高三物理教案：《機(jī)械能守恒定律》教學(xué)設(shè)計(jì)

　　第一節(jié)  追尋守恒量

　　1、費(fèi)因曼的開場白

　　2、前人關(guān)于運(yùn)動(dòng)的思辨——追尋守恒量

　　地上物體運(yùn)動(dòng)的變慢——天體運(yùn)動(dòng)的永恒——運(yùn)動(dòng)守恒的思想萌芽——笛卡爾的上帝假設(shè)——尋找合適的描述運(yùn)動(dòng)多少的物理量

　　3、近代物理關(guān)于運(yùn)動(dòng)多少描述的追尋

　　（1）伽利略雙斜面實(shí)驗(yàn)的隱含的事實(shí)

　　（2）笛卡爾碰撞實(shí)驗(yàn)：第一個(gè)合適的描述運(yùn)動(dòng)的物理量——mv

　�。�3）萊布尼茲對(duì)豎直拋體運(yùn)動(dòng)的分析：活力與死力及其轉(zhuǎn)化和守恒，mv2，對(duì)伽利略實(shí)驗(yàn)的解釋

　�。�4）惠更斯碰撞實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)：mv守恒，mv、mv2均守恒（彈性碰撞）

　　4、追尋守恒量——動(dòng)量mv、能量、角動(dòng)量、宇稱等

　　5、能量及其變化的量度

　　（1）實(shí)驗(yàn)探索：基于守恒思想，分析實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而得出能量的表達(dá)式以及能量轉(zhuǎn)化與守恒的結(jié)果

　　【例1】自由落體運(yùn)動(dòng)：v2=2gh，v2與2gh的相互轉(zhuǎn)化與守恒

　　【例2】碰撞實(shí)驗(yàn)——質(zhì)量大的、質(zhì)量小的兩個(gè)小球，以相同速度碰撞同一個(gè)小球：能量與質(zhì)量有關(guān)；對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的反思：mv2與2mgh的相互轉(zhuǎn)化與守恒，活力mv2、死力2mgh

　�。�2）理論分析：分析一系列守恒現(xiàn)象中，與能量轉(zhuǎn)化相關(guān)的現(xiàn)象，從而找到能量變化的量度，進(jìn)而找到能量的量度

　　【例】科里奧利的思考

　　6、各種能量及其之間的轉(zhuǎn)化與守恒

　　第二節(jié)  功與功率（一）

　　1、科里奧利的思考[來源:Z+xx+k.Com]

　　（1）換一個(gè)角度思考問題：力對(duì)空間的積累——能量變化

　　2、功的概念

　�。�1）功的定義

　�、俟κ悄芰孔兓�（轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化）的量度[來源:學(xué)+科+網(wǎng)]

　　②定義式：W=△E

　　*單位

　�。�2）功的決定因素

　�、賰蓚�(gè)決定因素：力，物體在力的方向上的位移

　　②決定式：W=Flcosα

　　3、對(duì)W=Flcosα的理解

　�。�1）F——恒力

　�。�2）l——“力直接作用在其上時(shí)”、“力直接作用在其上的物體”、“對(duì)地的”位移

　　【例】踢球、杠桿與動(dòng)滑輪、滑塊滑板運(yùn)動(dòng)  （引體向上、原地蹲立、跑步等）

　　

　　第三節(jié)  功與功率（二）

　　1、做功有快慢之別

　　【例】[來源:Zxxk.Com]

　　2、功率

　　（1）定義：描述做功的快慢

　�。�2）定義式：P=W/△t

　�。�3）理解：①實(shí)質(zhì)是描述的能量變化的快慢：P=W/△t=△E/△t

　�、谄骄�功率與瞬時(shí)功率

　　3、功率的決定式：P=Fvcosθ

　�。�1）推導(dǎo)：

　　（2）理解：P=F·vF=Fv·v

　　【例】分解實(shí)例

　　4、功率與生活：（1）額定功率與實(shí)際功率，（2）機(jī)車的功率與牽引力、速率的關(guān)系

　　第四節(jié)  動(dòng)能與動(dòng)能定理

　　1、描述運(yùn)動(dòng)的合適物理量的追尋，與科里奧利、拉格朗日的判決

　　2、動(dòng)能

　　（1）定義式：

　　*單位

　�。�2）理解：狀態(tài)量、標(biāo)量、相對(duì)性

　　3、動(dòng)能定理：W總=△Ek

　�。�1）理解1：總功為正，動(dòng)能增加（其他能量的減少）；總功為負(fù)，動(dòng)能減少（其他能量的增加）

　�。�2）理解2：一個(gè)過程，兩個(gè)狀態(tài)

　　3、動(dòng)能定理的應(yīng)用

　　第五節(jié)  勢(shì)能與勢(shì)能定理（一）

　　——重力勢(shì)能

　　1、歷史的回顧：死力、潛能、位能與勢(shì)能

　　2、重力勢(shì)能表達(dá)式的探究一：能量守恒與EpG=mgh

　　【例】自由落體運(yùn)動(dòng)、沿斜面的自由下滑運(yùn)動(dòng)

　　→

　　3、重力勢(shì)能表達(dá)式的探究二：功能關(guān)系

　�。�1）重力做功與重力勢(shì)能：WG=mg△h=mgh1-mgh2

　�。�2）重力做功的特點(diǎn)與重力勢(shì)能

　�、僦亓ψ龉εc路徑無關(guān)——保守力

　　②勢(shì)能概念與保守力做功

　　4、重力勢(shì)能：EpG=mgh

　　（1）相對(duì)性與變化的絕對(duì)性

　�。�2）系統(tǒng)性

　　第六節(jié)  勢(shì)能與勢(shì)能定理（二）

　　——彈性勢(shì)能

　　1、彈性勢(shì)能概念的提出——彈性現(xiàn)象中動(dòng)能的變化

　　2、彈性勢(shì)能的表達(dá)式

　�。�1）猜測(cè)：影響彈性勢(shì)能大小的因素——形變量、勁度系數(shù)、質(zhì)量、長度等

　�。�2）彈性勢(shì)能表達(dá)式的探究（一）：實(shí)驗(yàn)探究——基于能量守恒（動(dòng)能和彈性勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化）

　�。�3）彈性勢(shì)能表達(dá)式的探究（二）：理論探究——基于功能關(guān)系

　�、購椈蓮椓ψ龉Φ挠�(jì)算：復(fù)習(xí)——變力功的計(jì)算方法

　�、趶椓ψ龉Φ奶攸c(diǎn)：與路徑無關(guān)——保守力

　　③彈力做功與彈性勢(shì)能

　　3、保守力與勢(shì)能定理

　�。�1）保守力

　　①力的大小與方向，由相互作用的物體間的相對(duì)位置決定

　�、诹ψ龉εc具體路徑無關(guān)

　�。�2）勢(shì)能定理

　　①每一種保守力都對(duì)應(yīng)一種勢(shì)能

　�、趧�(shì)能定理：WF=－△Ep

　　第七節(jié)  機(jī)械能定理與機(jī)械能守恒定律（一）

　　1、機(jī)械能及其變化

　　【例1】守恒的情形（只涉及動(dòng)能、勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化），只有重力（彈簧彈力）做功

　　【例2】不守恒的情形（其他形式的能量參與轉(zhuǎn)化），有除重力之外其他的力做功

　　2、機(jī)械能定理（功能原理）

　�。�1）推導(dǎo)

　�。�2）理解：

　�、僦亓ψ龉Φ淖饔�——使機(jī)械能內(nèi)幾種形式之間相互轉(zhuǎn)化

　�、诔�重力之外其他的力做功的作用——使其他形式的能量與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化

　　3、機(jī)械能守恒定律

　　（1）第一種表述：一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在變化過程中，如果只涉及到機(jī)械能內(nèi)幾種能量形式之間的相互轉(zhuǎn)化或系統(tǒng)內(nèi)幾個(gè)物體間機(jī)械能相互轉(zhuǎn)移，則這個(gè)系統(tǒng)機(jī)械能守恒。

　　第二種表述：一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在變化過程中，如果只有重力或彈簧彈力做功，則這個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒

　�。�2）幾種情形

　�、�?zèng)]有力做功——靜止，或自由的勻速直線運(yùn)動(dòng)

　　②只受重力（彈簧彈力），且重力做功

　�、凼芷渌�的力，但只有重力做功

　�、苁芷渌�的力，其他的力也做功，但其他的力的總功為零

　　說明：特指如下一些模型——繩、桿、光滑斜面（它們只傳遞能量不儲(chǔ)存能量）和彈簧連接的物體組成的系統(tǒng)，即不包含滑動(dòng)摩擦力（空氣阻力、粘滯阻力等）、電場力等

　　4、機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用

　　第八節(jié)  機(jī)械能定理與機(jī)械能守恒定律（二）

　　——實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

　　第九節(jié)  能量守恒定律

　　1、能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的歷史

　�。�1）機(jī)械能守恒的發(fā)現(xiàn)

　�。�2）自然現(xiàn)象之間的廣泛聯(lián)系與轉(zhuǎn)化

　�。�3）永動(dòng)機(jī)不可能制成

　�。�4）能量守恒定律的提出與應(yīng)用

　　2、能量守恒定律

　　（1）內(nèi)容：

　�。�2）兩種情形：

　�、俜忾]系統(tǒng)

　�、陂_放系統(tǒng)

　　3、系統(tǒng)內(nèi)力、外力的功與系統(tǒng)能量的關(guān)系

　　內(nèi)力功——使能量在系統(tǒng)內(nèi)幾種形式之間相互轉(zhuǎn)化，或使能量在系統(tǒng)內(nèi)幾個(gè)物體之間相互轉(zhuǎn)移

　　外力功——外界與系統(tǒng)能量交換的量度，外力做正功，輸入能量，外力做負(fù)功，取走能量

　　4、能量守恒與能源開發(fā)

　　說明：

　　1、人教版教材第一節(jié)標(biāo)題為“追尋守恒量”，卻并沒有談及什么叫做“追尋守恒量”，以及為什么要追尋守恒量——對(duì)于物理學(xué)史上守恒思想的提出與發(fā)展避而不談，因此我的設(shè)計(jì)是對(duì)標(biāo)題的正面回應(yīng)，也把守恒的思想奠定為本章基礎(chǔ)。

　　2、人教版教材第二節(jié)“功”，并沒有講清楚功的概念建立的理論目的，以及為什么其定義式如此特別，因此教材的處理是令人費(fèi)解的，是一種強(qiáng)制性灌輸。實(shí)際上，功的概念是為描述能量變化而引入的，科里奧利正是基于能量（活力）守恒的中能量變化而建立的功的概念，而且，科里奧利是將動(dòng)能和功的概念一并引進(jìn)物理學(xué)的，科里奧利的分析時(shí)基于牛頓定律。我的設(shè)計(jì)，旨在還原歷史，突出功的概念的理論目的以及其特異表達(dá)式的緣起。

　　3、動(dòng)能的表達(dá)式不是探究出來的，而是由動(dòng)能定理，和功一起定義出來的，因此，我取消了“實(shí)驗(yàn)探究功與速度變化的關(guān)系”一節(jié)的內(nèi)容，并在“動(dòng)能、動(dòng)能定理”一節(jié)直接給出了動(dòng)能、動(dòng)能定理，而沒有再由牛頓定律來推導(dǎo)，這個(gè)工作已經(jīng)在功的概念引入時(shí)做過了。

　　4、勢(shì)能定理其實(shí)是基于功的概念的勢(shì)能的定義，而功是為了量度能量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移中能量變化而引入的，所以，勢(shì)能定理本質(zhì)上就是能量守恒�！顿M(fèi)因曼物理學(xué)講義》和趙凱華《新概念物理 力學(xué)》中，采用的是由永動(dòng)機(jī)不可制成和勢(shì)能定理定義出勢(shì)能的表達(dá)式，然后基于能量守恒導(dǎo)出動(dòng)能表達(dá)式，并進(jìn)而由動(dòng)能變化定義功的概念（即動(dòng)能定理）。我的設(shè)計(jì)就是基于先有動(dòng)能概念，然后從能量守恒和功能關(guān)系兩個(gè)角度來定義和揭示勢(shì)能的意義。

　　5、人教版教材關(guān)于“機(jī)械能守恒”守恒條件的敘述，是“功能關(guān)系”角度的表述，這個(gè)表述是一種迂回的表述，這使很多時(shí)候并不能很快的判斷出能否使用機(jī)械能守恒分析問題，所以我直接給出了機(jī)械能守恒最直接的表述——“能量表述”，并進(jìn)一步通過機(jī)械能定理中功能關(guān)系的分析，幫助學(xué)生理解課本“功能關(guān)系表述”的實(shí)質(zhì)——重力做功，實(shí)際上只是引起機(jī)械能內(nèi)兩種形式之間相互轉(zhuǎn)化。

　　6、人教版關(guān)于在《能量守恒定律》一節(jié)，對(duì)兩個(gè)內(nèi)容處理有欠缺，其一是永動(dòng)機(jī)是什么，永動(dòng)機(jī)不能制成為什么蘊(yùn)含著能量守恒的內(nèi)容，其二是系統(tǒng)能量與內(nèi)力、外力做功的關(guān)系——即本節(jié)應(yīng)該基于能量守恒，進(jìn)一步揭示功和能的關(guān)系，揭示各種不同情況下能量守恒定律的方程和應(yīng)用技巧。我的設(shè)計(jì)就試圖解決這個(gè)問題。