动能的改变.doc

动能的改变内容和地位：在普通高中物理课程标准共同必修模块“物理”的内容标准中涉及本节的内容有条目：“通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系，理解动能和动能定理。”该条目要求学生用实验探究的方法，认识物理规律，它强调学习的过程，注重对学生科学探究能力的培养和对科学探究过程的本质的领悟。本节内容是高中物理必修模块中的重要指示环节。该部分知识的学习让学生从一个新的角度思考问题。第一次将运动、力、功以及能量联系在一起，为培养学生综合分析问题打下基础。本节内容丰富，有很强的物理实验学科特点。通过其内容的学习，应力求激发学生探究未知，敢于创新的意识和乐趣，培养学生科学探究能力和严谨的科学态度，该部分内容多，要求也较高，初步学习需课时完成教学任务。教材分析动能定理是力学中的一条重要规律。本节课首先介绍动能的概念，通过实例让学生认识到运动的物体具有能量，称为动能。让学生感受动能的大小与哪些因素有关？再给出动能的表达式。探究恒力做功与动能改变的关系时，利用气垫导轨老师操作学生读数，有条件的话可以分组实验，通过分析数据让学生得出结论。然后再根据牛顿第二定律让学生自行通过理论推导得出动能定理。二、学习者特征分析学生在初中就知道了动能的初步概念，动能定理是第二章能的转化和守恒第1节的内容，学生在前面第一章学习过做功和能的概念。 动能定理常用于解决运动学问题，学习好动能定理非常重要，并为后一节的能量守恒定律的掌握打下基础。在学习“必修1”的过程中，学生已经知道实验探究和理论推导相结合的科学研究方法，在这里再次采用这种方法，使学生更加熟悉。一、教学目标知识与技能1理解什么是动能，知道动能的定义式，会用动能的定义式进行计算。2理解动能定理及其推导过程。3知道动能定理的适用范围，会用动能定理进行计算。过程与方法1通过用纸带与打点计时器来探究功与速度的关系，体验知识的探究过程和物理学的研究方法。2运用演绎推导方式推导动能定理的表达式。3理论联系实际，培养学生分析问题的能力。情感态度与价值观通过实验探究，体会学习的快乐，激发学习的兴趣；通过亲身实践，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观；通过动能定理的演绎推导，培养学生对科学研究的兴趣。二、教学重难点学习重点：动能定理利用实验和理论两种方法得出的过程；动能定理的理解和简单应用。学习难点：实验的设计与实施，以及有关物理过程的分析方法。三、教学方法讲授法和实验探究相结合的教学方法四、教学器材打点计时器，学生电源，小车，钩码，细线，滑轮，三个小铁球，五、教学过程一、新课引入展示图片：体会物体具有能量。师：同学们，我们现在开始上课。我们在初中学过，如果一个物体能够对别的物体做功，我们就说这个物体具有能量。生活中许多运动的物体可以做功，例如，流动的河水可以推动水轮机做功，流动的河流具有能量。台风，龙卷风可以拔起大树，掀翻汽车，摧毁房屋等，他们具有巨大的能量。这些运动的物体能够做功，所以这些物体由于运动而具有能量。我们初中学习过，我们把物体由于运动而具有的能叫做什么呢？动能。板书：一、动能1、定义：物体由于运动而具有的能师：人类利用动能已有很长的历史。例如：在船上加挂风帆，利用风能来推动帆船前景；制造风车和水车，利用风和流动的动能来发电。动能在生产生活中具有巨大的应用价值，为了更好地利用物体的动能，那我们就有必要来研究一下物体动能的大小与那些因素有关？学生猜想：速度和质量很好，这个内容同学们在初中就讨论过了，那我们一起做一个实验来回顾一下。老师这里有三个小球，其中这两个质量相同，第三个质量要大一些。（1） 我们把质量相同的两个小球用细线悬挂起来，使两个小球并排靠紧。拉开右边的小球，将它从不同高处释放，使它撞击小球前的动能不同，去撞击左边的小球。右球释放位置越高，撞击左球时的速度就越大，左球被撞后摆的就越高。 得出结论：当m一定时，v越大，动能越大（2） 现在我们把质量大的小球同样悬挂起来，将它与右球拉开到同一高度，先后释放，它们撞击左球时的速度相同的，但被质量较大的小球撞击后，左球摆起的高度较大。得出结论：当v一定时，m越大，动能越大教师总结：从以上实验可以看出，动能的大小跟运动物体的质量、运动速度有关。物体的动能跟运动物体的质量和速度有关。物体质量m越大，运动速度v越大，动能就越大。在物理学中，把物体的动能表示为2公式：Ek表示动能，m是物体的质量，v是物体在某一时刻的瞬时速度，即与物体的运动状态相对应。一个物体处于某一确定运动状态，它的动能也就对应于某一确定值，因此动能是状态量。因为动能与物体的速度有关，所以动能与参考系的选取有关，我们一般选取地球为参考系。3、动能与功一样，也是标量。4.它的单位与功的单位相同，在国际单位制中都是焦耳（J）。（二）实验探究恒力做功与动能改变的关系好，我们再来分析刚才的实验，动能是可以改变的，右面的小球通过撞击过程对左面的小球做功，使左面的小球从静止开始运动，左面的小球的动能从无到有，动能增加了。而右面小球的动能减小。滚动的保龄球具有动能，当其对球瓶做功时速度变小，并使球瓶开始运动，具有了动能。那老师问问大家？若外力对物体做功，该物体的动能总是会增加吗？如果物体对外做功，该物体的动能总会减小吗？做功与动能改变之间究竟有什么关系呢？我们通过实验来探究一下。因为外力可以使变力，也可以是恒力，我们从简单的情况入手，通过实验来探究恒力做功与动能改变的关系。（）设计实验问题1：探究恒力做功与物体动能的变化是什么关系时，需要测量哪些物理量？用什么方法和什么器材进行实验？学生带着问题阅读课文，通过思考讨论交流，并回答问题。引导学生回答：需要测量速度、小车质量，恒力的功（砝码重力和下落的距离）；小车的质量可用天平测出。测速度可用打点计时器。问题2：需探究中的是指小车受的某个力还是指小车所受的合力？小车运动过程中受几个力？为使细线的拉力充当合力，其他力应怎样处理？生：应该是指小车所受的合力。思考并回答：重力、支持力、摩擦力、细线的拉力。归纳总结：重力、支持力、摩擦力、细线的拉力；我们从最简单的情况入手，研究一个恒力做功的情况，为使细线的拉力充当合力，必须将其他力平衡掉。问题:：如何平衡摩擦力，平衡到什么程度，如何验证？思考回顾力的平衡问题，讨论平衡方法。引导学生思考平衡摩擦力的方法：让木板有一个微小的倾角，使重力沿斜面向下的分力等于小车及纸带受到的摩擦阻力；轻推小车使之匀速运动，则可认为摩擦力已被平衡。教师补充强调：平衡摩擦力的时候不能挂钩码平衡摩擦力时要让小车夹上纸带并穿过打点计时器的限位孔。问题4：实验中，是什么力对小车做功？小车做什么性质的运动？实验中各个物理量怎么求？外力做功怎么求？初速度、末速度如何求？引导学生回答：细线的拉力做功；小车做匀加速直线运动；位移的测定：用刻度尺测定打出纸带上选定的B两点之间的间距（两点距离要相对大些），在砝码的质量远小于小车的质量的前提下，可认为砝码的重力等于小车所受拉力F的大小。初速度和末速度可通过处理纸带求得，利用时间中点速度等于平均速度的方法求得。（）实验方案1、用细线将木板上的小车通过一个定滑轮与悬吊的砝码相连，改变木板的倾角，以小车的重力的一个分力平衡小车及纸带受到的摩擦力，使小车做匀速运动。2、在细绳的另一端挂上砝码，使小车的质量远大于砝码的质量，小车在细线的拉力作用下作匀加速运动。由于砝码质量很小，可以认为小车所受拉力F的大小等于砝码所受的重力的大小。3、把纸带的一端固定在小车的后面，另一端穿过打点计时器。接通电源，放开小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点。4、重复以上实验。选择一条点迹清晰的纸带进行数据分析，由纸带可以找到位移和时间信息，由砝码可以知道小车所受的恒力。（）设计一个实验数据记录表并将实验数据填写在表中。（）学生活动：分组实验（根据条件状况，可两人一组，可四人一组）.教师活动：巡视、指导，解答学生提出的问题，处理即发事件.重点指导一两个组顺利完成实验，以便后面实验数据的处理.（5）由实验数据得出结论：恒力做功与动能改变的关系是：分析数据，得出结论：在误差范围内，恒力做功与动能的改变相等。教师启发：通过实验探究，我们已经知道恒力做功与动能改变的关系，但是上面的实验我们只对一个物体进行了研究，不具有普遍性，那么能不能从理论上来进行严密的推导得出其关系呢？接下来我们运用牛顿第二定律和匀变速运动的规律来推导恒力与物体做功与物体动能改变的关系。（三）动能定理动能定理的推导通过投影展示问题情景：设一个物体的质量为m，初速度为v，在与运动方向相同的合外力F的作用下发生一段位移s，速度增加到v。根据牛顿第二定律F=ma和匀变速直线运动的规律可得用表示合外力在这一过程中所做的功，用表示物体的初动能，用Ek2，表示物体的末动能，于是有根据牛顿第二定律学生自行推导：上式表明：合外力对物体所做功等于物体动能的改变。这个结论叫动能定理。板书：三、动能定理1、 内容：合外力对物体所做的功等于物体动能的改变。2、 公式（1）适用条件：动能定理适用于任何力作用下，以任何形式运动的单个物体，具有普遍性。（2）因动能定理中涉及到的位移、速度均与参照物的选择有关，因此在应用动能定理解决问题时，应选取同一参照物，一般情况下均以地为参照物。3、对合外力对物体做功的理解，有的力促进物体运动，而有的力则阻碍物体运动。因此它们做的功就有正、负之分。当合外力对物体做正功时，末动能大于初动能，物体的动能增大。例如：在汽车启动过程中，牵引力对汽车做正功，汽车的动能增大。当合外力对物体做负功时，或者说物体克服合外力做功，末动能小于初动能，物体的动能减小。例如，在汽车刹车的过程中，摩擦阻力对汽车做负功，汽车的动能减小。可见我们可以用外力做功的多少来度量物体动能的改变量。问题：（1）如果物体受到几个力的作用，动能定理中的W表示什么意义？归纳指出：（1）总功W指的是各外力做功的代数和：W=W+W+板书：合外力的功可理解为总功，总功指的是各外力做功的代数和；W总=W1W2=F1sF2s=F合s。总功的求法 先求出作用在物体上各个力所做的功，然后用求各个功的代数和即可。求代数和时要把各个功的数值连同符号代入。 若作用在物体上的各个力均为恒力，总功也可用求得。但此方法不如第一种方法简单。（2） 动能定理，我们是从物体受恒力作用且做直线运动的情况下推出的。动能定理是否可以应用于变力做功或物体做曲线运动的情况呢？动能定理的适用范围：动能定理既适合于恒力做功，也适合于变力做功，既适用直线运动，也适用于曲线运动。（四）讲解例题（书）通过多媒体展示课本例题，让部分学生用牛顿第二定律求解，并组织交流用动能定理和用牛顿第二定律解题的体会，讨论哪些问题用动能定理解更方便。得出结论：运用动能定理解题时，只需考虑对象的始末状态，则无需考虑状态变化的细节，既没有守恒条件的限制，也不受力的性质及过程变化的影响，所以凡涉及力的位移的问题都可以用动能定理来分析和解答，比用牛顿定理间洁。(五)课堂小结：1理解动能的概念：（1）知道什么是动能。（2）国际单位（2）知道在国际单位制中动能的单位是焦耳(J)；动能是标量，是状态量。（3）正确理解和运用动能公式分析、解答有关问题。2学习动能定理：（1） 动能定理利用实验和理论两种方法得出的过程；（2）动能定理的理解和简单应用。3通过动能定理，明确功和动能两个概念的区别与联系，加深对两个概念的理解。（六）课后作业1书面作业P21作业2，3，4，5。 2指导学生根据自身的情况，进行在线学习和交流。3课后收集资料，交流讨论在生产、生活及自然中动能和动能定理的应用。六、板书设计动能的改变一、动能1、定义：物体由于运动而具有的能2公式：3、动能是标量4.单位：焦耳（J）二、实验探究三、动能定理1、内容2、公式：3、当合外力对物体做正功时，末动能大于初动能，物体的动能增大。当合外力对物体做负功时，末动能小于初动能，物体的动能减小课外知识：动能定理和牛顿第二定律的比较： 1、牛顿第二定律是力的瞬时作用规律，力的作用效果是立即产生加速度，将使物体的速度发生变化。 某一个时刻的力与这个时刻的加速度相适应，状态方程。动能定理是力的持续在作用，力在空间上的积累作用规律，在某一过程中力对物体做的功产生的效果是使物体的动能发生了变化。 反应了物体动能的变化。2、由于动能定理只涉及过程中各力的功及过程的初、末状态，而不涉及加速度和时间，一般用动能定理解决问题，比用牛顿第二定律和运动学公式求解要简单。 3、由于动能定理只涉及过程中各力的功及过程的初、末状态，不涉及过程中物体的运动性质、物体受的力是变力还是恒力，所以对牛顿第二定律和运动学公式不能解决的变力作用过程，可以用动能定理求解。 功能原理、机械能守恒定律及动能定理之间的关系功是能量（限于有机械能参与的过程）转化的量度，是三者的共同基础。不同的是，研究对象是单个物体还是系统，关注的是机械能的总量还是只着眼于动能。研究对象为单个物体时，势能无从谈起，故关注的只是物体的动能。研究对象是相互作用的物体系统时，因系统内的保守力做功（有相应的动能增量）时必伴随着相应势能的等量减少，故物体系统的机械能总量不会因为系统内保守力做功而改变。也就是说，仅系统内保守力做功时，系统的机械能守恒。若有系统内保守力之外的力对系统做了功，系统的机械能发生变化。功能原理告诉我们，物体系统的机械能增量等于物体系统内保守力以外的力，对系统所做功的代数和。功能原理则是将动能定理适用于系统时进行了必要的修正。系统内保守力以外的力对物体所做的功的代数和等于系统机械能的增量。显然，机械能守恒定律是对系统适用功能原理时的一种特例。另，惯性定律是适用于单个物体的，动量守恒定律，是把惯性定律适用于相互作用的物体系统时进行了必要的变形。动能定理、功能关系、机械能守恒三者如何选择应用？有没有明确的辨析的思路？有！第一步、审查过程始末，是否只争一个物体的能量（动能or势能）发生了变化？若只有一个，则动能定理，足已！第二步、审查，过程中做功的力有哪几个？除重力和系统内的弹力做功外，可有其它力参与做功？有，则选用功能原理。否则，对系统应用机械能守恒。例外：题目明确针对某物体探讨动能的变化或者机械能的变化时，则分别选用动能定理和功能关系。留意：本文视功能原理和功能关系为一个概念。 满意答案 动能定理：物体的动能的增量，等于运动过程中合力对物体所作的功。这一结论，称为质点的动能定理。功能定理：物体组的机械能的增量，等于它所受的外力和非保守内力所作的总功。这个定理全面地体现了力学中的功能关系，故称功能定理。我们虽然把功能定理作为机械能守恒定律的预备定理提出来，但它本身也是重要的，原因是：（1）只有掌握这个定理，才能更好地明确守恒定律适用的条件；（2）如果该项条件不满足，因而守恒定律不能应用时，要用功能定理去解决问题；（3）利用它便于求非保守内力所作的功。机械能守恒定律：在外力不作功，内力只是保守力的条件下，一个物体组的动能与势能可以相互转化，但其总和恒定不变。这一结论，称为机械能转化及守恒定律（简称为机械能守恒定律）。