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高中物理《勢(shì)能的改變》教案設(shè)計(jì)意圖篇一
本節(jié)講述重力勢(shì)能及其相對(duì)性，重力勢(shì)能的變化以及與重力做功的關(guān)系。由于與動(dòng)能定理的表述不一致，學(xué)生往往不易理解，教學(xué)時(shí)最好能結(jié)合一些實(shí)例，從能量轉(zhuǎn)化的角度分析，解開學(xué)生的困惑，例如可舉在自由落體運(yùn)動(dòng)中，重力做正功，重力勢(shì)能減少，同時(shí)由動(dòng)能定理可知，動(dòng)能增加，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。這樣做也可以為下一節(jié)講解機(jī)械能守恒定律作好準(zhǔn)備。
關(guān)于重力做功與路徑無關(guān)和彈性勢(shì)能的教學(xué)，根據(jù)學(xué)校學(xué)生的具體情況，可以適當(dāng)?shù)卣归_探究，這對(duì)提升學(xué)生能力是非常有幫助的。
學(xué)生已掌握動(dòng)能、重力勢(shì)能的概念，對(duì)本節(jié)來說已有了很好的知識(shí)基礎(chǔ)，教學(xué)中應(yīng)大膽放手，使學(xué)生對(duì)重力做功和重力勢(shì)能的改變的關(guān)系進(jìn)行探索，有利于培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)探究能力，培養(yǎng)興趣。
重力勢(shì)能的概念及重力做功跟物體重力勢(shì)能改變的關(guān)系。
重力勢(shì)能的系統(tǒng)性和相對(duì)性。
球（大小相同的一個(gè)鋼球，一個(gè)木球）兩個(gè)、透明玻璃容器、沙子、投影片等。
1課時(shí)
1。理解重力勢(shì)能的概念，會(huì)用重力勢(shì)能的定義進(jìn)行計(jì)算；
2。理解重力勢(shì)能的變化和重力做功的關(guān)系，知道重力做功與路徑無關(guān)；
3。知道重力勢(shì)能的相對(duì)性；
4。了解彈性勢(shì)能。
1。根據(jù)功和能的關(guān)系，推導(dǎo)出重力勢(shì)能的表達(dá)式；
2。學(xué)會(huì)從功和能的關(guān)系上分析和解釋物理現(xiàn)象。
滲透從對(duì)生活中有關(guān)物理現(xiàn)象的觀察，得到物理結(jié)論的方法，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生探索自然規(guī)律的興趣。
放錄像：節(jié)選美麗的東北雪景，緊接著過渡到大雪山的壯觀，在學(xué)生正看得津津有味時(shí)，跳到雪山發(fā)生雪崩，大雪以排山倒海之勢(shì)，摧毀一切，給人類和自然帶來巨大的災(zāi)難。
教師提問：為什么看起來非常漂亮的雪花會(huì)有如此大的破壞力呢？
學(xué)生回答：由于具有巨大的能量。
學(xué)生活動(dòng)：接著觀看錄像，思考問題。
重錘把水泥樁打進(jìn)地里，說明重錘對(duì)水泥樁做了功。據(jù)功和能的關(guān)系，既然重錘可以對(duì)水泥樁做功，表明重錘具有能。
在初中，我們已經(jīng)學(xué)過：物體由于被舉高而具有的能量叫重力勢(shì)能。那么重力勢(shì)能的大小與什么有關(guān)，又如何定量表示呢？除了重力勢(shì)能以外還有其他形式的勢(shì)能嗎？本節(jié)課我們就來研究解決這些問題。
【實(shí)驗(yàn)探究】
1。重力勢(shì)能與什么因素有關(guān)
［程序一］演示實(shí)驗(yàn)
［演示一］在一個(gè)玻璃容器內(nèi)放入沙子，拿一個(gè)鐵球分別從不同的高度釋放，使其落到沙子中，測(cè)量鐵球落入的深度。
［演示二］
把大小相同、質(zhì)量不同的兩個(gè)球從同一高度釋放，測(cè)量它們落入沙子中的深度。
［程序二］學(xué)生敘述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：
（1）當(dāng)鐵球質(zhì)量一定時(shí)，釋放點(diǎn)越高，鐵球落入沙子中越深；
（2）當(dāng)釋放高度一定時(shí)，鐵球質(zhì)量大，鐵球落入沙子中越深。
［程序三］據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)：
物體的質(zhì)量越大，高度越大，重力勢(shì)能就越大。
在物理學(xué)中我們就用gh這個(gè)物理量來表示物體的重力勢(shì)能。
板 書：
ep=gh
物體的質(zhì)量 千克（g）
g 重力加速度 米/秒2（/s2）
h 物體的高度 米（）
ep 物體的重力勢(shì)能 焦耳（）
重力勢(shì)能是標(biāo)量，單位：
2。重力勢(shì)能的相對(duì)性和系統(tǒng)性
教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生閱讀課文相關(guān)內(nèi)容。投影閱讀思考題：
（1）為什么說重力勢(shì)能具有相對(duì)性？
（2）什么是參考平面？參考平面的選取是唯一確定的嗎？
（3）選擇不同的參考平面，物體的重力勢(shì)能的數(shù)值是否相同？是否會(huì)影響有關(guān)重力勢(shì)能問題的研究？
（4）如果物體在參考平面的上方，重力勢(shì)能取什么值？表示什么含義？
（5）如果物體在參考平面的下方，重力勢(shì)能取什么值？表示什么含義？
學(xué)生活動(dòng)：帶著問題閱讀教材，然后選出代表發(fā)言。
教師活動(dòng)：聽取學(xué)生匯報(bào)，總結(jié)點(diǎn)評(píng)：
1。重力勢(shì)能總是相對(duì)于某個(gè)水平面來說的，這個(gè)水平面叫參考平面。參考平面選取不同，重力勢(shì)能的數(shù)值就不同?？梢姡亓?shì)能具有相對(duì)性。
選擇哪個(gè)水平面作為參考平面，可視具體情況而定，通常選擇地面作為參考平面。
2。選擇不同的參考平面，物體的重力勢(shì)能的數(shù)值是不同的，但并不影響研究有關(guān)重力勢(shì)能的問題，因?yàn)樵谟嘘P(guān)的問題中，有確定意義的是重力勢(shì)能的差值，這個(gè)差值并不因選擇不同的參考平面而有所不同。
3。對(duì)選定的參考平面而言，在參考平面上方的物體，高度是正值，重力勢(shì)能也是正值，表示物體在該位置具有的重力勢(shì)能比在參考平面具有的重力勢(shì)能要大。
4。在參考平面下方的物體，高度是負(fù)值，物體具有負(fù)的重力勢(shì)能，表示物體在該位置具有的重力勢(shì)能比在參考平面上具有的重力勢(shì)能要少。
重力勢(shì)能和重力有關(guān)，而重力是地球施加給物體的，沒有地球，也就談不上重力勢(shì)能?？梢姡亓?shì)能是“地球和物體”這個(gè)系統(tǒng)共有的。
學(xué)生活動(dòng)：討論對(duì)重力勢(shì)能“系統(tǒng)性”的理解，并發(fā)表各自的觀點(diǎn)。
1。關(guān)于重力勢(shì)能的幾種理解，正確的是（ ）
a。重力勢(shì)能等于零的物體，一定不會(huì)對(duì)別的物體做功
b。放在地面上的物體，它的重力勢(shì)能一定等于零
c。在不同高度將某一物體拋出，落地時(shí)重力勢(shì)能相等
d。相對(duì)不同的參考平面，物體具有不同數(shù)值的重力勢(shì)能，但并不影響研究有關(guān)重力勢(shì)能的問題
答案：cd
2。如圖所示，桌面高為h，質(zhì)量為的小球從離桌面高h(yuǎn)處自由落下，不計(jì)空氣阻力。假設(shè)桌面處的重力勢(shì)能為0，則小球落到地面前瞬間的重力勢(shì)能為（ ）
a。ghb。gh
c。g（h+h）d。－gh
思路：重力勢(shì)能的大小是相對(duì)參考平面而言的，參考平面選擇不同，物體的高度不同，重力勢(shì)能的大小則不同。
解析：據(jù)題意知，已選定桌面為參考平面，則小球在最高點(diǎn)時(shí)的高度為h，小球在桌面的高度為零，小球在地面時(shí)的高度為－h(huán)，所以小球落到地面時(shí)，它的重力勢(shì)能為e下標(biāo)？p？=－gh。
答案：d
［程序一］定性討論：
1。把一個(gè)物體舉高，重力做什么功？重力勢(shì)能如何變化？
2。一個(gè)物體從高處下落，重力做什么功？重力勢(shì)能如何變化？
［程序二］學(xué)生匯報(bào)討論結(jié)果：
把一個(gè)物體舉高，重力做負(fù)功，即物體克服重力做功，物體的重力勢(shì)能增大；
一個(gè)物體從高處下落，重力做正功，重力勢(shì)能減小。
［程序三］教師總結(jié)：
從剛才的討論中可知：重力做正功，重力勢(shì)能減?。恢亓ψ鲐?fù)功，重力勢(shì)能增加。
把功和能的關(guān)系用到此處得到：
1。重力勢(shì)能的變化跟重力做功有密切聯(lián)系。
2。重力做了多少功，重力勢(shì)能就改變多少。
［過渡］由此我們可以借助于重力做功來定量研究重力勢(shì)能。
［程序四］推導(dǎo)重力勢(shì)能的定量表示式。
［投影］
一個(gè)質(zhì)量為的物體從距地高為h1的a點(diǎn)下落到距地高為h2的b點(diǎn)，求重力做的功。
在該下落過程中，重力做的功為：
wg=gδh=gh1－gh2。
［程序五］討論重力做的功與重力勢(shì)能改變之間的關(guān)系。
投影公式：
wg=ep1－ep2
［說明］wg表示重力做的功；ep1表示物體初位置的重力勢(shì)能；ep2表示物體末位置的重力勢(shì)能。
討論得到：
1。當(dāng)物體由高處運(yùn)動(dòng)到低處時(shí)，重力做正功，則wg>0，ep1>ep2？，表示重力做正功時(shí)，重力勢(shì)能減少，減少的重力勢(shì)能等于重力所做的功。
2。當(dāng)物體由低處運(yùn)動(dòng)到高處時(shí)，重力做負(fù)功，wg<0，ep1<ep2，表示物體克服重力做功（重力做負(fù)功）時(shí)，重力勢(shì)能增加，增加的重力勢(shì)能等于克服重力所做的功。
物體從a運(yùn)動(dòng)到b，路徑有無數(shù)條，但不論沿哪條路徑，從a到b重力做的功都等于物體重力勢(shì)能的減少量。而物體重力勢(shì)能的減少量gδh是一定的，所以沿不同的路徑把物體從一位置移動(dòng)到另一位置，重力所做的功是一定的。
重力所做的功只跟初位置的高度h1和末位置的高度h2有關(guān)，跟物體運(yùn)動(dòng)的路徑無關(guān)。
1。起重機(jī)以 的加速度將質(zhì)量為的物體勻減速地沿豎直方向提升高度h，則起重機(jī)鋼索的拉力對(duì)物體做的功為多少？物體克服重力做功為多少？物體的重力勢(shì)能變化了多少？
解析：由題意可知起重機(jī)的加速度 ，物體上升高度h，
據(jù)牛頓第二定律得g－f=a，所以f=g－a=g－× g= g
方向豎直向上。
所以拉力做功
wf=fhcs0°= gh
重力做功
wg=ghcs180°=－gh
即物體克服重力做功為gh
又因?yàn)閣g=ep1－ep2=－gh
wg<0，ep1<ep2
即物體的重力勢(shì)能增加了gh。
2。如圖所示，一條鐵鏈長為2 ，質(zhì)量為10 g，放在光滑的水平地面上，拿住一端勻速提起鐵鏈直到鐵鏈全部離開地面的瞬間，拉力所做的功是多少？
解析：由于鐵鏈中各鐵環(huán)之間在未提起時(shí)無相互作用，所以勻速提起時(shí)的拉力f1總是等于被提起部分鐵環(huán)的重力，即f1=g1=1g。由于1是逐漸增大的，所以拉力f1也是逐漸增大的，所以不能用w=fhcsα求解。
由功能關(guān)系，鐵鏈從初狀態(tài)到末狀態(tài)，它的重心位置提高了 ，因而它的重力勢(shì)能增加了δep=gh=gl/2，又由于鐵鏈?zhǔn)莿蛩偬崞?，因而它的?dòng)能沒有變化，所以拉力f對(duì)鐵鏈所做的功就等于鐵鏈重力勢(shì)能的增加量。
即wf=δep= gl= ×10×9。8×2 =98 。
裝置如圖所示：
將一木塊靠在彈簧上，壓縮后松手，彈簧將木塊彈出。
分別用一個(gè)硬彈簧和一個(gè)軟彈簧做上述實(shí)驗(yàn)，分別把它們壓縮后松手，觀察現(xiàn)象。
學(xué)生活動(dòng)：觀察并敘述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
現(xiàn)象一：同一根彈簧，壓縮程度越大時(shí)，彈簧把木塊推得越遠(yuǎn)。
現(xiàn)象二：兩根等長的軟、硬彈簧，壓縮相同程度時(shí)，硬彈簧把木塊彈出得遠(yuǎn)。
師生共同分析，得出結(jié)論：
上述實(shí)驗(yàn)中，彈簧被壓縮時(shí)，要發(fā)生形變，在恢復(fù)原狀時(shí)能夠?qū)δ緣K做功，因而具有能量，這種能量叫做彈性勢(shì)能。
教師活動(dòng)：多媒體演示（撐桿中的彈性勢(shì)能），發(fā)生形變的物體，具有彈性勢(shì)能。
請(qǐng)同學(xué)們?cè)倥e幾個(gè)物體具有彈性勢(shì)能的例子。
學(xué)生活動(dòng)：觀察演示，體會(huì)發(fā)生形變的物體，具有彈性勢(shì)能；思考并舉例：a。卷緊的發(fā)條 b。被拉伸或壓縮的彈簧 c。擊球的網(wǎng)球拍 d。拉開的弓。
教師活動(dòng)：彈性勢(shì)能的大小與哪些因素有關(guān)？彈性勢(shì)能的表達(dá)式應(yīng)該是怎樣的？我們就來探究這些問題。
我們?cè)趯W(xué)習(xí)重力勢(shì)能時(shí)，是從哪里開始入手進(jìn)行分析的？這對(duì)我們討論彈性勢(shì)能有何啟示？
學(xué)生活動(dòng)：思考后回答：
學(xué)習(xí)重力勢(shì)能時(shí)，是從重力做功開始入手分析的，討論彈性勢(shì)能應(yīng)該從彈力做功的分析入手。
點(diǎn)評(píng)：通過知識(shí)的遷移，找到探究規(guī)律的思想方法，形成良好的思維習(xí)慣。
教師活動(dòng)：當(dāng)彈簧的長度為原長時(shí)，它的彈性勢(shì)能為零，彈簧被拉長或被壓縮后，就具有了彈性勢(shì)能，我們只研究彈簧拉長的情況。
在探究的過程中，我們要依次解決哪幾個(gè)問題呢？請(qǐng)同學(xué)們快速閱讀課本，把這幾個(gè)問題找出來。
學(xué)生活動(dòng)：閱讀教材，找出探究過程中要依次解決的問題，從總體上把握探究的思路。
教師活動(dòng)：傾聽學(xué)生回答，進(jìn)一步引導(dǎo)。
（1）重力勢(shì)能與高度h成正比，彈性勢(shì)能是否也與彈簧的伸長量（或縮短量）成正比？說出你的理由。
（2）在高度h相同的情況下，物體的質(zhì)量越大，重力勢(shì)能越大，對(duì)于不同的彈簧，其彈性勢(shì)能是否也有類似的情形？
（3）對(duì)彈性勢(shì)能的猜測(cè)，并不能告訴我們彈性勢(shì)能的`表達(dá)式，這樣的猜測(cè)有沒有實(shí)際意義？
學(xué)生活動(dòng)：思考問題，學(xué)生代表發(fā)言。
教師活動(dòng)：聽取學(xué)生匯報(bào)，點(diǎn)評(píng)，解答學(xué)生可能提出的問題。
提出問題：重力做功，重力勢(shì)能發(fā)生變化，重力做功在數(shù)值上等于重力勢(shì)能的變化量。那么，彈力做功與彈性勢(shì)能的變化之間的關(guān)系是怎樣的？
學(xué)生活動(dòng)：思考問題，學(xué)生代表發(fā)言。
教師活動(dòng)：聽取學(xué)生匯報(bào)，點(diǎn)評(píng)，解答學(xué)生可能提出的問題。
提出問題：重力是恒力，重力做功等于重力與物體在豎直方向移動(dòng)距離的乘積。那么，拉伸彈簧時(shí)，拉力做功該怎樣計(jì)算？并在練習(xí)本上自己畫圖，寫出拉力在整個(gè)過程中做功的表達(dá)式。
學(xué)生活動(dòng)：思考拉力做功的計(jì)算方法，選出代表發(fā)表自己的見解。
點(diǎn)評(píng)：通過學(xué)生閱讀，培養(yǎng)學(xué)生的閱讀理解能力；通過學(xué)生探求變力做功的方法，初步形成微分求解變量的物理思想方法。
教師活動(dòng)：聽取學(xué)生匯報(bào)，投影學(xué)生的求解過程，解答學(xué)生可能提出的問題。
提出問題：怎樣計(jì)算拉力做功的求和式？是否可以用f—l圖象下梯形的面積來代表功？
學(xué)生活動(dòng)：在練習(xí)本上作f—l圖象，推導(dǎo)拉力做功的表達(dá)式。
教師活動(dòng)：聽取學(xué)生匯報(bào)，投影學(xué)生的推導(dǎo)過程，解答學(xué)生可能提出的問題。
點(diǎn)評(píng)：在處理勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移時(shí)，曾利用vt圖象下梯形的面積來代表位移；這里利用f—l圖象下的面積來代表功，可以培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移的能力。但要搞清彈簧長度和伸長量的區(qū)別，l表示伸長量，則f—l圖象下是一個(gè)三角形的面積來代表功。
1。對(duì)彈性勢(shì)能的理解
［例1］一豎直彈簧下端固定于水平地面上，小球從彈簧的正上方高為h的地方自由下落到彈簧上端，如圖所示，經(jīng)幾次反彈以后小球最終在彈簧上靜止于某一點(diǎn)a處。則（ ）
a。h愈大，彈簧在a點(diǎn)的壓縮量愈大
b。彈簧在a點(diǎn)的壓縮量與h無關(guān)
c。h愈大，最終小球靜止在a點(diǎn)時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能愈大
d。小球第一次到達(dá)a點(diǎn)時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能比最終小球靜止在a點(diǎn)時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能大
解析：最終小球靜止在a點(diǎn)時(shí)，通過受力分析，小球受自身重力與彈簧的彈力作用，由彈力公式f=l，即可得出彈簧在a點(diǎn)的壓縮量與h無關(guān)，彈簧的彈性勢(shì)能與h無關(guān)。
答案：b
2。關(guān)于不同能量間的轉(zhuǎn)化
［例2］如圖所示，表示撐桿跳運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)階段：助跑、撐桿起跳、越橫桿。試定性地說明在這幾個(gè)階段中能量的轉(zhuǎn)化情況。
分析：運(yùn)動(dòng)員的助跑階段，身體中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為人和桿的動(dòng)能；起跳時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能和身體中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為人的重力勢(shì)能和撐桿中的彈性勢(shì)能；隨著人體的繼續(xù)上升，撐桿中的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為人的重力勢(shì)能，使人體上升至橫桿以上；越過橫桿后，運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。
教師活動(dòng)：勢(shì)能也叫位能，是由相互作用的物體的相對(duì)位置決定的。重力勢(shì)能是由地球和地面上物體的相對(duì)位置決定的，彈性勢(shì)能是由發(fā)生彈性形變的物體各部分的相對(duì)位置決定的。我們以后還會(huì)學(xué)到其他形式的勢(shì)能。
［例1］盤在地面上的一根不均勻的金屬鏈重g=30 n，長l=1 ，從一端緩慢提起至另一端恰好離開地面時(shí)需做功10 。金屬鏈重力勢(shì)能增加__________，此時(shí)金屬鏈重心位置距地面__________。如果改從另一端緩慢提起至金屬鏈恰好離開地面需做功__________。
解析：從一端緩慢提起至另一端恰好離開地面時(shí)需做功10 ，金屬鏈重力勢(shì)能增加δep=gh1=10 ，此時(shí)金屬鏈重心位置距地面h1=0。33 。如果改從另一端緩慢提起至金屬鏈恰好離開地面需做功w2=g（l—h1）=20 。
［例2］如圖所示，一個(gè)人通過定滑輪勻速地拉起質(zhì)量為的物體，當(dāng)人沿水平地面從a點(diǎn)走到b點(diǎn)時(shí)，位移為s，繩子方向與豎直方向成α角，原先繩子方向豎直，不計(jì)阻力。則人拉物體所做的功為多少？
解析：由于人拉繩的力的方向不確定，不能用功的定義式來計(jì)算人所做的功，須通過動(dòng)能定理來計(jì)算人所做的功。而重力的功根據(jù)重力做功的特點(diǎn)可得： 。
由動(dòng)能定理可得：w—wg=0
所以人所做的功為： 。
1。勢(shì)能由物體間的相互作用而產(chǎn)生，由它們的相對(duì)位置而決定。
2。勢(shì)能是標(biāo)量，單位是焦耳。
3。重力對(duì)物體所做的功與物體的運(yùn)動(dòng)路徑無關(guān)，只跟物體運(yùn)動(dòng)的始、末位置有關(guān)，重力所做的功等于物體始、末位置的重力勢(shì)能之差。
4。重力勢(shì)能是地球和地面上的物體共同具有的，一個(gè)物體的重力勢(shì)能的大小與參考平面的選取有關(guān)。
布置作業(yè)
課本p31作業(yè)1、2、3、4。
探究橡皮筋的彈性勢(shì)能與伸長量的關(guān)系。
寫出實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)，同學(xué)間交流討論。
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