【同步備課】2020年高中物理教學設計(新人教必修二)7.4《重力勢能》2

4重力勢能整體設計重力勢能及其相對性是本節(jié)的主要教學內(nèi)容.教材從分析重力做功與路徑無關入手，來建立重力勢能的概念.依據(jù)“以同學為主體”新課程標準要求，在這一環(huán)節(jié)，要讓同學親自動手算一算這兩種狀況下重力對物體做了多少功，來加深對探究過程的理解.正是由于重力做功有這樣的特點，才引入重力勢能的概念，對這一點同學會感覺比較困難.這一認知是漸漸建立起來的，在這里要求不宜過高.老師可以掛念同學回憶，在“追尋守恒量”一節(jié)中，給出了勢能的定義，“物體勢能是物體憑借其位置而具有的能量.”啟發(fā)同學思考，請同學說一說重力勢能應當與哪些物理量有關.經(jīng)過爭辯，同學會得出，重力勢能應跟物體在地球的相對位置有關，還應與物體受到的重力有關.本節(jié)重點敘述重力勢能及其相對性，重力勢能的變化以及與重力做功的關系.重力做正功時，重力勢能削減，克服重力做功(重力做負功)時，重力勢能增加，關于這個關系，同學往往不易理解，教學時最好能結合一些實例，從能量轉化的角度分析，解開同學的困惑，例如可舉在自由落體運動中，重力做正功，重力勢能削減，同時由動能定理可知，動能增加,重力勢能轉化為動能，這樣做，也可以為下一節(jié)講解機械能守恒定律作好預備.為了突出重點，突破難點，接受同學實際操作、推理和互動探究的方法，同學對計算結果分析，先思考由結果發(fā)覺什么問題，激發(fā)同學的學習熱忱，然后由老師層層提出問題，分析問題，逐步解決問題，使同學理解和把握本節(jié)的學問.關于重力做功與路徑無關和彈性勢能的教學：只要求同學知道即可.教學重點重力勢能的概念及重力做功跟物體重力勢能轉變的關系.教學難點重力勢能的系統(tǒng)性和相對性.課時支配1課時三維目標學問與技能1.理解重力勢能的概念，會用重力勢能的定義式進行計算.2.理解重力勢能的變化和重力做功的關系.知道重力做功與路徑無關.3.知道重力勢能的相對性.4.了解彈性勢能.過程與方法1.依據(jù)功和能的關系，推導出重力勢能的表達式.2.學會從功和能的關系上解釋和分析物理現(xiàn)象.3.通過試驗，使同學把握科學的爭辯方法——把握變量法；培育同學的實際操作力量.4.通過對結果的分析，培育同學發(fā)散性思維，及分析、推理、歸納的力量.情感態(tài)度與價值觀1.通過對試驗操作、觀看、爭辯，以及得出本節(jié)課物理學問的過程和方法，激發(fā)同學探究的愛好和寵愛科學的精神.2.滲透從對生活中有關物理現(xiàn)象的觀看，得到物理結論的方法，激發(fā)和培育同學探究自然規(guī)律的愛好.課前預備自制課件、事先搜集各種投影圖片；大小不一的兩個鐵塊、自制小桌、盛滿沙的盒子等.教學過程導入新課故事導入1994年7月7日，蘇梅克·列維9號彗星以60km/s的速度，向木星奔馳而去.第一顆彗核撞上了木星，緊接著，其余的彗核也接二連三地向木星撞擊，這一壯烈的天體碰撞，持續(xù)了5天才告結束.碰撞產(chǎn)生了相當于20億顆原子彈爆炸的威力，產(chǎn)生的火球，直徑達10km，溫度達到7000℃，產(chǎn)生的光亮在數(shù)億千米外也能拍到，騰起的蘑菇云極為壯麗，形成的塵埃云團與地球同樣大小，并存在了幾個月之久.老師引導同學思考爭辯：為什么彗星撞擊木星時會產(chǎn)生如此大的能量呢?情景導入大屏幕投影呈現(xiàn)下面幾幅圖片，讓同學自己認真觀看，并自己提出問題來爭辯.2002年9月21日上午，俄羅斯高加索北奧塞梯地區(qū)的一個村莊發(fā)生雪崩，造成至少100人失蹤美國內(nèi)華達州亞利桑那隕石坑。這個隕石坑是5萬年前，一顆直徑約為30—50米的鐵質流星撞擊地面的結果.據(jù)說，坑中可以安放下20個足球場，四周的看臺則能容納200多萬觀眾參考問題：1.我們看到一個冰天雪地、廣袤無垠的銀色世界，它帶給人們的是圣潔、平和、安靜的感受，一種心靈的洗滌.但是一旦大量積雪從高處滑下形成雪崩.一面面白茫茫的雪墻排山倒海而來，你將感受到大雪崩所帶來最令人驚心動魄的白色恐驚，將對人們的生命與財產(chǎn)帶來災難……為什么這么秀麗的雪花有如此大的破壞力？發(fā)生的雪崩為什么具有這么大的能量？2.通過美國內(nèi)華達州亞利桑那的隕石坑現(xiàn)象，你能說出這么大的能量與哪些因素有關？試驗引入老師利用課前預備好的試驗儀器：自制小桌、鐵塊（一大一小兩個）、盛滿沙的小盒,如圖.先讓同學猜想重力勢能的影響因素.通過同學分組爭辯，由同學代表表述自己的想法，重力勢能的影響因素有哪些？然后分別設計試驗，驗證同學的猜想.推動新課一、重力的功問題：物體的重力勢能跟哪些影響因素有關呢？通過重力勢能的定義，引導同學找出重力勢能的影響因素：物體的質量與高度.具體的關系，要求同學設計具體的物理情景來探討.情境設置：把自制的物理小桌放在盛滿沙的盒子中，比較質量不同的兩個鐵塊落在小桌上時小桌陷入的深度；比較同一鐵塊從不同的高度落在桌子上陷入的深度.試驗一：用質量不同的兩個鐵塊從同一高度釋放，觀看小桌陷入沙子中的深度.試驗二：用同一個鐵塊從不同高度釋放，觀看小桌陷入沙子中的深度.同學認真操作試驗，并記錄觀看到的試驗現(xiàn)象.現(xiàn)象：在試驗一中，鐵塊的質量越大，小桌陷入沙子中的深度越大；在試驗二中，鐵塊釋放的高度越高，小桌陷入沙子中的深度越大.通過以上試驗的進行，同學深切感受兩個影響因素對重力勢能的影響，并從中總結具體是怎樣影響的：物體的質量越大，高度越大，重力勢能就越大.因此，要爭辯重力勢能，就不能脫離對重力做功的爭辯.重力做功的特點：創(chuàng)設情景，引導同學推導重力做功的特點:如圖，提出物體從A到C的幾種狀況，讓同學寫出在這幾種狀況下，物體從A→C，重力做的功：圖A是物體由A做自由落體到B，再水平運動到C，簡潔得出此過程中，重力做功為mgh；圖B是物體沿斜面由A滑到C，重力做功為：mgs·sinθ=mgh；圖C是物體沿曲面由A滑到C，可以把曲面看成很多段小斜面組成，利用圖B的結論可以得出，重力做功也為mgh.還可從A到BC面畫任意路徑讓同學求重力做功，可以看出結論都為mgh.同學從以上三個過程的推導中簡潔得到重力做功的特點：重力做功與路徑無關，只與物體起點和終點位置的高度差有關.思維拓展重力做功與路徑無關，其他力(比如摩擦力)做功是否與路徑有關？回答是確定的.可見，重力做功的特點不能亂用，要視具體力而定.同時提示同學，今后學習中還會遇到具有這種特點的力（例如電場力）.如右圖所示，指導同學計算質量為m的物體，從A運動到B的過程中，重力做的功是多少？小球的質量為m，從高度為h1的A點下落到高度為h2的B點，如圖所示，重力所做的功為：WG=mgΔh=mgh1-mgh2從上面的表達式，可以看出重力做功的大小等于重力跟起點高度的乘積mgh1與重力跟終點高度的乘積mgh2兩者之差.點評：引導同學逐步生疏mgh1、mgh2兩個量是用來描述初末狀態(tài)能量特點的，為重力勢能概念的提出作思路引導.二、重力勢能復習勢能的概念：相互作用的物體憑借其相對位置而具有的能量，稱為勢能.mgh這個物理量具有特殊的物理意義，一方面與重力做功有關（相互作用），又隨高度的變化而變化（憑借其相對位置），具有了勢能的特征.物理學中，把物理量mgh叫做物體的重力勢能，用Ep表示.點評：老師在分析重力做功的基礎上，分析勢能的兩個主要特征，mgh同時具備兩個主要特征，重力勢能概念的提出就水到渠成.師生共同爭辯，理解Ep=mgh，主要實行講授式：1.標矢性：標量2.單位：焦耳（J）問題:重力做功引起了物體位置的變化，物體位置變化引起重力勢能變化，重力做功與重力勢能變化有什么關系呢？引導同學推導：重力做功也可以寫成WG=Ep1-Ep2當物體下落時，重力做正功mgh，WG>0，即Ep1>Ep2，這說明，重力做功，重力勢能Ep削減，削減的值等于重力所做的功.同理，當物體上升時，重力做負功-mgh，重力勢能Ep增加的值等于重力所做的功，要留意的是，重力做負功也可以說成物體克服重力做功.重力做功是重力勢能變化的量度.三、重力勢能的相對性問題：將一個質量為5kg的鐵球放在4樓一張1.5m高的桌子上，已知每層樓的高度均為2.5m，求鐵球的重力勢能.要求同學分組計算，讓各小組代表自由表述自己的計算結果，老師暫不作評價.猜測同學的計算狀況，在高度的數(shù)值代入上有不同的意見.消滅計算上的沖突，此時，老師引導同學感受由于參考面的選取不同，給計算造成了不便，無法計算.由于沒有說明物體的高度是以什么位置為零高度.請同學分別寫出上圖中以B和地面C為零點的物體的重力勢能：Ep1=mgh1，Ep2=mg(h1+h2)，（h1=AB，h2=BC）.總結：1.重力勢能具有相對性，是與零點選取有關的，因此在表達重力勢能時，要指明勢能零點的位置.我們把重力勢能為零的水平面叫做零勢能面.通常以水平地面為零勢能面.2.對選定的參考平面而言，在參考平面上方的物體，高度是正值，重力勢能也是正值；在參考平面下方的物體，高度是負值，重力勢能也是負值.物體具有負的重力勢能，表示物體在該位置具有的重力勢能比在參考平面上具有的重力勢能要少.自主學習：同學分別寫出以B和地面C為零點狀況下，物體落在B和落在地面C上時與初態(tài)的重力勢能差：ΔEp1=-mgh1,ΔEp2=-mg(h1+h2)，這是與零點選取無關的.師生總結：不論我們?nèi)绾芜x擇參考系，對于一物理過程，重力勢能的轉變是肯定的.我們今后的學習中，更多地是爭辯某物理過程中重力勢能的變化，這時我們就可以適當選擇參考系使問題簡化，而不會影響結果.課堂訓練1.分析推斷下列幾種說法是否正確.（1）物體在末位置的重力勢能與物體如何運動無關；（2）物體在地球表面和月球表面上的重力勢能相等；（3）一個靜止的物體重力勢能為負值時，說明物體無做功本事.2.起重機以的加速度將質量為m的物體勻減速地沿豎直方向提上升度h，則起重機鋼索的拉力對物體做的功為多少？物體克服重力做功為多少？物體的重力勢能變化了多少？3.關于重力勢能，下列說法中正確的是（）A.物體的位置一旦確定，它的重力勢能的大小也隨之確定B.物體與零勢面的距離越大，它的重力勢能也越大C.一個物體的重力勢能從-5J變化到-3J，重力勢能削減了D.重力勢能的削減量等于重力對物體做的功參考答案1.第一種說法正確.解析：（1）把重力勢能的打算因素和實際問題的給定條件相比較；（2）正確理解重力勢能是系統(tǒng)具有的，系統(tǒng)發(fā)生變化時，重力勢能如何變化；（3）理解重力勢能的正、負與物體做功之間的關系.2.解析：由題意可知起重機的加速度a=，物體上上升度h，據(jù)牛頓其次定律得mg-F=ma，所以F=mg-ma=mg-m×方向豎直向上.所以拉力做功WF=Fhcos0°=mgh重力做功WG=mghcos180°=-mgh即物體克服重力做功為mgh又由于WG=Ep1-Ep2=-mghWG<0，Ep1<Ep2即物體的重力勢能增加了mgh.3.D解析：物體的重力勢能與參考面的選取有關，同一物體在同一位置相對不同的參考面的重力勢能不同，A選項錯.物體在零勢能面以上，距零勢面的距離越大，重力勢能越大，物體在零勢面以下，距零勢面的距離越大，重力勢能越小，B選項錯.重力勢能中的正、負號表示大小，-5J的重力勢能小于-3J的重力勢能，C選項錯.重力做的功量度了重力勢能的變化，D選項正確.四、勢能是系統(tǒng)所共有的合作探究引導同學認真爭辯表達式Ep=mgh,提出問題：重力勢能到底是誰的？物體m的？地球的？甲小組爭辯結果：重力勢能是物體m的,由于mg是物體的重力.乙小組爭辯結果：重力勢能是地球的，由于重力的施力物體是地球.老師首先確定甲乙小組的爭辯成果，然后加以引導：質量是物體的固有屬性，而重力的施力物體是地球；沒有物體，談不上重力勢能；沒有地球施加重力，重力勢能也就不復存在.師生總結：重力勢能是物體跟地球組成的系統(tǒng)所共有的，而不是物體單獨具有的.素養(yǎng)訓練：關于人類與重力勢能的生疏，是一個從恐驚到挑戰(zhàn)直到合理改造的過程.人們對重力勢能的恐驚感是與生俱來的（雪崩、泥石流：2006年2月17日泥石流突襲菲律賓2000人喪生）.但是隨著人們通過生產(chǎn)實踐中對重力勢能的生疏的逐步加深，我們開頭變得樂于挑戰(zhàn)這種能量（如攀巖運動）.甚至在可以把握的范圍內(nèi)享受重力勢能帶給我的種種樂趣（如過山車）.但是，科學的意義不僅僅是生疏自然，挑戰(zhàn)自然，更在于能動地利用自然.介紹水力發(fā)電.課堂小結本課主要學習了以下內(nèi)容：1.勢能由物體間的相互作用而產(chǎn)生，由它們的相對位置而打算.2.勢能是標量，單位是焦耳.3.重力對物體所做的功與物體的運動路徑無關，只跟物體運動的始、末位置有關，重力所做的功等于物體始、末位置的重力勢能之差.4.重力勢能是地球和地面上的物體共同具有的，一個物體的重力勢能的大小與參考平面的選取有關.布置作業(yè)1.教材“問題與練習”第1、2、3、4題.2.從山坡上滾下的大石塊，它有沒有重力勢能?在它下滾的過程中重力勢能的大小有沒有變化?為什么?板書設計4重力勢能1.重力勢能：地球上物體由于處于肯定的高度而具有的能量.2.重力勢能具有相對性.3.重力勢能是地球跟物體組成的系統(tǒng)所共有的.活動與探究課題：騎車和跑步哪種方式能更好地削減人的能量消耗?方法：同學利用課下時間，通過騎車和跑步，在平路和上坡兩種狀況下進行實際測試，親自體驗.溝通：在平路或下坡路上，騎自行車的最大好處是能削減人的能量消耗.這時，人只需要供應很少的能量，就能補償由于摩擦而消耗的能量，以保持自行車的速度.而當人在平路上跑步時，實際上每跑一步，身體都要做上下運動以及瞬間停頓.這樣，跑步者有很大一部分能量被無效地損耗掉，必需由人體重新供應.由于這些能量比人騎自行車通過同一段路程所消耗的能量要多得多，所以，在平路上跑步要比騎自行車要費勁些.但在上坡時，由于人體供應的能量主要用來增加重力勢能.騎自行車上坡，人不但要為提高自身的重力勢能做功，還要提高自行車的重力勢能做很多額外功，這時，自行車的優(yōu)越性就明顯下降.所以，在上坡時，騎自行車并不比跑步輕松.習題詳解1.證明：設斜面高度為h，對應于傾角為θ1、θ2、θ3的斜面長分別為l1、l2、l3.由功的公式可知，在傾角為θ1的斜面上，重力與位移的夾角為（-θ1），重力所做的功為：WG=mgl1cos（-θ1）=mgl1sinθ1=mgh.同理可證，在傾角為θ2、θ3的斜面上，重力所做的功都等于mgh，與斜面傾角無關.2.解答：（1）足球由位置1運動到位置2時，重力所做的功為-mgh，足球克服重力所做的功為mgh，足球的重力勢能增加了mgh.（2）足球由位置2運動到位置3時，重力做的功為mgh，足球的重力勢能削減了mgh.（3）足球由位置1運動到位置3時，重力做功為零，重力勢能變化為零.3.解答：（1）所選擇的參考平面小球在A點的重力勢能小球在B點的重力勢能整個下落過程中小球重力做的功整個下落過程中小球重力勢能的變化桌面5.88J-3.92J9.8J削減9.8J地面9.8J09.8J削減9.8J（2）假如下落過程中有空氣阻力，表