人教版高中物理必修第二册：第8章第4节机械能守恒定律教学设计

人教版高中物理必修2教学设计

课题机械能守恒定律单元8学科物理年级高一

《机械能守恒定律》是人教版高中物理必修2第8章第4节的内容，机械能守恒定律属

于物理规律教学，是对功能关系的进一步认识，是学生理解能量转化与守恒的铺垫，为今后

教材

学习动量守恒、电荷守恒打下基础。教材通过多个具体实例，说明势能和动能，先猜测动能

分析

和势能的相互转化的关系，引出对机械能守恒定律及守恒条件的探究，由定性分析到定量计

算，逐步深入，最后得出结论，并通过应用使学生领会定律在解决实际问题时的优越性。

一、教学目标

1．在已经学习有关机械能概念的基础上，学习机械能守恒定律，掌握机械能守恒的条

件，掌握应用机械能守恒定律分析、解决问题的基本方法．

2．学习从功和能的角度分析、处理问题的方法，提高运用所学知识综合分析、解决问

题的能力。

教学

二、核心素养

目标

与核物理观念：首先从概念的角度出发，明确什么是机械能，在机械能守恒的情况下重力势

心素能与动能之间是相互转化的，构建能量观念。

养

科学思维：通过纸带和打点计时器找到重力势能的减少量与动能增加量之间的关系，从

而验证机械能守恒定律，体验验证过程和物理学的研究方法。

科学探究：运用动能定理推导机械能守恒定律，体会做功在能量转化过程的用途。

科学态度与责任：通过机械能守恒的教学，使学生树立科学观点，理解和运用自然规律，

并用来解决实际问题

重点1.掌握机械能守恒定律的推导、建立过程，理解机械能守恒定律的内容；

2.在具体的问题中能判定机械能是否守恒，并能列出定律的数学表达式。

难点1.从能的转化和功能关系出发理解机械能守恒的条件；

2.能正确判断研究对象在所经历的过程中机械能是否守恒，能正确分析物体所具有的机

械能，尤其是分析、判断物体所具有的重力势能。

教学过程

教学环节教师活动学生活动设计意图

导入新课思考：一辆过山车在下滑过程中，既然没有什学生思考讨论了解过山车的

么动力，为什么每次总能如此准确的完成一连串有运动引出本节的

惊无险的动作呢？课题

出示图片:翻滚过山车

这实际上是动能和势能之间发生了相互转化，

那么你知道它们在转化的过程中遵守什么规律

吗？

讲授新课一、追寻守恒量

能量对于科学研究和日常生活有着巨大的影

响，但要用一句话说清楚能量究竟是什么却非易

事。

思考讨论1：如果不采用能量的概念，你能描

述伽利略的斜面实验吗？

学生阅读课文锻炼学生自主学

思考讨论习能力和语言表

达能力

伽利略为了把小球从桌面提高到斜面上的某

个位置，施加了与重力相反的力；当他释放小球时，

重力使小球滚下斜面A；在斜面的底部，小球由

于惯性而滚上斜面B。

思考讨论2：不采用能量描述，能全面并准确

表达伽利略的斜面实验吗？

学生思考讨论了解伽利略的运

不能直接表达一个最重要的事实：如果空气阻

动的描述和引入

力和摩擦力小到可以忽略，小球必将准确地终止于

能量的必要性

它开始运动时的高度，不会更高一点，也不会更低

一点。这说明某种“东西”在小球运动的过程中是

不变的。

能量概念的引入是科学前辈们追寻守恒量的

一个重要事例。

二、动能与势能的相互转化

1.重力势能与动能相互转化

学生观察单摆理解重力势能与

的运动说出它动能能相互转化

的能量转化

A-B：在这个过程中，物体的速度增加了，表

示物体的动能增加了。这说明，物体原来的重力势

能转化成了动能。

B-C：在这个过程中，这时重力对物体做负功，

物体的速度减小，表示物体的动能减少了。但由于

物体的高度增加，它的重力势能增加了。

这说明，物体的动能转化成了重力势能。

结论:物体的动能和重力势能可以相互转化。

2.弹性势能与动能相互转化.

学生观察弹黄理解弹性势能与

以及小球的运动能能相互转化

动，说出它的

能量转化

由小球接触弹簧到速度为零的这一过程中，弹

力做负功，弹簧的弹性势能增加，而物体速度减小，

动能减少。小球原来的动能转化成了弹性势能。

压缩的弹簧

弹簧恢复原来形状

被压缩的弹簧具有弹性势能，当弹簧恢复原来

形状时，就把跟它接触的物体弹出去。这一过程中，

弹力做正功，弹簧的弹性势能减少，而物体得到一

定的速度，动能增加。物体原来的弹性势能转化成

了动能。

出示图片:跳板跳水学生练习帮助学生理解弹

运动员从跳板上弹起的过程中，跳板的———性势能和动能的

______转化为运动员的_________。转化

答案：弹性势能、动能

结论:物体的动能和弹性势能可以相互转化。

3.机械能

重力势能、弹性势能与动能都是机械运动中的

能量形式，统称为机械能。通过重力或弹力做功，

机械能可以从一种形式转化成另一种形式。

思考与讨论：一个小球在真空中做自由落体运

动，另一个同样的小球在黏性较大的液体中由静止

开始下落。它们都由高度为h1的地方下落到高度

为h2的地方，如下图所示。

学生思考讨论理解能量之间的

回答转化，锻炼学生

的表达能力

小球在真空和油中的下落

(1)在这两种情况下，重力做的功相等吗？

(2)重力势能的变化相等吗？

(3)动能的变化相等吗？

(3)重力势能各转化成什么形式的能？

参考答案：

（1）这两种情况下，重力做功相等；

（2）重力势能的变化相等；

（3）动能变化不相等；

（4）第一次减小的重力势能完全转化为动能，

第二次减小的重力势能除了转化为动能外，还有一

部分转化为内能。

三、机械能守恒定律

我们发现其它力做功会引起机械能与内能等

其他能量的相互转换，所以机械能守恒定律是有条

件的。

例1：如图物体沿光滑曲面滑下的情形。这种

情形下，物体受到哪些力的作用？哪些力做功？

由学生推导、了解做功条件，

分析：物体沿为下面的推导打

光滑斜面或光下基础

滑曲面下滑

时，受重力和

支持力作用，

重力和曲面支持力的作用，因为支持力方向与

支持不做功，

运动方向垂直，支持力不做功，所以，只有重力做

只有重力做功

功。

如图所示物体在某一时刻处在高度为h1的位

置A，这时它的速度是v1。经过一段时间后，物

体下落到高度为h2的另一位置B，这时它的速度

是v2。用W表示这一过程中重力做的功。

从动能定理知道，重力对物体做的功等于物体

动能的增加，即:

在老师的引导得出动能和势能

下学生推导之和即总的机械

另一方面，重力对物体做的功等于物体重力势能保持不变。

能的减少。

即:

从以上两式可得：

这就是说，重力做了多少功，就有多少重力势

能转化为动能。

进一步整理可得：

等式左边为物体末状态动能与势能之和，等式

右边为物体初状态动能与势能之和。

结论：在只有重力做功的系统内，动能与重力

势能互相转化时总的机械能保持不变。

思考与讨论：在上图中，如果物体从位置B沿

光滑曲面上升到位置A，重力做负功。这种情况下

上式的关系是否还成立？

学生思考讨论锻炼学生的逻辑

由动能定理得：

并推导思维能力，验证

重力做负功时动

:能和势能之和即

另一方面，重力对物体做的负功等于物体重力

总的机械能仍保

势能的增加。

持不变

即:

从以上两式可得：

这就是说，重力做了多少功，就有多少重力势

能转化为动能。

进一步整理可得：

这种情况下上式的关系仍然成立。

思考讨论：如让学生进一步理

思考讨论：如何理解只有重力做功？

何理解只有重解只有重力做功

（1）物体只受重力作用。

力做功？的含义

（2）物体除受重力外还受到其他力的作用，

但其他力不做功，或其他力做功的代数和为零。

平抛运动或其它抛体运动的物体。

只受重力。

沿光滑斜面下滑的物体受重力和支持力但支

持力不做功。

沿粗糙斜面下滑的物体，拉力F大小和摩擦力

f大小相等，拉力F和摩擦力f做功的代数和为零。

同样可以证明，在只有弹力做功的系统内，动

能和弹性势能互相转化时总的机械能也保持不变。

1.机械能守恒定律内容

在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和

势能发生相互转化，但机械能的总量保持不变。

2.表达式

EK1+EP1=EK2+EP2或E1＝E2

3.守恒条件

学生总结机械理解掌握机械能

物体系统内只有重力或弹力做功(其他力不做

能守恒的条件守恒的条件

功)，机械能守恒。对于该条件可具体理解如下：

（1）系统不受外力。

（2）系统受外力，但所有外力均不做功。

（3）系统受外力，而且外力做功，但外力做

功的代数和为零。

如图所示滑雪者沿斜面下滑时机械能守恒

吗？

滑雪者沿斜面下滑时，斜面的支持力与运动方

向垂直，不做功；如果阻力做的功较少，可以忽略，

则只有重力做功。此种情况下，动能与重力势能可

以互相转化，总的机械能守恒。

如果阻力做的功较大，不能忽略，则机械能不

守恒。

【例题】把一个小球用细线悬挂起来，就成为

一个摆如图所示，摆长为l，最大偏角为θ。如果

阻力可以忽略，小球运动到最低点时的速度大小是

多少？

分析在阻力可以忽略的情况下，小球摆动过

程中受重力和细线的拉力。细线的拉力与小球的运

动方向垂直，不做功，所以这个过程中只有重力做

引导学生分析让学生体会机械

功，机械能守恒。

总结此题的解能守恒定律不涉

题要点、步骤。及运动过程中的

加速度、时间及

速度方向，用它

处理问题要比牛

顿定律方便。

小球在最高点只有重力势能，动能为0，计算

小球在最高点和最低点重力势能的差值，根据机械

能守恒定律就能得出它在最低点的动能，从而算出

它在最低点的速度。

解：以小球为研究对象。设最低点的重力势能

为0，以小球在最高点的状态作为初状态，以小球

在最低点的状态作为末状态。

在最高点的动能Ek1＝0，重力势能是Ep1＝mg

（l－lcosθ）

在最低点的重力势能Ep2＝0，而动能可以表

示为：

运动过程中只有重力做功，所以机械能守恒，

即：Ek2＋Ep2＝Ek1＋Ep1

把初末状态下动能、重力势能的表达式代入，

得

＝mg（L－Lcosθ）

由此解出小球运动到最低点时的速度大小：

从得到的表达式可以看出，初状态的θ角越

大，cosθ越小，（1－cosθ）就越大，v也就

越大。也就是说，最初把小球拉得越高，它到达最

低点时的速度也就越大。

解题步骤：学生总结解题了解利用机械能

(1)确定研究对象步骤守恒解题的一般

(2)对研究对象进行正确的受力分析思路

(3)判定各个力是否做功，并分析是否符合机械

能守恒的条件

(4)视解题方便选取零势能参考平面，并确定研

究对象在始、末状态时的机械能。

(5)根据机械能守恒定律列出方程，或再辅之以

其他方程，进行求解。

应用机械能守恒定律解决问题的优点：只需考

虑运动的初状态和末状态，不必考虑两个状态间过

程的细节，这样就简化了计算。

特别提醒！

机械能守恒的条件绝不是合外力的功等于零，

更不是合外力为零；判断机械能是否守恒时主要看

是否只有重力或弹力做功。

课堂练习

1.在下列情况中，机械能守恒的是（）

A．飘落的树叶学生练习巩固本节知识

B．沿着斜面匀速下滑的物体

C．被起重机匀加速吊起的物体

D．不计空气阻力，推出的铅球在空中运动的

过程

答案：D

2.关于机械能，下列说法中正确的是（）

A．做变速运动的物体，只要有摩擦力存在，

机械能一定减少

B．如果物体所受的合外力不为零，则机械能

一定发生变化

C．作斜抛运动的物体，不计空气阻力时，机

械能是守恒的。因而物体在同一高度,具有相同的

速度

D．在水平面上做变速运动的物体，它的机械

能不一定变化

答案：D

3.关于机械能守恒定律的适用条件，下列说法

中正确的是()

A.物体所受的合外力为零时，机械能守恒

B.物体沿斜面加速下滑过程中，机械能一定不

守恒

C.系统中只有重力和弹簧弹力做功时，系统的

机械能守恒

D.在空中飞行的炮弹爆炸前后机械能守恒

答案：C

4.如图所示，某人用平行斜面向下的拉力F将

物体沿固定斜面拉下，拉力大小等于摩擦力，则下

列说法中正确的是（）

A．物体的机械能不变

B．合外力对物体做功为零

C．物体做匀速直线运动

D．物体的机械能减小

答案：A

5．在下列运动过程中，物体机械能守恒的是

（）

A．核潜艇在海中匀速下潜

B．陨石在大气层加速下落

C．神舟飞船在椭园轨道上绕地球运行

D．动车组在平直铁轨上加速出站

答案：C

拓展提高

1.直升飞机下挂一质量为10Kg的重物，以

v0=10m/s匀