與動能的區(qū)別。 通過實例分析和探究小實驗，知道彈性勢能的概念及與彈性勢能大小相關的因素。在此基礎上引出勢能的概念。通過討論交流生活中利用彈性勢能的實例及彈性勢能帶來的危害，將所學知識與實際生活相聯系，激發(fā)學生學習的興趣，感受辨證唯物的科學品質。 在得出重力勢能表達式的過程中，通過了解勢能概念的抽象性，體驗物理理論源于實踐，高于實踐的科學規(guī)律。在結合從物理模型到實際生活兩方面多角度的分析，歸納得出重力做功的特點的過程中，感受得出科學規(guī)律從特殊到一般的歸納方法。 二、教學目標 1．知識與技能 (1) 理解重力勢能的概念，學會用重力勢能表達式計算重力勢能的大小。 (2) 知道零勢能面，理解重力勢能的相對性及勢能正負的物理含義。 (3) 理解重力做功的特點，知道重力做功與路徑無關。 (4) 知道彈性勢能及其相關因素。 2．過程與方法 (1) 運用實驗探究和理論演繹的方法得出重力勢能表達式。 (2) 通過應用抽象的物理模型與實際情景相結合的方法，得出重力做功的特點的過程，感受從特殊到一般的科學歸納方法。 3．情感、態(tài)度與價值觀 (1) 通過對重力勢能表達式的實驗探究和理論推導，經歷物理知識產生的過程。 (2) 通過學習重力勢能知識，了解勢能概念的抽象性，體驗物理理論源于實踐，高于實踐。 三、教學重點與難點 重點：理解重力勢能的概念，計算重力勢能的大小。 難點：理解重力勢能的相對性和重力做功的特點。 四、教學資源 1、器材： （1）定性研究物體的重力勢能與什么因素有關：小鋼球、小木球、泡沫塑料板。 （2）定性研究物體的彈性勢能與什么因素有關：勁度系數不同的兩個小彈簧、橡皮。 2、課件：物體具有重力勢能、彈性勢能的圖片。 3、視頻：生活中彈性勢能的利用與危害的視頻短片。 五、教學設計思路 本設計的內容包括三個方面：一是通過定量探究實驗與理論探究方法得出重力勢能的表達式；二是通過對零勢能面的確定深入理解重力勢能的相對性，學會利用重力勢能表達式正確計算重力勢能的大??；三是了解彈性勢能及彈性勢能的大小與什么因素有關；四是通過示例分析歸納出重力做功的特點。 本設計的基本思路是：從定性實驗與理論推導入手，先得到重力勢能的表達式。然后通過對零勢能面概念的提出，深入理解重力勢能的概念。在學習了彈性勢能的概念后，引出對勢能概念的一般理解。最后通過物理模型和實際分析歸納出重力做功的特點。 本設計要突出的重點是：理解重力勢能的概念，計算重力勢能的大小。方法是：以初中學習的知識為出發(fā)點，按照由具體到抽象，由實驗到理論，由定性到定量的順序組織教學。先由具體事例引入，通過討論歸納勢能的基本特征。再由學生定性實驗和理論推導等方式建立準確的重力勢能表達式，然后通過探討研究表達式中高度的含義引出零勢能面的概念，最后進行實例計算，逐步加深對概念的理解。 本設計要突破的難點是：理解重力勢能的相對性和重力做功的特點。方法是：討論相對性時，設計了桌面情景與實例中蘋果下落的計算相結合；研究重力做功特點時，又設計了三種不同路徑運動與實例滑梯相結合的討論。將物理模型與實際情景相結合，讓學生從容易接受的情景進入，再遷移到較復雜的實際情況中去，在應用中建立理解正確的概念。 本設計強調用定量實驗探究與理論演繹等多種科學探究手段相結合的方法來得出正確結論；強調通過將抽象的物理模型與實際情景相結合，使學生感受從特殊到一般的科學歸納方法。強調發(fā)現問題、提出質疑、將所學知識與實際生活相聯系，激發(fā)學生學習的興趣，感受“實驗探究”、“歸納總結”等科學方法。 完成本設計的內容約需1課時。 六、教學流程： 1、教學流程圖 2．流程圖說明 活動I 學生探究 實驗1 活動II 學生理論推導探究 零勢能面的概念 活動VI 創(chuàng)設情景 討論歸納 活動IV 簡單應用 重力勢能表達式 情景1 展示圖片 設問 活動III 質疑討論 活動V 學生探究 實驗2 彈性勢能概念 情景2 展示圖片 設問 重力做功的特點 情景1 重力勢能圖片，設問：物體的重力勢能大小究竟和哪些因素有關？ 活動Ⅰ 學生實驗1 讓大小相同的兩個小球，一個鋼球、一個木球，從一定高度下落到厚度均勻的泡沫塑料板上（也可用一盆細沙代替泡沫板），通過撞擊產生的凹痕的深淺觀察小球具有的重力勢能大小與什么因素有關。 活動Ⅱ 學生理論探究 利用初中所學知識，創(chuàng)設情景，通過功與能的關系推導得出重力勢能的表達式?？梢杂蒙仙拖陆祪煞N不同方式的運動進行推導，發(fā)現兩種運動過程中重力做功不同，而重力勢能大小完全相同，以區(qū)別功和能的不同。 活動Ⅲ 質疑討論 質疑重力勢能表達式中高度的確切含義，在創(chuàng)設的情景中，討論選定不同的基準面時，重力勢能值的不同，理解重力勢能大小的相對性。并通過與動能、溫度等物理量的比較，理解重力勢能正負的意義。 活動Ⅳ 應用重力勢能表達式進行計算 根據蘋果下落的實例，通過選定不同的零勢能面，練習使用重力勢能表達式來計算重力勢能的大小，進一步理解重力勢能與零勢能面的關系。 情景2 彈性勢能圖片，設問：物體的彈性勢能大小和哪些因素有關？ 活動Ⅴ 學生實驗2 用大小不同的力，使彈簧產生大小不同的彈性形變，觀察小橡皮被彈簧彈起的高度來確定與彈性勢能相關的因素。 活動Ⅵ 創(chuàng)設情景，討論歸納 創(chuàng)設不同路徑的運動，運用功的概念計算不同情景下重力做功的大小，結合實際事例將計算結果推廣到普遍情況，最終歸納得出重力做功得特點。 3、教學主要環(huán)節(jié) 本設計采用從特殊到一般、從抽象到具體、從定性到定量的順序組織教學，整個教學過程可分為四個主要的教學環(huán)節(jié)： 第一環(huán)節(jié)，通過提出問題后，讓學生使用探究實驗與理論推導的方法得出重力勢能的表達式。 第二環(huán)節(jié)，通過提出零勢能面的概念及利用重力勢能表達式計算實際情景中物體的重力勢能大小加深對公式的深入理解。 第三環(huán)節(jié)，了解彈性勢能的概念及影響彈性勢能大小的因素，并引出勢能的概念。 第四環(huán)節(jié)，通過在創(chuàng)設的情景和實際情景中的歸納總結得出重力做功的特點。 七、教案示例 （一）情景引入，復習舊知，導入新課。 我們已知道運動的物體具有動能，那么靜止的物體是否有能量？ 圖片資料：高空巨石；攔河大壩的水位高達幾十米；打樁機的重錘被提高到離樁面高得多的高空。 討論：從做功與能量的角度看，上述各種現象有什么共同之處。 上述物體都可以通過被舉高后對其他物體做功，說明它們都具有了能量。而當它從所處的高處落下時，這些能量就會以做功的方式釋放出來。初中已經學過：物體由于被舉高而具有的能量叫做重力勢能。 那么物體的重力勢能大小和什么因素有關？和這些相關的因素又是什么樣的關系？我們還是參照學習動能時運用的方法，用物體能夠對外做多少功通過實驗和理論推導兩種方法來度量物體所具有的重力勢能。 （二）探究規(guī)律。 1、實驗定性探究 學生分組實驗：讓大小相同的兩個小球，一個鋼球、一個木球，從一定高度下落到厚度均勻的泡沫塑料板上（也可用一盆細沙代替泡沫板），通過撞擊產生的凹痕的深淺觀察小球具有的重力勢能大小與什么因素有關。 討論歸納實驗結果：物體的重力勢能與它的質量和高度有關。 2、理論推導探究 初中已經學過物體具有的能越多，對其他物體做功的本領越大的原理，那么反過來，若對物體做功越多，物體具有的能也就越多，也同樣成立。被舉高的物體具有重力勢能是因為有重力存在，在重物下落到地面上的過程中，重力能做多少功，就說明該物體在下落前具有多少勢能。我們現在就根據這一規(guī)律來理論推導重力勢能的表達式。 一質量為m小球，從 A點由靜止釋放，落到地面，下落的高度為h ，可以很容易地計算出重力所做的功WG ，用EP表示勢能，也就是得到了重力勢能的表達式EP＝WG＝mgh。 （說明：本推導過程較容易造成學生將功與能的概念混淆起來，也可進一步舉下面的例子。 用一外力把一質量為m的物體勻速舉高h，由于物體的速度大小沒有改變，沒有通過外力做功獲得動能，因此可以確定外力舉高物體做的功全部用于克服重力做功，增加了物體的重力勢能。而此過程中克服重力做功亦為mgh，也就是克服重力做了多少功，就獲得了多少重力勢能。則處于高度h處的物體的重力勢能為：EP＝－WG＝mgh。 這一例子與前面相比，重力做功一次為正功，另一次為負功，但重力勢能的表達式卻完全相同，說明能并不就是功。） （三）公式理解，概念鞏固。 1、重力勢能概念 （1）從重力勢能的表達式可以看出，物體的質量越大，離地面高度越大，重力勢能就越大。 （2）重力勢能是標量，單位與功的單位一樣，都是焦（J）。它是由物體所處的位置狀態(tài)決定的，所以與動能一樣是狀態(tài)量。 2、重力勢能的相對性和零勢能面 h H 圖1 （1）在物體重力勢能的表達式中，要注意物體所處高度h的確定。因為前面通過做功的方法推導物體重力勢能，其實物體不下落或上升，同樣也具有重力勢能，因為它已具備了做功的本領。前面所說的高度指的都是離地高度，計算重力勢能也可以不從地面算起。 （2）如圖1所示，一小球離開地面的高度為H，離開桌面的高度為h，那么它所具有的重力勢能是多少呢？ 若以地面為基準面，表示為mgH；若以桌面為基準面，則可表示為mgh；若以小球所在處為基準面，則可表示為零。可見物體下落的高度和所處的高度是兩個不同的概念，要表示物體所處的高度時，必須先選取一個基準面，物體離基準面之間的高度才是重力勢能表達式中h的確切含義。物體處于該基準面上時，高度為零，重力勢能既為零，因此將該基準面叫做零勢能面。零勢能面的選取位置不同，同一位置的重力勢能的大小也就不同，可見重力勢能的大小具有相對性。 （3）物體處于零勢能面以上，重力勢能的值為正；隨著高度下降，重力勢能減?。划斕幱诹銊菽苊鏁r，重力勢能的值為零；處于零勢能面以下時，重力勢能的值為負?？梢娭亓菽苤档恼摫硎酒浯笮?。這與動能的表示不同，動能的最小值為零，而重力勢能的零值也是其大小的一個表示，并不真的說明此時沒有重力勢能了，這和溫度的表示很類似。 在實際計算重力勢能大小時，通常以水平地面為零勢能面。 3、運用重力勢能表達式計算物體的重力勢能 完成書上的示例，體驗選取不同的零勢能面對重力勢能值的影響。 （四）彈性勢能。 1、彈性勢能的概念 除了重力勢能之外還有其他形式的勢能嗎？ 舉例書上圖片5-26（d）蹦蹦桿、5-30（a）圓珠筆，發(fā)生彈性形變的彈簧釋放后，彈簧在恢復原狀過程中彈力會對物體作功。因而被壓縮或拉伸的彈簧也具有勢能，這種勢能叫做彈性勢能。日常生活中，能儲存彈性勢能的物體很多。書上舉例：彈簧門和射箭運動中的弓。請同學討論交流一下生活中還有哪些物體具有彈性勢能（如上緊鐘表的發(fā)條、被壓彎的樹枝等）。 2、彈性勢能與哪些因素有關 學生小實驗：將圓珠筆里的彈簧取出，再用塊小橡皮（硬幣也可）壓在彈簧上，用力將小橡皮往下壓，然后突然放開手，看看小橡皮能彈多高。用大小不同的力，使彈簧產生大小不同的彈性形變，重復做幾次，看看小橡皮彈起的高度有什么不同。換個不同的彈簧，再做做看。 歸納結論：彈簧彈性勢能的大小與彈簧的形變量和彈簧的勁度系數有關，在彈性范圍內，形變量越大，勁度系數越大，彈性勢能越大。 討論交流：由彈性勢能相關因素，談談生活中彈性勢能的應用及防止彈性勢能造成的危害事例。利用：蹦床、跳板、自動傘、彈射坐椅等；危害：彈簧門夾到手指、繃緊的鋼纜斷裂后又反彈回來造成事故等。 3、勢能的概念 彈性勢能和重力勢能一樣，都與物體間的相對位置有關；重力勢能是受到地球吸引的物體與地球間的相對位置決定的；彈性勢能是由發(fā)生彈性形變的物體各部分的相對位置決定的。人們把這類由相互作用物體的相對位置決定的能稱為勢能。 （五）重力做功的特點。 圖2 A B C h A B C h s A B C h （a） （b） （c） h1 h2 h3 m m m θ 1、自主活動、得出規(guī)律 如圖2，請根據前面學過的有關功的知識，寫出以下幾種情況中，物體從A處運動到C處，重力做的功的大?。? 　 圖a是物體由A豎直向下運動到B，再水平運動到C，容易得出此過程中，重力共做功為mgh；圖b是物體沿斜面由A滑到C，重力做功為：mgs sinθ＝mgh；圖c是物體沿曲面由A滑到C，可以把曲面看成很多段小斜面組成，利用圖b的結論可以得出，重力做功也為mgh。 討論書上圖5-31所示是同一個小孩沿不同的路徑從滑梯的頂端滑到地面的情景，他可沿斜梯、旋梯或直桿等不同方式下滑。重力做功是否相同？將前面的斜面與實際生活中的各類情況結合起來，將抽象的物理模型中得到的結論應用到實際情景中去，將特殊情況推廣到普遍情況。 總結規(guī)律：重力做功與路徑無關，只與物體起點和終點位置的高度差有關。 2、拓展聯想 彈力做功也具有這樣的特點。凡是在相互作用力做功與路徑無關的情況下，都可以有勢能。重力做功和彈力做功都符合這各條件，所以存在重力勢能和彈性勢能。反之，如果存在某種形式的勢能，則與之相關的力就一定也具有做功與路徑無關的特點。今后學習中還會遇到做功具這個特點的力及與之相關的其他形式的勢能。 有沒有做功與路徑有關的力呢？回答是肯定的，比如摩擦力。如果相互作用力做功與路徑有關，就不存在與該力向對應的勢能。所以也就不存在與摩擦力相對應的勢能。可見，重力做功的特點不能亂用，要視具體力而定。 （說明：這部分內容較深，可以根據學生實際情況進行靈活處理） （六）課堂練習、歸納小結。 1．下列關于物體具有的重力勢能的說法中，正確的是（ ?。? A．重力大的物體的重力勢能一定大　 　 B．慣性大的物體的重力勢能一定大 C．地勢高的物體的重力勢能一定大　 D．靜止的物體也可能有重力勢能 2．當下列關于重力、摩擦力做功特點的敘述中，錯誤的是（ ?。? A．物體克服重力做了多少功，物體的重力勢能就增加多少 B．重力對物體做功只與始、末位置有關，而與路徑無關 C．摩擦力對物體做功也與路徑無關 D．摩擦力對物體做功與路徑有關 3．兩個質量相等的物體在同一高度沿不同傾角的斜面加速下滑到斜面底端的過程中，若斜面傾角θ1＞θ2，而且第一個斜面光滑，第二個斜面粗糙，則在由頂端滑到底端的過程中，關于重力對物體做功W1、W2的正確關系是（　 ） A．W1＞W2 B．W1＝W2 C．W1＜W2 D．不能確定