重力势能教案

11-07 14:56:20   浏览次数:410次  栏目：高一物理教学设计

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一、教学目标
    1.理解重力势能的概念:
    (1)知道什么是重力势能,强调"势"的含义。
    (2)通过做功与能量关系,得到重力势能公式Ep=mgh,知道在国际单位制中,势能的单位是焦耳(J);势能是标量。
    (3)了解重力势能的相对性及势能差的不变性。
    2.掌握重力做功特点及重力做功与重力势能变化的关系,应用其解决相关问题。
    3.知道弹性势能及其相关因素。
    二、重点、难点分析
    1.本节重点是重力势能的表达,重力做功与重力势能变化的关系。
    2.对于势能这种潜在做功能力的理解:一旦做了功,势能就发挥出来而减少了。
    3.要强调重力做功与重力势能变化的相反量的关系,这在初学时很容易发生错误,所以应作为难点强调。
    三、教具
    投影仪及幻灯片(主要用于把课上要举的例题和图打出,节约时间和黑板空间)。
    四、主要教学过程
    (一)引入新课
    我们已知道运动的物体具有动能,那么静止的物体是否有能量?我们又是如何知道它是否具有能量的呢?
    根据学生的回答引出新课内容。
    (二)教学过程设计
    1.重力势能
    利用刚才学生举的例子说明,被举高的重物一旦下落就可以做功,表明处于一定高度的重物"储存"着一种能量,这就是重力势能,即:重力势能是由于物体处于一定高度而具有的能量。
    从重力势能的含义可以看出,它与物体的重力和高度有关,到底是什么关系呢?
    2.重力势能公式
    功是能量变化的量度,重力势能的变化也可用做功表示出来。例如,用一外力把一质量为m的物体匀速举高h,由于是匀速上升,物体的动能不变,外力举高物体做的功W=mgh全部用于增加物体的重力势能。而此过程中克服重力做功亦为mgh,也就是克服重力做了多少功,就获得了多少重力势能。用Ep表示势能,则处于高度h处的物体的重力势能为:
    Ep=mgh
    即重力势能等于物体重力与高度的乘积。
    从势能公式的指导可以看出,它与功一样,在国际单位制中的单位也是焦耳(J),而且也是标量。它是由物体所处的位置状态决定的,所以与动能一样是状态量。
    如图1,请学生分别写出以桌面和地面为零点的小球的重力势能:Ep1=mgh1,Ep2=mg(h1+h2),可以看出,结果是与零点选取有关的,因此在表达重力势能时,要指明势能零点的位置。再请学生写出两种零点选取情况下,小球落在桌面上和落在地面上时与初态的重力势能差:ΔEp1=-mgh1·ΔEp2=-mg(h1+h2),这是与零点选取无关的。可见,不论我们如何选择参照系,对于一物理过程,重力势能的改变是一定的。我们今后的学习中,更多地是研究某物理过程中重力势能的变化,这时我们就可以适当选择参照系使问题简化,而不会影响结果。
    3.重力做功与重力势能的变化关系
    (1)重力做功的特点
    如图2,让学生写出几种情况下,物体从A→C,重力做的功:
    图A是物体由A做自由落体到B,再水平运动到C,容易得出此过程中,重力做功为mgh;图B是物体沿斜面由A滑到C,重力做功为:mgs·sinθ=mgh;图C是物体沿曲面由A滑到C,可以把曲面看成很多段小斜面组成,利用图B的结论可以得出,重力做功也为mgh。教师还可从A到BC面画任意路径让学生求重力做功,可以看出结论都为mgh。让学生总结出规律。板书:
    重力做功与路径无关,只与物体起点和终点位置的高度差有关。
    提问:其他力(比如摩擦力)做功是否与路径有关?回答是肯定的。可见,重力做功的特点不能乱用,要视具体力而定。同时提醒学生,今后学习中还会遇到做功具这个特点的力,让学生在今后遇到新的力时注意这个问题。
    (2)重力做功与重力势能的变化
    教师将手中粉笔头竖直上抛,然后让学生分析其上升和下落过程中重力做功与重力势能的变化,如图3,可以看出,上升过程中,重力做功为-mgh,重力势能增加mgh;下落过程中,重力做功为mgh,重力势能减少mgh,(或称增加-mgh),启发学生总结出如下结论:
    重力做多少正功,重力势能就减少多少;重力做多少负功(或称克服重力做了多少功),重力势能就增加多少。即重力做功等于重力势能的减少量。若用W。表示重力做功,Ep1表示初态的重力势能,Ep2表示末态的重力势能,则上述关系可表达为:(板书)
    WG=Ep1-Ep2=ΔEp。
    提醒学生注意公式中两个势能的先后位置和ΔEp前负号的意义(-ΔEp指减少量)。
    4.弹性势能
    (1)什么是弹性势能
    通过举例看出,发生弹性形变的物体,在恢复形变时能对外界做功,所以它也具有一种潜在的能量,称之为弹性势能。
    (2)弹性势能与什么因素有关?
    以弹簧为例,引导学生得出弹性势能随弹簧劲度系数和形变量增大而增大的结论。对基础好的学生,还可引导其利用弹力与形变关系的函数图象(如图4),求出弹力的功,从而得出弹性势能的定量表达式:Ep
    5.例题讲解与讨论
    例1.图5表示一个斜抛物体的运动,当物体由抛出位置1运动到最高位置2时,重力做功是多少?重力势能改变了多少?由位置2运动到跟位置1在同一水平面上的位置3时,重力做功和重力势能的变化是多少?由位置1运动到位置3呢?
    解答:由位置1→2,重力做功-mgh,重力势能增大mgh;由位置2→3,重力做功mgh,重力势能减少mgh(增加-mgh);由位置1→3,重力做功和势能变化均为零。
    此例的目的是再次强化重力做功、重力势能的概念和计算

www.lexue88.com     例2.如图6,光滑斜轨道下端与光滑圆周轨道相接。要使小球进入圆周轨道后能经过轨道最高点并不落下来,至少应使它从斜轨道上多高处由静止开始下滑?
    解答:因所有轨道都光滑,所以小球运动过程中,只有重力做功,要使小球能经过轨道最高点而不下落,对小球此时速度有一下限,也就是此处动能有一下限,利用动能定理对小球从出发点到圆周轨道最高点的过程列式,有:
    可以看出,利用重力做功的特点对全程列式可使问题大大简化。(可让分段列式同学提出自己的解答,然后比较优劣。)
    例3.如图7所示,一物体质量m=2kg,在倾角θ=37°的斜面上的A点以初速度v0=3m/s下滑。A点距弹簧上的挡板位置B的距离为AB=4m,当物体到达B后,将弹簧压缩到C点,最大压缩量为BC=0.2m,然后物体又被弹簧弹上去,弹到最高位置D点,D点距A点为AD=3m。求:物体跟斜面间的动摩擦因数。(g取10m/s2,弹簧及挡板质量不计)
    分析:此题一看上去似乎很繁,涉及到重力、弹力摩擦力做功的问题。其实认真分析一下就会发现,在物体从B→C又返回到B时,弹簧先做负功,又做了相等数量的正功。总功为零,即弹力功为零;而重力做功根据其特点,只考虑由A到D的高度差即可;摩擦力做功由于与路径有关,须认真计算物体在全程中的位移。可见,对不同性质的力做功要具体分析,才会既简化问题又避免发生错误。
    利用动能定理对A→B→C→D全过程列式:
    五、课堂小结
    1.对势能的含义和表达式予以必要重复。
    2.对重力做功的特点和重力做功与重力势能变化关系予以强调。
    3.回忆上节动能定理。结合本节知识,让学生课下思考:动能定理可变成什么其他形式?又有什么意义?为以后讲功能关系和机械能守恒定律打下基础。
    六、说明
    1.不管是动能定理还是本节所讲的重力做功与重力势能变化的关系,都是过程量与状态量变化之间的关系。因此对过程分析和状态定位非常重要。教师应通过例题强调公式中每个符号的物理意义,不要把顺序搞错,以免给以后深入研究功能关系带来麻烦。
    2.势能是一个较难理解的概念,学生在一节课内不易全面理解和掌握。因此本节没有给出有势力的概念,未通过有势力做功的特点来定义势能,而是直接给出定义和计算公式,这样是为了避免给学生造成理解困难,而淡化了本节的教学重点。可在今后学习中接触了更多势能概念如分子势能、电势能等时,再进一步总结势能特点,深入对它的理解。
    3.关于势能是属于系统的讲解,由于课时所限,在本节提出也难免囫囵吞枣,因此也拟放在讲解机械能守恒定律时再深入讨论。本节先简略说成某物体具多少势能,但不要过分强调这一提法,以免以后纠正困难。

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