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2019-2020年高一物理 第五章 F 機(jī)械能守恒定律教案 滬科版 一、教學(xué)任務(wù)分析 機(jī)械能守恒定律是中學(xué)物理學(xué)習(xí)中最為重要且要求最高的幾個學(xué)習(xí)內(nèi)容之一，同時也是以后學(xué)習(xí)能量守恒的基礎(chǔ)；本節(jié)課的學(xué)生實驗——用DIS研究機(jī)械能守恒定律是新課標(biāo)規(guī)定的學(xué)生實驗，也是本教材12個重點(diǎn)探究內(nèi)容之一。 學(xué)習(xí)本節(jié)課需要以動能、勢能、功和能的關(guān)系、牛頓運(yùn)動定律等為知識基礎(chǔ)，以DIS實驗系統(tǒng)的熟練使用為實驗基礎(chǔ)。 本設(shè)計從游樂場的高架滑車引入，在發(fā)現(xiàn)動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化之后，引出探究的主題：在轉(zhuǎn)化過程中動能和重力勢能的變化量是否相等。通過對三種運(yùn)動的過程中機(jī)械能是否守恒的研究，得出機(jī)械能守恒定律及其條件。最后運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解決簡單的問題，加深對機(jī)械能守定律的理解。 本設(shè)計注重知識內(nèi)容的探究過程，并且強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與。在逐步形成概念規(guī)律的過程中，學(xué)生經(jīng)歷了學(xué)習(xí)、研究物理的一般方法，在運(yùn)用物理規(guī)律解決社會生活中的問題的過程中體驗學(xué)以致用的快樂并感悟物理與社會生活的緊密聯(lián)系。 二、教學(xué)目標(biāo) 1．知識與技能 （1）知道機(jī)械能的概念。 （2）理解機(jī)械能守恒定律及其條件。 （3）學(xué)會用利用數(shù)學(xué)演繹的方法推導(dǎo)機(jī)械能守恒定律。 （4）學(xué)會用DIS實驗驗證機(jī)械能守恒定律。 2．過程與方法 （1）通過對機(jī)械能守恒定律的理論推導(dǎo)和實驗探究，感受學(xué)習(xí)和研究物理的科學(xué)方法。 （2）通過對機(jī)械能守恒條件的歸納，經(jīng)歷在不同的現(xiàn)象中尋找共性的研究方法 （3）通過利用DIS實驗探究在擺錘的運(yùn)動中機(jī)械能是否守恒，認(rèn)識到DIS實驗是現(xiàn)代實驗研究的重要途徑之一。 3．情感、態(tài)度與價值觀 （1）通過在幾種不同運(yùn)動的研究基礎(chǔ)上建立機(jī)械能守恒定律的過程，增強(qiáng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。 （2）通過自主推導(dǎo)、DIS實驗驗證機(jī)械能守恒的過程，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性、能動性。 （3）在運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解決實際問題的過程中，體驗學(xué)有所得的快樂，并感悟物理與社會生活的緊密聯(lián)系。 三、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn) 重點(diǎn)：理解機(jī)械能守恒定律及其條件 難點(diǎn)：歸納出只有重力做功是機(jī)械能守恒的條件 四、教學(xué)資源 1．器材： 學(xué)生實驗：機(jī)械能守恒實驗器、DIS實驗系統(tǒng)（光電門傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)） 2．課件：視頻（高架滑車）、閱讀材料（火車站臺） 五、教學(xué)設(shè)計思路 本設(shè)計的內(nèi)容包括三個方面：一是建立機(jī)械能的概念，二是探究出機(jī)械能守恒定律，三是應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解決簡單問題。 本設(shè)計的基本思路是：從生活中的運(yùn)動中發(fā)現(xiàn)動能和重力勢能可以相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)而引出探究的主題：在轉(zhuǎn)化過程中動能和重力勢能的變化量是否相等。利用老師示范、學(xué)生理論推導(dǎo)、學(xué)生實驗三種不同方式研究三種運(yùn)動的過程中機(jī)械能是否守恒，然后從中找出共性，得出機(jī)械能守恒定律及其條件。最后運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解決簡單的問題，加深對機(jī)械能守定律的理解。 本設(shè)計要突出的重點(diǎn)是：探究在某些運(yùn)動中機(jī)械能是否守恒。方法是：教師證明在自由落體運(yùn)動中機(jī)械能守恒；學(xué)生自行證明在光滑斜面上下滑的物體機(jī)械能守恒；學(xué)生通過DIS實驗證明擺錘的運(yùn)動過程機(jī)械能守恒。 本設(shè)計要突破的難點(diǎn)是：機(jī)械能守恒的條件是只有重力做功。方法是：在證明三種運(yùn)動過程中機(jī)械能守恒之后，引導(dǎo)學(xué)生想到能的變化是與力做功有密切關(guān)系的，考察在三種運(yùn)動過程中的力做功情況，尋找出在三種運(yùn)動中力做功的共性，即只有重力做功。 本設(shè)計針對三種運(yùn)動采用三種不同的證明方式，學(xué)生可以感受到物理學(xué)習(xí)和研究的一般方法——理論演繹和實驗探究，同時經(jīng)歷歸納機(jī)械能守恒條件的過程。DIS實驗在證明擺錘在擺動過程中機(jī)械能守恒發(fā)揮的作用可以讓學(xué)生體會信息技術(shù)對物理學(xué)習(xí)帶來的改變，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。 最后應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解決問題的環(huán)節(jié)可以使學(xué)生體驗學(xué)以致用的快樂，并且領(lǐng)略到物理與生活的緊密聯(lián)系。 完成本設(shè)計的內(nèi)容約需2課時。 活動II 學(xué)生演繹 動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化 機(jī)械能的概念 情景I 視頻，設(shè)問1 情景II 設(shè)問2 活動I 教師演繹 活動III DIS實驗 在一些運(yùn)動中機(jī)械能守恒 情景III 設(shè)問3 活動IV 師生互動 機(jī)械能守恒的條件 機(jī)械能守恒定律 活動V 解決問題 六、教學(xué)流程 1．教學(xué)流程圖 2．流程圖說明 情景I 播放視頻，提出問題1 觀看游樂場里“高架滑車”的運(yùn)動，提出問題：在滑車向下運(yùn)動和向上運(yùn)動的過程中，能量是怎樣變化的？ 從視頻和問題中，引出在運(yùn)動過程中物體的動能和勢能間是可以相互轉(zhuǎn)化的，同時建立機(jī)械能的概念。 情景II 提出問題2 通過問題：“動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化的遵循怎樣的規(guī)律？”引出探究的主題——在運(yùn)動中機(jī)械能是否守恒。 活動I、活動II、活動III 探究在運(yùn)動過程中機(jī)械能是否守恒 研究在三種運(yùn)動中機(jī)械能是否守恒。教師用演繹的方法證明在自由落體運(yùn)動過程中機(jī)械能守恒；學(xué)生用演繹的方法證明物體在光滑斜面上下滑的過程中機(jī)械能守恒；用DIS學(xué)生實驗證明擺錘的運(yùn)動過程中機(jī)械能守恒。 情景III 提出問題3 從問題：“是否所有的運(yùn)動過程中機(jī)械能都是守恒的？”引出機(jī)械能守恒的條件的探究。 活動IV 師生互動 教師引導(dǎo)學(xué)生從“功是能量變化的量度”這個角度來研究機(jī)械能守恒的條件。學(xué)生考察三種運(yùn)動過程中物體所受力做功的情況，歸納出共性——只有重力做功。 活動V 解決問題 閱讀材料，定性地解釋火車站臺坡度設(shè)置的原理；運(yùn)用機(jī)械能守恒定律解決教材P63頁示例中的問題。 3．教學(xué)的主要環(huán)節(jié) 本設(shè)計可分為三個主要的教學(xué)環(huán)節(jié)。 第一環(huán)節(jié)，通過視頻和經(jīng)驗得出在運(yùn)動過程中動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化。 第二環(huán)節(jié)，探究在所研究的運(yùn)動中機(jī)械能是否守恒及其條件。 第三環(huán)節(jié)，應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解決簡單的問題。 七、教案示例 （一）建立機(jī)械能的概念 觀看視頻，提問討論： 問題1：哪位同學(xué)曾經(jīng)做過這樣的高架滑車，請談?wù)勀愕母惺堋? 問題2：如果從能量的角度來看，在向下和向上運(yùn)動的過程中，滑車具有的哪些能，它們分別在發(fā)生怎樣的變化？ 結(jié)論一：在這類運(yùn)動中，物體因為質(zhì)量、速度、位置等力學(xué)量而具有的動能、勢能統(tǒng)稱為機(jī)械能。 結(jié)論二：在機(jī)械運(yùn)動中，動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化。 （二）探究機(jī)械能守恒的規(guī)律 請再舉一些在物體運(yùn)動過程中動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化的例子。（列在黑板上） 問題1：在這些運(yùn)動中，物體的動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化，可能會遵循怎樣的規(guī)律？ 學(xué)生猜測：動能與勢能的總和即機(jī)械能可能不變。 1．驗證在一些常見運(yùn)動中，機(jī)械能是否守恒 我們從較為簡單運(yùn)動中入手，看看是否存在這樣的規(guī)律。 （1）驗證在自由落體運(yùn)動中機(jī)械能是否守恒： 教師示范，通過數(shù)學(xué)演繹的方法驗證做自由落體運(yùn)動的物體在運(yùn)動過程中任意兩點(diǎn)的機(jī)械能相等。 （2）驗證在光滑斜面下滑的物體機(jī)械能是否守恒： 學(xué)生利用教材P62的自主活動，通過數(shù)學(xué)演繹的方法驗證沿光滑斜面勻加速下滑的物體在運(yùn)動過程中任意兩點(diǎn)的機(jī)械能相等。 （3）驗證擺錘在運(yùn)動中機(jī)械能是否守恒 DIS實驗一：觀察擺錘擺到另一側(cè)的最高位置與開始釋放位置的高度關(guān)系。 結(jié)論：擺錘在兩側(cè)最高位置時的機(jī)械能是相等的。 問題：要證明擺錘在運(yùn)動過程中的機(jī)械能總是不變的，還必須怎樣做實驗？ DIS實驗二：驗證在擺錘運(yùn)動的過程中機(jī)械能是不變的。 實驗方案：測量擺錘任意位置的速度、高度，算出擺錘經(jīng)過該位置時的動能、重力勢能，兩者相加算出機(jī)械能，比較不同位置的機(jī)械能，看其是否相等。（該方案在老師啟發(fā)、提問，學(xué)生討論、交流的過程中逐步形成。） 結(jié)論：擺錘在運(yùn)動過程中的機(jī)械能守恒。 問題2：受否所有的運(yùn)動中物體的機(jī)械能都是守恒的呢？ （4）驗證在粗糙斜面上勻加速下滑物體的機(jī)械能是否守恒： 經(jīng)過數(shù)學(xué)演繹，發(fā)現(xiàn)在粗糙斜面上勻加速下滑物體的機(jī)械能不守恒。 2．尋找機(jī)械能守恒的條件 通過對上述幾種運(yùn)動的研究，我們發(fā)現(xiàn)，有些運(yùn)動機(jī)械能是守恒的，有些運(yùn)動機(jī)械能是不守恒的，由此我們想到機(jī)械能守恒可能是要滿足一定的條件的。下面我們就來看看這些機(jī)械能守恒的運(yùn)動中，有什么共同的特征，而這些特征又恰恰是那些機(jī)械能不守恒的運(yùn)動中不具備的。 在上一節(jié)課的學(xué)習(xí)中，我們已經(jīng)知道能量的變化是與力做功有關(guān)的，所以，我們可以仔細(xì)分析一下在這幾種運(yùn)動中，物體所受力做功的情況，看看會不會有什么發(fā)現(xiàn)。 運(yùn)動類型 受力情況 做功的力 自由落體運(yùn)動 重力 重力 沿光滑斜面下滑的物體 重力、支持力 重力 擺錘的運(yùn)動 重力、繩子拉力 重力 沿粗糙斜面勻加速下滑的物體 重力、支持力、摩擦力 重力、摩擦力 我們發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械能守恒的幾種運(yùn)動中，受力情況各不相同，但是做功情況相同，都是只有重力做功，在機(jī)械能不守恒的運(yùn)動中，除了重力之外，還有別的力做功。我們初步可以得出這樣的結(jié)論：機(jī)械能守恒的條件可能是只有重力做功。 如果時間允許，我們可以對更多的運(yùn)動進(jìn)行仔細(xì)的分析?？茖W(xué)家們對大量的運(yùn)動做了仔細(xì)的研究，他們得出的結(jié)論和我們是一樣的。 結(jié)論：機(jī)械能守恒定律 （三）機(jī)械能守恒定律的應(yīng)用 1．閱讀相關(guān)材料，解釋為什么火車進(jìn)站時要上坡、出站時要下坡。 2．完成教材P63示例中的問題。 （四）作業(yè)布置（略）