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1、第八章 机械能守恒定律教案学情分析通过初中物理课程的学习，学生已经了解“功”、“动能”、“势能”、“机械能”等物理概念，具备“具有能量的物体可以对外做功”，“物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大”等感性认识。通过高中物理课程的学习，学生已经掌握矢量的等效分解方法，匀变速直线运动规律，牛顿运动定律等规律，并具备了一定的科学思维和科学探究能力，这些知识和能力为学生深入理解功和能及其关系、机械能守恒定律提供了基础和保障。一、认知基础1.丰富的“前概念”“功”和“能”是两个在生活、生产中经常出现的概念，例如“事倍功半”、“劳而无功”、“能源危机”、“节约能源”等概念和词语在生活中经常被用到，这些
2、来源于生活的“前概念”一方面使学生对本章的学习产生亲近感，而另一方面，一些含义不同的生活用语却会干扰学生对科学概念的正确理解。比如：学生普遍认为当某人提着重物沿水平地面前行时，因为用力、且感觉到疲劳，所以人应该是对重物做了功的；再比如：生活中经常提到“节约能源”，使得学生普遍认为做功的过程是消耗能量的过程。本章的教学设计要充分考虑学生的“前概念”。2.坚实的知识和能力基础经历初中物理课程的学习，学生已经了解了功的概念，并掌握了当力和位移的方向相同情况下功的计算方法，力和位移的方向垂直情况下力不做功。通过物理必修第一册第三章相互作用的学习，学生又掌握了矢量的分解法则，理解了等效替代思想，这些知识
3、和方法为研究在日常生活生产中常见的力与运动方向成一定夹角时功的计算方法提供了基础，学生通过自主探究便可推导出力对物体做功的一般计算式，并在推导过程中实现科学推理能力的提升。在学习瞬时速度时，学生体会了研究物理问题的“极限”方法，在学习向心加速度时，运用“极限”方法分析问题的能力得到提升，这为学生理解瞬时功率提供了思维方法的保障。在计算匀变速直线运动的位移时，学生体验了“微元法”思想，这为学生理解重物沿竖直面内的曲线运动时重力做功的计算方法提供了保障，同时也为理解机械能守恒定律提供了支持。3.丰富的感性认识基础初中物理学习已经使学生对动能，重力势能，弹性势能，机械能等物理概念具有了丰富的感性认识
4、，能够列举出多种能量发生转化以及机械能守恒的物理现象，了解“功是能量转化的量度”，这些学习体验为学生分析解释各种有关功的数学关系式中蕴含的物理意义，进而发现具体形式能量的数学表达式提供了基础和保障。学生们在生活中使用机械的生活体验，例如：汽车上坡时增加发动机功率增加牵引力，或在发动机达到额定功率情况下通过减小速度来增大牵引力等，为学生理解 提供了感性认知基础。4.具备基本的实验技能学生在学习物理必修第一册的课程时，已经掌握打点计时器的工作原理和使用方法，能够根据纸带上的点迹分析出物体运动位移、瞬时速度、加速度等信息，一些学生还具备使用气垫导轨和数字计时器记录滑块运动、获得运动数据的能力，一些学
5、校还可以为学生提供利用传感器进行实验探究的平台，这些实验仪器和学生的实验技能为学生设计实验验证机械能守恒定律提供了设备和技能的保障。二、认知规律和特点高中生的思维活跃，发散性强；善于对所学内容进行迁移，对规律进行推广；抽象思维能力和数学计算能力显著增强；但从数学关系式中抽象出物理意义的能力和思维严谨性还有待提高。1.思维活跃，具有知识迁移能力活跃的思维使得学生在学习功的计算时，容易理解将力进行等效分解，或者将位移进行等效分解，之后再求功的计算方法，但是当发现力做的功有正负之分时，同学们容易认为功是矢量，所以有正负之分，这是学生们在学习直线运动中用正负号描述运动方向的认知在此发生的负迁移。虽然动
6、能定理只是在直线运动中演绎推理得出，但学生善于将其迁移到曲线运动中，实现认知的正迁移。在学习机械能守恒定律时，学生容易忽视机械能守恒定律的成立条件，误认为机械能守恒和能量守恒一样都是普适规律，这是学生思维活跃，但缺乏严谨性的表现。2.不能全面认识正负号在物理学中的意义基于数学知识学生能够理解正负号可以表示物理量的大小与零的关系，例如：重力势能的区别。基于物理必修第一册中描述直线运动的知识，学生能够理解用正负号来表示矢量的方向，例如：速度的区别。学生在初中阶段曾经学习过功的概念，但是只研究过力与运动方向相同时力对物体做正功的情况，未曾接触过力对物体做负功的情况，立刻理解力对物体做负功时，负号蕴含
7、的物理意义有些难度。一个状态量的变化量等于末状态量减去初状态量。例如，物体的动能，当这物体的动能减小时，其动能的变化量为负值，学生对变化量中出现的负号的理解也是一个难点。学习目标与重难点分析一、学习目标1.理解功和功率的物理意义，了解常见机械的额定功率，能够用功率概念解释机械工作时的各种现象；能够依据“功是能量转化的量度”理解重力做功与重力势能变化的关系，动能定理等规律，定性了解弹簧弹力做功与弹性势能变化的关系；能够理解机械能守恒定律及其成立条件；形成正确的能量观念，能够应用能量观念分析、解释自然现象，指导生活实践。2.能够用等效替代的方法推导出力和运动方向成一定夹角时力做功的计算表达式；能够
8、从重力做功的计算中发现重力做功与物体运动路径无关的特点，抽象出量化重力势能的方法；能够用演绎推理的方法推导出动能定理，并应用到曲线运动之中；能够在变化的现象中发现不变量，用守恒的思想认识客观事物的本质属性和内在规律。3.能够对数学演绎出的关系式做出合理的解释；具有运用实验验证理论的科学素养；能制订科学探究实验方案，选用合适的器材获得数据，会分析实验数据，发现规律，形成结论，检验实验结论与已有理论是否自洽，能正确认识误差，找到误差来源和减小方法，能撰写完整的实验报告，对科学探究过程与结果进行交流和反思。4.认识到追寻守恒量是人类认识自然规律的方式之一，形成较强的学习和研究物理学的内在动力，形成用
9、实验检验规律的行为准则，形成寻求合作的团队精神，养成保护环境，节约能源，促进可持续发展的良好习惯。二、重难点分析及突破策略1.功的计算及物理意义（1）功的计算是本章重点。它是本章知识链中非常重要的一环，掌握功的计算才能为分析能量的转化、量化具体形式的能量提供基础，才能实现从定性认识能量到定量描述能量的认知提升，为理解重力做功和重力势能的关系、动能定理、机械能守恒定律提供保障。基于初中的知识基础，学生完全可以自主推导出功的一般计算式。首先复习初中学过的力与位移同方向时、力与位移垂直时力做功的情况，然后讨论普遍情况中，即力与位移成一定夹角时功的计算法则，引导学生利用力的等效分解方法，将与位移成一定
10、夹角的力分解为沿位移方向的分力和垂直于位移方向的分力，因为垂直的力不做功，只需计算沿位移方向的分力所做的功，便可得出功的计算公式，再通过分解位移的方法得出相同的计算公式，帮助学生加深对功的计算式的理解。得出公式后，学生通过为不同角度时力做功的计算结果与对应情况下力的作用效果进行对应分析，分析正负功所对应的力的作用效果，加深对功的理解。（2）力和位移都是矢量，它们的乘积却是标量，没有方向，却分正负，这是学生较难理解的内容。学生对功是标量的理解需要一个逐步深入的过程。首先结合高中数学中有关“平面向量的数量积”知识来理解。之后通过对比功的正负与所对应的力的作用效果来加深理解。再接下来，在学习总功的计
11、算时，通过比较力的合成法则与各力功求和得总功的运算法则的不同，来理解功是标量。例如：结合教材中“例题1”，带领学生用两种方法求总功。方法一：先求各力做的功再求总功，体会总功是各力做功的代数和；方法二：先求合力再求合力功，体会合力是各力的矢量和，通过对比两种解法，既可以帮助学生鉴别“各力功”与“合力功”，又可以加深对“功”是标量的理解。最后可在全章学习的过程中，通过体会“功是能量转化的量度”来逐步加深理解。2.量化重力势能（1）发现重力做功的特点，进而用“功是能量转化的量度”思想来量化重力势能是本章的学习重点。首先在具体情境中探索重力做功的特点，例如：物体竖直下落、沿倾斜直轨道下滑、沿任意曲面下
12、滑（拓展学习内容），发现重力对物体做功只跟物体的起点和终点位置有关，而跟物体运动的路径无关的规律。然后运用“功是能量转化的量度”的思想分析重力做功的表达式的意义，由重力做功可以量度重力势能的变化量，分析概括出 的物理意义，理解重力势能。最后利用教材中的“思考与讨论”，比较重力做功与摩擦力做功，帮助学生理解正是因为重力做功与路径无关，才能够引入重力势能的概念，而对于摩擦力做功则不能引入相应的势能概念。（2）学习重力势能时，学生容易形成重力势能是地面上物体独有的能量的错误认识。分析重力势能产生的原因，认识到重力势能是由于地球与地面上的物体相互吸引而产生的，如果没有地球与物体之间的吸引力，就不会有重
13、力做功，也就不存在重力势能，所以重力势能是物体和地球共有的。平常所说的“物体”的重力势能，只是一个简化的说法。3.理解动能定理动能定理是本章的重点内容，是“功是能量转化的量度”这一思想的持续应用的成果。动能定理是学生进一步理解功能关系，拓展计算功的方法的关键内容。动能定理进一步强化了学生用“过程量”描述“状态量”的变化量的认知策略，为学习机械能守恒定律、能量守恒定律、电磁感应中的能量转化和守恒打下认知基础。教学中坚持以学生为主体，首先组织学生应用牛顿运动定律和匀变速直线运动的速度位移公式自主推导动能定理，切实提高演绎推理的能力，理解数学关系式中蕴含的物理意义；然后运用“微元方法”讨论得出动能定
14、理也适用于物体在变力作用下的物理过程，也适用于物体做曲线运动的物理过程；再接下来依据教材中的两个例题，组织学生分别用“运动和相互作用观念”和“能量观念”解答，并进行比较与讨论，既能明确两种方法都可以分析物理现象、解答物理问题，又可以发现用“能量观念”解决问题的简单和快捷，形成从不同视角描述和解释自然现象的思维品质。4.理解机械能守恒定律（1）机械能守恒定律是力学中的一条重要定律，是普遍的能量守恒定律在力学范围内的表现形式，理解机械能守恒定律是建立守恒思想，形成能量观念的基础，是本章学习的重点内容。教学通过对典型案例（伽利略理想实验，物体自由落体，物体竖直上抛，物体沿光滑斜面下滑）的分析，先发现
15、动能与势能之间可以相互转化，使学生体会用能量的观念分析物理现象，小球运动过程中某种“东西”是不变的，再采用演绎推理的方法得出机械能守恒定律及其成立条件，最后推广到在只有重力或弹力做功的物体系统内的机械能守恒，这样的教学尊重了学生的认知规律，经历由感性到理性，由特殊到一般的认识过程，有利于促进学生对机械能守恒定律的理解，形成正确的能量观念。（2）实验验证机械能守恒定律是一个开放性的学习任务，这会给学习自主能力相对薄弱的学生带来一次锻炼和提升的机会，理解和设计实验方案是验证机械能守恒定律的重点。教师可以通过搭梯子的方式，把实验过程拆分为多个环节，通过层层设问，逐步引导的方式帮助学生完成实验，例如：
16、1.明确实验目的。2.确定遵守机械能守恒的实验装置。3.明确要测量的物理量和测量原理。4.进行实验，收集数据。5.分析数据，验证规律。6.分析误差，改进实验。教材提供了两个参考案例，其中案例1需要的设备简单，操作容易，由于空气阻力小，使得实验误差小，在实验中还能够复习打点计时器的操作和数据分析方法，可以作为首选实验方案。学生也可以在教师的指导下自主制定有新意的实验方案，利用实验室开放时间，以独立或小组合作的方式，灵活选用合适的实验器材，例如传感器、光电门、气垫导轨等设备作为实验器材，进行课外实验研究，实现科学探究能力的提升。内容与价值分析一、学习内容与价值分析本章的学习是运用“功是能量转化的量
17、度”的思路深入展开的，学习中应用矢量的数量积等数学知识，应用比值法定义物理量、演绎法推理物理规律等科学思维，先后经历理论分析和实验验证机械能守恒定律等科学探究过程，帮助学生理解“功和能及其关系”，激发探索自然规律的内在动力，提升分析问题、解决问题的能力，建立正确的能量观念。1.本章的学习有利于学生初步建立起清晰的能量观念本章之前的高中物理必修部分一直围绕着“运动和相互作用”进行学习，关注于用力的瞬时作用效果分析物理问题，解释物理现象，本章则通过关注力在空间上的积累来认识力的作用效果，进而理解“功和能”的概念，运用“功是能量转化的量度”来量化势能和动能，发现能量转化和守恒的规律，使学生分析物理问
18、题的方法和途径得到拓展，为将来研究力在时间上的积累效果，理解“冲量和动量”的概念，发现动量定理以及动量守恒定律打下认知基础。本章的学习是在“功是能量转化的量度”的认识思路指导下逐步展开的。首先是在复习初中建立的“具有能量的物体可以对外做功”，“物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大”等概念的基础上，明确“功是能量转化的量度”，可以通过计算力做功的多少来量度能量转化的多少，帮助学生理解功的物理意义。然后通过计算在具体的物理过程中重力、合力对物体所做的功，推导出重力、合力做功的数学表达式，运用“功是能量转化的量度”的思路概括、分析出重力势能、动能的数学表达式，得出动能定理等物理规律，并定性分析
19、出弹簧弹力做功与弹性势能变化之间的关系，理解弹性势能。最后经过理论分析在只有重力或弹力做功的物体系统内势能和动能的转化情况，认识重力或弹力做功的效果，发现机械能守恒定律及其成立条件，并通过实验验证机械能守恒定律，建立起能量转化和守恒思想，为学习能量守恒定律，探索能源问题打下认知基础，形成从能量视角正确描述和解释自然现象，解决实际问题，指导生活实践的物理观念。2.本章的学习有利于提升学生的科学思维水平在研究功的计算时，会体验矢量的分解法则、各力做功求和得出总功的运算法则，通过对运算法则的分析比较，可以深化学生对矢量和标量的理解，并提升逻辑推理能力。在描述力对物体做功快慢时，通过类比瞬时速度，加速
20、度等概念的建构过程，再次体会研究物理问题的极限方法和用比值定义物理量的科学方法，为将要学习的感应电动势、交变电流的瞬时值等物理概念打好认知基础。运用“功是能量转化的量度”的思路分析重力做功的数学表达式，认识重力势能的量化方法，锻炼学生从数学关系式中挖掘物理意义的能力，为以后分析电场力做功特点，理解电势能、电势等概念打好认知基础。应用牛顿第二定律以及匀变速直线运动中速度与位移公式演绎推理得出动能定理，并推广到曲线运动中的过程，提高学生的科学推理能力。3.本章的学习有利于提升学生物理与数学的跨学科素养应用数学知识解决物理问题是高中学生必备的基本能力。在研究力的方向与物体运动方向成一定夹角的情况下力
21、做功的问题时，结合高中数学平面向量的数量积的相关知识，可以帮助学生理解虽然力与位移都是矢量，但它们的数量积却是标量。结合相关的高中数学知识可以促进学生对物理量间运算法则的理解，提升学生跨学科分析问题的能力。4.本章的学习有利于提升学生的科学探究能力实践是检验真理的唯一标准，经得起实验检验的理论才可能是正确的理论。本章的最后一节安排为实验“验证机械能守恒定律”，虽然是验证性实验，但该实验既强化了实验在科学研究中的不可替代性，又为学生提供了一次从设计实验方案到反思实验结果的完整的实验研究过程，此过程有利于学生科学探究能力的提升。5.本章的学习为学生的持续发展奠定基础结合生产生活的实践，了解常见机械
22、的功率，用功率概念解释机械工作时的各种现象，在实现学以致用的同时，激发了学生学习物理知识、研究物理问题的兴趣。机械能守恒定律是力学中的一条重要定律，是普遍的能量守恒定律在力学范围内的表现，能量守恒定律揭示了自然界最基本的规律，为人类认识自然现象提供了思想方法，本章的学习为学生后续学习能量守恒定律，热力学定律，认识能源问题，可持续发展问题做了知识和能力的准备。实验验证机械能守恒定律的过程，可以帮助学生形成尊重实验事实，实事求是的科学态度，形成主动参与合作，发挥团队精神的意识，有利于提升学生的科学态度与责任素养。学习过程一、本单元的学习进阶设计二、学习进阶设计说明1.L1层级：理解功和功率学生在初
23、中物理课程学习中已经了解力和物体运动方向相同时力做功的计算方法，也知道力和物体运动方向垂直时不做功，在此基础上经过自主推导，得出当力和物体的运动方向成一定夹角时力做功的计算方法，实现推理能力的进阶；经过分类讨论力和运动方向夹角不同时力做功的情况，及所对应的力的作用效果，理解力对物体做功的物理意义，实现对功的概念的理解进阶，为“能量”的量化做好认知准备；经过由各力功求合力功的运算推理，深化对标量和矢量的认识，理解功是标量。学生在初中物理课程学习中已经了解平均功率的概念，在高中物理课程中体验过极限方法，在此基础上推理出瞬时功率的概念，通过了解常见机械的功率大小，并应用瞬时功率分析汽车牵引力与瞬时速
24、度的关系，能够实现学生对功率概念的理解进阶。【活动设计案例一】基于具体物理情境（用斜向上的力拉着物体沿水平地面前进），推导力和物体的运动方向成一定夹角时，力对物体做功的计算法则。活动目的：培养学生用物理学视角观察生活现象的能力，掌握功的计算。【活动设计案例二】分类比较当力与位移成不同夹角时，力对物体做功的计算结果与力的作用效果间的关系。活动目的：理解力对物体做功的物理意义，提升分析能力。【活动设计案例三】证明当一个物体在几个力的共同作用下发生一段位移时，这几个力对物体所做的总功，是各个力分别对物体所做功的代数和。活动目的：理解功是标量，功的计算遵守标量运算法则，提升推理能力。【活动设计案例四】
25、了解生产生活中常见机械的功率大小及其意义。运用功率概念解释汽车上坡时出现的现象，讨论当汽车发动机的功率一定时，牵引力与速度的关系。活动目的：理解功率，培养用功率概念分析机械问题的能力。2.L2层级：理解重力势能学生已经具备丰富的有关重力势能、弹性势能的感性认识，但是不知道势能的定量表述方法，也不知道重力做功跟物体运动的路径无关，只跟物体的起点和终点的位置有关的规律。按照由简到繁的原则，先以最简单的竖直下落为例，分析重力对物体做功，再以沿倾斜直轨道下滑为例分析重力对物体做功，发现重力对物体做功的特点，然后将重力做功的特点推广到物体沿任意路径运动的情况中，归纳出重力做功特点，提炼出重力势能的表达式
26、，实现学生推理、归纳能力的进阶。【活动设计案例一】基于物体运动的具体情境（沿水平面运动；竖直下落；沿倾斜直轨道下滑；沿弯曲轨道下滑）研究重力做功，引导学生发现“重力对物体做的功只跟物体的起点和终点的位置有关，而跟物体运动的路径无关”的规律，发现重力势能的表达式，理解重力做功与重力势能的变化的关系。活动目的：理解重力势能，理解重力势能的变化与重力做功的关系。【活动设计案例二】基于具体物理情境，比较物体的重力势能、重力势能的变化量与零势能面的选取之间的关系。活动目的：理解重力势能的相对性，理解重力势能的变化量与零势能面的选取无关。3.L3层级：理解动能和动能定理学生已经了解物体的动能大小与物体的质
27、量、速度有关，具有定量描述物体动能大小的学习愿望；学生已经掌握牛顿运动定律和匀变速直线运动中速度位移公式，为自主推导动能定理、发现动能的表达式提供了知识和能力基础。学生经历动能定理的推导过程，实现演绎推理能力的进阶。引导学生用“功是能量转化的量度”的思想分析公式的物理意义，理解动能和动能定理，促进能量观念的形成。体验用动能定理解释生活中各种物理现象，提升学生从能量视角分析问题、解决问题的能力。【活动设计案例一】基于匀变速直线运动的物理情境，引导学生应用牛顿运动定律和匀变速直线运动规律自主推导出动能定理的表达式，再用“功是能量转化的量度”的思想分析的物理意义。活动目的：理解动能和动能定理；提升演
28、绎推理能力。【活动设计案例二】分别用牛顿运动定律，动能定理两种方法解答教材中的例题。活动目的：体会运用动能定理解决问题的简单快捷，培养运用动能定理解决物理问题的意识和能力。4.L4层级：理解机械能守恒定律（1）理论分析得出机械能守恒定律。通过“功和能”的学习，学生知道了重力做功会引起重力势能的变化，弹簧的弹力做功将使弹性势能发生变化，合力的功等于物体动能的变化，学生曾在初中阶段学过的一些定性的东西，逐渐找到了定量描述的方法，对功能关系的认识加深了，也萌发了继续探究的兴趣。那么在动能，重力势能和弹性势能都参与转化的过程中，情况又将怎样呢？这是学生亟待解决的问题，机械能守恒定律的建立已经到了水到渠
29、成的时候。从知识发展的线索来看，机械能守恒定律，既是“功能关系”的阶段性总结，也为进一步认识能量守恒定律做好铺垫。通过机械能守恒定律的学习，学生对“功是能量转化的量度”会有更加深刻的理解，也为从不同角度处理力学问题，提供了良好的学习体验。【活动设计案例一】基于具体物理情境（自由落体运动，物体沿光滑直轨道下滑，物体沿光滑曲面下滑）推导机械能守恒定律，总结机械能守恒的条件。活动目的：理解机械能守恒定律；提升推理能力。【活动设计案例二】运用机械能守恒定律分析问题、解决问题，初步形成清晰的能量观念，能从能量转化和守恒的视角正确描述和解释自然现象。活动目的：能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。体
30、会守恒思想对认识物理规律的重要性。（2）实验验证机械能守恒定律。学生已经掌握了打点计时器、气垫导轨（数字计时器）等实验设备的工作原理和使用方法，为实验验证机械能守恒定律奠定了基础。在实验过程中，学生经历实验方案的制订，实验器材的选取，实验数据的采集，实验数据的分析，以及实验报告的撰写，实验结果的反思和交流过程，认识实验是物理学研究的基本方法，实现科学探究素养的提升，在与同学的合作过程中，形成积极寻求合作的团队意识，提升合作能力。【活动设计案例一】了解实验在物理学发展过程中的重要性。活动目的：认识实践是检验真理的唯一标准，培养用实践检验理论的严谨科学态度。【活动设计案例二】学生自主设计实验方案，选取器材，完成数据采集和分析，进行交流和讨论，分析误差和产生原因，提出实验改进方案。活动目的：锻炼实验设计能力，动手操作能力，反思交流的能力；提升科学探究素养。