从恐惧到挑战直到征服——《重力势能》教学案例设计 【教材分析】势能是下节机械能守恒的知识基础，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。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．理解功是物体能量变化的量度。4．知道弹性势能的初步概念。㈡过程与方法1．培养学生的发散思维和归纳能力2．学习用“控制变量法”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，培养民族自豪感和荣誉观念。3．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。【设计思想】本节课的教学方法采用：实验法、讲授法、归纳法。通过生动有趣的图片引入新课，激发学生求知的欲望。多媒体展示各种实例，让学生了解物体不动时，“储存”着一种能量——重力势能（弹性势能），提高学生认知水平。
让学生通过自己设计实验，同学之间相互讨论，来学习体验应用“控制变量法”研究问题的方法。通过实例计算来认识重力势能的相对性以及重力势能变化的绝对性，从而突破教学难点。根据功和能的关系，推导重力做功跟重力势能改变的关系，加深理解功是能量转化的量度。【教学过程】（一）新课引入一头温顺的耕牛带给我们的感受是一派柔美的田园风光（幻灯片1），但当它向你飞奔而来的时候（幻灯片2），你的第一反应肯定是——逃。一股山间的河水静静的流淌，并不可怕（幻灯片3），但当它走出山林，变成世界第一的尼亚加拉大瀑布的时候，它不可抑制的怒吼会使你不由自主地战抖。这种能量来自哪里呢（幻灯片4）？[学生回答]来自于它的动能。[教师引导]前面我们已学过，物体所具有动能越大，对外做功的本领就越强。但是有些物体就算一动不动，却同样让人感到紧张。例如，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。我们之所以会害怕，是因为他们具有潜藏的能量。尽管它还没有做功，但都蓄势待发，只要一有机会，就会通过做功把能量释放出来。（二）教学过程一、重力势能1．定义：地球上的物体由于被举高而具有的能量，我们把这种能量叫做重力势能。[教师说明]因为地球对物体的吸引，由物体与地球间的相对位置决定的能量叫做重力势能。没有地球对物体的引力作用就没有重力势能（flash动画，说明宇航员在宇宙飞船上不害怕杠铃，因为物体处于失重状态，没有重力势能）。因此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。2．重力势能的表达式[教师提问]重力势能的大小和什么因素有关？[教师引导]杠铃放在脚边，我们都不觉得什么？但是如果把它悬挂在你的头顶之上，就变得可怕起来。重力势能的大小和什么因素有关呢？[学生回答]高度[教师引导]如果悬挂在头顶之上的是一团棉花，你还会觉得可怕吗？重力势能的大小还和什么因素有关呢？[学生回答]质量[学生自主探究实验方法]（控制变量法）出示实验器材：透明玻璃容器、沙子、小大质量均不同的两个重锤，木制的小板凳让学生自行设计实验，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大致关系。分组讨论试验方案，选出一组学生上前演示，并作解释。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。[加深印象]出示陨石坑图片（幻灯片5），
介绍陨石具有的重力势能质量越大，高度越大，重力势能越大，做功的本领也越大。反之亦然。精确实验表明：Ep=mgh⑴单位：焦耳（J）1kg(m/s2)m=1Nm=1J⑵标矢性：标量⑶相对性——Ep与参考平面（零势能面）的选择有关[教师提问]同学们对重力势能表达式中的“高度h”是如何理解的？[学生讨论]高度具有相对性，重力势能也具有相对性。为了明确相对高度的大小，我们选取一个参考平面，设其高度h=0，也叫零势能面。举例：一只花盆从16楼窗台落地（幻灯片6），根据给出数据计算填表（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）地面16楼3楼参考平面花盆在窗台上重力势能花盆落地时重力势能重力势能变化m=2kg，h=50m，h1=10m，g=10m/s2[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。②重力势能的正负含义：重力势能是标量，只有大小没有方向，重力势能的正负表示大小。正号表示物体在参考平面的上方，高度为正值，重力势能比零势能大。负号表示物体在参考平面的下方，高度为负值，重力势能比零势能小。类比：摄氏温度的表示，－5℃表示温度为零下5度。③重力势能的变化与零势能面的选取无关，具有绝对性（幻灯片7）。渗透社会公德教育：预防高空坠物的危险。3．重力势能的变化与重力做功的关系（幻灯片8）分析计算，运用上例：花盆下落，重力势能减少，这一过程中重力做功多少？若将花盆搬回16楼，重力势能如何变化，重力做功又将如何？
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。[教师强调]重力做功是重力势能变化的量度。4．重力做功的特点（幻灯片9滑梯）重力做功只与物体始末位置的高度差有关，与路径无关。[课堂练习]运用重力势能的知识解决简单问题[新闻图片，设置情境]（幻灯片10）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、杠铃的势能变化多少？2、重力做功多少？3、设挺举过程中，做功时间1s，求运动员发挥的平均功率是多少？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。二、弹性势能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（幻灯片11弓箭），哪怕它只是孩童手里的玩具（幻灯片12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。举例：生活中还有那些利用弹性势能的例子呢？（幻灯片13）拉伸或压缩的弹簧、球拍、撑杆跳高、跳板跳水等。三、势能——位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。
（三）课堂小结（幻灯片14）1．势能是由物体间的相互作用而具有的，由它们的相对位置决定。2．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。3．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。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征服的故事。人们对重力势能的恐惧感是与生俱来的（幻灯片15山间巨石）。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（幻灯片16攀岩运动）。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（幻灯片17过山车）。但是科学的意义不仅仅是认识自然，挑战自然，更在于能动的改造自然！介绍水力发电（幻灯片18、播放水力发电的录像）。【板书设计】一、重力势能1．定义：地球上的物体由于被举高而具有的能量2．表达式：Ep=mgh⑴单位：焦耳（J）1kg(m/s2)m=1Nm=1J⑵标矢性：标量⑶相对性——Ep与参考平面（零势能面）的选择有关ΔEp与参考平面（零势能面）的选择无关，具有绝对性3．重力势能的变化与重力做功的关系：4．重力做功的特点：重力做功只与物体始末位置的高度差有关，与路径无关。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。【教学后记】本节课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。本节课运用“实验（举例）——理论归纳——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。本节课在多媒体、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，也是本节课的一大亮点。
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