机械能及其守恒定律.ppt

第五章机械能及其守恒定律 教材分析和教学建议,一新旧教材内容结构比较,1章节编排情况比较,新教材 第五章 机械能及其守恒定律 1 追寻守恒量 2 功 3 功率 4 重力势能 5 探究弹性势能的表达式 6 探究功与物体速度变化的关系 7 动能和动能定理 8 机械能守恒定律 9 实验：验证机械能守恒定律 10 能量守恒定律与能源,原教材 第八章 机械能 一、功 二、功率 三、功和能 四、动能 动能定理 五、重力势能 六、机械能守恒定律 七、机械能守恒定律的应用 *八、伯努利方程 实验：验证机械能守恒定律,一新旧教材内容结构比较,1章节编排情况比较,2教材内容结构变化的意图分析,一新旧教材内容结构比较,1章节编排情况比较,原教材关于重力势能和动能的教学线索,(1）功和能：通过四个实例讲解 “功是能能量转化的量度” 运动员举重做了多少功，就有多少化学能转化为重物的重力势能； 压缩的弹簧对小球做了多少功，就有多少弹性势能转化为动能； 机车拉着列车加速，牵引力对列车做了多少功，就有多少内能转化为机械能； 起重机提升重物,钢绳的拉力对重物做了多少功，就有多少电能转化为机械能。,（2）动能和动能定理： 根据“飞机牵引力做了多少功，飞机的动能就增加多少”来确定动能表达式 推导得出 FS mv222mv122 ，确定动能的表达式。 把上述表达式的结论称为动能定理。,（3）重力势能： 根据重力的功WGmgh1mgh2 确定重力势能表达式为mgh。 说明重力功和物体势能变化的关系。 说明重力做功跟路径无关。,从教学线索可以看出：原教材是以 “功是能量转化的量度”结论为理论基础展开对动能、重力势能的探讨的。,新教材关于重力势能和动能的教学线索,（1）.重力势能 重力做功跟路径无关（证明后得出结论）； 定义重力势能Epmgh，概括得出重力功与重力势能的关系WGEp1 Ep2 说明重力势能的大小具有相对性，势能属于系统所共有。,（2）.探究弹性势能的表达式 类比重力与重力势能的关系，明确弹性势能表达式取决于弹力做功的表达式。 对弹力做功的表达式进行理论探究。,(3).探究做功与物体速度变化的关系 背景：已知重力功跟重力势能、弹力功跟弹性势能的变化关系，若不考虑势能，外力对物体做功产生什么效果？ 实验探究后初步得出：外力对静止物体做的功跟物体获得速度的平方成正比。,(4).动能和动能定理 推导得出：FS mv222mv122 分析: mv122 就是我们寻求的动能表达式。 FS mv222mv122 称为动能定理,新教材是从追寻守恒量入手，在逐步了解重力势能和弹性势能有关知识的基础上，从实验和理论两方面探究功与物体速度变化的关系，得出动能和动能定理的表达式。,一新旧教材内容结构比较,1章节编排情况比较,2教材内容结构变化的意图分析,“原教材是以 “功是能量转化的量度”结论为理论基础展开对动能、重力势能的探讨；新教材则是从追寻守恒量入手，在逐步了解重力势能和弹性势能有关知识的基础上，从实验和理论两方面探究功与物体速度变化的关系，得出动能和动能定理的表达式。”,新教材必修2编写中，和必修1一样，教学中的科学探究是课程理念的体现，探究精神贯穿始终。新教材必修2第五章中，除各节教学中处处可见的探究内容外，“探究弹性势能的表达式”和“探究功与物体速度变化的关系”更是“理论探究课题”和“实验探究课题”的典型案例。,二各节教材的分析和教学建议,第一节 追寻守恒量,在物理学的发展过程中，能量的概念几乎是与人类对能量守恒的认识同步发展起来的，能量的概念之所以重要，就是因为它是个守恒量。守恒关系是自然界中十分重要的一类关系，我们强调方法的教育、观念的教育，就要从中学时代开始加强学生对守恒关系的认识。,引入本节内容，可以使整章知识的结构更顺畅；还可以帮助学生拓宽视野，树立能源观点，形成良好的公民意识。 本节内容的教学中，教师可以帮助学生学会通过一般的文献研究和调查研究的方法，在开展小课题研究的学习形式中，达到开阔思路、锤炼能力的目的。因此，本节课采用结合实验进行讨论教学的方法比较合适，但要课前要进行精心的准备。,二各节教材的分析和教学建议,第二节 功,功和功率的内容学生比较熟悉，要尽可能“旧课新上”，适当地赋以这块内容以研究性的味道。如：怎样计算力的方向与物体运动方向不一致时的功？功的正负的含义是什么？可以由学生在原有知识和方法的基础上自行探究。,本节新课教学时，不要进行过多的做功问题的习题训练；因为功的概念、功的计算问题要通过后续内容的学习中逐步加深，是一个螺旋上升、循序渐进的过程。,新教材删去了旧教材作为阅读材料的“变力的功”。省教研室梁旭老师举了两个因为不要求用功的定义式计算变力的功而被删除的题目：,例1：用铁锤把小铁钉钉入木板，设木板对钉子的阻力与钉进木块的深度成正比，已知铁锤第一次将钉子钉进深度d，如果铁锤第二次钉钉子时对钉子所做功与第一次相同，那么第二次钉子进入木板的深度是（ ） A （,-1）d B （,-1）d C （,-1）d/2 D,-1）d B （,-1）d C （,-1）d/2 D,例2：如图甲所示，质量为m=1kg的物体在力F作用下由静止开始运动，F随物体位移的变化图线如图乙所示。 (1)在物体移动5 m的过程中，力F所做的功为多大？（2）物体运动的最大速度为多大？,*例10：最初定居欧洲的匈牙利人使用了所谓的回拨弓，其他国家的人对其非常害怕。当时在欧洲，人们经常要祷告：“老天爷，把我们从匈牙利人的箭下拯救出来吧！”。经研究，回拨弓的拉力随拉伸距离的变化如图（a）所示，而其他地方用的弓拉力随拉伸距离的变化如图（b）所示。 问：（1）从图中所示的情况看，匈牙利人拉弓时用的力更大吗？ （2）从图中所示的情况看，匈牙利人拉弓时做的功更多吗？依据是什么？ （3）说出拉弓射箭过程中的能量转化情况。 ( 思考：为什么可以作为加星号题放入作业本？),二各节教材的分析和教学建议,第三节 功率,新教材考虑到如果在本节引入平均功率与瞬时功率的概念会过于繁琐，所以教材的表述比较简单。如瞬时功率的推导过程中相应地应该用PWt，考虑到如果这里再引入平均功率与瞬时功率的概念会过于繁琐，所以用了PWt，第8页PFv的关系可以适用于瞬时速度和瞬时功率，教学时注意公式的适用条件就可以了。,新教材强调了额定功率和实际功率的概念。 新教材在这里用了较多笔墨，还配备了例题，目的就是让学生区分几种“功率” 。,新教材结合实际问题（如生活中的汽车换档等问题）帮助学生理解公式PFv的物理意义。 新教材删去了汽车以恒定功率启动的问题，这是由于这种情景是不符合实际情况的。千万不要再去补充这样的习题，以免人为地加重学生的负担。,例：如图所示，在倾角为光滑斜面顶端A放有一质量为m的物体，从静止开始沿斜面下滑，下落h高度到达B点。试求： （1）在这一过程中，重力做功的平均功率。 （2）下滑到B点时，重力做功的瞬时功率。,例5：在一段平直公路上，一辆质量为1.0104kg的卡车，速度从5m/s均匀地增加到15m/s，经过的时间为50s，卡车在运动中受到的阻力为车重的0.05倍，g取10m/s2，求： （1）卡车在这段时间内的加速度大小； （2）当速度是15m/s时，卡车发动机的输出功率； （3）卡车发动机在这段时间内的平均功率。 例6：机车的质量为m=4t，发动机的额定功率为P0=80kw，机车在平直水平面上运动的最大速度为vm=20m/s，假若机车受到阻力保持不变。试求： （1）机车所受的阻力； （2）若机车以额定功率运动，当机车运动速度为v1=10m/s时，机车的加速度为多大？ （3）若此机车从静止开始以a=1m/s2的加速度做匀加速直线运动.，则这个匀加速过程时间为多大； （4）开始运动12 s过程中机车牵引力做了多少功？,例7：拖拉机的输出功率2.72104W，拖拉机常用“换档”的方法控制行驶的速度，已知拖拉机的三档速度分别为36km/h、46km/h和54km/h。则拖拉机采用这三档速度时的牵引力各为多大？,例8：铁路提速，要解决许多技术问题，增大机车的动力是一个首先必须解决的问题。通常，列车阻力与速度平方成正比，即Ff=kv2。则要使列车以额定功率匀速行驶的速度从120km/h增加到160km/h，机车的额定功率必须增大为原来的多少倍？,二各节教材的分析和教学建议,第四节 重力势能,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。经过多次接触，学生对这样的方法应该比较熟悉了。重力的功比旧教材介绍得具体多了，重力势能的引入铺垫得足够到位了。到这时，重力势能也己呼之欲出了。,“功是能量变化的量度”贯穿于教材编排的整个主线中，这种思路到这节内容时才正式登台亮相。但是，新教材中没有明确给出“功是能量转化的量度”，而是渗透在其中，也就是通过语言表达的形式以“心照不宣”的途径作为一条暗线出现的。是在探究重力做功、探究弹簧的拉力做功和探究功与物体的速度变化关系的过程中，不断地渗透和提升这一思想的。教学中，要紧紧抓住功能关系这条主线，突出功与能量变化的因果关系和数量关系。采用这种方法来处理符合学生的认知水平，从知识的生成方面来看，也是比较和谐的。,二各节教材的分析和教学建议,第五节 探究弹性势能的表达式,课标不仅规定了对于知识与技能的要求。还规定了对于过程与方法、情感态度与价值观的要求。 从“知识与技能”的要求上看，这节的内容，既是重力功与重力势能关系的延伸；又是动能定理的铺垫；从“过程与方法”和“情感态度与价值观”的要求上看，又是为了通过科学探究来落实后两个课程目标而设立的。,中学课程中的科学探究，是通过学生自己的探索性活动，变未知为己知的一类学习过程，其中是否包含实验，并不是它的本质特征。这节的探究就是一个不包含实验的探究。,（1）对“弹簧的弹性势能跟哪些物理量有关”进行科学猜想。,（2）怎样计算拉力所做的功？,“变与不变”思想的拓展：,新教材对“变与不变”的科学方法的学习做的系统化的、结构化的处理,讲解：平均速度和瞬时速度渗透“极限”（必修P18）,实验：测速度用平均速度代表瞬时速度（必修P23）,讨论：已知各时刻速度，是否可以估算位移（必修P40）,推导：用v - t 图象推出匀变速运动位移公式（必修P41）,做一做：从一张照片估算照相机的曝光时间（必修P47）,探究：利用图象怎样计算变力做功？（必修 P16）,“变与不变”的思想从速度的概念拓展到力的概念：,二各节教材的分析和教学建议,第五节 探究弹性势能的表达式,（1）对“弹簧的弹性势能跟哪些物理量有关”进行科学猜想。,（2）怎样计算拉力所做的功？,“变与不变”思想的拓展：从速度变化迁移到力的变化,用图象处理变化过程的累积效果：,“探究弹性势能表达式”在“科学思想与科学方法教育”上所起的作用有： 做功与能量关系的又一次练习； “以不变量代替变量”、“以直代曲”思想的又一次练习； 通过计算面积来求和的方法的又一次练习； 是一次科学探究的练习。,第六节 探究功与物体速度变化的关系,二各节教材的分析和教学建议,1“探究功与物体速度变化的关系”教学目标分析 （1）经历关于动能表达式的“实验理论”探究过程中的实验过程 （2）经历对橡皮筋方案的分析，提高实验设计能力 （3）学会“操作技巧”（选择数据点），提高收集数据的能力 （4）进行数据定量分析，提高实验数据的处理能力 （5）经历一次根据实验数据分析的结果形成实验结论的过程,二各节教材的分析和教学建议,第六节 探究功与物体速度变化的关系,2“探究功与物体速度变化的关系 ”实验设计,实验方 案设计,功的测量,速度测量,位移相同力不同,力相同位移不同,橡皮筋法,重力法,水平牵引,斜面下滑,打点计时器,光电门,“橡皮筋法”相对“重力法”的优缺点,能获得倍数的功，易于数据定量关系的猜想,和打点计时器组合要测多次数据,易于和光电门组合,装置、操作稍复杂,和原先实验没有重复感，不会误认是运动学实验,3对“橡皮筋法”实验的教学建议,二各节教材的分析和教学建议,第六节 探究功与物体速度变化的关系,做好实验是关键，而“橡皮筋的选择”是重中之重。要求橡皮筋要“细”要“均匀”。资料介绍用扁平松紧带内的橡皮筋，但剥的过程很麻烦。义乌中学王超良老师建议用医用橡皮筋筒（医药公司有卖），大家不妨一试。,二各节教材的分析和教学建议,第六节 探究功与物体速度变化的关系,3对“橡皮筋法”实验的教学建议,实验数据处理：用计算机拟合较好,本节的数据处理又遇到作拟合曲线的技巧，但前面己经接触过，到这里不至于无从下手。这个问题中，由于事先不知道功W与速度V的关系，需要进行尝试。用计算机拟合会方便得多，应该提倡。新教材第18页“做一做”介绍了利用数表软件Excel进行数据处理。,二各节教材的分析和教学建议,第六节 探究功与物体速度变化的关系,3对“橡皮筋法”实验的教学建议,经验共享：由义乌中学王超良老师提供,（ 1）为了使得W-v坐标平面上各对应点的分布能成较为明显的非线性。可以考虑采用以下几项措施 ： 在小车上加砝码，通过增加小车质量的方法，使小车速度不致过快。 画曲线时加大W 坐标轴的单位长度。 从原点O开始描绘图线。,（2）.为了使W 与v 的关系更加直观明确, 在让学生对W-v 图象进行W 、v 的关系分析后，要适时地引导学生思考是否可以通过描绘W-v2 图线来看看W 、v2 间的函数关系。,第七节 动能和动能定理,二各节教材的分析和教学建议,过去对于新概念、新规律的引入过于简单，不是“通过某实验得到了某结论”，就是“通过推导得到某某”。这种做法把复杂的事情简单化，它的最大问题是抹杀了科学的过程。享受科学首先是享受它的过程、享受探索的乐趣。没有了过程，还能有多少情感态度与价值观的教育呢？ 新教材希望这样做能减弱过去教学给学生造成的简单化的印象，增加一些不确定性，增加探索的气氛。新教材中这类问题的处理方法是为教学而设计的，不一定与历史轨迹完全相同，但却符合人们探究时的认识规律，体现了科学探究的特点。,“动能和动能定理”，在新教材中，它是作为“功是能量变化的量度”的又一个实例的形式出现的，经过“能量与做功的关系”的启发和“直接经验与逻辑推理”的结合，使学生又经历了一次探究和发现的过程，让学生在不断地探究经历中，获得情感的体验和知识的丰富。,第八节 机械能守恒定律,二各节教材的分析和教学建议,新、旧教材相比，过去是计算物体自由下落时的能量，从而得知机械能守恒，进而推广到普遍的机械能守恒定律。新教材增加了许多进行知识铺垫的生活中的实例，先定性地分析多个具体事例，猜测动能与势能的可能的关系，然后定量计算物体只在重力作用下的能量变化情况，这样来得到机械能守恒的关系。计算中不涉及动能和重力势能的具体表达式，所以更具有普遍性，更具一般性，对学生认知水平的提高更有好处。 新教材的生活化气息大大提高了，这可以增强学生的学习兴趣，教学中要积极地利用好这些素材，也可以考虑选择一些视频材料，引入一些实验，帮助学生通过形象思维的方式更好地理解机械能守恒的条件。,省编“作业本”不要求用机械能守恒定律求解多个物体（包括需要确定重心的链条、绳子、流体等）的问题。,例9：如图所示为一连通器，左右两管的横截面积均为S，内盛密度为,的液体，开始时两管内的液面高度差为h，若打开底部中央的阀门K，液体开始流动 ，最终两液面相平。在这一过程中，液体的重力势能变化了多少?若液体总长度为4h，当阀门K打开后，水在运动过程中受到阻力为零，则液体流动的最大速度为多大？,第九节 实验：验证机械能守恒定律,二各节教材的分析和教学建议,新教材实验的编写特点,1.统一的实验要求和多种实验方案相结合,统一的实验要求 （实验思路 ；常量和变量；数据处理方法 ） 多种参考方案,2讲清思路，在操作技巧和数据处理方面给出提示，不规定具体的实验步骤,3不同栏目的要求不同,节标题以实验名称作为节的标题 如：探究功与物体速度变化的关系，实验：验证机械能守恒定律。 该实验就是该节的教学内容。,演示和实验 如：真空中羽毛和金属片的下落（演示），用打点计时器测重物自由落体加速度（实验）。这些演示和实验是必做的。,做一做 如：利用数表软件进行数据处理（功与速度变化的关系）。这不是基本教学内容，供选做。,问题和习题 如：自制模拟打点计时器（物理P27）。这类实验较少，由学生课外完成。,二各节教材的分析和教学建议,第九节 实验：验证机械能守恒定律,1新教材中把旧教材中的学生实验移到教学内容中的目的是为了增加学生理论联系实际的能力。在具体授课时，要尽可能增强实验中的探究性。最好先通过问题讨论的形式，帮助学生在实验原理、实验仪器的选择、实验的操作步骤、数据处理和减少实验误差等方面形成一定的印象后，再放手让学生实验，以达到有效探究的目的。,2在这节内容的处理中，与旧教材相比，在实验方法上作了改进。首先，实验要求用天平测出重物的质量，以便计算重物的动能和势能改变量的数值。其次，在测量点的选择上，并不要求起始点的速度为零。因此，在选择纸带时，第一、二点间的距离是否接近2mm、第一个点是否清晰也就无关紧要了。,3在前面的实验中，测速度时都是用两点间的平均速度代表其中某点的瞬时速度，在这节的第27页，证明了“做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于与它相邻的两点间的平均速度”。,二各节教材的分析和教学建议,第十节 能量守恒定律与能源,本节的引入既是为了与前面的教学内容相呼应，使整个教学内容形成一体，也为了培养学生的能源意识，激发学生关注社会、关心生活实际的热情。,新课程更多地与社会实际相联系，因此对能源问题做了讨论，而研究能源，从物理学的角度看自然现象宏观过程的方向性。在必修模块中这只是简单地提一提，在选修12和选修33中还有深入一些的讨论；但考虑到我省的实际教学要求来看，大部分学生将不再选学这部分内容。因此，教师在教学中需要给予足够的重视。,建议预先布置的调查研究和资料的搜集，通过以专题讨论的形式开展教学活动。用问题开路的方式引导在环环相扣、层层递进的分组讨论和合作学习中，提高协调能力，提高分析问题和解决问题的能力。,