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| 《追寻守恒量》创新教学设计
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作者： 山东省高青一中 /贾玉兵
发表时间： 2006-3-8 文章出处： 全国中小学教师继续教育网
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[（新课程标准试验教科书.物理2.人教版）第五章机械能及其守恒定律]
【从容说课】
《追寻守恒量》是本章的第一节，教材如此安排，主要是使学生了解守恒思想的重要性。在物理学的发展过程中，能量的概念几乎是与人类对能量守恒的认识同步发展起来的。能量的概念之所以重要，就是因为它是个守恒星。守恒关系是自然界中十分重要的一类关系。能量概念的形成和发展，始终是和能量守恒定律的建立过程紧密相连的。能量守恒定律的发现告诉我们，尽管物质世界千变万化，但这种变化不是没有规律的，基本的规律就是守恒定律。也就是说：一切运动变化无论属于什么运动形式，反映什么样的物质特性，都要满足一定的“守恒定律”。这一节是从一个较高的角度，给学生一种观点，并希望学生在今后的学习中从这一高度去认识问题。
机械能守恒定律是在人们认识到动能和势能的具体形式，以及探索了它们之间能以一定的数量关系相互转化之后建方起来的。
“追寻守恒量”一节，主要是使学生了解守恒思想的重要性。在物理学的发展过程中，能量的概念几乎是与人类对能量守恒的认识同步发展起来的。能量的概念之所以重要，就是因为它是个守恒星。守恒关系是自然界中十分重要的一类关系。“机械能守恒”这个词学生并不陌生，但是让学生说出自己对它的认识又不是一件容易的事。在教学中可以让学生先自己阅读教材，提出一些问题，例如：什么叫守恒？教材中说：在牛顿之前，伽利略的斜面理想实验已经显现了能量及其守恒的思想。这个实验中什么是不变的？使学上观察，当小球沿 A 斜面从 h 高处由静止滚下时，小球的高度不断减少，而速度不断增大。这说明小球凭借其位置而具有的能量不断减少，而由于运动而具有的能量不断增大。当小球从斜面底沿另一个斜面 B 向上滚时，小球的位置不断升高，而速度不断减小，说明小球凭借位置而具有的能量不断增加，由于运动而具有的能量逐渐减少。如果斜面是光滑的，当小球到达 B斜面的h高度时，速度为零，小球好像“记得”自己起始的高度。
教师除了演示斜面的实验以外，还可以演示滚摆实验和单摆实验，同时说明：在运动过程中物体的动能和势能是可以相互转化的，如果没有摩擦和介质阻力，物体好像“记得”自己初始的高度，即某一量是守恒的。
根据这一示例，请学生自己再举出生活中的事例，例如，游乐园中的海盗船，如果没有摩擦和空气阻力，船在摇摆时都能达到一定的高度。这说明，将实际生活中的问题理想化后，确实存在着某一物理量是不变的。
【三维目标】
〖知识与技能〗
1．理解能量这个物理量。知道 动能 和势能的物理意义。
2．学生能独立分析伽利略理想斜面实验的能量转换关系。
3．知道能量这个物理量是如何 产生 的。
4．举例说明不同形式的能量之间是可以相互转化的。
〖过程与方法〗
1．体会伽利略理想斜面实验的过程和方法；
2．会分析动能与势能间的相互转化。
〖情感、态度与价值观〗
1．通过“追寻守恒量”，使学生了解守恒思想的重要性，初步树立能量转化与守恒的观点。
2．通过动能、势能间的相互转化来研究生活中的物体的运动，培养热爱生活的情趣。
【教学重点】
理解动能、势能的含义，体会能量守恒的思想。
【教学难点】
在动能和势能转化的过程中体会能量守恒。
【教具准备】
录像片、多媒体课件
【课时安排】
1课时
【教学过程】
[导入新课]
教师利用课本文字，激发学生的学习兴趣：
师：诺贝尔物理奖获得者费恩曾说：“有一个事实，如果你愿意，也可以说是一条规律，支配着至今所知的一切自然现象 ……这条定律称做能量守恒定律，它指出有某一个量，我们把它称为能量，在自然界经历的多种多样的变化中它不变化。那是一个最抽象的概念……”
然而正是这个最抽象的概念，却是物理学中最重要，意义也最深远的概念之一。
（这里要介绍费恩曼的生平和物理事业的发展贡献。）
教师指导学生列举生活中能量转化的例子，让学生初步体会“能量”在人类生活中的重要性。
学生积极思考，列举实例。学生代表发言，其他同学补充。
生 1：发电机把机械能转化为电能→用电器把电能转为热、光等其他能；
生 2：电动机把电能转化为机械能、热能等；
……
教师总结点评学生的发言情况，引出课题。
[推进新课]
一．伽利略的理想斜面实验：
＜讨论与交流＞
【课件展示】让学生观察下边的动画（如图 5-1-1）。
小球从一个光滑斜面由静止滑下，并滑上另一个光滑斜面。
师：请大家思考描述第一个问题。
展示问题（投影）：
1．关于物体运动状态方面的描述：
（ 1）小球从一个斜面的顶端由静止滑下，并运动到另一个斜面的顶端，经历了哪几个特殊的状态？
（ 2）这些状态各有什么特点？
学生思考老师的问题，讨论后回答。
生：（ 1）小球从一个斜面的顶端由静止滑下，并运动到另一个斜面的顶端，然后从这个斜面的顶端再由静止滑下，并运动到另一个斜面的顶端。经历了四个特殊的状态。
（ 2）在左右两个最高点，速度均为零，在最低点速度最大。
说明：诱导的目的是让学生把四个特殊的位置的速度情况、加速度大小和受力情况分析清楚，教师只做一般诱导，让学生自由发挥，充分展示学生思维。
师：请大家思考描述第二个问题。
展示问题（投影）：
2．关于物体运动过程方面的描述：
（ 1）小球从一个斜面的顶端由静止滑下，并运动到另一个斜面的顶端，经历了哪几个特殊的过程？
（ 2）这些过程各有什么特点？
学生思考老师的问题，讨论后回答。
生：（ 1）小球从一个斜面的顶端由静止滑下，并运动到另一个斜面的顶端，经历了先加速再减速这样两个特殊的过程。
（ 2）在加速运动的过程中，小球速度增大，位置高度减小；在减速运动的过程中，小球速度减小，但位置高度增大。在不断地往返运动过程中，要经历加速、减速、反向加速、减速……的运动过程；
说明：诱导的目的是让学生把三个运动过程的速度情况分析清楚，并能体会安什么样的标准划分物理过程（建立学生学习物理的时空观）。教师只做一般诱导，让学生自由发挥，充分展示学生思维。
师：请大家思考描述第三个问题。
展示问题（投影）：
3．试分析和描述全部的物理过程。
学生思考老师的问题，讨论后回答。
生：在上述分析的基础上，学生得出：当释放小球时，由于受合外力不为零，小球开始沿光滑斜面由静止开始做匀加速运动，当到达最底端时，小球速度达到最大，然后，在水平段上，由于小球受合外力为零，做匀速直线运动，直到水平段的末端。在另一个斜面上，小球受合外力不为零，并且与速度方面相反，小球做匀减速运动，直到速度为零。
说明：诱导的目的是让学生把全物理过程能够有条理的分析说明，教师只做一般诱导，让学生自由发挥，充分展示学生思维。并为以后的动能定理、机械能守恒、动量定理、动量守恒及复杂运动的学习打下基础。
师：请大家思考描述第四个问题。
展示问题（投影）：
4．观察并比较小球在两个斜面的高度，思考这两个高度相同的原因是什么？设两个光滑斜面的倾角分别为 θ 1 和 θ 2 ，从第一个斜面上高h处由静止释放，试通过定量计算分析说明小球到达另一个斜面的高度和第一个斜面的高度是相同的。
学生思考老师的问题，讨论后回答。
生：小球做匀加速运动的加速度
a 1 =g sin θ 1 ①
在第一个斜面上匀加速运动的距离
s=  ②
其中 v 为到达斜面底端时的速度。
小球在另一个斜面上匀减速运动的加速度
a 2 =-g sin θ 2 ③
设小球到达另一个斜面的高度为  ，则小球在另一个斜面上匀减速运动的距离
s=  ④
由以上四式解得，小球到达另一个斜面的高度
 = h ⑤
师：可见，如果斜面是光滑的，当小球到达另一斜面的相同高度时，速度为零，小球好像 “记得”自己起始的高度。然后重复前面的运动。
＜师生互动＞
通过上面的观察、分析、推理，从感性认识上升到理性认识，实现认识上的飞跃。
展示第五个问题（投影）：
5．结合上面的思考和运算，我们可以按照三个渐进过程将物理全过程进行抽象化：
①小球由加速过程过渡到减速过程，恢复到原来的高度。
②加速过程和减速过程中与高度有关的一个物理量在变化的同时，一个与速度有关的物理也在变化。
③与高度有关的物理的变化引起了另一个与速度有关的物理量的变化。
结论：伽利略斜面实验表明，小球在运动过程中，“有某一量是守恒的”，这个量叫做能量。
相互作用的物体凭借其位置而具有的能，叫做势能。
物体由于运动而具有的能，叫做动能。
说明：到此引出动能和势能这两个物理概念，水到渠成。全过程让学生自由发挥，教师控制，并加以诱导。
师：请大家思考描述第六个问题。
展示问题（投影）：
6．运用势能和动能这两个物理概念简化伽利略理想斜面实验的描述：
【课件展示】“势能和动能的相互转化”，通过动画展示（如图 5-1-2甲、乙、丙所示）
学生认真观察课件演示过程，建立势能和动能的概念，并感受“势能和动能”是可以转化的，但总和是不变的。
 生：当小球继续沿另一斜面升高时，它会变慢，因而不断失去动能，但它的高度在增加，势能不断被 “回收”，当小球到达最高点时，其全部动能转化为势能，小球相对桌面的高度又达到它在实验起始时的高度。
说明：课本本段文字的描述有误，到达最高点时，不能把小球说成是静止下来。教师也可以引导学生进行辨别。
［小结］
师：下面同学们概括总结本节所学的内容。请一个同学到黑板上总结，其他同学在笔记本上总结，然后请同学评价黑板上的小结内容。
（学生认真总结概括本节内容，并把自己这节课的体会写下来、比较黑板上的小结和自己的小结，看谁的更好，好在什么地方。）
生：本节课我们通过伽利略理想斜面实验，分析得出了能量以及动能和势能的概念，从能量的相互转化角度认识到，在动能和势能的相互转化过程中，能的总量保持不变，即能量是守恒的。通过这节课的学习，使我们建立起了守恒的思想。
点评：总结课堂内容，培养学生概括总结能力。
教师要放开，让学生自己总结所学内容，允许内容的顺序不同，从而构建他们自己的知识框架。
［布置作业］
课后讨论 P3“问题与练习”中的问题。
［课外训练］
以竖直上抛的小球为例说明小球的势能和动能的转化情况。在这个例子中是否存在着能的总量保持不变？
解析：竖直上抛运动的小球，首先由动能转化为势能，达到最高点时，动能为零，势能达到最大，在下落时，势能逐渐减小，动能逐渐增大，势能又转化为动能。在小球运动过程中，小球的机械能总量保持不变。
【板书设计】
“追寻守恒量”的意义
【活动与探究】
探究活动的主题：自己设计一个实验方案，探究动能与势能的相互转化过程中总能量保持不变。
参考方案：用伸缩不计的细线拴住一个小钢球，悬挂在铁架台上，让小球在竖直平面内自由摆动。用尺子记录左右摆动的高度，可以发现两侧上升的高度相同。这个实验证明，动能与势能的相互转化过程中总能量保持不变。
【习题详解】
举出生活中的一个例子，说明不同形式的机械能之间可以相互转化。你的例子是否向我们提示，转化过程中能的总量保持不变？
答：做自由落体运动的物体在下落过程中，势能不断减少，动能不断增加，在转化的过程中，动能和势能的总和不变。
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