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2020-2021学年高中物理 第二章 能的转化与守恒 第2节 势能的改变教案1 鲁科版必修2

2020-2021学年高中物理 第二章 能的转化与守恒 第2节 势能的改变教案1 鲁科版必修2

年级：
姓名：

- 10 -

第2节　势能的改变
教学目标：
（一）知识与技能
1.理解重力势能的概念，会用重力势能的定义进行计算；知道重力势能的相对性；
2.知道重力势能的变化和重力做功的关系，知道重力做功与路径无关；
3.了解弹性势能。
（二）过程与方法
1、根据功和能的关系，推导出重力势能的表达式，培养学生逻辑思维能力；
2、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和类比思想；
3、学会从功和能的关系上分析和解释物理现象。
（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。
教学重点：重力势能的的概念及重力做功跟重力势能改变的关系。
教学难点：重力势能的相对性、重力势能变化的绝对性。
教　　具：多媒体课件
教学过程：
一、新课导入
   请同学们看一段视频。（播放雪崩、打桩机打桩、水电站等视频）
雪山上的蓬松的白雪，总是给我们以恬静，美丽的感觉，那当雪崩爆发时呢？大雪以排山倒海之势，摧毁一切，给人类和自然带来巨大的灾难。
教师：为什么看起来非常漂亮的雪花会有如此大的破坏力呢？
学生：由于具有巨大的能量。
打桩机将重锤高高举起，然后用重锤把水泥桩打进地里。重锤将水泥桩打进了地里，说明重锤对水泥桩做了功.根据功和能的关系，既然重锤可以对水泥桩做功，表明高高举起的重锤具有很大的能量。
通过这些例子，我们发现物体处在一定的高度时，就具有了一定的能量。而当它从所处的高处落下时，这些能量就会以做功的方式释放出来。我们将这种能量叫重力势能。
我们初中的时候学过重力势能，那它是怎么定义的呢？
我们把物体处于一定的高度而具有的能叫做重力势能。
板书：第二章第2节　势能的改变
一、重力势能
1、定义：物体处于一定的高度而具有的能叫做重力势能。
二、新课教学   
（一）重力势能
▲第一层次：定性探究重力势能的大小
程序一：提出问题：重力势能的大小与什么因素有关？
程序二：建立假设
师：同学们可以根据已有的知识和经验，大胆提出自己的假设，并且说明你的理由。
生：高度有关。①由定义：地球上的物体由于处于一定的高度而具有的能量，我们把这种能量叫做重力势能。②例如，放在地面上的石头没有杀伤力，一旦从较高处落下，就会很危险；打桩机重锤越高，桩陷得越深。
生：①与物体的质量（重力）有关。如果悬挂在头顶之上的是一团棉花，不是杠铃，就不会觉得可怕。②如果你的头顶电线下悬挂的不是日光灯，而是200千克的杠铃，你有何感受？
生：可能与质量和高度都有关系。
2、猜想：重力势能与质量和高度都有关系
有两句俗话说得很形象：（1）爬得越高，摔得越惨。（2）搬起石头砸自己的脚。说明重力势能与质量和高度都有关系。那么重力势能的大小与质量和高度到底有怎样的关系呢？
我们用一个小实验来定性地回顾一下他们之间究竟有什么关系。
程序三：检验假设
实验定性检验：在一个透明的玻璃容器内装上沙子，一张木制小桌放在沙面上，两个大小相同的小球（一个钢球、一个木球）。
实验一：探究重力势能与质量的定性关系，我们先控制高度不变。在沙盆上方同一高度释放两个小球，观察铁球砸在小木桌后，小木桌陷入沙子中的深度。

实验结果：钢球的质量大，小木桌在沙中陷得比较深。
实验二：探究重力势能与高度的定性关系，我们要控制质量不变，让一个铁球分别从不同的高度释放，观察铁球砸在小木桌后，小木桌陷入沙子中的深度。
实验结果：钢球释放的位置越高，小木桌在沙中陷得越深。
引导学生观察实验和分析实验现象说明重力势能的大小与质量和高度之间的定性关系。
教师总结：通过上述演示，我们可以定性得到：重力势能跟物体的质量和高度都有关系，且物体的质量越大，高度越大，重力势能就越大。
3、实验探究结论：物体的质量越大，高度越大，重力势能就越大。
师：那么重力势能具体是怎么计算的呢？
▲第二层次：从重力做功的特点推导重力势能的表达式
正如前述，物体由于被举高而具有重力势能，质量越大，高度越高，重力势能就越大，重力势能的表达式应该符合这些特征。另外，我们知道当物体所在位置的高度发生变化时，重力要做功。物体下降时重力做正功，物体被举高时重力做负功。因此，认识重力势能的定量式离不开对重力做功的研究。下面我们就从重力做功的角度来定量认识重力势能。
（1）如图所示，设一个质量为m的物体，从高度是h1的位置A，做自由落体运动到高度是h2的位置B。这个过程中重力做的功是 WG＝mgh＝mgh1－mgh2
（2）再看另一种情况。质量为m的物体沿着倾斜的直线向下运动，高度仍然由h1降为 h2，物体沿倾斜直线运动的距离是l，如图所示，则在这一过程中重力做的功是WG= mgcosθ•l ＝mgh＝mgh1－mgh2
上面两种情况中，尽管物体运动的路径不同，但高度的变化是一样的，而且重力做的功也是一样的。
（3）假设这个物体沿任一路径由高度是高度h1的起点A，运动到高度是h2的终点B，如图所示，我们把整个路径分成许多很短的间隔AA1，A1A2，A2A3，…（微元法）
由于每一段都很小，因而都可以近似地看做一段倾斜的直线。设每段小斜线的高度差分别是Δh1，Δh2，Δh3，…
则物体通过每段小斜线时重力做的功分别为mgΔh1，mgΔh2，mgΔh3，…
那么物体通过整个路径时重力做的功，等于重力在每小段上所做功的代数和，即
WG＝mgΔh1＋mgΔh2＋mgΔh3＋…＝mg(Δh1＋Δh2＋Δh3＋…)＝mgh＝mgh1－mgh2
功是能量转化的量度，做功的过程就是能量转化的过程，做了多少功，就有多少能量发生转化。重力做了多少功，就有多少重力势能发生了转化。也就是通式“mgh”发生了变化。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。我们就把物理量mgh叫做物体的重力势能，用Ep表示。所以重力势能EP=mgh
板书：4、重力势能Ep=mgh
▲第三层次：理解EP=mgh　
主要采取讲授式。重力势能是标量，它的单位与功的单位相同，在国际单位制中都是J
5、标量 6、单位：焦耳（J）
式中的m是物体的质量，g是重力加速度，h是什么呢？是物体所处的高度？对同一个物体，m一定，重力势能的大小由物体所处的高度决定。现在假设讲台离地面高为H，一支粉笔放在桌面上，那么粉笔相对于桌面的高度是多少？（忽略粉笔的粗细）　　生：高度为0。
师：那么粉笔的重力势能为多少呢？　　　　生：0
师：很好，那粉笔相对于地面的高度为多少呢？（很好，H）。那粉笔的重力势能是多少呢？（EP=mgH）。也就是说我们两次求出来的同一个物体的重力势能大小不一样，这是为什么呢？因为我们选取的参考平面不一样。由此我们可以知道重力势能总是相对于某个水平面来说的，这个水平面叫参考平面。参考平面选取不同，重力势能的数值就不同.可见，重力势能具有相对性。
所以计算一个物体的重力势能时，我们必须先选定某一个水平面，并把这个水平面的高度定为零，即取物体在该面上的重力势能也为０，我们把这样的平面叫做零势能参考平面。所以h指得是物体的重心到零势能面的竖直距离。
7、相对性：Ep与参考平面（零势能面）的选择有关
例如：如果我们选定桌面为零势能参考平面，当质量为ｍ的物体位于该参考平面以上高度为h１的A处时，它的重力势能是多少呢？——EPA=mgh1；当物体放在桌面上时，它的重力势能即为ＥＰＢ＝０；而当物体放在桌面以下ｈ２的地上时，它的重力势能则为EＰＣ＝－mgh２。
正负代表大小，对选定的参考平面而言，在参考平面上方的物体，高度是正值，重力势能也是正值，表示物体在该位置具有的重力势能比在参考平面具有的重力势能要大。
在参考平面下方的物体，高度是负值，物体具有负的重力势能，表示物体在该位置具有的重力势能比在参考平面上具有的重力势能要少。
8、系统性：重力势能与物体间的相对位置有关，重力势能是地球表面附近物体与地球间的相对位置决定的。重力势能为地球与物体所共有的，而不是物体单独具有的，重力势能具有系统性。为了叙述方便，可以说成是某一物体的重力势能。
实际上，只有当放在高处的物体下落时，才对外做功，因此重力势能可以看成是一种被暂时储存起来的潜在力量。在生产生活中，人们根据需要将重力势能转化为动能把桩钉打入地下；在江河中修筑堤坝提高水位，就可以利用水的重力势能来发电。
二、重力做功与重力势能的改变
过渡语：力做功的过程就是能量转化的过程（功是能量变化的量度），物体重力势能发生变化是由重力做功引起的，那么重力势能的改变与重力所做的功又有什么关系呢？
板书：二、重力做功与重力势能的改变
我们先看看重力做功有什么特点？
从以上三道例题中，我们可以看出，物体运动时，重力对它做的功跟它的起点和终点的位置有关，而跟物体运动的路径无关。
【讨论和交流】（课本p30的讨论与交流）
如图，小球以不同的路径从某一高度A运动到B点，重力对小球做功大小有什么关系？说明了什么？
A
B
教师引导：
①从“力做功的两个要素：力与力方向上的位移”的角度思考。在重力方向通过的位移都为h，所以重力做功大小相等。
②从功能关系：重力做功是引起物体重力势能变化的唯一因素的角度思考。WG=Ep1-Ep2=mgh1-mgh2相同。
结论：重力做功只与物体始末位置的高度差有关，与路径无关。
1、重力做功只跟它的起点和终点的位置（高度差）有关，与物体运动的路径无关。
接下来，我们来讨论重力势能的改变与重力所做的功有什么样的关系。
说明什么是重力势能的变化：△EP＝Ep2－Ep1
我们通过实例来探究这些问题。从上述三道例题中，小球由A点运动到B点，重力做正功还是负功，重力势能怎么变化？让小球从B点运动到A点，重力做正功还是负功，重力势能怎样变化？
分析表明：小球从A点运动B点，这一过程中重力方向与位移的方向相同，重力做正功，重力做功为WG=Ep1-Ep2=mgh1-mgh2＞0，重力势能的变化均为=EPA- EPB=mgh1-mgh2＞0，重力势能减少，重力做多少功，重力势能减少多少，重力势能的变化与重力做功的关系WG＝Ep1－Ep2＝－△EP；若是小球从B点运动到A点，重力方向与位移方向相反，重力做负功，即物体克服重力做功，WG＜0，Ep1＜Ep2，重力势能增加。
总之，重力势能的改变是由重力做功决定的：重力对物体做多少功，物体的重力势能就减小多少，物体克服重力做多少功（重力做负功），重力势增加多少；重力势能的改变与是否有除重力之外的其他力存在或参与做功无关。
2、公式：WG＝Ep1－Ep2＝－△Ep
引导观察：重力势能与零势面选取有关吗？物体在某两点间重力势能的改变与零势面选取有关吗？
例：如图，质量为m的小球，从桌面以上h1的A点落到地面的B点，桌面高h2，
选取不同的参考平面如桌面和地面，物体在A点和B点的重力势能的不同，但是从A到B的过程，WG和△EP与参考面的选择无关。（板书对桌面和地面EpA、EpB、WG和△EP）
经过讨论分析，总结规律：重力势能的具有相对性（相对于不同的参考平面重力势能的大小不同），确定了参考平面，物体重力势能才有确定值。
3、重力势能的改变与零势能面的选取无关，具有绝对性
三、弹性势能的改变
在射箭比赛中，运动员的手一松开，拉满弦的弯弓在恢复原状时就把利箭发射出去。可见，发生弹性形变的物体在恢复原状的过程中能够做功，说明它具有能量。
请同学们再举几个物体具有弹性势能的例子。
学生：观察课件演示，体会发生形变的物体，具有弹性势能；思考并举例：
a.卷紧的发条　b.被拉伸或压缩的弹簧　c.击球的网球拍　d.拉开的弓.
师生共同分析，得出结论：上述例子中，弹簧被压缩或拉伸时，要发生形变，在恢复原状时能够对木块做功，因而具有能量，物理学中把物体因为发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能。
教师：弹性势能的大小与哪些因素有关？我们就来探究这些问题。
板书：三、弹性势能和弹性势能的改变
在弹簧被拉长或者被压缩时，弹簧中就存储了弹性势能；弹簧在恢复原状的过程中，它对外做功。经验告诉我们，弹性形变越大，在恢复原状时它对外做的功越多，具有的弹性势能就越大。
【演示】课本第31页的迷你实验
将弹簧竖直向上固定，再用乒乓球把弹簧往下压，使弹簧产生一定的弹性形变，然后突然放开手，看看乒乓球能弹多高。用大小不同的力，使弹簧产生大小不同的弹性形变，重复做几次，看看乒乓球弹起的高度有什么不同。
我们在学习重力势能时，是从哪里开始入手进行分析的？这对我们讨论弹性势能有何启示？
学生：思考后回答：学习重力势能时，是从重力做功开始入手分析的，讨论弹性势能应该从弹力做功的分析入手。
引导：结合实验现象，实验中，弹簧在恢复原状的过程中对乒乓球做功，同时随着弹簧迅速恢复到原状，弹性势能也减小到零，弹簧也就不能再对外做功了。再通过类比重力做功与重力势能改变的关系来理解和得出弹力做功与弹性势能的改变的关系。
由学生讨论得出结论：弹性势能的大小同弹性形变的大小有关。弹性形变越大，弹性势能也越大。弹簧对外做了多少功，弹性势能就减小多少；反之，克服弹力做了多少功，弹性势能就增大多少。
教师强调：弹簧处与原长时弹性势能为0；弹簧的伸长和压缩的长度相同，则弹性势能也相同。
1、弹性形变越大，弹性势能也越大
2、势能（由老师讲解）
势能：由相互作用的物体的相对位置决定的能量。
重力势能：由地球和物体间相对位置决定。
弹性势能：由发生形变的各部分的相对位置决定。
三、课堂小结
一、重力势能
1、物体的重力势能等于它所受的重力与所处高度的乘积。即：
2、重力势能是标量，单位是焦耳（J）
二、重力做功与重力势能变化的关系：WG ＝ mgh1 - mgh2＝ Ep1－ Ep2
重力所做的功只跟初位置的高度h1和末位置的高度h2有关，与物体运动的路径无关。
三、重力势能的相对性
四、随堂练习：课本习题P32　1、2、3　　
五、课后作业：练习册
教学反思：
重力势能的理解关系到机械能守恒定律的理解，也关系着机械能定律的理解，也关系到机械能守恒定律的应用。由于初中学过关于重力势能的介绍。因此本节的主要任务是完成由感性认识到理性认识，由定性到定量的转化。
　　1、视频导入。本节课由几段视频引入，极大的吸引学生的注意力，让学生尽快把注意力转移到课堂，并且也给学生对于重力势能的感性认识。
　　有几个形象生动的生活中的现象，让学生通过自己的分析猜想重力势能的大小与哪些方面的因素有关，一方面调动学生的积极性，把课堂还给学生，更重要的是猜想也是一种在科学研究中经常用到的很常见的方法。如何根据经验和现象进行猜想，也是科学研究中的一重要的能力。这一环节很符合新课标培养学生科学素养的教学要求。
　　2、规范的物理推导。这一节课的重点就是重力势能定义式的推导，因此严格的根据恒力做功的公式推导重力做功，得出重力势能的定义式，经历了一个思维的过程，在教学过程中，要让学生充分的体会理解。这一环节教师的引导尤为重要，课堂上顺利的完成了这一任务，学生顺势而为的记住了重力势能的定义式。
　　3、学以致用。学生在理解重力做功和重力势能的变化均与零势能面的选取无关，而重力势能本身却与零势能面的选取有关时，通过一个课本后面的练习题，让具体的数据帮助学生理解这一知识点，显然就降低了难度，容易让学生接受。
　　总之，这节课的目的是让学生亲身在学习中体会知识的形成过程，学习科学研究的方法，以及想方设法降低难度让学生更易于接受新知识，取得较好的教学效果。