【同步备课】2020年高中物理教学设计(新人教必修二)7.4《重力势能》2

4重力势能整体设计重力势能及其相对性是本节的主要教学内容.教材从分析重力做功与路径无关入手，来建立重力势能的概念.依据“以同学为主体”新课程标准要求，在这一环节，要让同学亲自动手算一算这两种状况下重力对物体做了多少功，来加深对探究过程的理解.正是由于重力做功有这样的特点，才引入重力势能的概念，对这一点同学会感觉比较困难.这一认知是渐渐建立起来的，在这里要求不宜过高.老师可以挂念同学回忆，在“追寻守恒量”一节中，给出了势能的定义，“物体势能是物体凭借其位置而具有的能量.”启发同学思考，请同学说一说重力势能应当与哪些物理量有关.经过争辩，同学会得出，重力势能应跟物体在地球的相对位置有关，还应与物体受到的重力有关.本节重点叙述重力势能及其相对性，重力势能的变化以及与重力做功的关系.重力做正功时，重力势能削减，克服重力做功(重力做负功)时，重力势能增加，关于这个关系，同学往往不易理解，教学时最好能结合一些实例，从能量转化的角度分析，解开同学的困惑，例如可举在自由落体运动中，重力做正功，重力势能削减，同时由动能定理可知，动能增加,重力势能转化为动能，这样做，也可以为下一节讲解机械能守恒定律作好预备.为了突出重点，突破难点，接受同学实际操作、推理和互动探究的方法，同学对计算结果分析，先思考由结果发觉什么问题，激发同学的学习热忱，然后由老师层层提出问题，分析问题，逐步解决问题，使同学理解和把握本节的学问.关于重力做功与路径无关和弹性势能的教学：只要求同学知道即可.教学重点重力势能的概念及重力做功跟物体重力势能转变的关系.教学难点重力势能的系统性和相对性.课时支配1课时三维目标学问与技能1.理解重力势能的概念，会用重力势能的定义式进行计算.2.理解重力势能的变化和重力做功的关系.知道重力做功与路径无关.3.知道重力势能的相对性.4.了解弹性势能.过程与方法1.依据功和能的关系，推导出重力势能的表达式.2.学会从功和能的关系上解释和分析物理现象.3.通过试验，使同学把握科学的争辩方法——把握变量法；培育同学的实际操作力量.4.通过对结果的分析，培育同学发散性思维，及分析、推理、归纳的力量.情感态度与价值观1.通过对试验操作、观看、争辩，以及得出本节课物理学问的过程和方法，激发同学探究的爱好和宠爱科学的精神.2.渗透从对生活中有关物理现象的观看，得到物理结论的方法，激发和培育同学探究自然规律的爱好.课前预备自制课件、事先搜集各种投影图片；大小不一的两个铁块、自制小桌、盛满沙的盒子等.教学过程导入新课故事导入1994年7月7日，苏梅克·列维9号彗星以60km/s的速度，向木星奔驰而去.第一颗彗核撞上了木星，紧接着，其余的彗核也接二连三地向木星撞击，这一壮烈的天体碰撞，持续了5天才告结束.碰撞产生了相当于20亿颗原子弹爆炸的威力，产生的火球，直径达10km，温度达到7000℃，产生的光亮在数亿千米外也能拍到，腾起的蘑菇云极为壮丽，形成的尘埃云团与地球同样大小，并存在了几个月之久.老师引导同学思考争辩：为什么彗星撞击木星时会产生如此大的能量呢?情景导入大屏幕投影呈现下面几幅图片，让同学自己认真观看，并自己提出问题来争辩.2002年9月21日上午，俄罗斯高加索北奥塞梯地区的一个村庄发生雪崩，造成至少100人失踪美国内华达州亚利桑那陨石坑。这个陨石坑是5万年前，一颗直径约为30—50米的铁质流星撞击地面的结果.据说，坑中可以安放下20个足球场，四周的看台则能容纳200多万观众参考问题：1.我们看到一个冰天雪地、广袤无垠的银色世界，它带给人们的是圣洁、平和、安静的感受，一种心灵的洗涤.但是一旦大量积雪从高处滑下形成雪崩.一面面白茫茫的雪墙排山倒海而来，你将感受到大雪崩所带来最令人惊心动魄的白色恐惊，将对人们的生命与财产带来灾难……为什么这么秀丽的雪花有如此大的破坏力？发生的雪崩为什么具有这么大的能量？2.通过美国内华达州亚利桑那的陨石坑现象，你能说出这么大的能量与哪些因素有关？试验引入老师利用课前预备好的试验仪器：自制小桌、铁块（一大一小两个）、盛满沙的小盒,如图.先让同学猜想重力势能的影响因素.通过同学分组争辩，由同学代表表述自己的想法，重力势能的影响因素有哪些？然后分别设计试验，验证同学的猜想.推动新课一、重力的功问题：物体的重力势能跟哪些影响因素有关呢？通过重力势能的定义，引导同学找出重力势能的影响因素：物体的质量与高度.具体的关系，要求同学设计具体的物理情景来探讨.情境设置：把自制的物理小桌放在盛满沙的盒子中，比较质量不同的两个铁块落在小桌上时小桌陷入的深度；比较同一铁块从不同的高度落在桌子上陷入的深度.试验一：用质量不同的两个铁块从同一高度释放，观看小桌陷入沙子中的深度.试验二：用同一个铁块从不同高度释放，观看小桌陷入沙子中的深度.同学认真操作试验，并记录观看到的试验现象.现象：在试验一中，铁块的质量越大，小桌陷入沙子中的深度越大；在试验二中，铁块释放的高度越高，小桌陷入沙子中的深度越大.通过以上试验的进行，同学深切感受两个影响因素对重力势能的影响，并从中总结具体是怎样影响的：物体的质量越大，高度越大，重力势能就越大.因此，要争辩重力势能，就不能脱离对重力做功的争辩.重力做功的特点：创设情景，引导同学推导重力做功的特点:如图，提出物体从A到C的几种状况，让同学写出在这几种状况下，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，简洁得出此过程中，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.还可从A到BC面画任意路径让同学求重力做功，可以看出结论都为mgh.同学从以上三个过程的推导中简洁得到重力做功的特点：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.思维拓展重力做功与路径无关，其他力(比如摩擦力)做功是否与路径有关？回答是确定的.可见，重力做功的特点不能乱用，要视具体力而定.同时提示同学，今后学习中还会遇到具有这种特点的力（例如电场力）.如右图所示，指导同学计算质量为m的物体，从A运动到B的过程中，重力做的功是多少？小球的质量为m，从高度为h1的A点下落到高度为h2的B点，如图所示，重力所做的功为：WG=mgΔh=mgh1-mgh2从上面的表达式，可以看出重力做功的大小等于重力跟起点高度的乘积mgh1与重力跟终点高度的乘积mgh2两者之差.点评：引导同学逐步生疏mgh1、mgh2两个量是用来描述初末状态能量特点的，为重力势能概念的提出作思路引导.二、重力势能复习势能的概念：相互作用的物体凭借其相对位置而具有的能量，称为势能.mgh这个物理量具有特殊的物理意义，一方面与重力做功有关（相互作用），又随高度的变化而变化（凭借其相对位置），具有了势能的特征.物理学中，把物理量mgh叫做物体的重力势能，用Ep表示.点评：老师在分析重力做功的基础上，分析势能的两个主要特征，mgh同时具备两个主要特征，重力势能概念的提出就水到渠成.师生共同争辩，理解Ep=mgh，主要实行讲授式：1.标矢性：标量2.单位：焦耳（J）问题:重力做功引起了物体位置的变化，物体位置变化引起重力势能变化，重力做功与重力势能变化有什么关系呢？引导同学推导：重力做功也可以写成WG=Ep1-Ep2当物体下落时，重力做正功mgh，WG>0，即Ep1>Ep2，这说明，重力做功，重力势能Ep削减，削减的值等于重力所做的功.同理，当物体上升时，重力做负功-mgh，重力势能Ep增加的值等于重力所做的功，要留意的是，重力做负功也可以说成物体克服重力做功.重力做功是重力势能变化的量度.三、重力势能的相对性问题：将一个质量为5kg的铁球放在4楼一张1.5m高的桌子上，已知每层楼的高度均为2.5m，求铁球的重力势能.要求同学分组计算，让各小组代表自由表述自己的计算结果，老师暂不作评价.猜测同学的计算状况，在高度的数值代入上有不同的意见.消灭计算上的冲突，此时，老师引导同学感受由于参考面的选取不同，给计算造成了不便，无法计算.由于没有说明物体的高度是以什么位置为零高度.请同学分别写出上图中以B和地面C为零点的物体的重力势能：Ep1=mgh1，Ep2=mg(h1+h2)，（h1=AB，h2=BC）.总结：1.重力势能具有相对性，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.我们把重力势能为零的水平面叫做零势能面.通常以水平地面为零势能面.2.对选定的参考平面而言，在参考平面上方的物体，高度是正值，重力势能也是正值；在参考平面下方的物体，高度是负值，重力势能也是负值.物体具有负的重力势能，表示物体在该位置具有的重力势能比在参考平面上具有的重力势能要少.自主学习：同学分别写出以B和地面C为零点状况下，物体落在B和落在地面C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.师生总结：不论我们如何选择参考系，对于一物理过程，重力势能的转变是肯定的.我们今后的学习中，更多地是争辩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考系使问题简化，而不会影响结果.课堂训练1.分析推断下列几种说法是否正确.（1）物体在末位置的重力势能与物体如何运动无关；（2）物体在地球表面和月球表面上的重力势能相等；（3）一个静止的物体重力势能为负值时，说明物体无做功本事.2.起重机以的加速度将质量为m的物体匀减速地沿竖直方向提上升度h，则起重机钢索的拉力对物体做的功为多少？物体克服重力做功为多少？物体的重力势能变化了多少？3.关于重力势能，下列说法中正确的是（）A.物体的位置一旦确定，它的重力势能的大小也随之确定B.物体与零势面的距离越大，它的重力势能也越大C.一个物体的重力势能从-5J变化到-3J，重力势能削减了D.重力势能的削减量等于重力对物体做的功参考答案1.第一种说法正确.解析：（1）把重力势能的打算因素和实际问题的给定条件相比较；（2）正确理解重力势能是系统具有的，系统发生变化时，重力势能如何变化；（3）理解重力势能的正、负与物体做功之间的关系.2.解析：由题意可知起重机的加速度a=，物体上上升度h，据牛顿其次定律得mg-F=ma，所以F=mg-ma=mg-m×方向竖直向上.所以拉力做功WF=Fhcos0°=mgh重力做功WG=mghcos180°=-mgh即物体克服重力做功为mgh又由于WG=Ep1-Ep2=-mghWG<0，Ep1<Ep2即物体的重力势能增加了mgh.3.D解析：物体的重力势能与参考面的选取有关，同一物体在同一位置相对不同的参考面的重力势能不同，A选项错.物体在零势能面以上，距零势面的距离越大，重力势能越大，物体在零势面以下，距零势面的距离越大，重力势能越小，B选项错.重力势能中的正、负号表示大小，-5J的重力势能小于-3J的重力势能，C选项错.重力做的功量度了重力势能的变化，D选项正确.四、势能是系统所共有的合作探究引导同学认真争辩表达式Ep=mgh,提出问题：重力势能到底是谁的？物体m的？地球的？甲小组争辩结果：重力势能是物体m的,由于mg是物体的重力.乙小组争辩结果：重力势能是地球的，由于重力的施力物体是地球.老师首先确定甲乙小组的争辩成果，然后加以引导：质量是物体的固有属性，而重力的施力物体是地球；没有物体，谈不上重力势能；没有地球施加重力，重力势能也就不复存在.师生总结：重力势能是物体跟地球组成的系统所共有的，而不是物体单独具有的.素养训练：关于人类与重力势能的生疏，是一个从恐惊到挑战直到合理改造的过程.人们对重力势能的恐惊感是与生俱来的（雪崩、泥石流：2006年2月17日泥石流突袭菲律宾2000人丧生）.但是随着人们通过生产实践中对重力势能的生疏的逐步加深，我们开头变得乐于挑战这种能量（如攀岩运动）.甚至在可以把握的范围内享受重力势能带给我的种种乐趣（如过山车）.但是，科学的意义不仅仅是生疏自然，挑战自然，更在于能动地利用自然.介绍水力发电.课堂小结本课主要学习了以下内容：1.势能由物体间的相互作用而产生，由它们的相对位置而打算.2.势能是标量，单位是焦耳.3.重力对物体所做的功与物体的运动路径无关，只跟物体运动的始、末位置有关，重力所做的功等于物体始、末位置的重力势能之差.4.重力势能是地球和地面上的物体共同具有的，一个物体的重力势能的大小与参考平面的选取有关.布置作业1.教材“问题与练习”第1、2、3、4题.2.从山坡上滚下的大石块，它有没有重力势能?在它下滚的过程中重力势能的大小有没有变化?为什么?板书设计4重力势能1.重力势能：地球上物体由于处于肯定的高度而具有的能量.2.重力势能具有相对性.3.重力势能是地球跟物体组成的系统所共有的.活动与探究课题：骑车和跑步哪种方式能更好地削减人的能量消耗?方法：同学利用课下时间，通过骑车和跑步，在平路和上坡两种状况下进行实际测试，亲自体验.沟通：在平路或下坡路上，骑自行车的最大好处是能削减人的能量消耗.这时，人只需要供应很少的能量，就能补偿由于摩擦而消耗的能量，以保持自行车的速度.而当人在平路上跑步时，实际上每跑一步，身体都要做上下运动以及瞬间停顿.这样，跑步者有很大一部分能量被无效地损耗掉，必需由人体重新供应.由于这些能量比人骑自行车通过同一段路程所消耗的能量要多得多，所以，在平路上跑步要比骑自行车要费劲些.但在上坡时，由于人体供应的能量主要用来增加重力势能.骑自行车上坡，人不但要为提高自身的重力势能做功，还要提高自行车的重力势能做很多额外功，这时，自行车的优越性就明显下降.所以，在上坡时，骑自行车并不比跑步轻松.习题详解1.证明：设斜面高度为h，对应于倾角为θ1、θ2、θ3的斜面长分别为l1、l2、l3.由功的公式可知，在倾角为θ1的斜面上，重力与位移的夹角为（-θ1），重力所做的功为：WG=mgl1cos（-θ1）=mgl1sinθ1=mgh.同理可证，在倾角为θ2、θ3的斜面上，重力所做的功都等于mgh，与斜面倾角无关.2.解答：（1）足球由位置1运动到位置2时，重力所做的功为-mgh，足球克服重力所做的功为mgh，足球的重力势能增加了mgh.（2）足球由位置2运动到位置3时，重力做的功为mgh，足球的重力势能削减了mgh.（3）足球由位置1运动到位置3时，重力做功为零，重力势能变化为零.3.解答：（1）所选择的参考平面小球在A点的重力势能小球在B点的重力势能整个下落过程中小球重力做的功整个下落过程中小球重力势能的变化桌面5.88J-3.92J9.8J削减9.8J地面9.8J09.8J削减9.8J（2）假如下落过程中有空气阻力，表