高三物理教案：《機械能守恒定律》教學設(shè)計

　　第一節(jié)  追尋守恒量

　　1、費因曼的開場白

　　2、前人關(guān)于運動的思辨——追尋守恒量

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

　　3、近代物理關(guān)于運動多少描述的追尋

　　（1）伽利略雙斜面實驗的隱含的事實

　　（2）笛卡爾碰撞實驗：第一個合適的描述運動的物理量——mv

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

　　（4）惠更斯碰撞實驗的發(fā)現(xiàn)：mv守恒，mv、mv2均守恒（彈性碰撞）

　　4、追尋守恒量——動量mv、能量、角動量、宇稱等

　　5、能量及其變化的量度

　　（1）實驗探索：基于守恒思想，分析實驗，進而得出能量的表達式以及能量轉(zhuǎn)化與守恒的結(jié)果

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

　　【例2】碰撞實驗——質(zhì)量大的、質(zhì)量小的兩個小球，以相同速度碰撞同一個小球：能量與質(zhì)量有關(guān)；對自由落體運動的反思：mv2與2mgh的相互轉(zhuǎn)化與守恒，活力mv2、死力2mgh

　　（2）理論分析：分析一系列守恒現(xiàn)象中，與能量轉(zhuǎn)化相關(guān)的現(xiàn)象，從而找到能量變化的量度，進而找到能量的量度

　　【例】科里奧利的思考

　　6、各種能量及其之間的轉(zhuǎn)化與守恒

　　第二節(jié)  功與功率（一）

　　1、科里奧利的思考[來源:Z+xx+k.Com]

　　（1）換一個角度思考問題：力對空間的積累——能量變化

　　2、功的概念

　　（1）功的定義

　　①功是能量變化（轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化）的量度[來源:學+科+網(wǎng)]

　　②定義式：W=△E

　　*單位

　　（2）功的決定因素

　　①兩個決定因素：力，物體在力的方向上的位移

　　②決定式：W=Flcosα

　　3、對W=Flcosα的理解

　　（1）F——恒力

　　（2）l——“力直接作用在其上時”、“力直接作用在其上的物體”、“對地的”位移

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

　　

　　第三節(jié)  功與功率（二）

　　1、做功有快慢之別

　　【例】[來源: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實質(zhì)是描述的能量變化的快慢：P=W/△t=△E/△t

　　②平均功率與瞬時功率

　　3、功率的決定式：P=Fvcosθ

　　（1）推導：

　　（2）理解：P=F·vF=Fv·v

　　【例】分解實例

　　4、功率與生活：（1）額定功率與實際功率，（2）機車的功率與牽引力、速率的關(guān)系

　　第四節(jié)  動能與動能定理

　　1、描述運動的合適物理量的追尋，與科里奧利、拉格朗日的判決

　　2、動能

　　（1）定義式：

　　*單位

　　（2）理解：狀態(tài)量、標量、相對性

　　3、動能定理：W總=△Ek

　　（1）理解1：總功為正，動能增加（其他能量的減少）；總功為負，動能減少（其他能量的增加）

　　（2）理解2：一個過程，兩個狀態(tài)

　　3、動能定理的應(yīng)用

　　第五節(jié)  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、沿斜面的自由下滑運動

　　→

　　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）重力做功的特點與重力勢能

　　①重力做功與路徑無關(guān)——保守力

　　②勢能概念與保守力做功

　　4、重力勢能：EpG=mgh

　　（1）相對性與變化的絕對性

　　（2）系統(tǒng)性

　　第六節(jié)  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(xiàn)象中動能的變化

　　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(shù)、質(zhì)量、長度等

　　（2）彈性勢能表達式的探究（一）：實驗探究——基于能量守恒（動能和彈性勢能的相互轉(zhuǎn)化）

　　（3）彈性勢能表達式的探究（二）：理論探究——基于功能關(guān)系

　　①彈簧彈力做功的計算：復習——變力功的計算方法

　　②彈力做功的特點：與路徑無關(guān)——保守力

　　③彈力做功與彈性勢能

　　3、保守力與勢能定理

　　（1）保守力

　　①力的大小與方向，由相互作用的物體間的相對位置決定

　　②力做功與具體路徑無關(guān)

　　（2）勢能定理

　　①每一種保守力都對應(yīng)一種勢能

　　②勢能定理：WF=－△Ep

　　第七節(jié)  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（只涉及動能、勢能的相互轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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：

　　①重力做功的作用——使機械能內(nèi)幾種形式之間相互轉(zhuǎn)化

　　②除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(zhuǎn)化

　　3、機械能守恒定律

　　（1）第一種表述：一個系統(tǒng)內(nèi)各個物體的運動狀態(tài)在變化過程中，如果只涉及到機械能內(nèi)幾種能量形式之間的相互轉(zhuǎn)化或系統(tǒng)內(nèi)幾個物體間機械能相互轉(zhuǎn)移，則這個系統(tǒng)機械能守恒。

　　第二種表述：一個系統(tǒng)內(nèi)各個物體的運動狀態(tài)在變化過程中，如果只有重力或彈簧彈力做功，則這個系統(tǒng)的機械能守恒

　　（2）幾種情形

　　①沒有力做功——靜止，或自由的勻速直線運動

　　②只受重力（彈簧彈力），且重力做功

　　③受其他的力，但只有重力做功

　　④受其他的力，其他的力也做功，但其他的力的總功為零

　　說明：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(tǒng)，即不包含滑動摩擦力（空氣阻力、粘滯阻力等）、電場力等

　　4、機械能守恒定律的應(yīng)用

　　第八節(jié)  機械能定理與機械能守恒定律（二）

　　——實驗：驗證機械能守恒定律

　　第九節(jié)  能量守恒定律

　　1、能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的歷史

　　（1）機械能守恒的發(fā)現(xiàn)

　　（2）自然現(xiàn)象之間的廣泛聯(lián)系與轉(zhuǎn)化

　　（3）永動機不可能制成

　　（4）能量守恒定律的提出與應(yīng)用

　　2、能量守恒定律

　　（1）內(nèi)容：

　　（2）兩種情形：

　　①封閉系統(tǒng)

　　②開放系統(tǒng)

　　3、系統(tǒng)內(nèi)力、外力的功與系統(tǒng)能量的關(guān)系

　　內(nèi)力功——使能量在系統(tǒng)內(nèi)幾種形式之間相互轉(zhuǎn)化，或使能量在系統(tǒng)內(nèi)幾個物體之間相互轉(zhuǎn)移

　　外力功——外界與系統(tǒng)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、能量守恒與能源開發(fā)

　　說明：

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

　　2、人教版教材第二節(jié)“功”，并沒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，科里奧利是將動能和功的概念一并引進物理學的，科里奧利的分析時基于牛頓定律。我的設(shè)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、動能的表達式不是探究出來的，而是由動能定理，和功一起定義出來的，因此，我取消了“實驗探究功與速度變化的關(guān)系”一節(jié)的內(nèi)容，并在“動能、動能定理”一節(jié)直接給出了動能、動能定理，而沒有再由牛頓定律來推導，這個工作已經(jīng)在功的概念引入時做過了。

　　4、勢能定理其實是基于功的概念的勢能的定義，而功是為了量度能量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)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。《費因曼物理學講義》和趙凱華《新概念物理 力學》中，采用的是由永動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能表達式，并進而由動能變化定義功的概念（即動能定理）。我的設(shè)計就是基于先有動能概念，然后從能量守恒和功能關(guān)系兩個角度來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，這個表述是一種迂回的表述，這使很多時候并不能很快的判斷出能否使用機械能守恒分析問題，所以我直接給出了機械能守恒最直接的表述——“能量表述”，并進一步通過機械能定理中功能關(guān)系的分析，幫助學生理解課本“功能關(guān)系表述”的實質(zhì)——重力做功，實際上只是引起機械能內(nèi)兩種形式之間相互轉(zhuǎn)化。

　　6、人教版關(guān)于在《能量守恒定律》一節(jié)，對兩個內(nèi)容處理有欠缺，其一是永動機是什么，永動機不能制成為什么蘊含著能量守恒的內(nèi)容，其二是系統(tǒng)能量與內(nèi)力、外力做功的關(guān)系——即本節(jié)應(yīng)該基于能量守恒，進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(yīng)用技巧。我的設(shè)計就試圖解決這個問題。