高三物理教案：《機械能守恒定律》教學(xué)設計

　　第一節  追尋守恒量

　　1、費因曼的開(kāi)場(chǎng)白

　　2、前人關(guān)于運動(dòng)的思辨——追尋守恒量

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

　　3、近代物理關(guān)于運動(dòng)多少描述的追尋

　�。�1）伽利略雙斜面實(shí)驗的隱含的事實(shí)

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

　�。�3）萊布尼茲對豎直拋體運動(dòng)的分析：活力與死力及其轉化和守恒，mv2，對伽利略實(shí)驗的解釋

　�。�4）惠更斯碰撞實(shí)驗的發(fā)現：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(chēng)等

　　5、能量及其變化的量度

　�。�1）實(shí)驗探索：基于守恒思想，分析實(shí)驗，進(jìn)而得出能量的表達式以及能量轉化與守恒的結果

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

　　【例2】碰撞實(shí)驗——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)；對自由落體運動(dòng)的反思：mv2與2mgh的相互轉化與守恒，活力mv2、死力2mgh

　�。�2）理論分析：分析一系列守恒現象中，與能量轉化相關(guān)的現象，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化與守恒

　　第二節  功與功率（一）

　　1、科里奧利的思考[來(lái)源:Z+xx+k.Com]

　�。�1）換一個(gè)角度思考問(wèn)題：力對空間的積累——能量變化

　　2、功的概念

　�。�1）功的定義

　�、俟κ悄芰孔兓�（轉移轉化）的量度[來(lái)源:學(xué)+科+網(wǎng)]

　�、诙�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

　�、跊Q定式：W=Flcosα

　　3、對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”、“對地的”位移

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

　　

　　第三節  功與功率（二）

　　1、做功有快慢之別

　　【例】[來(lái)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：

　�。�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）機車(chē)的功率與牽引力、速率的關(guān)系

　　第四節  動(dòng)能與動(dòng)能定理

　　1、描述運動(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、標量、相對性

　　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，動(dòng)能減少（其他能量的增加）

　�。�2）理解2：一個(gè)過(guò)程，兩個(gè)狀態(tài)

　　3、動(dòng)能定理的應用

　　第五節  勢能與勢能定理（一）

　　——重力勢能

　　1、歷史的回顧：死力、潛能、位能與勢能

　　2、重力勢能表達式的探究一：能量守恒與EpG=mgh

　　【例】自由落體運動(dòng)、沿斜面的自由下滑運動(dòng)

　　→

　　3、重力勢能表達式的探究二：功能關(guān)系

　�。�1）重力做功與重力勢能：WG=mg△h=mgh1-mgh2

　�。�2）重力做功的特點(diǎn)與重力勢能

　�、僦亓ψ龉εc路徑無(wú)關(guān)——保守力

　�、趧菽芨拍钆c保守力做功

　　4、重力勢能：EpG=mgh

　�。�1）相對性與變化的絕對性

　�。�2）系統性

　　第六節  勢能與勢能定理（二）

　　——彈性勢能

　　1、彈性勢能概念的提出——彈性現象中動(dòng)能的變化

　　2、彈性勢能的表達式

　�。�1）猜測：影響彈性勢能大小的因素——形變量、勁度系數、質(zhì)量、長(cháng)度等

　�。�2）彈性勢能表達式的探究（一）：實(shí)驗探究——基于能量守恒（動(dòng)能和彈性勢能的相互轉化）

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

　�、購椈蓮椓ψ龉Φ挠嬎悖簭土�——變力功的計算方法

　�、趶椓ψ龉Φ奶攸c(diǎn)：與路徑無(wú)關(guān)——保守力

　�、蹚椓ψ龉εc彈性勢能

　　3、保守力與勢能定理

　�。�1）保守力

　�、倭Φ拇笮∨c方向，由相互作用的物體間的相對位置決定

　�、诹ψ龉εc具體路徑無(wú)關(guān)

　�。�2）勢能定理

　�、倜恳环N保守力都對應一種勢能

　�、趧菽芏ɡ恚篧F=－△Ep

　　第七節  機械能定理與機械能守恒定律（一）

　　1、機械能及其變化

　　【例1】守恒的情形（只涉及動(dòng)能、勢能的相互轉化），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化），有除重力之外其他的力做功

　　2、機械能定理（功能原理）

　�。�1）推導

　�。�2）理解：

　�、僦亓ψ龉Φ淖饔�——使機械能內幾種形式之間相互轉化

　�、诔�重力之外其他的力做功的作用——使其他形式的能量與機械能相互轉化

　　3、機械能守恒定律

　�。�1）第一種表述：一個(gè)系統內各個(gè)物體的運動(dòng)狀態(tài)在變化過(guò)程中，如果只涉及到機械能內幾種能量形式之間的相互轉化或系統內幾個(gè)物體間機械能相互轉移，則這個(gè)系統機械能守恒。

　　第二種表述：一個(gè)系統內各個(gè)物體的運動(dòng)狀態(tài)在變化過(guò)程中，如果只有重力或彈簧彈力做功，則這個(gè)系統的機械能守恒

　�。�2）幾種情形

　�、贈](méi)有力做功——靜止，或自由的勻速直線(xiàn)運動(dòng)

　�、谥皇苤亓Γ◤椈蓮椓Γ�，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(shuō)明：特指如下一些模型——繩、桿、光滑斜面（它們只傳遞能量不儲存能量）和彈簧連接的物體組成的系統，即不包含滑動(dòng)摩擦力（空氣阻力、粘滯阻力等）、電場(chǎng)力等

　　4、機械能守恒定律的應用

　　第八節  機械能定理與機械能守恒定律（二）

　　——實(shí)驗：驗證機械能守恒定律

　　第九節  能量守恒定律

　　1、能量守恒定律發(fā)現的歷史

　�。�1）機械能守恒的發(fā)現

　�。�2）自然現象之間的廣泛聯(lián)系與轉化

　�。�3）永動(dòng)機不可能制成

　�。�4）能量守恒定律的提出與應用

　　2、能量守恒定律

　�。�1）內容：

　�。�2）兩種情形：

　�、俜忾]系統

　�、陂_(kāi)放系統

　　3、系統內力、外力的功與系統能量的關(guān)系

　　內力功——使能量在系統內幾種形式之間相互轉化，或使能量在系統內幾個(gè)物體之間相互轉移

　　外力功——外界與系統能量交換的量度，外力做正功，輸入能量，外力做負功，取走能量

　　4、能量守恒與能源開(kāi)發(fā)

　　說(shuō)明：

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

　　2、人教版教材第二節“功”，并沒(méi)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解的，是一種強制性灌輸。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。我的設計，旨在還原歷史，突出功的概念的理論目的以及其特異表達式的緣起。

　　3、動(dòng)能的表達式不是探究出來(lái)的，而是由動(dòng)能定理，和功一起定義出來(lái)的，因此，我取消了“實(shí)驗探究功與速度變化的關(guān)系”一節的內容，并在“動(dòng)能、動(dòng)能定理”一節直接給出了動(dòng)能、動(dòng)能定理，而沒(méi)有再由牛頓定律來(lái)推導，這個(gè)工作已經(jīng)在功的概念引入時(shí)做過(guò)了。

　　4、勢能定理其實(shí)是基于功的概念的勢能的定義，而功是為了量度能量轉化轉移中能量變化而引入的，所以，勢能定理本質(zhì)上就是能量守恒�！顿M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)機不可制成和勢能定理定義出勢能的表達式，然后基于能量守恒導出動(dòng)能表達式，并進(jìn)而由動(dòng)能變化定義功的概念（即動(dòng)能定理）。我的設計就是基于先有動(dòng)能概念，然后從能量守恒和功能關(guān)系兩個(gè)角度來(lái)定義和揭示勢能的意義。

　　5、人教版教材關(guān)于“機械能守恒”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械能守恒分析問(wèn)題，所以我直接給出了機械能守恒最直接的表述——“能量表述”，并進(jìn)一步通過(guò)機械能定理中功能關(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)際上只是引起機械能內兩種形式之間相互轉化。

　　6、人教版關(guān)于在《能量守恒定律》一節，對兩個(gè)內容處理有欠缺，其一是永動(dòng)機是什么，永動(dòng)機不能制成為什么蘊含著(zhù)能量守恒的內容，其二是系統能量與內力、外力做功的關(guān)系——即本節應該基于能量守恒，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用技巧。我的設計就試圖解決這個(gè)問(wèn)題。