人教版物理（中職）類 2.3《勢能 機械能守恒定律》 導學案（無答案）

第３節(jié)《勢能機械能守恒定律》課前自主學習任務(wù)單基礎(chǔ)層次（A層次）一、學習目標1、掌握重力勢能的概念、大小及相對性。2、了解機械能的定義。3、知道各種形式的機械能之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。4、掌握機械能守恒定律，并能應(yīng)用機械能守恒定律進行簡單的計算。二、學習過程：任務(wù)一:重力勢能1、___＿＿________＿___＿___＿__＿_____＿___叫做重力勢能。通常用符號＿______＿表示重力勢能。2、重力勢能的公式__________＿_＿____＿____________＿__。３、重力勢能的相對性如圖所示,一層樓的高度為３ｍ,講臺的高度為1m,在二樓教室,一個粉筆盒放在講臺上,此時,我們要研究粉筆盒所處的高度,必須要指出以什么位置作為參考平面。如果以地球的地面為參考，則粉筆盒的高度為4米,如果以二樓教室的地面為參考,則粉筆盒的高度為1米，如果以講臺的臺面為參考，則粉筆盒的高度為0米由此我們可以看出,高度是一個相對量，具有相對性（取不同的參考面,其高度的數(shù)值不同）。重力勢能w=mgh是通過高度算出來的,因為高度具有相對性，所以重力勢能也具有相對性?！谟嬎阒亓菽軙r,應(yīng)同時說明__＿_______的位置。一般情況下,常選__＿__＿為零勢能面。當零勢能面選定后,處于零勢能面以上的物體，公式中的h取__＿_＿_值，其重力勢能也為__＿_值；處于零勢能面以下的物體，公式中的h取__＿_＿_值,其重力勢能也為___＿值。任務(wù)二:機械能的定義1、復習動能、重力勢能、彈性勢能的概念物體由于運動而具有的能叫動能；物體由于被舉高而具有的能叫重力勢能；物體由于發(fā)生彈性形變而具有的能叫彈性勢能。２、這三種能的共同特點▲這三種能有一個共同的特點，那就是都與物體的機械運動有關(guān)，因此，我們把它們統(tǒng)稱為機械能。任務(wù)三:機械能的相互轉(zhuǎn)化1、當物體做自由落體運動時，物體的高度越來越___＿_,根據(jù)勢能的公式可知,重力勢能越來越_＿___＿;另外,在這個過程中，物體的速度越來越＿_＿___，根據(jù)動能的公式可知,物體的動能越來越____＿_。因此,物體做自由落體運動時,實際上是將___＿___＿能轉(zhuǎn)化為＿＿__＿___能的過程。2、當物體做上拋運動時，，物體的高度越來越_____，根據(jù)勢能的公式可知，重力勢能越來越______;另外,在這個過程中，物體的速度越來越_____＿,根據(jù)動能的公式可知,物體的動能越來越______。因此，物體做上拋運動時,實際上是將__＿_____能轉(zhuǎn)化為___＿____能的過程。3、如圖所示,當振子由Ｂ點向O點運動時,由于振子受到的彈力方向與運動方向相同,所以振子的速度越來越快，動能越來越大，這實際上是彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程;當振子由Ｏ點向C點運動時，由于振子受到的彈力方向與運動方向相反,所以振子的速度越來越慢，動能越來越小,這實際上是動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能的過程。任務(wù)四:機械能守恒定律1、機械能守恒定律在只有_＿_＿__（或__＿_＿__)做功的情況下，物體的__＿＿____和__＿______(或______＿_）發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，機械能的總量__＿__＿___＿_。這個結(jié)論叫_＿__＿___＿___________＿__。２、應(yīng)用機械能守恒定律解題的一般步驟。(1)（判斷是否符合機械能守恒的條件）確定零勢能面;(2)分別寫出初狀態(tài)和末狀態(tài)的總機械能；（３)根據(jù)機械能守恒定律列方程;（４）解方程求未知量。例:物體從１ｍ高、2m長的光滑斜面頂端,由靜止開始無摩擦地滑下，到達斜面底端時的速度是多大?(不計空氣阻力)解:設(shè)物體的質(zhì)量為m，取斜面最底端所在的水平面為零勢能面。物體在斜面頂端時的機械能物體到底斜面底端時的機械能根據(jù)機械能守恒定律得所以三、檢測反饋1、教學樓的樓層高度為3米，講臺的高度為1米，一粉筆盒，其質(zhì)量為0.5ｋg，放在二樓的講臺上。則以地球的地面為零勢能面,粉筆盒的重力勢能為___＿__J;以二樓教室的地面為零勢能面,粉筆盒的重力勢能為＿_＿___J；以講臺的臺面為零勢能面,粉筆盒的重力勢能為_＿____J；以二樓教室的天花板為零勢能面，粉筆盒的重力勢能為２、與物體機械運動有關(guān)的能統(tǒng)稱為＿＿______。包括___＿_____、_＿___＿____和______＿＿＿__。３、將小球以29．4m應(yīng)用層次（B層次)一、學習目標（在A層次的基礎(chǔ)上增加)1、了解重力做功與重力勢能的變化關(guān)系。2、掌握機械能守恒定律的應(yīng)用條件。二、學習過程：任務(wù)一:討論重力做功與重力勢能的變化關(guān)系１、當物體下降時（１）重力的做功情況重力的方向豎直向下,物體的位移方向也是豎直向下,重力的方向與物體位移的方向相同，所以重力做正功。重力所做的功為(2)重力勢能的變化情況物體下降，高度減少,所以重力勢能減小，重力勢能的減少量為（３）結(jié)論：對比重力所做的功和重力勢能的減少量，我們就可以得出這樣的結(jié)論物體下降，重力做正功，物體的重力勢能減小，重力勢能的減小量就等于重力對物體所做的功。2、當物體上升時（1)重力的做功情況重力的方向總是________＿_，物體的位移方向______＿__,重力的方向與物體位移的方向_＿_____,所以重力做___＿___功。重力所做的功為(因為ｈ１<ｈ2,ｗ值為負）重力做負功，我們也可以說成:物體克服重力做功，但數(shù)值為正，即物體克服重力所做的功為(2）重力勢能的變化情況物體上升,高度增加,所以重力勢能增加,重力勢能的增加量為(３)結(jié)論：對比物體克服重力所做的功和重力勢能的增加量,我們就可以得出這樣的結(jié)論物體上升，重力做負功,物體的重力勢能增大，重力勢能的增加量就等于物體克服重力所做的功。3、統(tǒng)一公式:無論是物體上升還是下降，下面的公式都適用。[注意：初－末,上升h１<h2,W重為負，下降ｈ1>h2,W重為正］任務(wù)二:機械能守恒定律的應(yīng)用條件機械能守恒的條件：1、在動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化過程中,機械能守恒的條件是：只有重力做功。注意:①只有重力做功有兩層含義:一是只受重力且做功。如自由落體運動、平拋運動、上拋運動、斜拋運動等。二是除了重力還受其他力,但其他力不做功。比如：單擺。擺球在運動過程中,除了受到重力外，還受到繩子的拉力，但繩子的拉力在運動過程中，始終跟運動方向垂直，不做功,即只有重力做功。故這種情況下機械能守恒。再比如:物體沿光滑斜面下滑。在下滑過程中,物體除受重力外，還受斜面對物體的支持力，但支持力跟運動方向始終垂直,不做功，即只有重力做功。故機械能守恒。②解這類題目時,首先要分析,物體在運動過程中是不是只有重力做功。如果是，就可以根據(jù)機械能守恒解題；如果不是,則不能用機械能守恒解題,必須另想他法。比如：物體沿粗糙的斜面下滑。除了重力做功外，還有摩擦力做功,不符合機械能守恒的條件,故不能用機械能守恒定律解題。再比如:降落傘在下落的一定的時候，下落的速度幾乎保持不變，即動能不變,而重力勢能隨著高度的下降在逐漸變小，因此總機械能在減小,顯然降落傘的下落運動過程中，機械能不守恒。究其原因,降落傘在下落過程中,所受空氣的阻力就等于重力，不可以忽略不計，因此在這個過程中，除了重力做功外，還有空氣阻力對它做負功，不符合機械能的守恒條件。2、在動能和彈性勢能的相互轉(zhuǎn)化過程中,機械能守恒的條件是：只有彈力做功。比如:如圖所示假如不考慮振子與橫桿之間的摩擦力及振子所受到的空所阻力,振子受如圖所示的三個力的作用，其中重力和支持力都跟運動方向垂直,不做功,故只有彈力做功，機械能守恒。三、檢測反饋１、如圖所示,斜面的傾角為30０,坡長為10m,物體的質(zhì)量為2kg。以B點所在水平面為零勢能面，則物體在A點時的勢能為＿___＿__＿＿__＿＿J，物體在B點時的勢能為_＿_____J；以A點所在的水平面為零勢能面，則物體在A點時的勢能為_＿＿___＿＿J，物體在Ｂ點時的勢能為___＿__＿_＿J。若物體從斜面頂端A點下滑到斜面底端Ｂ點,重力做_____功（填“正”或“負”)，做功的大小為_＿＿__＿＿_J,重力勢能是＿＿________(填“增加”或“減小”），變化了_＿___＿_J；若物體從斜面底端B點被推到斜面頂端A點,重力做____＿功(填“正”或“負”)，做功的大小為___＿___＿J，物體克服重力做了__＿＿_＿Ｊ的功,重力勢能是____＿_____（填“增加”或“減小”)，變化了___＿___J。2、以9.8ｍ/s的初速度豎直上拋質(zhì)量為2０0g的小球,不計空氣阻力,求：（１)此球所能達到最大高度3、在下面各實例中,哪些過程機械能是守恒的,哪些是不守恒的？為什么?（1)物塊沿光滑斜面下滑;（2)物塊沿斜面勻速下滑;(３)物體做自由落體運動;（４）跳傘運動員在空中張開降落傘后勻速下落。4、運動員用手把離地1.6m高處的鉛球推出去,使之獲得5ｍ/s的斜向上方的初速度，不計空氣阻力,拓展層次（C層次)一、學習目標(在A、B兩層次的基礎(chǔ)上增加)1、了解重力勢能公式的推導；2、了解彈性勢能和勢能的概念3、會證明自由落體運動、沿光滑斜面下滑的物體機械能守恒二、學習過程：任務(wù)一：重力勢能公式的推導▲假如說，物體處于地面時的勢能為零?！奄|(zhì)量為m的物體從地面勻速舉高到高度h處,則外力Ｆ做的功為W=Fh=mｇｈ▲前面我們講過“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”對物體做了多少功,則物體就獲得多大的能。因此，原來沒有能量的物體,經(jīng)過做功后，獲得了mgh的能量，這個能就是勢能，用Ep表示。則有W=mgｈ=Eｐ-0=Ep即Ep=mgh結(jié)論：物體的重力勢能等于物體的質(zhì)量、重力加速度和高度的乘積。任務(wù)二:彈性勢能一個物體能對外做功，我們就說它具有能。物體由于運動而具有的能叫動能。具有動能的物體能夠?qū)ν庾龉?。物體由于被舉高而具有的能,叫重力勢能。具有重力勢能的物體也能對外做功。除了這兩種情況外,有沒有其他情況下,物體也能對外做功呢？(１)將彈簧壓縮和伸長,彈簧就具備了對外做功的能力；(2）將弓拉開,弓就具有了對外做功的能力。事實上，一切發(fā)生彈性形變的物體都能對外做功，都具有能量。如:發(fā)條、網(wǎng)球拍、發(fā)生形變的竹片等。在它們恢復原狀的時候都能對外界做功。由于物體發(fā)生彈性形變而具有的能叫做彈性勢能?！鴦幽?、重力勢能、彈性勢能都與機械運動有關(guān),因此，統(tǒng)稱為機械能?！枰獜娬{(diào)的是:三種機械能是可以相互轉(zhuǎn)化的（１)物體下降:重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。（2)物體上升：動能轉(zhuǎn)化為重力勢能。(３）彈簧振子：動能與彈性勢能相互轉(zhuǎn)化。（4)蹦蹦床:動能、重力勢能、彈性勢能相互轉(zhuǎn)化。任務(wù)三：勢能１、分析重力勢能（１)談到重力勢能，必須要涉及到兩個物體構(gòu)成的系統(tǒng):一是地球,二是地球附近的物體。(2）這兩個物體之間存在著引力（重力）作用。（３）在重力作用下,如果物體做下落運動，速度將越來越快，即動能越來越大，根據(jù)能量守恒定律（能量既不可能憑空產(chǎn)生,也不可能憑空消失,只能由一種形式的能轉(zhuǎn)化為另一種形式的能，或者由一個物體轉(zhuǎn)移給另一個物體),必然存在一種隨著高度下降越來越小的能,這種能就是重力勢能。重力勢能是由物體相對于地球的高度決定的。2、分析彈性勢能（以彈簧振子為例)（1)存在著由兩個物體構(gòu)成的系統(tǒng):一是振子,二是彈簧。(2）這兩個物體之間存在著彈力的作用。(3）如圖所示，在彈力作用下，由Ｂ點向O點運動過程中,速度越來越快,即動能越來越大,根據(jù)能量定恒定律,必然存在一種隨著離O點(平衡位置）越來越近而越來越小的能,這種能就是彈性勢能。彈性勢能是由振子偏離平衡位置的距離決定的。3、導出勢能的概念概括上面兩種勢能,我們可以找到它們的共同的東西：（1）是由兩個物體構(gòu)成的系統(tǒng)；(2）兩個物體間有力（引力、彈力、斥力）的作用；(3）因為物體間有力的作用，因此如果只在這個力的作用下，物體運動的速度會越來越快，即動能越來越大，而動能肯定是由某種能轉(zhuǎn)化而來，這種能就是勢能。歸納上面的共性,我們可以給勢能下如下定義:兩個物體之間,如果存在著力(吸引、斥力、彈力)的作用，那么由它們之間的相對位置必然決定一種能，這種能就叫做勢能。除重力勢能、彈性勢能外，我們在以后的章節(jié)中還將共同學習分子勢能和電勢能。任務(wù)四：證明自由落體運動、沿光滑斜面下滑的物體機械能守恒如圖所示,有一質(zhì)量為m的小球，從A處做自由落體運動。Ａ位置的高度為，當它下落到位置B時，它的高度為，速度為Ｖ,到達地面C時,速度為V。試比較小球在A、B、C三個位置的機械能。A點:小球是靜止的，只有勢能,沒有動能B點：小球既有動能、又有勢能，機械能等于動能和勢能之和。…………①根據(jù)動能定理可知,在Ａ到Ｂ過程中外力所做的功…………②②式代入①式得Ｃ點:小球落地時，只有動能無勢能…………③根據(jù)動能定理：在Ａ到C的過程中，重力所做功即…………④所以★由此可見，做自由落體運動的物體，機械能的總量相等,即在運動過程中，機械能守恒。再看一例:小球沿傾角為α、長為L的光滑斜面頂端從靜止開始下滑，分別求出小球在頂端Ａ和底端Ｂ兩個位置的機械能Ａ:只有勢能無動能，Ｂ：只有動能、無勢能因為沒有摩擦力,所以A到Ｂ過程中，球受的合力F合＝mｇLsiｎαW合＝F合L＝mgＬｓiｎα根據(jù)動能定理：W合＝所以所以即機械能守恒也就是說