从恐惧到挑战直到合理改造——《势能的改变》教学案例设计【设计思想】1．从学生的认知规律上看：在教学设计上遵循学生的认知规律，遵循辩证唯物主义的认识论，使学生对重力势能概念的建立和理解有一个从感性到理性，从定性到定量的过程，使学生对物理概念和规律的学习并不感到突然和困难。在多媒体、实验、板书的运用上，相互补充，克服了单一媒体运用的呆板的课堂教学形式，对整合课堂教学资源，起到了一定的作用。幻灯片所展示的各种生动、活泼、有趣的图片，激发学生探究知识的欲望和积极性。2．教学方法上看：运用“实验（举例）——理论探究归纳——实例研究”教学方法。把“实验观察、学生讨论、教师讲解”融合在一起。本着“学生主体，教师主导”的原则，在特定情景下的实例研究，让学生感到新鲜好奇，讨论问题积极主动，自主地总结规律。贴近生活的实例、小实验，使学生的学习兴趣高涨，体验社会公德、爱国情感及合理利用自然的科学认识。将情感目标融合课堂于“无形”之中。3.教学反馈上看：根据因材施教，保底拔尖的原则，练习题力争层次化、系统化，保证量与质的适变性。另外，选题既具有实际意义，体现“从生活到物理，从物理到社会”的新理念，又具有情感教育的功能。【教材分析】“势能的改变”是下节“能量守恒定律”的知识基础，是本章的一个重要知识点。本节进述重力势能及其相对性，重力势能的变化以及与重力做功的关系。由于与动能定理的表述不一致，学生往往不易理解，教学时最好能结合一些实例，从功能关系、能量转化的角度分析，解开学生的困惑，为下节讲机械能守恒定律及能量转化和守恒定律做好准备。【学生分析】
1．高一学生认识事物的特点是：开始从具体的形象思维向抽象逻辑思维过渡，但思维还常常与感性经验直接相联系，仍需具体形象的图片、视频画面来支持。2．学生在初中时已接触过重力势能的概念，在高中阶段要定量的学习重力势能及体验建立过程。3．学生已学习了功的概念和计算方法。通过重力做功的计算来判断重力势能的变化，通过弹性力做功来判断弹性势能的变化。【教学目标】㈠.知识与技能1．理解重力势能的概念，能用重力势能的表达式计算重力势能，知道重力势能具有相对性、重力势能的变化具有绝对性。2．理解重力做功与重力势能的关系，并能用这一结论解决一些简单的实际问题，知道重力做功与运动路径无关。3．理解重力功是物体重力势能变化的量度。4．知道弹性势能的初步概念。㈡.过程与方法1．经历“以理思物”的发散思维和“见物思理”理论探究归纳能力2．体会用“实验法”和“理论推导”相互验证研究问题的方法㈢.情感态度与价值观1．渗透从对生活中有关物理现象的观察，得到物理结论的方法，激发和培养学生探索自然规律的兴趣。2．预防高空坠物的社会公德教育，通过实例分析增强民族自豪感和荣誉观念。3．体验科学不仅仅是认识自然，挑战自然，更在于能动的改造自然。【重点难点】重点：重力势能的的概念及重力做功跟重力势能改变的关系。难点：重力势能的相对性、重力势能变化的绝对性。举生活现象分析重力做功特点通过实例探究WG=-ΔEP关系总结提升练习反馈弹性势能初步了解经历探究过程得出EP=mgh结合生活理解EP=mgh视频引入复习重力势能概念【教学流程】
【教学过程】一、视频引入，激发兴趣我们看到一个冰天雪地、广袤无垠的银色世界，它带给人们是圣洁、平和、宁静的感受，一种心灵的洗涤。但是一旦大量积雪从高处滑下形成——雪崩。一面面白茫茫的雪墙排山倒海而来，你将感受到大雪崩所带来最令人惊心动魄的白色恐惧，将对人们的生命与财产带来灾难……。为什么这么漂亮的雪花有如此大的破坏力？是因为它们具有潜在能量。只要一有机会，就会通过做功把这种能量释放出来。我们将这种能量叫重力势能。（渗透：功是能量变化的量度，能量的变化通过做功来实现。为下面实验定性检验作理论铺垫。）定义：地球上的物体由于处于一定的高度而具有的能量，我们把这种能量叫做重力势能。 用EP表示。二、教学过程（一）重力势能◆第一层次：探究EP=mgh▲程序一：提出问题：重力势能的大小与什么因素有关？
（教师引导：如果我们要进一步对重力势能定量的研究，你需要解决什么问题）▲程序二：建立假设师：同学们可以根据已有的知识和经验，大胆提出自己的假设，并且说明你的理由。生：高度有关。①由定义：地球上的物体由于处于一定的高度而具有的能量，我们把这种能量叫做重力势能。②例如，放在地面上的石头没有杀伤力，一旦从较高处落下，就会很危险；一个杠铃放在你的脚边，你一定不觉得什么？但是如果把它悬挂在你的头顶之上，那一定会让你如坐针毡。“禁止高空抛物”；高层建筑在施工时必须有“工程防护网”等。（渗透社会公德教育：预防高空坠物的危险）生：①与物体的质量（重力）有关。如果悬挂在头顶之上的是一团棉花，不是杠铃，就不会觉得可怕。②如果你的头顶电线下悬挂的不是日光灯，而是200千克的杠铃，你有何感受？生：与质量和高度都有关系。…..（教师做好对学生的即时性评价）▲程序三：检验假设①实验定性检验出示实验器材：塑料桶、报纸（蒙上塑料桶口）、大小相同而质量不同的两个小球。以报纸是否被小球击破来体现势能的大小。这样实验效果明显，可见度大。教师演示，要求通过3个实验步骤，能够科学严谨的说明重力势能的大小与质量和高度之间的定性关系。[教师引导]前面我们已学过，物体所具有能量越大，对外做功的本领就越强。hm图1图2hm得到：同一高度的物体：质量越大，重力势能越大；质量相同的物体：高度越高，重力势能越大。②理论定量推导师：功是能量变化的量度，我们可否通过“力做了多少功，从而使重力势能发生多少变化”的角度，来定量推导重力势能的表达式。问题：你能设计一个物理过程来从理论上定量
推导重力势能与重力mg和高度h的关系？学生讨论、设计物理过程，并发表自己的设想。可能的设想：（教师可随手演示）如图1，小球做自由落体运动，由动能定理mgh=;由“能量守恒与转化思想”（动能由重力势能转化而来）重力势能等于动能即EP=，所以EP=mgh如图2，将物体竖直向上匀速抬高h，由平衡条件F=mg；则F做功为WF=Fh=mgh;由功能关系得到：EP=WF=Fh=mgh▲程序四：得出结论：EP=mgh◆第二层次：理解EP=mgh主要采取讲授式①标矢性：标量②单位：焦耳（J）③相对性：Ep与参考平面（零势能面）的选择有关④系统性：重力势能为地球与物体所共有的，重力势能具有系统性。为了叙述方便，可以说成是某一物体的重力势能。[相对性的教学]☻出示：2020年我国公布世界第一高峰--珠穆朗玛峰海拔高度的最新测量结果为8844.43米；某同学的身高1.75m.问：他们分别以什么平面作为起始高度来计算的？☻师生讨论：确定高度需要零高度参考平面的必要性。☻教师引导：零高度的参考平面对应零势能参考平面（说明规定零势能参考平面的必要性）☻举例深化：通过的例子（书放在课桌上，分别以地面和桌子作为参考面，讨论重力势能。教师随手演示。）来说明：重力势能的正负含义；一般情况下以地面作为零势能的参考平面。（重新指出：图1、图2定量推导时是以地面为参考平面的。使推导更加有科学性和完整性）
A：16楼B：3楼过渡语：功是能量变化的量度，合外力做功是物体动能变化的量度，物体重力势能发生变化与什么力做功相对应呢？（二）重力做功与重力势能的改变1．实例探究设置情景：一只花盆从16楼窗台落地，研究花盆从A下落到B的过程。已知：m=2kg，h=50m，h1=10m，g=10m/s2根据给出数据计算填表（可事先印发）。[学生讨论探究]：从表格中能总结出什么规律？（分组讨论，交流，教师引导总结）[教师引导]①重力势能与零势面选取有关吗？物体在某两点间重力势能的改变与零势面选取有关吗？（指出改变量是末状态量减去初状态量）②物体在某两点间重力势能的改变与重力做功有什么关系？与是否有除重力之外的其他力存在或参与做功有关吗？规定的零势面花盆在各点处的重力势能花盆仅在重力作用下花盆在重力和阻力作用下重力势能的改变重力做功重力势能的改变重力做功地面EPA=1000JEPB=200J-800J800J-800J800J三楼EPA=800JEPB=0-800J800J-800J800J[学生总结规律]①重力势能的具有相对性（相对于不同的参考平面重力势能的大小不同），确定了参考平面，物体重力势能才有确定值。重力势能的变化与零势能面的选取无关，具有绝对性②重力势能的变化与重力做功的关系。花盆下落，这一过程中重力做正功，重力势能减少，
重力做多少功，重力势能减少多少；与是否有除重力之外的其他力存在或参与做功无关。2．变式深化①若用吊篮将花盆从3楼竖直吊回16楼，运动方式有匀速上升、匀加速上升，花盆的重力势能分别如何变化，重力对花盆做功分别又将如何？②若乘电梯将花盆从3楼运到16楼，花盆的重力势能如何变化，重力对花盆做功又将如何？3．归纳总结：重力做功是重力势能变化的量度物体下落，重力做正功，重力势能减少，物体上升，重力做负功，重力势能增加。过渡语：上面我们讨论花盆的运动都是在竖直方向，如果某人爬楼梯将花盆从3楼搬到16楼，重力对花盆做功又将如何？（三）重力做功和物体运动路径的关系学生讨论：小孩以不同的路径从某一高度回到地面，重力对小孩做功大小有什么关系？为什么？教师引导：①从“力做功的两个要素：力与力方向上的位移”的角度思考。②从功能关系：重力做功是引起物体重力势能变化的唯一因素的角度思考。结论：重力做功只与物体始末位置的高度差有关，与路径无关。（进一步说明：①重力做功的特点决定重力势能变化的绝对性；②重力做功的计算更加简洁）（四）、弹性势能（据课时情况，可以让学生自学）生活中还有一些物体既没有运动也没有很大的高度却同样“储存”
着能量，哪怕它只是孩童手里的玩具（图片：弹弓）。张紧的弓一撒手就会对箭支做功改变它的动能，松弛的弓有这样的本领吗？同样是弓前者具有能量而后者没有，那么什么情况下物体才具有这种能量呢？张紧的弓在恢复原状的过程会对外做功，但是拉断的弓还能有做功的本领吗？1．定义：物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能。2．弹性势能的大小与哪些因素有关呢？[小实验]出示玩具弓箭、可以上发条的小汽车，让学生自己做实验。弓箭的皮筋拉得越长，恢复原状时对塑料箭做功越多，塑料箭获得的动能越大，射得越远。发条上的越紧，小车运动的时间越长。[学生总结]弹性势能的大小同弹性形变的大小有关。弹性形变越大，弹性势能也越大。[教师强调]弹簧处与原长时弹性势能为0；弹簧的伸长和压缩的长度相同则弹性势能也相同举例：生活中还有利用弹性势能的例子。拉伸或压缩的弹簧、球拍、撑杆跳高、跳板跳水等。3、势能由相互作用的物体的相对位置决定的能量。重力势能：由地球和物体间相对位置决定。弹性势能：由发生形变的各部分的相对位置决定。(五).反馈练习训练1：[新闻图片，设置情境]在雅典奥运会举重男子69公斤级比赛中，中国选手张国政以抓举160公斤，挺举187.5公斤，总成绩347.5公斤获得金牌，这也是中国代表团在本届奥运会上的第11枚金牌。张国政制胜的一举，挺举187.5kg，杠铃被举高约2m。试求：(1)杠铃的重力势能变化多少？(2)杠铃的重力做功多少？（张国政能在短时间内爆发出如此巨大的功率绝非一日之功，为了能为祖国争得荣誉，运动员在平时的训练中付出心血。）训练2
：一位同学说：若以喜马拉雅山的山顶为零势能参考平面，则长江山峡的水库所储备的大量水的势能是负值，所以它就不能发电了。你认为此同学的说法对吗？为什么？训练3：竖直向上抛出一物体，在上升到某一高度时，重力势能的改变量为ΔEP，动能的改变量为ΔEK，物体克服重力做功WG，物体克服空气阻力做功Wf，则下列关系正确的是()A.ΔEP=WGB.ΔEP=WG+WfC.ΔEK=-ΔEp-WfD.ΔEK=ΔEp+WG+Wf（六）课堂小结1．重力势能是地球和地面上的物体共同具有的。重力势能的大小具有相对性，确定了参考平面，物体重力势能才有确定值。但重力势能的改变是绝对的。2．重力做功与物体的运动路径无关，只跟物体运动的始末位置有关。3．重力做功是重力势能变化的量度。[教师总结]关于人类与重力势能的认识，是一个从恐惧到挑战直到合理改造的过程。人们对重力势能的恐惧感是与生俱来的（雪崩、泥石流：2020年2月17日泥石流突袭菲律宾2000人丧生。图片）。但是随着人们通过生产实践中对重力势能的认识的逐步加深，我们开始变得乐于挑战这种能量（攀岩运动的图片）。甚至在可以控制的范围内享受重力势能带给我的种种乐趣（过山车的图片）。但是，科学的意义不仅仅是认识自然，挑战自然，更在于能动的利用自然！介绍水力发电（水力发电的图片）。【板书设计】
（与路径无关）重力势能重力做功表达式：Ep=mgh单位：焦耳（J）标矢性：标量相对性系统性一、重力势能：地球上物体由于处于一定的高度而具有的能量。二、弹性势能1．定义：物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能。2．弹性势能的大小同弹性形变的大小有关。三、势能：由相互作用的物体的相对位置决定的能量。【教学反思】一、不可忽视的理论探究新课程倡导探究式教学，探究的内容和形式是多种多样的。在物理课程中虽大多数探究活动需要进行实验，但是，理论探究在高中物理教学中也具有重要的意义，应予重视。物理课程中也有不少是属于理论探究，对于重力势能的定量研究，采取理论探究同样让学生体验探究的过程和方法。提出问题—→建立假设—→设计物理过程（设想）—→理论定量推导—→得出重力势能表达式。假设原有知识和经验现有知识探究的问题实验或过程设计理论探究式教学的具体实施中，应该把重点放在提出问题、建立假设上。问题是探究的起点，没有问题就没有探究，而发现问题是提出问题的前提，只有发现问题，才可能提出问题。实践表明：对于重力势能教学，学生在初中的原有知识上完全可以通过教师的引导，自行提出“重力势能的大小与什么因素有关？”的问题。假设可以启发我们应当设计怎样的实验（或物理过程）和获取那些信息，他是连接探究问题和实验（或物理过程）的一座桥梁。观察它们关系图，可以看出，假设虽不是结果，但它却是探究的中心。据本节课的实际，侧重“说明假设的理由”，实际中学生也能很好的自己生活经验，养成“以物思理”的习惯。
二、紧密联系实际的实践性物理新课改的理念之一是：从走向物理，从物理走向社会。日常生活和生产中蕴涵着大量的物理知识，因此，在教学中注意联系生活、生产中学生看得到，但没能细想、不完全理解或不懂的实际问题，可以激发学生的学习兴趣与动机，同时也可以使他们养成善于运用知识、关心生活和生产中实际问题的习惯。因而这一特点有利于创设教学情景，加大学生学习动力，促进学生关心社会实际生活，增强社会责任感。比如：在教学中，通过“雪崩”的视频，让学生体验到高处的物体都具有潜在的能量——重力势能。通过实例（花盆坠落和小孩滑滑梯）充分讨论与思考，让学生在已有的认识基础上获得新的认识。另外，教学设计时还应考虑到：实际情景的复杂性，要善于突出主要的、所需的因素；实际情景中物理知识的缄默性，要善于将缄默知识显性化。三、情感、态度和价值观的体验性新课程的与以往不同之一是同时注重在教学中渗透情感、态度价值观。但在教学实践中我们不能为情感、态度价值观而刻意的安排内容讲授或有意抒发，我们应该结合教学的内容，将相关的情感、态度价值观教育融合在教学过程中，做到教育无痕的境界；让学生在接受知识过程中法子内心的体验和意会，在“不可言表，只可意会”自然而然中受到感悟，如果没有也没有必要强求。如本课时中，将物理知识应用与生活和生产实践的意识，勇于探究与日常生活有关的物理问题；社会公德，民族自豪感都是在物理情景创设和实例探究和反馈练习中给学生带来感受与体验。
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