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第 3 节 动能和势能
导入一:
海啸是一种具有强破坏力的海浪,其危害性极大,海啸时掀起的狂涛骇浪,高度可达十多
米至几十米,形成“水墙”,时速可达数百千米,形成“四海翻腾云水怒”的惊人奇观,另外,
海啸波长很大,可以传播几千公里而能量的损失很小,海啸到达岸边,“水墙”就会以摧毁之
势冲上陆地,同时还能挟着重达数吨的岩石及船只、废墟等杂物,向内陆扫荡数千米,甚至会
沿着入海的河流逆流而上,沿河地势低洼的地区会被吞噬,对人类的生命和财产造成了严重
的危害.(如图所示为印度洋海啸)
海啸为什么有如此大的破坏力呢?
导入二:
2006 年 11 月 14 日,兰州空军某部河南籍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,当时飞机上还有 800 多公升航空油,李剑英看到飞机下方的密集村庄和人
群,依然决定改跳伞为迫降,为了保护国家和人民群众的生命财产安全而不幸殉难.
小小的飞鸟为什么能给这么大的战斗机造成重创?
学生根据已有的知识阐述原因,存在疑问的保留,并针对有关的问题提出各自的疑问.
[设计意图] 抓住学生好奇的心理特点,由情景导入新课让学对即将学习的知识产生浓
厚的学习兴趣.培养学生提出问题和解决问题的能力.
一、什么是能量
思路一
展示课件:
(1)湍急的河水冲击水轮机转动.
(2)高举的铁锤将木桩打入地里.
(3)拉弯的弓将箭射出.
(4)撑起的撑杆将运动员撑起.2
让学生根据展示的课件说出他们在工作的过程中具有哪些共性?从中所利用的物理原理
是什么?
学生结合导入中所获取的信息,小组之间进行讨论、交流,发表自己的观点,不同意见的
小组进行补充交流.
[设计意图] 从生活实例入手,引导分析可使学生感受到物理知识并非高深莫测,增强
学习物理的信心,体现了“从生活走向物理的理念”.锻炼学生的联想思维能力以及分析归纳
能力.
把每个小组的观点进行引导总结,通过课件展示答案:
(1)湍急的河水冲击水轮机转动,说明河水具有能量,对水轮机做了功;
(2)高举的铁锤将木桩打入地里,说明铁锤具有能量,对木桩做了功;
(3)拉弯的弓将箭射出,说明拉弯的弓具有能量,对箭做了功;
(4)撑起的撑杆将运动员撑起,说明撑杆具有能量,撑杆对运动员做了功.
学生根据老师的引导,用物理专业性的语言进行概括、总结.
[设计意图] 培养学生的语言表达能力和对知识的应用概括能力.
老师根据学生的概括和分析,再进一步的拓宽,一般怎么来衡量能量的大小?
学生进一步根据老师的引导,自己用语言概括出能量的概念和衡量标准.
[设计意图] 加强学生对知识的概括能力.
那么在生活中你见过哪些利用能量做功的实例吗?它们的做功方式是否相同?
以小组为单位进行交流、讨论、分析.然后阐明自己的观点,意见不同的其他组再给予补
充.
[设计意图] 体现了物理新课改的理念,物理知识是服务于生活的.
把各小组中的结论汇总,小组再优化分析,归纳出由于做功的方式不同,故能量的名称不
同.下面我们就认识一下几种不同形式的能量.
学生结合各组的意见,归纳出几种形式的能量.动能、重力势能、弹性势能.
[设计意图] 培养学生对知识的归纳和分析能力.得出由于做功方式不同,故能量的命
名不同.
[知识拓展] 物体能够对外做功,表示这个物体具有能量,能够做“功”与“做了功”是
有区别的,“能够做功”是指这个物体具有做功的本领,但不一定做了功,具有能量的物体能
够做功,但是否做功还要看当时的条件,“做了功”是一个过程,它是一个力经过一段过程后
取得了某种成效,具有能量的物体不一定在做功,但做功的物体一定具有能量.
思路二
当一个力作用在物体上,物体在这个力的作用下,沿力的方向上通过了一段距离,这个力
的作用有了成效,就说这个力做了功.
演示:用手推动木块,使木块运动一段距离.在此过程中,手的推力是否做了功?
学生思考并回答,木块在推力的方向上通过了距离,推力做了功.
出示斜槽,并演示钢球从斜槽上滚下,在水平桌面上撞击木块,使木块移动了一段距离.
让学生分析碰撞过程中,做没做功?3
学生思考并回答,滚下的钢球撞击木块,对木块有力,并使木块移动了一段距离,钢球对
木块做了功.
利用学生分析的结果“钢球对木块做了功”引入能量的概念:一个物体能够做功,我们就
说它具有能量.可见物理学中,能量和功有着密切的联系,能量反映了物体做功的本领.
不同的物体做功的本领也不同.一个物体能够做的功越多,表示这个物体的能量越大.物
体具有能量的形式是多种多样的,以后我们将逐步认识各种形式的能量.
[设计意图] 功和能有密切联系,从做功直接引入能的概念,并为下面设计探究影响动
能大小的因素做好了铺垫.
[过渡语] 什么是动能?动能的影响因素是什么呢?
二、动能
思路一
刚才的实验中钢球撞击木块能够做功,若将钢球静止停靠在木块一侧,钢球还能够对木
块做功吗?(边讲边演示).
学生观察并分析回答,静止的钢球不能使木块移动,所以不能够对木块做功.
[设计意图] 运用事例对比进行思考,学生易于接受新知识.
让学生认识到只有运动的钢球才能推动木块做功.
总结出动能概念:物体由于运动而能够做功,它们具有的能量叫做动能.
引导学生广泛地列举事例,说明运动的空气、水和各种物体都能够做功,而具有动能.概
括出“一切运动的物体都具有动能”.
狂风能撼动大树,而微风只能摇动树叶,说明动能有大有小,你能猜想一下动能的大小可
能与什么因素有关?
学生积极思考,并回答问题.启发同学得出,动能的大小可能与物体的质量、运动的速度
有关.
[设计意图] 风、流水等能够做功,以便使学生对运动物体具有能量形成比较清楚的具
体印象,同时也为讲水能和风能的利用埋下伏笔.
现在我们要利用桌上的斜面、钢球、木块来探究动能的大小与物体的质量、运动的速度
有怎样的关系.实验前,我们先思考几个问题:
(1)实验时如何比较动能的大小?
(2)动能的大小可能与两个或两个以上的因素有关,在实验中应如何具体操作?
(3)研究动能与质量关系时,应该改变哪一个物理量?应该让哪一个物理量不改变?如何
控制质量不同的钢球撞击物体时的速度相同?
(4)研究动能与速度关系时,应该改变哪一个物理量?应该让哪一个物理量不改变?如何
控制质量相同的钢球撞击物体的速度不同?
学生分析讨论后回答:
(1)使钢球从斜面上滑下,撞击平面上的木块,被撞木块的运动距离越长,运动钢球所具
有的动能就越大.
(2)采用控制变量法.
(3)应该使质量不同,让速度相同.使钢球分别从斜面的同一高度由静止滚下,就能使钢
球撞击物体时的速度相同.4
(4)应该使质量相同,让速度不同.取同一钢球从斜面的不同高度滚下,就能使钢球撞击
物体时的速度不同.
设计出实验步骤,并进行实验.
让学生分组实验后得出结论:质量相同时,速度越大的物体具有的动能越大;速度相同时,
质量越大的物体具有的动能越大;物体的动能与物体的速度和质量有关,速度越大,质量越大,
物体具有的动能就越大.
[设计意图] 运用转换和控制变量的思想设计并进行实验,培养学生科学探究能力.
思路二
物体具有能量的形式是多种多样的,以后我们将逐步认识各种形式的能量.刚才的实验
中钢球撞击木块能够做功,但若将钢球停靠在木块一侧(边讲边演示),这时的钢球并不能推
动木块做功.只有运动的钢球才能推动木块做功.
动能:物体由于运动而具有的能叫做动能.
引导学生广泛地列举事例,说明运动的空气、水和各种物体都能够做功,而具有动能.概
括出“一切运动的物体都具有动能.”
列举事例说明:运动的物体具有的动能多少不尽相同.如狂风能吹倒大树,而微风只能使
树枝摇动.进而通过演示实验,猜想决定物体动能大小的因素.
探究,可分三步:
①将同一个钢球,从斜面不同高度滚下,让学生观察钢球将木块推动的距离.木块被推动
的距离不同,说明钢球对木块做的功不同.木块被推动得越远,表明钢球的动能越大.实验说
明:从不同高度滚下的钢球,具有不同的动能.
②上面的实验表明钢球从较高处滚下时具有的动能大.那么钢球从不同的高度滚下时有
什么不同呢?我们可通过观察实验来得到结论.将质量相同的两个钢球,同时从斜槽的最高点
和接近斜槽底部的位置释放.从最高点滚下的钢球能在水平槽上追上从接近底部滚下的钢球.
实验表明从高处滚下的钢球速度大.从而得到结论:物体的动能与速度有关,速度越大,物体
的动能越大.
③换用不同质量的钢球,从同一高度让其滚下,让学生观察钢球推动木块的距离.从而得
出结论:运动物体的质量越大,动能就越大.
演示实验之后,总结实验结果:运动物体的速度越大,质量越大,动能就越大.
[知识拓展] 动能的大小取决于物体的质量和运动速度,物体的动能(Ek)、质量(m)、运
动速度(v)的关系可用公式:Ek= mv2 表示.可见,在比较动能大小时,不能只考虑一个因素,不
要认为质量大,动能一定大,或者认为速度大,动能一定大,而要考虑影响动能大小的所有因
素.
[过渡语] 什么叫重力势能,影响重力势能的因素是什么?
三、重力势能
演示:木块静止放在水平桌面上,问:木块受到重力,重力对木块做功吗?怎样才能使重力
对木块做功?
学生分析思考:木块静止放在水平桌面上没有在重力方向上移动距离时,此时重力不做
功.要让重力对木块做功,可以让木块举高后释放.
让学生认识到物体被举高而具有能量,这种能量与重力有关,物理学中叫做重力势能.
思考:木块和铅球都被举高,它们具有的重力势能相同吗?5
[设计意图] 重力势能概念的引入也以能做功的物体具有能量的思想为基础.
在此基础上,让学生思考:
(1)重力势能可能与什么因素有关?
(2)实验时如何比较重力势能的大小?
(3)你应该采用什么实验方法来探究?
(4)设计出实验步骤,并进行实验.
学生实验后得出结论:物体被举的高度相同时,质量越大的物体具有的重力势能越大;质
量相同时,举得越高的物体具有的重力势能越大;物体的重力势能与物体被举的高度和质量
有关,被举的高度越高,质量越大,物体具有的重力势能就越大.
[设计意图] 有了前面研究动能的实验做基础,再学习研究重力势能的实验变得较为容
易,教师适当点拨即可.
[知识拓展] (1)物体被举的高度是相对高度,在没有特殊指明的情况下,一般是指相对
于地面而言的,通常把地面上的物体具有的重力势能视为零,如:以教室的地板为零势能面,
则放在地板上的书的重力势能为零,而放在桌面上的书由于相对地板有一定的高度,所以放
在桌面上的书具有重力势能,在某些特殊的情况下也可以选其他物体作为参照物.
(2)重力势能的大小取决于物体的质量和物体所处的高度,物体的重力势能(Ep)、质量
(m)、高度(h)的关系可用公式:Ep=mgh 表示,可见,在比较重力势能的大小时,不能只考虑一
个因素,不要认为质量大,重力势能一定大,或者认为被举高度高,重力势能一定大,而要考虑
影响重力势能大小的所有因素.
[过渡语] 什么叫弹性势能,影响弹性势能的因素是什么?
四、弹性势能
(教师边演示,边讲授)把一个砝码放在弹簧上的小木板上,用力将弹簧压缩,使其发生弹
性形变.此时,弹簧静止,没有动能.弹簧也没有被举高,没有重力势能.可是大家想象,弹簧能
不能做功?
学生观察到:放开手,砝码被弹簧举起来,说明被压缩的弹簧能够做功,也具有能.
总结:被压缩的弹簧也具有能.这种能区别于动能和重力势能,它是由于物体发生了弹性
形变而具有的能.所以,物体由于发生弹性形变而具有的能叫弹性势能.
[设计意图] 弹性势能概念的引入也以能做功的物体具有能量的思想为基础.
物体在很多情况下都具有弹性势能.射箭用的弓被拉满时产生弹性形变,具有弹性势能.
钟表的发条在卷紧时具有弹性势能,通过做功来带动钟表机件正常转动.
让学生表演用橡皮筋弹射纸弹的游戏.用不同的力使橡皮筋形变程度不同,观察纸弹弹
射的距离有何不同?
橡皮筋形变程度不同,纸弹弹射的距离不同,说明橡皮筋对纸弹的做功不同,进一步说明
橡皮筋具有的弹性势能不同
指出:物体的弹性势能的大小跟形变大小有关,弹性形变越大,它具有的弹性势能越大.
重力势能和弹性势能都叫做势能
[设计意图] 让学生亲自参与实验,体会物理就在身边.6
1.湛江市在“创国家卫生城市,建美丽幸福湛江”活动中,采取了许多有效措施,它们都
与物理知识有关.一辆洒水车在一条平直街道上匀速前进,在洒水过程中车的动能将
(选填“增大”“减小”或“不变”).
解析:本题考查动能大小的判断.洒水车在一条平直街道上匀速前进,速度不变,但是质
量变小,所以在洒水过程中车的动能将减小.
【答案】 减小
2.位于西昌城南 30 km 处的螺髻山,山势雄奇,胜景遍布,是国家 4A 级风景名胜区.螺髻
山索道长 3500 m,垂直高度 682 m,有着“亚洲第一索道”的美誉.游客乘坐缆车沿索道匀速上
升,沿途观光,若以 为参照物,游客是静止的.在此过程中游客的动能 ,重力
势能 (选填“增大”“减小”或“不变”).
解析:本题考查动能和重力势能的大小变化.游客和缆车同时上升,游客和缆车没有位置
的变化,若以缆车为参照物,游客是静止的.游客的质量不变,匀速上升的过程中,速度不变,
故动能不变;同时高度增加,重力势能增大.
【答案】 缆车 不变 增大
3.据报道,一辆横穿铁路的拖拉机,因故障而停在铁道上,此时从远处驶来一列火车,尽
管司机及时采取紧急制动措施,但是缓慢行驶的列车还是将拖拉机撞“飞”了.这是因为火车
的 ( )
A.动能很大 B.速度很大
C.势能很大 D.功率很大
解析:缓慢行驶的列车将拖拉机撞“飞”了,说明列车具有的能量很大,这里的能量主要
指动能.动能的大小与质量和速度有关,质量越大,速度越快,动能就越大.因列车是缓慢行驶,
故速度并不大,但由于列车的质量很大,导致其动能很大,动能越大,对外做功的本领就越大,
故将拖拉机撞“飞”.故 A 正确.故选 A.7
4.地震后运送救灾物资的飞机向灾区投放物品,飞机在空中水平匀速飞行投放物品时,
其动能和重力势能的变化是 ( )
A.动能增加,重力势能增加
B.动能减小,重力势能减小
C.动能不变,重力势能减小
D.动能减小,重力势能增加
解析:动能跟质量和速度有关,因为飞机在空中水平匀速飞行时,物品减少,故质量减小,
速度不变,所以动能减小,故 A,C 错;重力势能跟质量和物体所处的高度有关,质量减小,高度
不变,重力势能减小,故 B 对,D 错.故选 B.
5.小鹭想探究弹性势能的大小与哪些因素有关.她利用一段弹簧、光滑轨道、物块 A 和
B 等器材进行实验.如图所示,用物块将弹簧压缩到一定程度后释放,物块沿轨道向左滑行,
最高可冲到光滑斜面虚框处.
(1)实验时可通过观察同一物块 来判断弹性势能的大小.
(2)比较图甲、乙两个实验可以初步得出:弹簧的弹性形变越大,具有的弹性势能
就 .
(3)若物块冲上斜面的最大高度 ha=hc
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