【導學案】2021年高中物理人教版必修二教師用書-7.1-追尋守恒量-能量

課時7.1追尋守恒量——能量1.初步領悟能量轉(zhuǎn)化、變中有恒的思想。2.了解勢能、動能的概念。3.領悟查找守恒量是科學爭辯的重要思想方法。4.會分析生活中有關(guān)機械能轉(zhuǎn)化的問題。重點難點:理解動能、勢能,體會能量轉(zhuǎn)化和守恒的普遍性。教學建議:本節(jié)內(nèi)容很少,其目的主要是讓同學感受和體會對守恒量的生疏的探究過程,宜接受把問題、試驗和課本內(nèi)容有機結(jié)合的方法進行本節(jié)內(nèi)容的教學。總體上可圍繞以下幾個方面開放:(1)舉例說明生活中的一些守恒關(guān)系。(2)分析伽利略抱負斜面試驗,了解動能、勢能及其變化。(3)查找守恒量的思想是物理學爭辯的重要方法,對物理學進展起重要作用。(4)用守恒的觀點解釋有關(guān)現(xiàn)象。導入新課:站在放在地面上的重物的旁邊你沒有感覺,站在被舉高的重物下面你卻惴惴擔憂;汽車停在你旁邊你會泰然自若,但汽車從你身邊高速駛過會讓你不寒而栗。同樣是那個重物,同樣是那輛汽車,為什么我們的感覺不同,這里面隱蔽著什么?我們一起來發(fā)覺吧。1.有某一個量,在自然界經(jīng)受的多種多樣的變化中該物理量卻①不變,這個概念雖然很抽象,但卻是物理學中最重要、意義也最深遠的概念之一,它就是②能量。2.相互作用的物體憑借其位置而具有的能量稱為③勢能。3.物體由于運動而具有的能量稱為④動能。4.在伽利略的抱負斜面試驗中,小球的⑤動能和⑥重力勢能可相互轉(zhuǎn)化,勢能和動能的總量保持⑦不變。1.過山車在豎直的軌道上運行時,通過最低點的速度大還是通過最高點的速度大?解答:通過最低點時速度大。2.一個物體(如石塊)的能量除了與質(zhì)量有關(guān)外,還與哪些因素有關(guān)?解答:高度、速度。主題1:伽利略抱負斜面試驗——追尋守恒量問題:(1)在爭辯運動和力的關(guān)系時,伽利略曾用“抱負斜面試驗”說明小球在不受摩擦力等阻力的抱負條件下,小球?qū)⒃谒矫嫔嫌谰眠\動下去,他的依據(jù)是什么?(2)如圖所示,小球從斜面A上距地面高度為h處靜止釋放,又滾上斜面B。若地面和斜面都是光滑的,設兩個光滑斜面的傾角分別為θ1和θ2。①試用我們學過的學問,通過定量計算分析說明小球到達另一個斜面的高度和第一個斜面的高度是相同的。②假如兩個斜面是曲面的話,小球還能上升到原來的高度嗎?你還能用上面的方法定量計算嗎?③閱讀教材相關(guān)內(nèi)容,回答以下問題。a.伽利略斜面試驗所爭辯的問題中的“守恒量”叫作什么?b.分析小球下降和上升過程中的能量轉(zhuǎn)化,領悟動能、勢能的概念。c.請你用能量的觀點,解釋小球釋放后為什么會重新回到原來的高度。解答:(1)伽利略以事實為基礎,以試驗為依據(jù),抓住主要因素,忽視次要因素,科學合理地推斷出小球在不受摩擦力等阻力的抱負條件下,小球?qū)⒃谒矫嫔嫌谰眠\動下去。(2)①小球做勻加速運動的加速度a1=gsinθ1在第一個斜面上勻加速運動的距離s==,其中v為到達斜面底端時的速度。小球在另一個斜面上勻減速運動的加速度a2=-gsinθ2設小球到達另一個斜面的高度為h',則小球在另一個斜面上勻減速運動的距離s'==由以上四式解得,小球到達另一個斜面的高度h'=h。②小球上升的最大高度仍是h。由于斜面是曲線,小球做變加速曲線運動,因此無法用運動學方法定量計算。③a.伽利略斜面試驗表明,小球在運動過程中,“有某一量是守恒的”,這個量叫作能量。b.相互作用的物體憑借其位置而具有的能,叫作勢能。物體由于運動而具有的能,叫作動能。小球在下降過程中,勢能在削減,但動能在增加。沿斜面B向上滾時,動能在削減,而勢能在增加。在這些變化過程中,能量只是在轉(zhuǎn)化來轉(zhuǎn)化去,但并未丟失。c.當小球連續(xù)沿另一斜面上升時,它會變慢,因而不斷失去動能,但它的高度在增加,勢能不斷被“回收”;當小球到達最高點時,其全部動能轉(zhuǎn)化為勢能,小球相對桌面的高度又達到它在試驗起始時的高度。學問鏈接:在伽利略斜面試驗中,與高度有關(guān)的物理量的變化引起了另一個與速度有關(guān)的物理量的變化。這表明小球在運動過程中“某一量是守恒的”,這個量就是能量。主題2:能量守恒的應用問題:如圖所示,一個用細線懸掛的小球從A點開頭搖擺,記住它向右能夠達到的最大高度。然后用一把直尺在O'點攔住擺線,看一看這種狀況下小球所能達到的高度。(1)請用能量的觀點解釋“小球”釋放后為什么會重新回到原來的高度。(2)假如不接受能量的概念,用我們以前學過的學問能否解釋這個試驗?這種描述具有什么局限?解答:(1)通過觀看會發(fā)覺,用直尺在O'點攔住擺線,小球仍能擺到原來的高度。用能量的觀點解釋就是在小球往復運動的過程中,小球的動能和勢能相互轉(zhuǎn)化,能的總量保持不變。(2)假如不接受能量的概念,用牛頓定律也可以解釋,即小球從最高點下降時,重力沿運動軌跡切線方向的分力產(chǎn)生的加速度與運動方向相同,速度增大;小球從最低點向上運動,重力沿運動軌跡切線方向的分力產(chǎn)生的加速度與速度方向相反,速度減小。這種描述不能表達一個事實——小球要精確?????地終止于它開頭的高度,必需滿足沒有空氣阻力和摩擦力。學問鏈接:從兩個方面來生疏能量守恒,一是幾種形式的能量轉(zhuǎn)化,這幾種能量的總和守恒;二是某系統(tǒng)不與外界發(fā)生能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移,則該系統(tǒng)內(nèi)總能量守恒。1.伽利略的斜面試驗反映了一個重要的事實:假如空氣阻力和摩擦力小到可以忽視,小球必將精確?????地到達同它動身時相同高度的點,決不會更高一點,也不會更低一點。這說明,小球在運動過程中有一個“東西”是不變的,這個“東西”應是()。A.彈力B.勢能C.速度D.能量【解析】在伽利略的斜面試驗中,小球從一個斜面滾到另一個斜面,斜面彈力是不同的,勢能先減小后增大,速度先增大后減小,所以A、B、C錯,不變的“東西”應當是能量,包括動能和勢能,D對?！敬鸢浮緿【點評】物體的動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化。2.如圖所示,一根不行伸長的細繩拴著一個小球在豎直平面內(nèi)搖擺,圖中a、b、c三點分別表示小球搖擺過程中的三個不同位置,其中a、c等高。在小球搖擺的整個過程中,動能最大時是在點,在點勢能最大;假如沒有空氣阻力的影響,小球在a點的動能(填“大于”“等于”或“小于”)在c點的動能?！窘馕觥吭谛∏騺砘負u擺時,動能與勢能不停地相互轉(zhuǎn)化,但總量不變。在a、b、c三點中,小球在a、c兩點時位置最高,勢能最大,動能最小;在b點時位置最低,勢能最小,速度最大,動能最大?！敬鸢浮縝a、c等于【點評】在守恒條件下,動能最大時,勢能就最小。3.假如我們把相互作用的物體憑借其位置而具有的能量叫作勢能,把物體由于運動而具有的能量稱為動能,那么,伽利略的斜面試驗可以給我們一個啟示。下列關(guān)于這個啟示的說法正確的是()。A.小球在斜面上運動時,小球離地面的高度減小,速度增大,小球的速度是由高度轉(zhuǎn)變而來的B.小球在斜面上運動時,小球離地面的高度增大,速度減小,小球的高度是由速度轉(zhuǎn)變而來的C.小球在斜面上運動時,小球離地面的高度減小,速度增大,小球的動能是由勢能轉(zhuǎn)變而來的D.小球在斜面上運動時,小球離地面的高度增大,速度減小,小球的勢能是由動能轉(zhuǎn)變而來的【解析】在斜面上運動的小球,在上升時,動能轉(zhuǎn)化為勢能,到達最高點時,動能為零,勢能達到最大;在下落時,勢能漸漸削減,動能漸漸增加,勢能又轉(zhuǎn)化為動能。在小球運動過程中,小球的機械能總量保持不變。【答案】CD【點評】伽利略的斜面試驗要求斜面是光滑的。4.下列關(guān)于能量概念的說法正確的是()。A.能量的概念是牛頓首先提出的一個力學概念B.能量的概念是伽利略提出的,并用抱負斜面試驗來驗證能量的存在C.人們從伽利略的斜面試驗得到啟發(fā),生疏到引入能量概念的重要性D.以上說法都不正確【解析】“能量”是牛頓沒有留給我們的少數(shù)力學概念之一,能量的概念是人們從伽利略的斜面試驗得到啟發(fā)提出的?！敬鸢浮緾【點評】能量的概念最早由誰提出眾說不一,早期人們也不重視它,直到發(fā)覺能量守恒。拓展一、追尋守恒量1.17世紀初,伽利略在爭辯中發(fā)覺了“擺球的等高性”。圖示是他當時爭辯的裝置圖(叫伽利略擺)。將小鐵球拉到肯定高度,然后釋放,觀看小球能擺多高,在哪個位置速度最大。在鐵架上再夾一個細桿,使得小球運動到最低點時,掛小球的細線被這個細桿攔住。將小球拉到與從前同樣的高度,然后釋放,觀看小球能擺多高,在哪個位置速度最大。做一下伽利略的試驗,你觀看的結(jié)果是什么?先嘗試用牛頓定律進行解釋,再用本節(jié)學習的學問進行解釋?！痉治觥拷獯鸨绢}要留意以下兩點:(1)物理是一門以試驗為基礎的學科,在分析本題時可以用一些簡潔的工具做一下本試驗,進而了解本試驗的物理情景。(2)解釋本題的現(xiàn)象既可以使用牛頓運動定律,也可以使用本節(jié)中的能量守恒的觀點?！窘馕觥客ㄟ^觀看會發(fā)覺,放不放細桿,小球擺到最高點的高度都相同,小球擺到最低點時的速度最大。用牛頓定律解釋:小球從最高點下降時,重力沿運動軌跡切線方向的分力產(chǎn)生的加速度與運動方向相同,速度增大;小球從最低點向上運動時,重力沿運動軌跡切線方向的分力產(chǎn)生的加速度與速度方向相反,速度減小,故小球在最低點速度最大。用能量的觀點解釋:小球在往復運動的過程中,小球的動能和重力勢能相互轉(zhuǎn)化,能的總量保持不變。小球在最高點時動能為零,重力勢能最大,在最低點時動能最大,重力勢能最小?！敬鸢浮恳娊馕觥军c評】本題的“伽利略擺”試驗與伽利略斜面的抱負試驗一樣為能量概念的建立和能量守恒定律的發(fā)覺奠定了良好的基礎,這也是這一試驗的重大意義所在。能量轉(zhuǎn)化有不同的過程與形式,而在轉(zhuǎn)化過程中能的總量保持不變,即能量是守恒的。拓展二、關(guān)于能量的相互轉(zhuǎn)化2.試分析下列事例中能量轉(zhuǎn)化的狀況。【分析】本題主要突出動能和勢能可以相互轉(zhuǎn)化,體現(xiàn)轉(zhuǎn)化過程中的守恒問題?！窘馕觥繉^山車來說,從最高處向最低處運動時,高度在減小,勢能在削減,同時其速度在增大,動能在增加,從最低處向最高處運動時則相反。對下落的果實來講,其能量轉(zhuǎn)化狀況與過山車從高處向低處運動的情景相像。對斜拋物體來說,斜向上運動階段,高度增大,速度減小,動能轉(zhuǎn)化為勢能;斜向下運動階段,高度減小,速度增大,勢能又轉(zhuǎn)化為動能。【答案】a.