高中物理 第4章 能量守恒與可持續(xù)發(fā)展 4.2 研究機械能守恒定律教案 滬科版必修2

4.2 研究機械能守恒定律教研中心教學(xué)指導(dǎo)一、課標(biāo)要求1.知道什么是機械能，理解物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化；2.理解機械能守恒定律的內(nèi)容和適用條件；3.會判定具體問題中機械能是否守恒，能運用機械能守恒定律分析實際問題；4.學(xué)習(xí)從物理現(xiàn)象分析、推導(dǎo)機械能守恒定律及適用條件的研究方法;5.初步掌握運用能量轉(zhuǎn)化和守恒來解釋物理現(xiàn)象及分析問題的方法.二、教學(xué)建議1.引入 先通過實例定性地分析機械能的相互轉(zhuǎn)化，然后提出如下的問題：如何定量地推導(dǎo)機械能守恒定律呢？在什么條件下，機械能才守恒呢？這就是本節(jié)進一步學(xué)習(xí)機械能守恒定律的目的.2.機械能轉(zhuǎn)化是通過重力或彈力做功來實現(xiàn)的 按教材推導(dǎo)完守恒定律后，可向?qū)W生說明能量轉(zhuǎn)化的途徑是做功，不同性質(zhì)的力做功將會引起不同形式的能參與轉(zhuǎn)化.只有重力做功，必定只有重力勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化；只有彈力做功，必定只有彈性勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化.如果除了重力（或彈力）做功之外，還有別的力做功，重力勢能（或彈性勢能）是不是仍然只與動能相互轉(zhuǎn)化呢？教學(xué)中可以舉物體下落過程中有空氣阻力的情況，并引導(dǎo)學(xué)生運用動能定理和重力做功與重力勢能變化的關(guān)系來分析說明.由于物體克服空氣阻力做功Wf，所以WG-Wf=Ek.可見，重力做功WG即重力勢能的減少量必定大于動能的增加，這是由于內(nèi)能參與了轉(zhuǎn)化.因此，除重力做功外，還有別的力做功，就不可能只有重力勢能和動能之間的轉(zhuǎn)化.有了以上的討論，機械能守恒定律的推導(dǎo)以及學(xué)生理解該定律的條件也就有了基礎(chǔ).3.機械能守恒定律的表述 教材對機械能守恒定律的表述只限于重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化的情況，對定律的條件的表述比舊教材進了一步.教材仍然不從“系統(tǒng)”“內(nèi)力做功”“外力做功”的角度去闡述機械能守恒定律. 彈力做功時的機械能守恒，教材根據(jù)大綱的要求沒有作定量的論證，教學(xué)中可以舉一些例子（如彈簧振子）來定性地說明.要使學(xué)生知道，只有在彈力做功的情況下，物體的動能和彈性勢能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但是機械能的總量保持不變.4.正確認(rèn)識機械能守恒的條件 關(guān)于機械能守恒定律的條件，教學(xué)中要注意解決學(xué)生中存在的一些模糊認(rèn)識.例如，有的學(xué)生把“只有重力做功”與“只有重力作用”等同起來.為了解決這個問題，可以以物體在光滑斜面上運動為例，讓學(xué)生討論：物體不但受到重力作用，還受到支持力作用，物體的機械能守恒嗎？為什么？通過討論使學(xué)生認(rèn)識到，只有重力作用，機械能總量當(dāng)然保持不變，但如果物體受重力作用之外，還有其他力的作用，機械能也守恒.還有的學(xué)生認(rèn)為：既然只有重力做功機械能才守恒，那么重力不做功時，機械能就不守恒.應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識到，如果重力不做功，就不能引起重力勢能的變化，如果其他力也不做功，能量就不可能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，總量當(dāng)然是不變的.例如，細(xì)繩拴著的小球在光滑的水平桌面上做勻速圓周運動時，重力和拉力都不做功，能量沒有轉(zhuǎn)化，機械能總量不變,但不叫機械能守恒，因為守恒是相對于能量轉(zhuǎn)化而言的. 為了使學(xué)生學(xué)會用機械能守恒的條件來判斷具體運動中機械能是否守恒，可將練習(xí)五第（1）題放在課堂上進行討論.5.應(yīng)用機械能守恒定律解題的步驟 要使學(xué)生懂得，遇到實際問題，首先應(yīng)分析是否滿足機械能守恒的條件，所以，要對物體進行受力分析，然后考慮是否除重力做功外還有其他力做功.如果符合機械能守恒的條件，根據(jù)題意選好參考平面，在明確初狀態(tài)的總機械能和末狀態(tài)的總機械能后，就可以列方程解出未知量.守恒的等式也可以采用重力勢能的改變量等于動能的改變量的形式.6.機械能守恒定律不解決物體做什么運動的問題 一個在一定高度平拋出去的物體，用機械能守恒定律能求出它落地的速率，但無法說明這個物體做什么運動.又如圖所示的情況，單擺的擺球與懸點O處在同一水平線上，O下方距離為擺長一半處有一個釘子P.水平釋放小球，小球經(jīng)過B點時，擺線受到P的阻擋，使小球做沿以P為圓心的圓弧運動，但是否能上升到懸點O？如果根據(jù)機械能守恒定律，結(jié)論是可能的，但能不能上升到O點要看具體條件.在如圖的情形中，由于小球上升時，速度越來越小，小球在到達O點之前，重力就迫使它離開圓軌道而做斜上拋運動，如圖中所示的曲線MN，以上情況也可以用演示來說明.通過以上例子可知，機械能守恒定律不解決物體做什么運動的問題.資源參考超級球問題 如果你在一個特別大的球上放一個特別小的球（如圖），然后把這兩個球移到距地h高的地方，釋放它們.這時戲劇性的事將發(fā)生：當(dāng)兩個超級球中的大球撞擊到地面上時，小球?qū)⒚撾x大球，并升高到9倍于h高的地方.為什么呢？讓我們來分析這個問題.放在一起的兩個超級球從高h的地方掉下來，在它們撞擊地面后的一瞬間，由于完全彈性碰撞,大球?qū)⒁运俣葀向上，而小球仍以速度v向下運動（如圖），這里速度v取決于下式：mv2=mgh 現(xiàn)在假如你站在大球上，你將觀察到：小球相對于你的速度為2v（如圖）. 把小球與大球之間的碰撞也看成是完全彈性碰撞，因此碰撞前小球的速度相對于大球為2v，碰撞后小球相對于大球的速度應(yīng)仍為2v，但這時方向相反（如左下圖）. 對于大球上的觀察者，小球以2v的速度離開大球，而相對于地面上的觀察者來說，小球離開地面的速度等于小球相對于大球的速度與大球相對于地面速度的疊加，即等于v2v=3v（如右上圖）.因此小球?qū)⒁韵鄬τ诘孛?v的速度向上運動.這里如果沒有大球與小球的配合，小球單個以速度v撞擊地面，那么小球只能仍以速度v向上，而不可能是現(xiàn)在的以速度3v向上運動.小球能夠上升到的高度H取決于下式：mgH=m(3v)2=9mv2=9mgh=mg(qh)所以，H9h這就是說小球能夠上升到9倍的原來掉下來時的高度.6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375