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

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1、 4.2 研究機(jī)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(jī)械能，理解物體的動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化； 2.理解機(jī)械能守恒定律的內(nèi)容和適用條件； 3.會(huì)判定具體問(wèn)題中機(jī)械能是否守恒，能運(yùn)用機(jī)械能守恒定律分析實(shí)際問(wèn)題； 4.學(xué)習(xí)從物理現(xiàn)象分析、推導(dǎo)機(jī)械能守恒定律及適用條件的研究方法; 5.初步掌握運(yùn)用能量轉(zhuǎn)化和守恒來(lái)解釋物理現(xiàn)象及分析問(wèn)題的方法. 二、教學(xué)建議 1.引入 先通過(guò)實(shí)例定性地分析機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，然后提出如下的問(wèn)題：如何定量地推導(dǎo)機(jī)械能守恒定律呢？在什么條件下，機(jī)械能才守恒呢？這就是本節(jié)進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律的目的. 2.機(jī)械能轉(zhuǎn)化是

2、通過(guò)重力或彈力做功來(lái)實(shí)現(xiàn)的 按教材推導(dǎo)完守恒定律后，可向?qū)W生說(shuō)明能量轉(zhuǎn)化的途徑是做功，不同性質(zhì)的力做功將會(huì)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(shì)能和動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化；只有彈力做功，必定只有彈性勢(shì)能和動(dòng)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(shì)能（或彈性勢(shì)能）是不是仍然只與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化呢？教學(xué)中可以舉物體下落過(guò)程中有空氣阻力的情況，并引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用動(dòng)能定理和重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系來(lái)分析說(shuō)明.由于物體克服空氣阻力做功Wf，所以WG-Wf=ΔEk.可見(jiàn)，重力做功WG即重力勢(shì)能的減少量必定大于動(dòng)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

3、力做功，就不可能只有重力勢(shì)能和動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)化.有了以上的討論，機(jī)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(jī)械能守恒定律的表述 教材對(duì)機(jī)械能守恒定律的表述只限于重力勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化的情況，對(duì)定律的條件的表述比舊教材進(jìn)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(jī)械能守恒定律. 彈力做功時(shí)的機(jī)械能守恒，教材根據(jù)大綱的要求沒(méi)有作定量的論證，教學(xué)中可以舉一些例子（如彈簧振子）來(lái)定性地說(shuō)明.要使學(xué)生知道，只有在彈力做功的情況下，物體的動(dòng)能和彈性勢(shì)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，但是機(jī)械能的總量保持不變. 4.正確認(rèn)識(shí)機(jī)械能守恒的條件 關(guān)于機(jī)械能守恒定律的條件

4、，教學(xué)中要注意解決學(xué)生中存在的一些模糊認(rèn)識(shí).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(lái).為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以以物體在光滑斜面上運(yùn)動(dòng)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(jī)械能守恒嗎？為什么？通過(guò)討論使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，只有重力作用，機(jī)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(jī)械能也守恒.還有的學(xué)生認(rèn)為：既然只有重力做功機(jī)械能才守恒，那么重力不做功時(shí)，機(jī)械能就不守恒.應(yīng)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，如果重力不做功，就不能引起重力勢(shì)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

5、周運(yùn)動(dòng)時(shí)，重力和拉力都不做功，能量沒(méi)有轉(zhuǎn)化，機(jī)械能總量不變,但不叫機(jī)械能守恒，因?yàn)槭睾闶窍鄬?duì)于能量轉(zhuǎn)化而言的. 為了使學(xué)生學(xué)會(huì)用機(jī)械能守恒的條件來(lái)判斷具體運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能是否守恒，可將練習(xí)五第（1）題放在課堂上進(jìn)行討論. 5.應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解題的步驟 要使學(xué)生懂得，遇到實(shí)際問(wèn)題，首先應(yīng)分析是否滿足機(jī)械能守恒的條件，所以，要對(duì)物體進(jìn)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(jī)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(jī)械能和末狀態(tài)的總機(jī)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(shì)能的改變量等于動(dòng)能的改變量的形式. 6.機(jī)械能守恒定律

6、不解決物體做什么運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題 一個(gè)在一定高度平拋出去的物體，用機(jī)械能守恒定律能求出它落地的速率，但無(wú)法說(shuō)明這個(gè)物體做什么運(yùn)動(dòng).又如圖所示的情況，單擺的擺球與懸點(diǎn)O處在同一水平線上，O下方距離為擺長(zhǎng)一半處有一個(gè)釘子P.水平釋放小球，小球經(jīng)過(guò)B點(diǎn)時(shí)，擺線受到P的阻擋，使小球做沿以P為圓心的圓弧運(yùn)動(dòng)，但是否能上升到懸點(diǎn)O？如果根據(jù)機(jī)械能守恒定律，結(jié)論是可能的，但能不能上升到O點(diǎn)要看具體條件.在如圖的情形中，由于小球上升時(shí)，速度越來(lái)越小，小球在到達(dá)O點(diǎn)之前，重力就迫使它離開(kāi)圓軌道而做斜上拋運(yùn)動(dòng)，如圖中所示的曲線MN，以上情況也可以用演示來(lái)說(shuō)明.通過(guò)以上例子可知，機(jī)械能守恒定律不解決物體做什么運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題

7、. 資源參考 超級(jí)球問(wèn)題 如果你在一個(gè)特別大的球上放一個(gè)特別小的球（如圖），然后把這兩個(gè)球移到距地h高的地方，釋放它們.這時(shí)戲劇性的事將發(fā)生：當(dāng)兩個(gè)超級(jí)球中的大球撞擊到地面上時(shí)，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(lái)分析這個(gè)問(wèn)題. 放在一起的兩個(gè)超級(jí)球從高h(yuǎn)的地方掉下來(lái)，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(yùn)動(dòng)（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(duì)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

8、碰撞前小球的速度相對(duì)于大球?yàn)?v，碰撞后小球相對(duì)于大球的速度應(yīng)仍為2v，但這時(shí)方向相反（如左下圖）. 對(duì)于大球上的觀察者，小球以2v的速度離開(kāi)大球，而相對(duì)于地面上的觀察者來(lái)說(shuō)，小球離開(kāi)地面的速度等于小球相對(duì)于大球的速度與大球相對(duì)于地面速度的疊加，即等于v＋2v=3v（如右上圖）. 因此小球?qū)⒁韵鄬?duì)于地面3v的速度向上運(yùn)動(dòng).這里如果沒(méi)有大球與小球的配合，小球單個(gè)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(yùn)動(dòng). 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，H＝9h 這就是說(shuō)小球能夠上升到9倍的原來(lái)掉下來(lái)時(shí)的高度. 6EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F3756EDBC3191F2351DD815FF33D4435F375