【同步備課】2020年高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)(新人教必修二)7.7《動(dòng)能和動(dòng)能定理》3

7動(dòng)能和動(dòng)能定理整體設(shè)計(jì)動(dòng)能定理是本章教學(xué)重點(diǎn)，也是整個(gè)力學(xué)的重點(diǎn)，《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求“探究恒力做功與物體動(dòng)能變化的關(guān)系.理解動(dòng)能和動(dòng)能定理，用動(dòng)能定理解釋生活和生產(chǎn)中的現(xiàn)象”.因此，在實(shí)際教學(xué)中要留意全體同學(xué)的進(jìn)展，轉(zhuǎn)變學(xué)科本位的觀念，留意科學(xué)探究，提倡學(xué)習(xí)方式的多樣化、強(qiáng)調(diào)過程和方法的學(xué)習(xí)，以培育同學(xué)的“創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神和實(shí)踐力量”為根本動(dòng)身點(diǎn)，激勵(lì)同學(xué)“在教學(xué)過程中的主動(dòng)學(xué)習(xí)和探究精神”，調(diào)動(dòng)同學(xué)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、樂觀性，促進(jìn)其共性全面健康地進(jìn)展和情感態(tài)度與價(jià)值觀的自我體現(xiàn).在實(shí)際學(xué)習(xí)中同學(xué)對(duì)動(dòng)能概念的理解較為簡(jiǎn)潔，能夠把握外力對(duì)物體做的功與物體動(dòng)能的變化之間的定性關(guān)系，能夠理論推導(dǎo)它們之間的定量關(guān)系，但真正從深層次理解存在困難.在前幾節(jié)的學(xué)習(xí)中，同學(xué)已經(jīng)建立了一種生疏，那就是某個(gè)力對(duì)物體做功肯定對(duì)應(yīng)著某種能量形式的變化.本節(jié)就來查找動(dòng)能的表達(dá)式.由于有前幾節(jié)的基礎(chǔ)，本節(jié)可以放手讓同學(xué)自己去推理和定義動(dòng)能的表達(dá)式.讓同學(xué)經(jīng)過感性生疏到理性生疏的過程，教學(xué)的起始要求不能太高，要循序漸進(jìn)，從生活中眾多實(shí)例動(dòng)身，通過分析、感受真正體驗(yàn)動(dòng)能定理的內(nèi)涵.通過實(shí)例分析、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、器材選擇、動(dòng)手操作、老師演示等環(huán)節(jié)，讓每一位同學(xué)都樂觀參與課堂教學(xué)，每一位同學(xué)都能享受成功的喜悅.動(dòng)能定理是一條適用范圍很廣的物理定理，但教材在推導(dǎo)這肯定理時(shí)，由一個(gè)恒力做功使物體的動(dòng)能變化，得出力在一個(gè)過程中所做的功等于物體在這個(gè)過程中動(dòng)能的變化.然后逐步擴(kuò)大幾個(gè)力做功和變力做功及物體做曲線運(yùn)動(dòng)的狀況.這個(gè)梯度是很大的,為了掛念同學(xué)真正理解動(dòng)能定理，老師可以設(shè)置一些具體的問題，讓同學(xué)查找物體動(dòng)能的變化與哪些力做功相對(duì)應(yīng).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)支配1課時(shí)三維目標(biāo)學(xué)問與技能1.理解動(dòng)能的概念.2.嫻熟計(jì)算物體的動(dòng)能.3.會(huì)用動(dòng)能定理解決力學(xué)問題，把握用動(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，培育對(duì)科學(xué)爭(zhēng)辯的愛好.2.通過對(duì)動(dòng)能和動(dòng)能定理的演繹推理，使同學(xué)從中領(lǐng)會(huì)到物理等自然學(xué)科中所蘊(yùn)含的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)律關(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)入利用大屏幕投影呈現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電與龍卷風(fēng)的視頻片斷，讓同學(xué)觀看、自主提問、分組探討.老師引導(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)入傳奇早在古希臘時(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)當(dāng)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.問題導(dǎo)入英國傳統(tǒng)跑車的代表品牌蓮花也是以制造小排量、車體極度輕量化的速度機(jī)器而著稱.一輛蓮花Elise,排量只有1.8L，由于重量只有675kg，卻可以制造出百公里加速5.9s的驚人紀(jì)錄.使蓮花跑車速度達(dá)到100km/h需要對(duì)它做多少功？假如這一過程是以恒定的額定功率實(shí)現(xiàn)的，那么該車發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率大約應(yīng)是多少？推動(dòng)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(duì)應(yīng)一種能量形式的變化.重力做功對(duì)應(yīng)于重力勢(shì)能的變化，彈簧彈力做功對(duì)應(yīng)于彈簧彈性勢(shì)能的變化，前幾節(jié)我們學(xué)習(xí)了重力勢(shì)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、搖擺的樹枝、投出的籃球等運(yùn)動(dòng)的物體都具有動(dòng)能.老師引導(dǎo)：重力勢(shì)能的影響因素有物體的質(zhì)量和高度，今日我們學(xué)習(xí)的動(dòng)能影響因素有哪些？通過問題啟發(fā)同學(xué)探究動(dòng)能的影響因素.同學(xué)思考后總結(jié)：汽車運(yùn)動(dòng)得越快，具有的能量越多，應(yīng)當(dāng)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)當(dāng)與物體的質(zhì)量有關(guān).即動(dòng)能的影響因素應(yīng)當(dāng)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？演示試驗(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(duì)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(duì)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)能變化的緣由是什么？3.牽引力對(duì)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？同學(xué)爭(zhēng)辯并總結(jié)回答：1.在起飛過程中，飛機(jī)的動(dòng)能越來越大，由于飛機(jī)的速度在不斷增大.2.由于牽引力對(duì)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，我們可以依據(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)如下抱負(fù)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(duì)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依據(jù)牛頓其次定律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=依據(jù)推導(dǎo)過程老師重點(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(duì)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）.老師引導(dǎo)同學(xué)分析動(dòng)能具有瞬時(shí)性，是個(gè)狀態(tài)量：對(duì)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)同學(xué)學(xué)會(huì)從試驗(yàn)現(xiàn)象中思考分析，最終總結(jié)歸納出結(jié)論.同時(shí)留意試驗(yàn)方法——把握變量法.例質(zhì)量為2kg的石塊做自由落體運(yùn)動(dòng)，求石塊在第1s末、第2s末的動(dòng)能是多少？解析：先求出第1s末和第2s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=10×1m/s=10m/s,v2=gt2=10×2m/s=20m/sEk1=mv12=100J,Ek2=mv22=400J.答案：100J400J或者先求出石塊1s內(nèi)和2s內(nèi)的位移，再確定重力做功的對(duì)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（由于石塊的初動(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)能定理課件呈現(xiàn)：通過大屏幕投影呈現(xiàn)足球運(yùn)動(dòng)員踢球的場(chǎng)面，讓同學(xué)觀看，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(duì)物體做功，該物體的動(dòng)能總會(huì)增加嗎？2.假如物體對(duì)外做功，該物體的動(dòng)能總會(huì)削減嗎？做功與動(dòng)能的轉(zhuǎn)變之間到底有什么關(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(duì)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)能削減.它們共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致了物體動(dòng)能的變化.同學(xué)依據(jù)課本供應(yīng)的問題情景，運(yùn)用牛頓其次定律和運(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，狀況又如何呢？引導(dǎo)同學(xué)推導(dǎo)出正確結(jié)論并板書:力在一個(gè)過程中對(duì)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(duì)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.分組爭(zhēng)辯：依據(jù)動(dòng)能定理的表達(dá)形式，提出下列問題，加強(qiáng)對(duì)動(dòng)能定理表達(dá)式的理解:1.當(dāng)合力對(duì)物體做正功時(shí)，物體動(dòng)能如何變化？2.當(dāng)合力對(duì)物體做負(fù)功時(shí)，物體動(dòng)能如何變化？同學(xué)總結(jié)分析：1.當(dāng)合力對(duì)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(duì)物體做負(fù)功時(shí)，末動(dòng)能小于初動(dòng)能，動(dòng)能削減.學(xué)問拓展1.外力對(duì)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；又由于W總=W1+W2+……=F1·s+F2·s+……=F合·s，所以總功也可理解為合外力的功.2.對(duì)動(dòng)能定理標(biāo)量性的生疏定理中各項(xiàng)均為標(biāo)量，因此單純速度方向轉(zhuǎn)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，并不因速度方向轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變.3.對(duì)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，也可能削減.因而定理中“變化”一詞，并不表示動(dòng)能肯定增大，它的精確?????含義為末態(tài)與初態(tài)的動(dòng)能差，或稱為“轉(zhuǎn)變量”,數(shù)值可正，可負(fù).4.對(duì)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)量的轉(zhuǎn)變量的關(guān)系.5.對(duì)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)的狀況下得出的，但對(duì)于外力是變力，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的狀況同樣適用.例2一架噴氣式飛機(jī)，質(zhì)量m=5.0×103kg，起飛過程中從靜止開頭滑跑.當(dāng)位移達(dá)到l=5.3×102m時(shí)，速度達(dá)到起飛速度v=解法一：以飛機(jī)為爭(zhēng)辯對(duì)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+=0.02×5×103×10N+5×103×N=1.8×104N.解法二：以飛機(jī)為爭(zhēng)辯對(duì)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=1.8×104N.方法比較：解法一是用牛頓其次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)分呢?同學(xué)爭(zhēng)辯比較后得到：解法一接受牛頓運(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)際中牽引力不肯定是恒力.解法二接受動(dòng)能定理求解，由于動(dòng)能定理適用于變力，用它可以處理牽引力是變力的狀況.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)比較便利.課堂訓(xùn)練質(zhì)量為m的物體靜止在水平桌面上，它與桌面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，物體在水平力F作用下開頭運(yùn)動(dòng)，發(fā)生位移s1時(shí)撤去力F，問物體還能運(yùn)動(dòng)多遠(yuǎn)？解析：爭(zhēng)辯對(duì)象：質(zhì)量為m的物體.爭(zhēng)辯過程：從靜止開頭，先加速，后減速至零.受力分析、過程草圖如圖所示，其中mg（重力）、F（水平外力）、N（彈力）、f（滑動(dòng)摩擦力），設(shè)加速位移為s1，減速位移為s2方法一：可將物體運(yùn)動(dòng)分成兩個(gè)階段進(jìn)行求解物體開頭做勻加速運(yùn)動(dòng)位移為s1，水平外力F做正功，f做負(fù)功，mg、N不做功；初始動(dòng)能Ek0=0，末動(dòng)能Ek1=依據(jù)動(dòng)能定理：Fs1-fs1=-0又滑動(dòng)摩擦力f=μN(yùn),N=mg則：Fs1-μmgs1=-0物體在s2段做勻減速運(yùn)動(dòng)，f做負(fù)功，mg、N不做功；初始動(dòng)能Ek1=,末動(dòng)能Ek2=0依據(jù)動(dòng)能定理：-fs2=0-,又滑動(dòng)摩擦力f=μN(yùn),N=mg則：μmgs2=0-即Fs1-μmgs1-μmgs2=0-0s2=.方法二：從靜止開頭加速，然后減速為零,對(duì)全過程進(jìn)行求解.設(shè)加速位移為s1,減速位移為s2；水平外力F在s1段做正功，滑動(dòng)摩擦力f在（s1+s2）段做負(fù)功，mg、N不做功；初始動(dòng)能Ek0=0，末動(dòng)能Ek=0在豎直方向上:N-mg=0滑動(dòng)摩擦力f=μN(yùn)依據(jù)動(dòng)能定理：Fs1-μmg（s1+s2）=0-0得s2=.方法總結(jié)：在用動(dòng)能定理解題時(shí)，假如物體在某個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中包含有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)不同的分過程，此時(shí)可分段爭(zhēng)辯，也可整體爭(zhēng)辯；在整體爭(zhēng)辯時(shí)，要留意各分力做功所對(duì)應(yīng)的位移.動(dòng)能定理解題的方法和步驟：(1)確定爭(zhēng)辯對(duì)象；(2)分析物體的受力狀況，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)依據(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)能定理是依據(jù)牛頓其次定律和運(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是指全部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)的狀況下得出的，但對(duì)于外力是變力，物體做曲線運(yùn)動(dòng)的狀況同樣適用.布置作業(yè)教材“問題與練習(xí)”第3、4、5題.板書設(shè)計(jì)7動(dòng)能和動(dòng)能定理活動(dòng)與探究課題：估測(cè)自行車受到的阻力目的：自行車仍是我國主要的代步工具，依據(jù)動(dòng)能定理估測(cè)自行車行駛過程中所受阻力，既加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)學(xué)問的理解，又可以使同學(xué)形成學(xué)以致用的思想.方法：騎自行車時(shí)，假如停止用力蹬腳蹬，設(shè)此時(shí)自行車的速度為v0，由于受到阻力f作用，自行車前進(jìn)一段距離l后將會(huì)停下來，依據(jù)動(dòng)能定理，有-fl=0即阻力f=試驗(yàn)中需測(cè)出人停止用力后自行車前進(jìn)的距離l，自行車和人的總質(zhì)量m，以及初速度v0.初速度可以通過以下三種方法測(cè)得：1.在停止用力前，盡可能使自行車做勻速直線運(yùn)動(dòng)，通過測(cè)量時(shí)間和距離，計(jì)算出平均速度，以它作為停止用力時(shí)的初速度.2.測(cè)出自行車從停止用力到靜止時(shí)前進(jìn)的距離和時(shí)間，再依據(jù)勻減速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，求出初速度.3.停止用力時(shí)從車上釋放一個(gè)小石塊，測(cè)出釋放的高度和石塊在水平方向通過的距離，即可求得初速度.習(xí)題詳解1.解答：a.動(dòng)能是原來的4倍.b.動(dòng)能是原來的2倍.c.動(dòng)能是原來的8倍.d.動(dòng)能不變.2.解答：由動(dòng)能定理W=Ek2-Ek1=m()可知，在題目所述的兩種狀況下，()較大的，需要做的功較多.速度由10km/h加速到20km/h的狀況下：()=（202-102）（km/s）2=300（km/s）2速度