《動(dòng)能和動(dòng)能定理》教學(xué)設(shè)計(jì)

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《動(dòng)能和動(dòng)能定理》教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)重點(diǎn) 理解動(dòng)能的概念；會(huì)用動(dòng)能的定義式進(jìn)行計(jì)算. 教學(xué)難點(diǎn) 1.探究功與物體速度變化的關(guān)系,知道動(dòng)能定理的適用范圍. 2.會(huì)推導(dǎo)動(dòng)能定理的表達(dá)式. 課時(shí)安排1課時(shí) 三維目標(biāo) 知識與技能 1.理解動(dòng)能的概念. 2.熟練計(jì)算物體的動(dòng)能. 3.會(huì)用動(dòng)能定理解決力學(xué)問題，掌握用動(dòng)能定理解題的一般步驟. 過程與方法 1.運(yùn)用演繹推導(dǎo)方式推導(dǎo)動(dòng)能定理的表達(dá)式，體會(huì)科學(xué)探究的方法. 2.理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)習(xí)運(yùn)用動(dòng)能定理分析解決問題的方法. 情感態(tài)度與價(jià)值觀 1.通過演繹推理的過程，培養(yǎng)對科學(xué)研究的興趣. 2.通過對動(dòng)能和動(dòng)能定理的演繹推理，使學(xué)生從中領(lǐng)略到物理等自然學(xué)科中所蘊(yùn)含的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬯P(guān)系，反映了自然界的真實(shí)美. 教學(xué)過程 導(dǎo)入新課 視頻導(dǎo)入利用大屏幕投影展示風(fēng)力發(fā)電與龍卷風(fēng)的視頻片斷，讓學(xué)生觀察、自主提問、分組探討 教師引導(dǎo)參考問題：1.風(fēng)力發(fā)電是一種重要的節(jié)能方法，風(fēng)力發(fā)電的效率與哪些因素有關(guān)？ 2.龍卷風(fēng)給人類帶來了極大的災(zāi)難，龍卷風(fēng)為什么具有那么大的能量呢？ 故事導(dǎo)入傳說早在古希臘時(shí)期(公元前200多年)阿基米德曾經(jīng)利用杠桿原理設(shè)計(jì)了投石機(jī)，它能將石塊不斷拋向空中，利用石塊墜落時(shí)的動(dòng)能，打得敵軍頭破血流. 同學(xué)們思考一下，為了提高這種裝置的殺傷力，應(yīng)該從哪方面考慮來進(jìn)一步改進(jìn)？學(xué)習(xí)了本節(jié)動(dòng)能和動(dòng)能定理，就能夠理解這種裝置的應(yīng)用原理. 推進(jìn)新課 一、動(dòng)能的表達(dá)式 功是能量轉(zhuǎn)化的量度，每一種力做功對應(yīng)一種能量形式的變化.重力做功對應(yīng)于重力勢能的變化，彈簧彈力做功對應(yīng)于彈簧彈性勢能的變化，前幾節(jié)我們學(xué)習(xí)了重力勢能的基本內(nèi)容.“追尋守恒量”中，已經(jīng)知道物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能叫做動(dòng)能，大家舉例說明哪些物體具有動(dòng)能. 參案：奔馳的汽車、滾動(dòng)的足球、擺動(dòng)的樹枝、投出的籃球等運(yùn)動(dòng)的物體都具有動(dòng)能. 教師引導(dǎo)：重力勢能的影響因素有物體的質(zhì)量和高度，今天我們學(xué)習(xí)的動(dòng)能影響因素有哪些？通過問題啟發(fā)學(xué)生探究動(dòng)能的影響因素. 學(xué)生思考后總結(jié)：汽車運(yùn)動(dòng)得越快，具有的能量越多，應(yīng)該與物體的速度有關(guān);相同的速度，載重貨車具有的能量要比小汽車具有的能量多，應(yīng)該與物體的質(zhì)量有關(guān).即動(dòng)能的影響因素應(yīng)該是物體的質(zhì)量和速度. 問題：如何驗(yàn)證物體的動(dòng)能與物體的質(zhì)量和速度的關(guān)系？ 演示實(shí)驗(yàn)：讓滑塊A從光滑的導(dǎo)軌上滑下，與木塊B相碰，推動(dòng)木塊做功. 1.讓同一滑塊從不同的高度滑下，可以看到：高度大時(shí)滑塊把木塊推得遠(yuǎn)，對木塊做的功多. 2.讓質(zhì)量不同的木塊從同一高度滑下，可以看到：質(zhì)量大的滑塊把木塊推得遠(yuǎn)，對木塊做的功多. 師生總結(jié)：物體的質(zhì)量越大，速度越大，它的動(dòng)能就越大.即質(zhì)量、速度是動(dòng)能的兩個(gè)影響因素. 問題：動(dòng)能到底跟質(zhì)量和速度有什么定量的關(guān)系呢？動(dòng)能的表達(dá)式是怎樣的？ 情景設(shè)置一：大屏幕投影問題 一架飛機(jī)在牽引力的作用下（不計(jì)阻力），在起飛跑道上加速運(yùn)動(dòng)，速度越來越大，問： 1.飛機(jī)的動(dòng)能如何變化？為什么？ 2.飛機(jī)的動(dòng)能變化的原因是什么？ 3.牽引力對飛機(jī)所做的功與飛機(jī)動(dòng)能的變化之間有什么關(guān)系？ 學(xué)生討論并總結(jié)回答： 1.在起飛過程中，飛機(jī)的動(dòng)能越來越大，因?yàn)轱w機(jī)的速度在不斷增大. 2.由于牽引力對飛機(jī)做功，導(dǎo)致飛機(jī)的動(dòng)能不斷增大. 3.據(jù)功能關(guān)系：牽引力做了多少功，飛機(jī)的動(dòng)能就增大多少.由于牽引力所做的功和動(dòng)能變化之間的等量關(guān)系，我們可以根據(jù)做功的多少，來定量地確定動(dòng)能. 情景設(shè)置二：大屏幕投影問題，可設(shè)計(jì)如下理想化的過程模型: 設(shè)某物體的質(zhì)量為m，在與運(yùn)動(dòng)方向相同的恒力F的作用下發(fā)生一段位移l,速度由v1增加到v2，如圖所示. 提出問題： 1.力F對物體所做的功是多大？ 2.物體的加速度是多大？ 3.物體的初速度、末速度、位移之間有什么關(guān)系？ 4.結(jié)合上述三式你能綜合推導(dǎo)得到什么樣的式子？ 推導(dǎo)：這個(gè)過程中，力F所做的功為W=Fl 根據(jù)牛頓第二定律F=ma 而=2al,即l= 把F、l的表達(dá)式代入W=Fl,可得F做的功W= 也就是W= 根據(jù)推導(dǎo)過程教師重點(diǎn)提示： 1.mv2是一個(gè)新的物理量. 2.是物體末狀態(tài)的一個(gè)物理量，是物體初狀態(tài)的一個(gè)物理量,其差值正好等于合力對物體做的功.合力F所做的功等于這個(gè)物理量的變化，所以在物理學(xué)中就用這個(gè)物理量表示物體的動(dòng)能. 總結(jié)：1.物體的動(dòng)能等于物體質(zhì)量與物體速度的二次方的乘積的一半. 2.動(dòng)能的公式：Ek=mv2. 3.動(dòng)能的標(biāo)矢性：標(biāo)量. 4.動(dòng)能的單位：焦（J）. 教師引導(dǎo)學(xué)生分析動(dòng)能具有瞬時(shí)性，是個(gè)狀態(tài)量：對應(yīng)一個(gè)物體的質(zhì)量和速度就有一個(gè)動(dòng)能的值.引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中思考分析，最終總結(jié)歸納出結(jié)論.同時(shí)注意實(shí)驗(yàn)方法——控制變量法. 例1質(zhì)量為2 kg的石塊做自由落體運(yùn)動(dòng)，求石塊在第1 s末、第2 s末的動(dòng)能是多少？ 解析：先求出第1 s末和第2 s末的速度再求出動(dòng)能值，明確變速運(yùn)動(dòng)的物體動(dòng)能是時(shí)刻變化的. v1=gt1=101 m/s=10 m/s,v2=gt2=102 m/s=20 m/s Ek1=mv12=100 J,Ek2=mv22=400 J. 答案：100 J400 J 或者先求出石塊1 s內(nèi)和2 s內(nèi)的位移，再確定重力做功的對應(yīng)值，重力做功的值就是石塊動(dòng)能的增加量，即石塊的動(dòng)能值（因?yàn)槭瘔K的初動(dòng)能為0）,從而進(jìn)一步理解功是能量轉(zhuǎn)化的量度. 二、動(dòng)能定理 課件展示：通過大屏幕投影展示足球運(yùn)動(dòng)員踢球的場面，讓學(xué)生觀察，運(yùn)動(dòng)員用力將足球踢出，足球獲得了動(dòng)能；足球在草地上由于受到了阻力的作用，速度越來越小，動(dòng)能越來越小. 問題：1.若外力對物體做功，該物體的動(dòng)能總會(huì)增加嗎？ 2.如果物體對外做功，該物體的動(dòng)能總會(huì)減少嗎？做功與動(dòng)能的改變之間究竟有什么關(guān)系呢？ 推導(dǎo)：將剛才推導(dǎo)動(dòng)能公式的例子改動(dòng)一下：假設(shè)物體原來就具有速度v1，且水平面存在摩擦力f，在外力F作用下，經(jīng)過一段位移s，速度達(dá)到v2，如圖，則此過程中，外力做功與動(dòng)能間又存在什么關(guān)系呢？ 外力F做功：W1=Fs 摩擦力f做功：W2=-fs 外力做的總功為:W總=Fs-fs=ma=Ek2-Ek1=ΔEk. 師生總結(jié)：外力對物體做的總功等于物體在這一運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能的增量.其中F與物體運(yùn)動(dòng)同向，它做的功使物體動(dòng)能增大；f與物體運(yùn)動(dòng)反向，它做的功使物體動(dòng)能減少.它們共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致了物體動(dòng)能的變化.學(xué)生根據(jù)課本提供的問題情景，運(yùn)用牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式獨(dú)立推導(dǎo)出外力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系. 思維拓展 將上述問題再推廣一步：若物體同時(shí)受幾個(gè)方向任意的外力作用，情況又如何呢？引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出正確結(jié)論并板書: 力在一個(gè)過程中對物體所做的功,等于物體在這個(gè)過程中動(dòng)能的變化，這個(gè)結(jié)論叫動(dòng)能定理.用W總表示外力對物體做的總功，用Ek1表示物體初態(tài)的動(dòng)能，用Ek2表示末態(tài)動(dòng)能，則動(dòng)能定理表示為：W總=Ek2-Ek1=ΔEk. 分組討論：根據(jù)動(dòng)能定理的表達(dá)形式，提出下列問題，加強(qiáng)對動(dòng)能定理表達(dá)式的理解: 1.當(dāng)合力對物體做正功時(shí)，物體動(dòng)能如何變化？ 2.當(dāng)合力對物體做負(fù)功時(shí)，物體動(dòng)能如何變化？ 學(xué)生總結(jié)分析： 1.當(dāng)合力對物體做正功時(shí)，末動(dòng)能大于初動(dòng)能，動(dòng)能增加. 2.當(dāng)合力對物體做負(fù)功時(shí)，末動(dòng)能小于初動(dòng)能，動(dòng)能減少. 知識拓展 1.外力對物體做的總功的理解 有的力促進(jìn)物體運(yùn)動(dòng)，而有的力則阻礙物體運(yùn)動(dòng).因此它們做的功就有正、負(fù)之分，總功指的是各外力做功的代數(shù)和；又因?yàn)閃總=W1+W2+……=F1s+F2s+……=F合s，所以總功也可理解為合外力的功. 2.對動(dòng)能定理標(biāo)量性的認(rèn)識 定理中各項(xiàng)均為標(biāo)量，因此單純速度方向改變不影響動(dòng)能大小.如勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程中，合外力方向指向圓心，與位移方向始終保持垂直，所以合外力做功為零，動(dòng)能變化亦為零，并不因速度方向改變而改變. 3.對定理中“變化”一詞的理解 由于外力做功可正、可負(fù)，因此物體在一運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能可增加，也可能減少.因而定理中“變化”一詞，并不表示動(dòng)能一定增大，它的確切含義為末態(tài)與初態(tài)的動(dòng)能差，或稱為“改變量”,數(shù)值可正，可負(fù). 4.對狀態(tài)與過程關(guān)系的理解 功是伴隨一個(gè)物理過程而產(chǎn)生的，是過程量；而動(dòng)能是狀態(tài)量.動(dòng)能定理表示了過程量等于狀態(tài)量的改變量的關(guān)系. 5.對適用條件的理解：動(dòng)能定理的表達(dá)式是在物體受恒力作用且做直線運(yùn)動(dòng)的情況下得出的，但對于外力是變力，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的情況同樣適用. 例2一架噴氣式飛機(jī)，質(zhì)量m=5.0103kg，起飛過程中從靜止開始滑跑.當(dāng)位移達(dá)到l=5.3102m時(shí)，速度達(dá)到起飛速度v=60 m/s.在此過程中飛機(jī)受到的平均阻力是飛機(jī)重力的0.02倍.求飛機(jī)受到的牽引力. 解法一：以飛機(jī)為研究對象，它做勻加速直線運(yùn)動(dòng)且受到重力、支持力、牽引力和阻力作用 F合=F-kmg=ma① 又v2-02=2al,所以a=② 由①和②得:F-kmg= F=kmg+=0.02510310 N+5103N=1.8104N. 解法二：以飛機(jī)為研究對象，它受到重力、支持力、牽引力和阻力作用，這四個(gè)力做的功分別為WG=0，W支=0，W牽=Fl，W阻=-kmgl.據(jù)動(dòng)能定理得：Fl-kmgl=mv2,代入數(shù)據(jù)，解得F=1.8104N. 方法比較：解法一是用牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的公式求解的，而解法二是用動(dòng)能定理求解的，那么同學(xué)們比較一下，這兩種解法有什么區(qū)別呢? 學(xué)生討論比較后得到：解法一采用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的公式求解，要假定牽引力是恒力，而實(shí)際中牽引力不一定是恒力.解法二采用動(dòng)能定理求解，因?yàn)閯?dòng)能定理適用于變力，用它可以處理牽引力是變力的情況.而且運(yùn)用動(dòng)能定理解題不涉及物體運(yùn)動(dòng)過程中的加速度和時(shí)間，因此用它來處理問題時(shí)比較方便. 動(dòng)能定理解題的方法和步驟： (1)確定研究對象； (2)分析物體的受力情況，明確各個(gè)力是否做功，做正功還是做負(fù)功，進(jìn)而明確合外力的功; (3)明確物體在始末狀態(tài)的動(dòng)能; (4)根據(jù)動(dòng)能定理列方程求解. 課堂小結(jié)本節(jié)課主要學(xué)習(xí)了： 1.物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能叫動(dòng)能，動(dòng)能可用Ek來表示，物體的動(dòng)能等于物體的質(zhì)量與物體速度的二次方的乘積的一半. 2.動(dòng)能是標(biāo)量，也是狀態(tài)量. 3.動(dòng)能定理是根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)出來的. 4.動(dòng)能定理中所說的外力，既可以是重力、彈力、摩擦力,也可以是任何其他的力，動(dòng)能定理中的W是指所有作用在物體上的外力的合力的功. 5.動(dòng)能定理的表達(dá)式是在物體受恒力作用且做直線運(yùn)動(dòng)的情況下得出的，但對于外力是變力，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的情況同樣適用. 布置作業(yè) 教材“問題與練習(xí)”第1、2、3題. 板書設(shè)計(jì) 7動(dòng)能和動(dòng)能定理