高三物理教案：《機械能守恒定律》教學設計

　　第一節  追尋守恒量

　　1、費因曼的開場白

　　2、前人關于運動的思辨——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——尋找合適的描述運動多少的物理量

　　3、近代物理關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：活力與死力及其轉化和守恒，mv2，對伽利略實驗的解釋

　　（4）惠更斯碰撞實驗的發現：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化與守恒的結果

　　【例1】自由落體運動：v2=2gh，v2與2gh的相互轉化與守恒

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

　　（2）理論分析：分析一系列守恒現象中，與能量轉化相關的現象，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化與守恒

　　第二節  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（轉移轉化）的量度[來源:學+科+網]

　　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  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、速率的關系

　　第四節  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

　　3、動能定理的應用

　　第五節  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——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）系統性

　　第六節  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、質量、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化）

　　（3）彈性勢能表達式的探究（二）：理論探究——基于功能關系

　　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——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

　　（2）勢能定理

　　①每一種保守力都對應一種勢能

　　②勢能定理：WF=－△Ep

　　第七節  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——使機械能內幾種形式之間相互轉化

　　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化

　　3、機械能守恒定律

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

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

　　（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，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用

　　第八節  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  能量守恒定律

　　1、能量守恒定律發現的歷史

　　（1）機械能守恒的發現

　　（2）自然現象之間的廣泛聯系與轉化

　　（3）永動機不可能制成

　　（4）能量守恒定律的提出與應用

　　2、能量守恒定律

　　（1）內容：

　　（2）兩種情形：

　　①封閉系統

　　②開放系統

　　3、系統內力、外力的功與系統能量的關系

　　內力功——使能量在系統內幾種形式之間相互轉化，或使能量在系統內幾個物體之間相互轉移

　　外力功——外界與系統能量交換的量度，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

　　說明：

　　1、人教版教材第一節標題為“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展避而不談，因此我的設計是對標題的正面回應，也把守恒的思想奠定為本章基礎。

　　2、人教版教材第二節“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系”一節的內容，并在“動能、動能定理”一節直接給出了動能、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化轉移中能量變化而引入的，所以，勢能定理本質上就是能量守恒。《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）。我的設計就是基于先有動能概念，然后從能量守恒和功能關系兩個角度來定義和揭示勢能的意義。

　　5、人教版教材關于“機械能守恒”守恒條件的敘述，是“功能關系”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系的分析，幫助學生理解課本“功能關系表述”的實質——重力做功，實際上只是引起機械能內兩種形式之間相互轉化。

　　6、人教版關于在《能量守恒定律》一節，對兩個內容處理有欠缺，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容，其二是系統能量與內力、外力做功的關系——即本節應該基于能量守恒，進一步揭示功和能的關系，揭示各種不同情況下能量守恒定律的方程和應用技巧。我的設計就試圖解決這個問題。