机械能守恒定律-物理教案

机械能守恒定律

一、教学目标
　　1．在已经学习有关机械能概念的基础上，学习机械能守恒定律，掌握机械能守恒的条件，掌握应用机械能守恒定律分析、解决问题的基本方法。
　　2．学习从功和能的角度分析、处理问题的方法，提高运用所学知识综合分析、解决问题的能力。

二、重点、难点分析
　　1．机械能守恒定律是本章教学的重点内容，本节教学的重点是使学生掌握物体系统机械能守恒的条件；能够正确分析物体系统所具有的机械能；能够应用机械能守恒定律解决有关问题。
　　2．分析物体系统所具有的机械能，尤其是分析、判断物体所具有的重力势能，是本节学习的难点之一。在教学中应让学生认识到，物体重力势能大小与所选取的参考平面(零势面)有关；而重力势能的变化量是与所选取的参考平面无关的。在讨论物体系统的机械能时，应先确定参考平面。
　　3．能否正确选用机械能守恒定律解决问题是本节学习的另一难点。通过本节学习应让学生认识到，从功和能的角度分析、解决问题是物理学的重要方法之一；同时进一步明确，在对问题作具体分析的条件下，要能够正确选用适当的物理规律分析、处理问题。

三、教具
　　演示物体在运动中动能与势能相互转化。
　　器材包括：麦克斯韦滚摆；单摆；弹簧振子。

四、主要教学过程

(一)引入新课
　　结合复习引入新课。
　　前面我们学习了动能、势能和机械能的知识。在初中学习时我们就了解到，在一定条件下，物体的动能与势能(包括重力势能和弹性势能)可以相互转化，下面我们观察演示实验中物体动能与势能转化的情况。
　　[演示实验] 依次演示麦克斯韦滚摆、单摆和弹簧振子，提醒学生注意观察物体运动中动能、势能的变化情况。
　　通过观察演示实验，学生回答物体运动中动能、势能变化情况，教师小结：
　　物体运动过程中，随动能增大，物体的势能减小；反之，随动能减小，物体的势能增大。
　　提出问题：上述运动过程中，物体的机械能是否变化呢？这是我们本节要学习的主要内容。

(二)教学过程设计
　　在观察演示实验的基础上，我们从理论上分析物理动能与势能相互转化的情况。先考虑只有重力对物体做功的理想情况。
　　1．只有重力对物体做功时物体的机械能
　　问题：质量为m的物体自由下落过程中，经过高度h₁处速度为v₁，下落至高度h₂处速度为v₂，不计空气阻力，分析由h₁下落到h₂过程中机械能的变化(引导学生思考分析)。
　　分析：根据动能定理，有

　　下落过程中重力对物体做功，重力做功在数值上等于物体重力势能的变化量。取地面为参考平面，有

W_G＝mgh₁-mgh₂

　　由以上两式可以得到

　　引导学生分析上面式子所反映的物理意义，并小结：下落过程中，物体重力势能转化为动能，此过程中物体的机械能总量不变。
　　指出问题：上述结论是否具有普遍意义呢？作为课后作业，请同学们课后进一步分析物体做平抛和竖直上抛运动时的情况。
　　明确：可以证明，在只有重力做功的情况下，物体动能和势能可以相互转化，而机械能总量保持不变。
　　提出问题：在只有弹簧弹力做功时，物体的机械能是否变化呢？
　　2．弹簧和物体组成的系统的机械能
　　以弹簧振子为例(未讲振动，不必给出弹簧振子名称，只需讲清系统特点即可)，简要分析系统势能与动能的转化。
　　明确：进一步定量研究可以证明，在只有弹簧弹力做功条件下，物体的动能与势能可以相互转化，物体的机械能总量不变。
　　综上所述，可以得到如下结论：
　　3．机械能守恒定律
　　在只有重力和弹簧弹力对物体做功的情况下，物体的动能和势能可以相互转化，物体机械能总量保持不变。这个结论叫做机械能守恒定律。
　　提出问题：学习机械能守恒定律，要能应用它分析、解决问题。下面我们通过具体问题的分析来学习机械能守恒定律的应用。在具体问题分析过程中，一方面要学习应用机械能守恒定律解决问题的方法，另一方面通过问题分析加深对机械能守恒定律的理解与认识。
　　4．机械能守恒定律的应用
　　例1．在距离地面20m高处以15m/s的初速度水平抛出一小球，不计空气阻力，取g＝10m/s²，求小球落地速度大小。
　　引导学生思考分析，提出问题：
　　(1)前面学习过应用运动合成与分解的方法处理平抛运动，现在能否应用机械能守恒定律解决这类问题？
　　(2)小球抛出后至落地之前的运动过程中，是否满足机械能守恒的条件？如何应用机械能守恒定律解决问题？
　　归纳学生分析的结果，明确：
　　(1)小球下落过程中，只有重力对小球做功，满足机械能守恒条件，可以用机械能守恒定律求解；
　　(2)应用机械能守恒定律时，应明确所选取的运动过程，明确初、末状态小球所具有的机械能。
　　例题求解过程：
　　取地面为参考平面，抛出时小球具有的重力势能E_p1＝mgh，动能为 。落地时，小球的重力势能 ，动能为 。
　　根据机械能守恒定律，有 ，即

　　落地时小球的速度大小为

　　提出问题：请考虑用机械能守恒定律解决问题与用运动合成解决问题的差异是什么？

　　例2．小球沿光滑的斜轨道由静止开始滑下，并进入在竖直平面内的离心轨道运动，如图所示，为保持小球能够通过离心轨道最高点而不落下来，求小球至少应从多高处开始滑下？已知离心圆轨道半径为R，不计各处摩擦。
　　提出问题，引导学生思考分析：
　　(1)小球能够在离心轨道内完成完整的圆周运动，对小球通过圆轨道最高点的速度有何要求？
　　(2)从小球沿斜轨道滑下，到小球在离心轨道内运动的过程中，小球的机械能是否守恒？
　　(3)如何应用机械能守恒定律解决这一问题？如何选取物体运动的初、末状态？
　　归纳学生分析的结果，明确：
　　(1)小球能够通过圆轨道最高点，要求小球在最高点具有一定速度，即此时小球运动所需要的向心力，恰好等于小球所受重力；
　　(2)运动中小球的机械能守恒；
　　(3)选小球开始下滑为初状态，通过离心轨道最高点为末状态，研究小球这一运动过程。
　　例题求解过程：
　　取离心轨道最低点所在平面为参考平面，开始时小球具有的机械能E₁＝mgh。通过离心轨道最高点时，小球速度为v，此时小球的机械能为 。根据机械能守恒定律 ，有

　　小于能够通过离心轨道最高点，应满足
　　由以上两式解得
　　小球从 的高度由静止开始滚下，可以在离心圆轨道内完成完整的圆周运动。
　　进一步说明：在中学阶段，由于数学工具的限制，我们无法应用牛顿运动定律解决小球在离心圆轨道内的运动。但应用机械能守恒定律，可以很简单地解决这类问题。

　　例3．长l＝80cm的细绳上端固定，下端系一个质量 m＝100g的小球。将小球拉起至细绳与竖直方向成60°角的位置，然后无初速释放。不计各处阻力，求小球通过最低点时，细绳对小球拉力多大？取g＝10m/s²。