3.1 重力与弹力 教案-高中物理人教版必修第一册

重力势能教学设计(一)创设情境、激趣导入投影多媒体图片:利用生活常见事例,创设问题情景,激发学生兴趣。初中的时候我们已经学习过,物体由于被举高而具有的能量叫重力势能。(展示图片一:)这是一幅水力发电站图片,是利用水的重力势能来发电的。这些重力势能正在造福人类。可见,有些重力势能在自然界中的能量是巨大的。过渡语:既然自然界中有些重力势能具有巨大的能量,那么我们人类可以将之加以利用。播放举重运动员的杠铃落到地上，会砸穿地板，夸张的视频说明杠铃具有什么巨大能量？由以上资料可知,重力势能与我们的生活有密切关系。我们只有认识自然,才能更主动的改造自然。今天这节课我们将深入地学习重力势能知识及其应用。(二)启导互动、主体探究通过前面对功和能关系的学习,我们知道了怎样判断一个物体具有能量,即:一个物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能量;而且对外做功越多,这个物体具有能量就越多。(引导学生进行如下探究)探究实验：重力势能的大小与哪些因素有关？1.提出问题：重力势能的大小与哪些因素有关？2.猜想:（1）重力势能的大小与物体的质量有关；（2）重力势能的大小与物体所处的高度有关。3.设计实验：a)实验器材:一个装有适量细沙的矿泉水瓶和瓶盖，一根细木筷，质量不等的2个钩码，一把直尺，一个铁架台等。b)实验方法：i.把装有适量细沙的矿泉水瓶放在地上，再把细木筷插入细沙中；ii.用同一铁块从不同高度处从静止开始释放，观察木筷插入细沙中的深度。iii.在木筷的正上方，用不同的小钩码从同一高度处从静止开始释放，观察小钩码被撞入细沙中的深度。4.进行实验：将数据填入表格中： 实验次数钩码质量钩码下落处与瓶盖的距离木筷被撞入细沙中的深度1234（1）分析与论证：分析：从实验现象可得到，同一物体下降的位置越高，重力势能越大；不同物体从同一高度下落，质量越大的，重力势能越大。结论:物体的质量越大，被举得越高，它具有的重力势能就越大。（2）评估与交流：a)为什么不同的小球要从同一高度释放？同一小球却要从不同的高度释放？答：这其中用到了“控制变量法”来研究问题。不同的小球从同一高度释放的目的是为了控制高度相同，研究重力势能与质量的单一关系；同一小球要从不同的高度释放，也是为了控制质量相同，研究重力势能与高度的单一关系。b)你的猜想正确了吗？答:正确。实验反思：本实验体现了“控制变量法”的实验原理，在实验教学中要加强对学生实验原理的渗透。在研究物体质量与重力势能的关系时需要控制物体被举高的高度相同；在研究物体被举高的高度与重力势能的关系时要控制物体的质量相同。还要加强学生对实验现象的分析与实验数据的记录。（三）理论研究（一）刚才同学们做过的实验中，重力做的功的计算中：WG = mgh = mg(h1 - h2) = mgh1 - mgh2  （让学生思考后说出结果）当物体沿斜面由A运动到C的过程中重力做的功为：WG = mgLcosθ= mgh = mg(h1 - h2) = mgh1 - mgh2   （让学生说出结果） 当物体沿曲面由A运动到C的过程中重力做的功比较复杂：（教师引导学生分析、理解、认识）对于物体沿曲面运动的情形，采用前面用到的极限分析的方法将运动路径分成许多很短的间隔，由于每一小段都很小，故可近似地看成一小段倾斜的直线，设每段小斜线的高度差分别是△h1，△h2，△h3，…，这样每一小段的研究就可以用图2的方法处理了，即每一小段中物体做的功分别为：mg△h1，mg△h2，mg△h3，…所以WG= mg△h1+mg△h2+mg△h3+… = mg(△h1+△h2+△h3+…)= mgh = mgh1-mgh 2汇总以上三种情况的分析，借助课件中的场景图，引导学生分析、总结出推导的结论在三种不同的运动形式下，物体的重力做了相同的功，这说明重力做的功有着明显的特点，请每组的同学们互相探讨一下。学生说出自己的观点后，教师借助课件在学生回答的基础上整理出结论：物体运动时，重力对它做的功只跟它的起点和终点的位置有关，而跟物体运动的路径无关。【用所学功的概念推导重力做功与路径的关系，让学生亲身感受知识的建立过程。通过重力做功的理论推导，重温了极限思想这一重要物理方法的应用，培养了学生的逻辑思维能力，也为学生从本质上理解与认识重力势能打下了坚实的基础】（二）根据刚得出的重力做功的公式，我们知道重力做的功等于mgh1 和mgh2的差，由此可见mgh具有某种特殊的意义！联系前面《追求守恒量》一节中的势能知识，谁能领着大家一起回忆一下什么是势能？学生回答；相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫做势能。请同学们根据你的理解想一想mgh这个物理量是不是势能？并简单的说明理由。教师引导学生进一步总结，mgh中的mg是重力，而重力是物体与地球之间的相互作用，h1和h2分别表达的是物体所处的位置，故物理量mgh只是与所处的位置h1和h2以及重力mg有关。这些特征正是势能所具有的，所以它应该是势能，又由于是重力所引起的势能，故称作重力势能。其表达式为Ep＝mgh,国际单位制中的单位是焦耳，符号为J,即  1kg·m/s-2·m = 1N·m = 1J 。（一带而过）      有了重力势能的表达式Ep＝mgh，WG = mgh1 -  mgh2可以写成WG =Ep1 - Ep2，其中Ep1＝mgh1 表示物体在初位置的重力势能，Ep2＝mgh2表示物体在末位置的重力势能。由此可知：①重力势能是状态量。②重力做的功等于初、末位置重力势能的差值。（点到为止，为后续学习埋下伏笔）      合作探究：下图中物体运动时，重力做什么功？物体的重力势能发生怎样的变化？根据分析，你能确定重力做功与重力势能变化有什么关系吗？1、塔吊把一质量为200kg的物体，从距地面高为h1=10m的高度匀速运到高为h2=2m的地方，重力做了多少功？物体的重力势能如何变化？(g=10m/s2)2、塔吊把一质量为200kg的物体，从距地面高为h1=2m的高度匀速运到高为h2=10m的地方，重力做了多少功？物体的重力势能如何变化？(g=10m/s2)•变式练习：如图所示，质量为m的小球，用一长为l的细线悬于O点，将悬线拉直成水平状态，并给小球一个向下的速度让小球向下运动，O点正下方D处有一钉子，小球运动到B处时会以D为圆心做圆周运动，并经过C点,若已知OD=2/3l，则小球由A点运动到C点的过程中，重力势能减少了多少？重力做功为多少？•【通过逻辑推理，借助前面的势能知识，在重力做功的公式WG= mgh1-mgh 2基础上归纳出本节的中心知识点重力势能。这里采用的方法，有别于以前通过实验分析直接给出重力势能的方法，这样做更有利于学生透彻地理解知识，也有益于培养学生的能力】•引导学生复习利用坐标系表示物体位置（高度）及位移（高度差）的知识：想确定物体的位置，要先建立坐标系，确定坐标原点亦即参考系，这里先选地面为参考系，同时说明地面是一个平面，故我们这里称参考系为参考平面。重点强调坐标原点（参考平面）的不同而引起的位置坐标（高度）的变化，即物体位置（高度）的相对性，并指出位移（高度差）并没有发生变化，亦即坐标原点（参考平面）的改变不会影响位移（高度差）。 那么，物体和地球组成的系统具有的重力势能还具有其它什么特点呢？（由此引入后面的学习）通过学习，同学们知道重力势能与物体所处的高度有关，而高度是具有相对性的，那么重力势能是否也具有相对性呢？选择不同的参考平面，重力势能的变化的大小并不发生变化，故参考平面的选取对重力势能变化的研究没有影响；      参考平面的选取具有随意性，为了研究问题的简便，一般选择地面或系统的最低处作为参考平面。回过头来让学生分析坐飞机的两种不同感觉的原因：坐飞机的人在飞机的里面并不害怕 ，而一旦掉到飞机的外面却异常害怕，这是为什么呢？（讲解中注意说明：研究位置用参考系，研究高度用海平面，研究重力势能用参考平面）【重力势能的相对性知识的学习没有象教材中的那样，用一个二层楼去简单说明，而是用旧知识引领新知识的方法，易于帮助学生融会贯通的掌握知识。物理教学应培养学生“追根问底”的思维习惯，“自圆其说”应是最起码的逻辑思维要求】例题演练：例题如图，质量0.5kg的小球，从桌面以上h1=1.5m的A点落到地面的B点，桌面高h2=0.5m．请按要求填写下表．(g=10m/s2)参考平面小球在A点重力势能小球在B点重力势能下落过程小球重力做功下落过程小球重力势能变化桌面地面 【示范知识的应用是进一步帮助学生理解知识的良方，使学生及时掌握了利用新学知识解决问题的方法，也让学生体会到了应用知识解决问题的成功感和喜悦，同时为继续学习后面的知识打下了铺垫】然后从本质上具体分析说法正确与错误的原因：离开了任何一方重力势能都将不复存在，因为离开了任何一方，赖以存在的相互作用力--重力将不复存在。帮助学生理解并认识重力势能的系统性。平常我们所说的“物体”的势能，只是一种习惯性的简化说法。课堂小结让学生总结发言：同学们，通过学习你对本节课的学习内容印象最深的是什么？能否试着说明你的理由，以及通过这一节课的学习，你还有那些疑问？【首尾相应，使课堂教学浑然一体。给学生机会，让他们说出心理的想法，即体现出了学生的主体地位，又能够很真实的了解学情，及时补救本节教学中的不足。并且能够拉近师生关系，有利于促进师生关系的和谐】【练习】课堂检测大约十分钟，自主完成，让同学们体会学会东西的喜悦，同时也加强练习，【讲练结合，既强化了学生对知识的理解，又学习了新学知识的运用方法，让学生体会到了成功的喜悦与学习的快乐】六、板书设计1、重力做功的特点：与路径无关，只与起点和终点的高度差有关。2、重力势能：等于重力与所处高度的乘积。表达式：3、重力做功与重力势能变化之间的关系：①重力做正功，重力势能减少；②重力做负功，重力势能增加。4、重力势能的值是相对的，正负表示重力势能的大小，但重力做功和重力势能的改变量不具有相对性。 5、势能是系统所共有的。