11.4认识动能和势能
1．教学目标
知识与技能
⑴知道什么是动能、重力势能、弹性势能、机械能，知道动能、重力势能、弹性势能分别与哪些因素有关。
⑵知道动能、重力势能、弹性势能可以相互转化 ，并能解释自然界中机械能相互转化的现象。
过程与方法
⑶通过描述所观察各种能量现象的主要特征，培养学生的观察能力和分析概括能力。
⑷通过探究动能和势能分别跟哪些因素有关，学习运用控制变量研究问题的方法，进一步加强科学方法教育。
情感态度与价值观
⑸通过探究实验和合作学习，培养学生严谨的科学态度、敢于探索创新的科学精神及交流合作的团队意识。
2．教材说明
本节主要内容有：功和能的关系，动能、重力势能、弹性势能的概念，动能、重力势能、弹性势能分别与什么哪些因素有关，动能和势能之间的相互转化。
“能量”的概念跟功的概念有密切的联系（功是能量变化多少的度量，做功的过程是能量改变或转化的过程），是物理学中重要的基本概念。新课程标准将“能量”作为三个内容标准之一，可见它的重要性。本节教材，介绍能量中最常见的一种形式——机械能。学习本节课，既要密切联系前面所学过的运动、重力、弹力等知识，还要注意观察生产、生活中的能量现象。本节内容又是后面学习其它各种形式的能、能的转化和守恒定律的基础。
本节教材的编写思路：首先通过教材图13-19，在前面学习的功的知识基础上，直接从功和能的关系引入能量的初步概念，再通过教材图13-20和图13-21列举了风、流水能够做功的例子，使学生对运动物体具有能量形成比较清楚的具体印象，由此引出了动能的概念，然后再通过“活动1”的实验探究动能的大小跟速度、质量的关系。势能的学习也是先通过图13-25，从做功的角度引入重力势能和弹性势能的概念，再通过“活动2”的实验探究重力势能和弹性势能的大小分别跟哪些因素有关。在建立这些概念的基础上，教材又给出了机械能的概念，并通过“活动3”研究动能和势能的相互转化。最后，教材指出机械能和其他形式的能之间也可以相互转化。
本节教学重点：动能和势能的概念比较形象直观，易于学生理解，但它是学生理解一般能量概念的基础；理解影响动能和势能大小的因素是解释生产、生活中一些能量转化现象的基础，所以建立动能和势能的概念，理解影响动能和势能大小的因素是本节课教学的重点。
本节教学难点：能的概念比较抽象，学生不易理解，因此让学生形成能的初步概念是本节课教学的难点。
由于能的概念是建立在物体能够做功的基础上的，因此，紧紧抓住功和能的关系，是本节课教学的关键。
3．教学建议
本节课可以通过讲故事的方法激发学生兴趣，引入新课，以下事例可供选用：
（1）2006年11月14日，兰州军区某部
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飞行员李剑英驾驶某型歼击机，在训练结束下降途中飞机撞鸟。在生死攸关的16秒里，李剑英看到飞机下方密集的村庄和人群，决定改跳伞为迫降，先后三次放弃跳伞机会而不幸殉职。据了解，小鸟一直是飞行员的“心头大患”，历史上曾有多次因飞鸟撞击而造成飞机损坏，甚至机毁人亡的恶性事件。在高空中，一只飞鸟与正在快速飞行的飞机相撞会粉身碎骨，而由高级合金制造的飞机机体也会严重受损。为什么会造成这样的事故呢？
（2）《小子弹和大石头》：抗日战争期间，一天，日军进攻我军，火力很猛，我军的子弹快要打光了。“准备大石头，节约子弹！”我军连长发出了命令。战士们立即利用战斗间隙，把一块块石头搬到战壕前沿。“敌人进攻了，滚石头！”连长又发出了命令。战士们用力向下一推，几百块巨大的石头从山头滚下，犹如发生了山崩，砸得日军死的死，伤的伤，龟缩到山脚下面去了。滚下的石头为什么具有这么大的杀伤力？
（3）一铁路职工“中弹”昏倒：一乘客从疾驰的火车里扔下一个小小的馒头，正好砸在一位在铁路边值班的工人的头上，这位工人当即昏倒。为什么小小的馒头能把人砸伤？学完这节课大家自然会明白。
什么是能
由于能量和功的概念有密切的联系，所以本节教学要始终注意紧扣“物体具有做功的本领，就说物体具有能”这一关键，通过一些问题引导学生分析具体实例，由功和能的关系建立能量的概念。
可以让学生仔细观察教材上的图13-19，讨论分析：
（1）做功的两个必要因素是什么？
（2）这些物体是否能够做功？你判断的依据是什么？
（3）从功的角度来看，这些图片有什么共同特点？
在学生回答的基础上，教师给出“能量”的定义。
也可让学生通过观察实验引出“能量”的概念。比如：钢球从斜面上滚下，在水平面上撞击木块，使木块移动一段距离，让学生分析在碰撞过程中钢球做功的情况；或者用上发条的小汽车拖走小木块，电动水泵抽水等实验。有条件的话，还可以播放一些生活和自然界中物体做功事例的视频资料，为学生提供丰富的感性认识素材，这样有助于学生正确认识、感悟“能量”。
在得出能量的定义后，可以让学生列举具有能的实例，并从能否做功的角度分析，加深对“能量”的理解。
紧接着上面的讨论，可通过举例顺势引导学生思考能量的大小和如何去判断能的大小。比如用风来举例：四、五级风能够推动帆船“逆水行舟”，八、九级大风可以使大树“前仰后合”，而飓风能把大树连根拔起。让学生回答：哪种风具有的能量最大？（答：飓风。）你怎样判断能的大小？（答：比较它们能够做的功的多少。）通过学生的回答总结：在物理学中，能量和做功有密切的联系，能量反映了物体做功的本领。一个物体能做的功越多，这个物体的能量就越大。能的单位和功的单位相同，都是焦耳。
动能的大小跟哪些因素有关
教材图13-20和13-21的目的是：启发学生通过分析，找出它们的共同点，总结得出动能的初步概念。
为了给学生提供丰富的感性素材，具体教学中还可以多补充几个生活中动能的实例。例如：流水推动水磨，风推动帆船，子弹击穿木块，汽车撞击木块等。有条件的学校，还可以安排几个演示实验：运动的钢球打在木块上，把木块推走，水流冲动水轮机模型，玩具手枪射出的子弹推动泡沫塑料等。这些实验说明运动的钢球、水流、运动的子弹等都能够做功。
然后引导学生针对上述实例，分析思考下列问题，得出动能的初步概念。
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（1）以上这些物体是否具有能量？为什么？（答：具有能量，因为它们都能做功。）
（2）它们为什么能够做功？（答：因为它们都是运动的。）
（3）这种形式的能应该怎样命名？能否试着给这种能下一个定义？（答：动能，物体由于运动而具有的能叫做动能。）
为了加深学生对动能的理解，在得出定义后，可鼓励学生联系实际，列举具有动能的实例。
活动1 探究动能的大小跟哪些因素有关
“活动1”的目的是：通过探究实验，引导学生得出动能的大小跟什么因素有关，并渗透控制变量法和转换法的科学研究方法。
进行实验之前，先请学生猜想：动能的大小可能跟哪些因素有关？并说明猜想的依据。
学生经过思考会猜想：（1）动能的大小可能跟物体的速度有关，理由是：用玩具手枪射出去的塑料子弹威力大，而用手扔出去威力小；（2）动能的大小还可能跟物体的质量有关，理由是：在车祸中，电动自行车撞倒行人的后果不太严重，而以相同速度行驶的大卡车撞人的后果严重。
探究实验中的一些环节学生理解起来难度较大，考虑到实际情况，教材给出了比较详细的实验方案，具体教学时可以让学生分组，按照教材上的方法进行实验。
完成实验后，可组织学生讨论以下几个问题帮助学生加深对实验的理解：
（1）两次实验中，分别控制哪些因素不变？哪些因素改变？为什么要这样设计实验？（答：第一次实验中，小球的质量没变，在斜面上的高度变了；第二次实验中，在斜面上的高度没变，小球的质量变了；因为有两个因素（速度和质量）会影响动能的大小，所以当研究动能和其中一个的关系时，需要控制另一个因素不变。）
（2）两次实验中，分别让小球从斜面的不同高度或相同高度滚下，目的是什么？（答：使小球滚到水平面上时，具有相同或不同的速度。）
（3）为什么让小球推动纸盒？纸盒被推动距离的远近说明了什么？（答：通过小球对纸盒做功的多少比较它所具有动能的大小；纸盒被推得越远，小球能做的功越多，它所具有的动能越大。）
然后让学生汇报实验现象，总结结论：质量相同时，速度越大的物体能做的功越多，表明它具有的动能越大；速度相同时，质量越大的物体能做的功越多，表明它具有的动能大。
对于程度比较好的学生，也可以用下面的方法进行教学，即通过一系列问题，层层深入，引导学生自己设计实验方案：
（1）怎样让小球自己运动起来，获得动能？（答：让它从斜面自由滚下。）
（2）动能的大小可能跟两个因素有关，用什么方法进行实验？（答：用控制变量法，即：研究动能大小跟速度的关系时，要控制小球的质量相同，而改变小球运动的速度；研究动能大小跟质量的关系时，要控制小球运动的速度相同，而改变小球的质量。）
（3）怎样改变小球运动的速度？又怎样控制小球运动的速度相同？（答：让小球从斜面的不同高度滚下，到平面上时，就具有了不同的运动速度；小球在斜面上所处的位置越高，获得的速度越大；让小球从斜面的相同高度滚下，到平面上时，就具有了相同的运动速度。）
（4）怎样比较小球动能的大小？（答：可以通过小球做功的多少来比较动能的大小，比如，让它推动纸盒，纸盒被推得越远，说明它能做的功越多，具有的动能就越大。）
总之，在探究动能的大小跟什么因素有关的过程中，教师要注意引导，渗透两种科学研究方法：控制变量法和转换法（小球动能的大小转换为纸盒被推动的距离），使学生认识到科学研究方法的重要性。
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“想一想”的目的是：让学生用决定动能大小的因素来分析和解释生产和生活中的现象，深化对动能的认识，培养运用物理知识分析时间问题的能力。答案是：列车和小汽车虽然速度相同，但列车的质量大，所以它具有的动能大，能够做更多的功，故在交通事故中，列车的破坏性更大。
还可补充以下练习，供学生判断、分析：
(1)一辆汽车突然加速行使，它的动能______。为什么？
(2)洒水车在马路上匀速前进并不停地洒水，它的动能______。为什么？
(3)交通部门为什么要对车辆进行限速？为什么同一路段不同车辆限速不同？
势能的大小跟哪些因素有关
可以这样引入本部分的教学：当我们从建筑工地附近走过时，会看到工地上会有一些安全警示牌，同时你也会特别地小心。你知道安全警示牌的内容吗？（答：“当心落物” 、“禁止在起重机动臂下停留”等。）落物和起重机的动臂具有能量吗？为什么？接下来我们学习有关这种能的知识。
教材通过图13-25引导学生建立重力势能和弹性势能的概念。教学时可以启发学生观察图片并回答：
（1）被举高的重锤具有能量吗？为什么？（答：重锤具有能量。因为重锤被举高后，能够在下落时把木桩打入地里，对木桩做功。）
（2）变形的撑杆具有能量吗？为什么？（答：变形的撑杆具有能量。因为撑杆发生弹性形变后，能够把运动员弹出一段距离，对运动员做功。）
在学生回答的基础上，教师因势利导给出重力势能和弹性势能的初步定义，然后引导学生列举生活中重力势能和弹性势能的实例，让学生加深对重力势能和弹性势能的理解。
活动2 探究重力势能的大小跟哪些因素有关
“活动2”的目的是：通过探究实验，引导学生得出重力势能的大小跟什么因素有关。
通过动能的探究，学生已知道控制变量法和转换法，因此活动2可以放手让学生自己去探究。经过实验，学生会发现：
（1）同一个重物从不同的高度落下，重物被举得越高，木桩被打入沙中越深，表明重物做的功越多，重物的重力势能越大。
（2）质量大小不同的重物从同一高度落下，重物质量越大，木桩被打入沙中越深，表明重物做的功越多，重物的重力势能越大。
最后，学生可以自己总结实验结论：物体被举得越高，质量越大，它具有的重力势能就越大。
对于程度比较好的学生，也可以先给出实验所需要的器材，然后通过以下几个问题，引导他们自己设计实验方案：
（1）如何利用所给器材，比较重物重力势能的大小？
（2）如何在实验中控制有关的变量？
对于弹性势能，可以射箭为例，让学生自己得出：弹性势能的大小跟物体的弹性强弱、形变的大小有关。物体的弹性越强，形变越大，它具有的弹性势能就越大。
机械能的转化
关于机械能，要让学生明确以下两点：
（1）动能和势能都属于机械能，或者说，动能和势能是机械能的两种表现形式。
（2）一个物体可以既有动能，又有势能，也可以只具有动能或者只具有势能。
可以通过练习，帮助学生体会上述两点。如让学生说明下列物体具有什么形式的机械能：
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①在海上行驶的轮船。（答：动能。）
②吊在天花板上的吊灯。（答：重力势能。）
③被拉长的橡皮条。（答：弹性势能。）
④在空中飞行的子弹。（答：动能和重力势能。）
活动3 动能与势能的转化
“活动3”的目的是：通过实验、观察和分析，认识物体的动能和势能之间是可以相互转化的。
活动A中设置的这个实验，取材容易，一定让学生亲自去做，进行认真的观察，这是学生学习本部分内容的基础，也能为后面学习“能量转化和守恒定律”做好铺垫。
学生通过讨论可以发现：小球在最高点时的速度为零，即重力势能最大，而动能最小（为零）；在最低点时的速度最大，即重力势能最小，而动能最大。此时可启发学生思考：从最高点到最低点，小球重力势能减小，这部分能量到何处去了？动能增大，这部分能量又是从何而来？通过启发，学生自然就会想到：从最高点到最低点，小球的重力势能转化为动能。从最低点到最高点，小球的动能转化为重力势能。物体具有的动能和势能是可以相互转化的。
活动B通过教材图13-28列举了三个动能和势能相互转化的实例，供学生分析。
图a中：男演员下落过程中，他的重力势能转化为动能；男演员挤压跳板，使它发生弹性形变时，男演员的动能转化为跳板的弹性势能；跳板逐渐恢复原状，把女演员上弹，跳板的弹性势能转化为女演员的动能；女演员上升时，她的动能转化为重力势能。
图b中：小孩下落时，重力势能转化为动能；小孩挤压蹦蹦床，使它发生弹性形变，小孩的动能转化为蹦蹦床的弹性势能；蹦蹦床逐渐恢复原状，把小孩上弹时，蹦蹦床的弹性势能转化为小孩的动能；小孩反弹起来后上升时，动能转化为重力势能。
图c中：过山车从高处到低处时，重力势能转化为动能；从低处到高处时，动能转化为重力势能。
活动C中解决“摆球上升的高度为什么会变低”这个问题时，可这样引导学生：你在荡秋千时，你感到有风吗？你对风做功吗？通过启发，学生容易得出：在动能和势能相互转化过程中，摆球要克服空气摩擦阻力做功，机械能会不断减少。至于机械能减少转化为内能的问题，在这里不要讨论。
对于机械能和其他形式的能之间的转化，学生由于知识水平有限，不容易举出事例，教师可给出几个例子，拓展学生视野。
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