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2020-2021学年高中物理 第四章 机械能和能源 3 势能教案1 教科版必修2

2020-2021学年高中物理 第四章 机械能和能源 3 势能教案1 教科版必修2

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姓名：

- 12 -

重力势能
一、 教材内容分析
本节教材与过去的处理方法相比，教材认真分析了重力做功与路径是否有关的问题。这样做的目的不是为了追求严密，而是想有助于学生形成严肃认真的科学态度。教材强调科学方法，引导学生用比较高的观点处理问题，只要求学生能够“跟”来，并不要求学生去重复形成他们的“科学素质”。在讨论物体沿任意路径运动时重力做功的问题时，又一次用到了极限的思想。学生经过多次接触，对这样的方法逐渐就熟悉了。本节重力势能是机械能的重要内容。要从重力做功与路径无关的特点出发，理解建立重力势能概念的可能性，掌握重力势能的定义式，明确重力做功和重力势能变化的关系。
二、 学情分析
1． 高一学生认识事物的特点是：开始从具体的形象思维向抽象逻辑思维过渡，但思维还常常与感性经验直接相联系，仍需具体形象的图片、现象来支持。
2． 学生在初中时已接触过重力势能的概念，在高中阶段要定量的学习重力势能及体验建立过程。
3．学生已学习了功的概念和计算方法，通过重力做功的计算来判断重力势能的变化。
三、 设计思路
《重力势能》一节新教材与旧教材相比有很大变化。教材首先从重力做功开始，讨论物体竖直向下运动、沿倾斜直线向下运动、以至物体沿任意路径向下运动几种情况的重力做功，利用极限思想，严格证明了重力对物体做功与路径无关，只与初末位置的高度差有关。分析“mgh”是一个具有特殊意义的物理量，来定义重力势能。通过让学生求讲台上一本书的重力势能，学生给出答案的多样性，质疑引导学生讨论出重力势能具有相对性。通过例题结论分析，形象地理解对于不同的参考平面，物体在某一位置具有不同的数值；引出重力势能是标量，但有正、负，正负代表大小，不代表方向，并且指出这里的正负与功的正负的区别；得出重力做功与参考平面无关，重力势能的变化与参考平面无关；探究出重力势能的变化和重力做功的关系。这样做使学生对重力势能的理解加深，思路清晰。
本节课内容既是重点又是难点，学生在一节课内不容易全面理解和掌握，教学中不宜追求多而全，可以在后续课程中逐渐理解与加深。
教学过程中可以多举身边的实际例子，由简单的现象如课本下落砸在手上感觉比较进行分析，便于得出结论，学生也容易接受。
教法上教师应充分调动学生的思维，使学生始终处于学习的主体，激发探究意识和学习的积极性。
四、 教学目标
（一）知识与技能
1、知道重力做功与路径无关.
2、理解重力势能的概念，会用重力势能的定义进行计算.
3、知道重力势能的相对性.
4、理解重力势能的变化和重力做功的关系
（二）过程与方法
用所学功的概念推导重力做功与路径的关系，亲身感受知识的建立过程
（三）情感、态度与价值观
渗透从对生活中有关物理现象的观察，得到物理结论的方法，激发和培养学生探索自然规律的兴趣．
五、 重点难点与突破方法
重点：重力做功与路径无关，重力势能的概念，重力势能的变化和重力做功的关系。
难点：重力势能的变化和重力做功的关系，重力势能的相对性和系统性。
六、 教学方法与教学资源
教学方法：探究、讨论、讲授、实验观察法、分析归纳法、讲练法。
教学资源：多媒体、两本质量不同的书、一张白纸、重锤
七、新课教学
(一）、新课引入
教学内容
教师活动
学生活动
设计意图
引入新课

进行新课
一、重力做功

在上课之前，老师想请一位学生帮老师一个忙，哪位同学？
现在老师把手中的一张白纸揉成团，在距你手一定高度处由静止释放，你敢不敢接?
接着老师把纸团换成一个重锤，如果重复刚才的动作，你敢不敢接？
提问：纸团与重锤落到手上有什么不同的感觉？

为什么呢？
质量大是一方面，实际上是重锤具有的能大。
在本章的第一节《追寻守恒量》中我们就认识了一个物理量---重力势能(物体由于被举高而具有的能)。那么，今天我们就来定量的认识这种能。
探究一：重力势能大小与哪些因素有关呢？（定性）
用自己的课本做如下实验
1）同一课本从不同高度由静止下落到自己手上，手的感觉 • • •
2）不同质量的课本从同一高度由静止下落到自己手上，手的感觉 • • •
从中可以得到什么结论？
重力势能与质量、高度有怎样的定性关系？

书在下落过程中，高度降低，重力势能要减小，我们还知道，高度变化了，重力就要做功。因此，重力做功与重力势能的变化是有联系的。本节课我们就从研究重力做功入手，来认识重力势能。

探究二：重力做功的特点？
甲
A
A
B
B
乙
h1
h2
h
根据功的计算公式分别计算甲、乙、丙三种情况中小球由A运动到B过程中重力所做的功。

过程甲、乙结果为：WG=mgh=mg（h1-h2 ）
A
B
h
h2
h1
丙
A1
A2
A3
△h1
△h2
△h3

过程丙：
这一过程中，教师听取学生汇报，点评
把整个路径分成许多很短的间隔；
由于每一段很小很小，都可以近似看作一段倾斜直线；
分别求出物体通过每一小段倾斜直线时重力所做的功；
物体通过整个路径时重力所做的功，等于重力在每小段上所做的功的代数和。
结果：WG=mgh=mg（h1-h2 ）
板书：
公式：WG=mgh=mg（h1-h2 ）
强调：h是物体初末位置的高度差。

通过甲、乙、丙的计算结果，请学生总结重力做功的特点。得出结论：
重力做功的特点：
（1）与物体的路径无关；（2）只跟物体初末位置的高度差有关。
例题1：一质量为5kg的小球先竖直上升5m，再水平向右移动5m，最后竖直下降5m，求：三个阶段以及整个过程重力做功 (g=10m/s2)。

如何判断重力做功的正负？
重力做功的正负
W>0重力做正功,高度下降
W=0重力不做功,高度不变
W<0重力做负功,高度上升
强调：在用重力做功公式时首先确定做功的正负。

学生回答敢。

学生回答敢。

学生思考、在老师的引导下，回答问题。重锤砸在手上疼。
因为重锤的质量大。

学生探究得到：重力势能与物体的质量、高度有关。
质量一定，物体高度越高,重力势能越大；高度一定，物体质量越大，重力势能越大。

在练习本上推导后，学生代表发言。

学生选出代表发表自己的见解，直至谈出微元的想法。
程度好一些的学生还可能根据功的定义式直接找出恒力（重力）及其方向上的位移（高度），得出结果。

学生可能回答出“沿不同方向运动，重力做功相同”等结论，教师要进一步给予说明引导。也可能得出结论的意思，表达不一定很准确。

提问计算结果。
上升阶段：
WG=-mgh=-250J
水平阶段：WG=mgh=0
下降阶段：WG=mgh
=250J
整个过程：
WG=mgh=0
联系实际，激发学生的兴趣，引发学生思考。

引入课题

通过动手实验，使学生产生强烈的求知欲望。学生根据自己的探究情况在班上作发言、交流、逐步形成共识。

将重力做功与重力势能的变化联系起来。让学生能够了解本节课的学习目的，初步建立起学习思路。

学生根据公式可以自行推导出结果，要让学生养成良好动脑、动手习惯，教师不可包办代替。

极限的思想，学生在前面的学习中已经接受过，在此，学生应该能够按预想的思维结果回答出问题。激发学生学习兴趣，引导学生积极探索。

引导学生学会分析数据，归纳总结规律。

了解公式的应用，计算中明确h的含义。
二、重力势能

回到重力做功的表达式。
分析表达式：WG=mgh=mgh1-mgh2
重力做功等于重力与初位置高度的乘积与重力与末位置高度乘积的差值。看起来，物体所受的重力mg与它所处位置的高度h的乘积“mgh”，是一个具有特殊意义的物理量。这个物理量的特殊意义在于它一方面与重力密切相关；另一方面，与高度有关。恰与重力势能的基本特征一致。因此，在物理学中， 我们就用“mgh”表示物体的重力势能。

下面请同学们阅读教材P65，完成下面三个问题。课件展示内容。
1、定义：物体由于被举高而具有的能，叫做重力势能。
2、表达式：Ep=mgh 即物体的重力势能等于它所受重力与所处高度的乘积。
3、单位：1J=1kg·m/s2·m=1N.m

问题：一本质量为0.2kg的书放在讲台桌上，教室层高4m，讲台高1m，请问这本书的重力势能是多少？ (g=10m/s2)

哪个答案正确呢？都对，都不对！为什么呢？

4、 重力势能的相对性
那么，我们要确定物体在某一位置的重力势能必须先做什么？
在参考平面，物体的重力势能取做0，参考平面也叫零势能面。
1) 参考平面：参考平面可以任意选取
一般选地面为参考平面
（不加说明的话是以地面为参考平面）
例如：如图，质量0.5kg的小球，从桌面以上h1=1.2m的A点落到地面的B点，桌面高h2=0.8m．请按要求填写下表．(g=10m/s2)

2)选择不同的参考平面，同一位置物体的重力势能的数值是不同的。但这并不影响问题的研究，因为与重力势能相关的问题中，有价值的是势能的差值，而选择不同的参考平面对于这个差值没有影响。这点我们在后边问题中探究。
3)重力势能的正负
Ep>0物体的位置在参考平面的上方
Ep=0物体处于参考平面
Ep<0物体的位置在参考平面的下方
虽然重力势能有正负之分，但是它是标量
5、 标量，“+”、“-”只表示大小，不表示方向。“+”的一定大于“-”的。（与功的“+”、“—”含义比较）举例：5J与-7J两种情况谁大？

学生积极思考，跟上老师的思路。

学生阅读，体会概念的分析，引出。
能够语言表述

学生根据定义式推导得出

引导学生分组讨论。
存在多种答案。
学生可能回答：2J、0J、-6J
学生应该可以说出“重力势能具有相对性”

学生回答：确定参考平面

由重力做功引入重力势能的概念，对这一点学生会感觉比较困难，这一认知需要逐渐建立起来。

通过阅读，培养学生的阅读理解能力。
前面的分析，水到渠成，要求理解重力势能的概念，会用重力势能的定义进行计算。
通过问题，多种答案，质疑，引起学生的兴趣。

参考平面的选择
小球在A处的重力势能
小球在B处的重力势能
整个下落过程中重力的功
整个下落过程中重力势能的变化量ΔEp
桌面

地面

提醒：重力势能的变化量指的是末位置的重力势能减去初位置的重力势能，即ΔEp=EpB-EpA
通过表中数据讨论(说明：回答时用表中数据举例)：
（1）选择不同的参考平面，同一位置的重力势能数值相不相同？说明了什么？
重力势能的取值与参考平面的选取有关。
（2） 重力势能有正负，什么情况下取正？什么情况下取0？什么情况下取负？
Ep>0 物体处于参考平面的上方
Ep=0 物体处于参考平面
Ep<0 物体处于参考平面的下方
强调：在计算重力势能前先确定正负。
（3） 重力势能的正负有什么含义？
标量，“+”“-”只代表大小，不代表方向。

我们在前面学习功，功也有正负，功的正负什么含义？表不表示大小？表不表示方向？正负只表示？
举例比较5J与-7J，如果是功的话，谁大？如果是重力势能，谁大？
重力势能的正负要与功的正负区分开。
（4）重力做功与参考平面选取有没有关系？
WG与参考平面选取无关。

（5）重力势能的变化与参考平面的选取有没有关系？
ΔEp与参考平面选取无关。

（6）重力做功与重力势能的变化之间存在怎样的关系？

在黑板上利用重力做功的公式推导出来。
重力做功与重力势能变化的关系：
WG=-(Ep2-Ep1)=-ΔEp
重力做功等于重力势能变化的相反数。
重力做正功，重力势能减少；
重力做负功，重力势能增加。
特别强调：ΔEp只与重力做功有关，与其他因素均无关。我们将在下节课继续探讨。
举例：重力做了10J的功，重力势能一定减少了10J.
例题2：关于重力做功和物体的重力势能，下列说法中错误的是
A．当重力对物体做正功时，物体的重力势能一定减少
B．物体克服重力做功时，物体的重力势能一定增加
C．地球上任何一个物体的重力势能都有一个确定值
D．重力做功的多少与参考平面的选取无关
例题3：一物体从A点沿粗糙面AB与光滑面AC分别滑到同一水平面上的B点与C点，则下列说法中正确的是
A．沿AB面下滑时重力做功多
B．沿两个面下滑时重力做的功相同
C．沿AB面下滑时重力势能减少得多一些
D．沿两个面下滑时减少的重力势能相同
A
C
B

例题4：起重机将质量为m的物体沿竖直方向匀速提升高度h，则起重机钢索的拉力对物体做的功为多少？物体克服重力做功为多少？物体的重力势能变化了多少？

引导学生分析

学生在学案上填写结果

分组讨论总结规律。

学生应该可以说出与参考平面选取有关。

学生回答什么情况下重力势能取“+”,什么情况下重力势能取“-”。

学生应该回答出以桌面为参考平面，A处重力势能是6J大于B处重力势能-4J。正负只表示大小，不表示方向。
功的正负不表示大小，也不表示方向，它只表示是动力做功还是阻力做功。

学生应该可以说出分别以桌面、地面为参考平面，整个下落过程中重力的功都是10J，与参考平面选取无关。
学生应该可以说出分别以桌面、地面为参考平面重力势能的变化量都是-10J，与参考平面选取无关。

学生回答：通过最后两组数据，可以得出重力做功等于重力势能变化的相反数

学生回答

形象地理解对于不同的参考平面，物体在某一位置具有不同的数值。
通过上面的实例计算，引出重力势能的正负。这样做使学生更容易理解。

通过与功的“+”、“-”比较，加深学生的理解。

这部分内容是今后应用的重点又是难点，学生独立完成有一定困难，需要老师的引导。不能生硬的给出结论，为学生的理解和后续的应用作好铺垫。

理解重力做功的特点以及重力势能的变化和重力做功的关系。

熟练计算重力做功、重力势能的改变。
课堂小结
这节课我们学习了哪些内容，谁能来总结一下？

用ppt展示小结内容：
1、 WG=mgh
重力做功与路径无关，只跟物体初末位置的高度差有关。
2、 Ep=mgh
即：物体的重力势能等于物体的重力和它的高度的乘积 Ep=mgh
3、 单位：焦耳。
4、重力势能具有相对性。
5、重力势能为标量，但有正负，“+”、“-”只表示大小，不表示方向。
6、重力做功等于重力势能变化的相反数。
认真总结概括本节内容，交流、比较，看谁的更好，好在什么地方。
总结课堂内容，培养学生概括总结能力。
教师要放开，让学生自己总结所学内容。
布置作业

八、板书设计
7.4 重力势能
一、重力做功：
WG=mgh=mgh1-mgh2
二、重力势能
1、定义：
2、定义式：Ep=mgh
3、单位：J
4、重力势能具有相对性
5、标量
6、重力势能的变化和重力做功的关系
WG=-(Ep2-Ep1)=—ΔEp
九、教学反思
重力势能的教学中，通过教师逐步引导，学生积极思考，整个教学过程中形成生生之间，师生之间的良好沟通，培养学生勤于思考，学会自己探究问题的能力，培养学生的探究意识和学习的欲望。