3. 势能教学设计第一课时

第三节 势能教学设计

先介绍功和能的概念，可以这样引入：自然界中有各式各样的力，如电磁力、分子力、核力……它们做功的计算方式各不相同，但有一点是共同的，即做了多少功就有多少能量由一种形式转化为另一种形式. 物体的重力势能是因为物体因为被举高而能对外做功而具有的能量，重力势能与质量和高度的定量关系的推导是本节课的重点之一，需要引导学生从功能的关系上去理解.重力势能的相对性也是学习的难点之一，可以通过例题来处理.重力做功与重力势能的关系是很有用的关系，“重力做正功，重力势能减少”，“克服重力做功，重力做负功，重力势能增加”，这个结论不论是否还有其他力对物体做功，都是成立的.这一点学生往往有误解..用手托着物体，把物体匀速举高，物体除受重力外还受到手向上托的力，重力势能的变化与重力做功的关系依然成立，即重力做负功，重力势能增加.物体所受的合外力为零，按动能定理，动能保持不变.此时，人体内的化学能转化为重力势能.雨滴匀速下落时，重力做正功，重力势能减少，动能不变，重力势能转化为内能.考虑到学生在初中已经分析过一些能量转化的问题，因此，这里从能量转化的角度分析一些实例，学生不会感到陌生，而且只有从能量转化的角度来分析一些实例，才能解开学生的困惑. 教学重点

1.理解功是能量转化的量度. 2.理解重力势能的概念，会用重力势能的公式进行计算，知道重力势能的相对性. 3理解重力势能的变化与重力做功的关系，知道重力做功与路径无关. 教学难点

1.理解功是能量转化的量度. 2.会用重力势能的公式Ep=mgh进行计算，知道重力势能的相对性. 3.理解重力势能的变化与重力做功的关系，知道重力做功与路径无关. 教学方法

启发式、演绎法，主要通过多媒体演示、教师的引导、学生的自主学习和亲身的实践活动等方法进行教学. 课时安排

1课时

三维目标

知识与技能

1.知道能量的定义，知道对应于物质不同的运动形式具有不同的能量. 2.理解功是能量转化的量度. 3.理解重力势能的概念，会用重力势能的公式Ep=mgh进行计算.知道重力势能的相对性. 4.理解重力势能的变化与重力做功的关系，知道重力做功与路径无关. 5.了解弹性势能. 过程与方法

1.观察生活中各种与能量有关的现象，体验运动的物体和起伏的波浪具有能量，激发出学生将物体能量表达出来的欲望. 2.让学生推导重力做功与重力势能变化的关系，学会如何把科学规律用简洁的语言表达出来，学会科学的表达方法. 3.引导学生观察被举高的物体所具有的重力势能与形变的物体所具有的能量之间有何相同之处，体会类比法是物理学研究中常用的一种方法. 情感态度与价值观

1.借助“讨论与交流”的形式，培养学生的合作精神和积极参与的意识. 2.通过设计研究弹簧的弹性势能的实验，使学生形成理论知识源于实际的科学的价值观. 3.运用辩证唯物主义的观点和科学的态度，从功能角度探索、研究、发现自然规律，并运用它服务于全人类. 4.通过学习对实例的列举和实验的操作，把学习欣赏科学成果和自己的实践相结合,可以进一步提高学生的欣赏能力和创造美的能力. 课前准备

多媒体，重力势能演示仪、弹性势能演示仪. 教学过程

导入新课

师

上节课我们讲述功的计算，它是怎样表示的？

生

功的计算是W=Fscosα.

师

功有正负，力在什么条件下做正功，在什么条件下做负功？

生

1.当α∈［0°,90°)时，cosα>0,W=Fscosα>0,力对物体做正功. 2.当α=90°时，cosα=0,W=Fscosα=0,力对物体不做功. 3.当α∈(90°,180°］时，cosα<0,W=Fscosα<0,力对物体做负功. 师

初中我们已初步学习了功和能的有关知识，对功和能有了一定的认识，并能定性地分析某些物理现象，本节课我们将进一步研究能的基本知识、功和能的关系以及动能、重力势能、弹性势能. 推进新课

一、能的概念

师

在初中我们学习了能的概念，请回忆一下能的概念. 生

能的定义：一个物体能够对外做功我们就说这个物体具有能. 师

请举出自然界中具有能量的物体的实例. 生

如流动的河水、飞行的子弹、自由下落的重物、压缩的弹簧、燃烧的焰火、高压的气体……

师

我们知道物质有不同的运动形式，而每种运动形式对应着不同的能. 演示：弹簧吊挂物体，一端固定在铁架上，用力下拉物体，使弹簧伸长后释放，物体将向上运动，弹簧对物体做功，说明形变的弹簧有能量，此能量叫弹性势能. 演示：点燃走马灯的蜡烛后，灯的一部分旋转起来，这个现象中，具有什么能？能量如何转化？

生

首先是蜡烛的化学能经燃烧释放出来，加热空气，空气分子运动加剧，转化为空气分子的内能，热空气上升又带动走马灯旋转，空气的部分内能又转化为走马灯的机械能. 师

(过渡)自然界的能多种多样，除上述的能以外，还有电能、光能、原子能、生物能……同时它们之间也可以互相转化.

(观看录像)分析展示的各种现象中，能量存在和转化情况.如早晨太阳出来，照耀树林，太阳能经植物的光合作用转化为生物能……傍晚，电灯亮了，电能转化为热能、光能等等. 师

在能的转化过程中，与之紧密相关的物理量是什么呢？

生

是做功.如电灯亮了，电能转化为热能、光能，此时是电流做功. (指导学生总结)做功的过程是能量转化的过程.物体的能量发生变化，对外则表现为做了一定的功. 师

分析下列情景的做功情况，并分析它是什么形式的能量发生转化. (多媒体展示) 1.人拉重物在光滑水平面上由静止开始运动. 2.在水力发电厂中，水流对水轮机冲击，带动水轮机转动，从而带动发电机转动. 3.火车前进. 生

1.人拉重物在光滑水平面上由静止至运动，人对物体做功的过程中，人的生物能转化为物体的动能. 2.在水力发电厂中，水流对水轮机冲击，带动水轮机转动，从而带动发电机转动而做功，水流的机械能转化为电能. 3.火车前进而做功，是先把燃料油和煤的化学能转化为热能，经内燃机或蒸汽机又把热能转化为火车的机械能……

二、能量转化的量度

师

由此看来，能量互相转化要伴随着做功，能量转化的多少，我们可以通过计算物体做多少的功，进而确定在这个过程能量转化的多少. 例如：运动员将质量为150 kg的杠铃举高2 m，他做了3×103

J的功，则就有3×103

J的生物能转化为杠铃的重力势能

自然界中有各式各样的力，如电磁力、分子力、核力……它们做功的计算方式各不相同，但有一点是共同的，即做了多少功就有多少能量由一种形式转化为另一种形式.所以我们说功是能量转化的量度.

三、重力势能

师

在初中我们学过重力势能，请回答它的概念. 生

由物体所处位置的高度决定的能量叫重力势能. 师

重力势能与哪些因素有关？是怎样的关系？

生

重力势能与物体的质量和所处的高度有关.质量和所处的高度越大，物体对外做功的能力也越强，重力势能越大. 师

请同学们设计确定物体重力势能的公式的方法和实验过程. (学生思考、讨论并回答) 生1 我们可以通过做功来研究能量.外力对物体做功使物体高度升高而具有重力势能,所以我们就通过这个途径研究一个被举高物体的过程中，外力对物体做的功是多少，进而确定物体的重力势能. 生2 我设计一个这样的实验过程：

在竖直向上的力作用下，质量为m的物体从地面匀速上升到了h的高度. 在这个过程中力对物体做了功，使物体的高度升高，根据功能关系可知，这个力做的功，在数值上就等于物体的重力势能的增加量.具体过程为：

WF=Fscosα=mgh

这个功在数值上就等于物体末状态所具有的重力势能，我们就定义这个量为重力势能.这样我们就得到了重力势能与质量和高度的定量关系：用Ep表示重力势能，则计算重力势能的公式为：

Ep=mgh. 生3 与功一样，重力势能也为标量，单位为焦耳. 师

刚才在计算重力势能时，我们是从地面开始计算的，那么我们可不可以以其他位置为起点计算呢？请阅读课本回答. 生

物体的重力势能总是相对于某一个水平面来说的，我们把重力势能为零的水平面称为参考平面.选择不同的参考平面，物体在同一位置的重力势能就不同. 师

这里的参考平面，在不少的参考书里被称为重力零势面. 师

“蹦极”是一种很有挑战性的极限运动.如图所示，一个质量为m的人身系弹性绳从高空P处自由落下，做蹦极运动，图中a为弹性绳原长的位置，b是静止时悬挂的平衡位置，c是人所到达的最低点.

设Pa=h1,ab=h2,bc=h3，如果把人看成一个质点，若分别以P、a、b、c点所在的水平面为参考平面，求人在a点时的重力势能. (学生思考、讨论并回答) 生

以c点所在的水平面为参考平面，人在a点时的重力势能为Ep1=mg(h2+h3)；

以b点所在的水平面为参考平面，人在a点时的重力势能为Ep2=mgh2；

以a点所在的水平面为参考平面，人在a点时的重力势能为Ep3=0；

以P点所在的水平面为参考平面，人在a点时的重力势能为Ep4=-mgh1. 生

(师引导学生一起总结)通过刚才的例子，可以总结出重力势能的特点：

1.重力势能具有相对性.重力势能的大小与参考平面的选取有关，选择不同参考平面，重力势能不同.原则上参考平面的选取是任意的，一般情况下选物体所能到的最低点所在的平面为参考平面.但人们往往关心的是重力势能的变化而不是重力势能本身. 2.由于参考平面的选取，势能有正负之分.若物体在零势面的上方的h处，其重力势能为

Ep=mgh；若物体在零势面的下方h处时，其重力势能为Ep=-mgh.势能的正负表明势能的大小. 师

设想你要从某座高楼的第10层楼下到1楼，你可以乘电梯下，也可以沿着楼梯走下去，如图

师

试分析重力对你做的功是否相等？这个问题可以归结为一个新的问题：重力做功与路径是否有关？

(学生思考、讨论并回答) 生

设人的质量为m，某座高楼的第10层楼下到1楼的高度为h，根据做功的两个必要的因素——力和在力方向上的位移，可知在两个过程中，人受到的重力相同均为mg，在重力方向的位移相同均为h，所以重力对人做的功是相等的，为mgh.所以重力做功与路径无关，只与物体的始末位置有关. 师

试分析一下，人的重力势能变化了多少？

生1 以地面为参考平面，人在第10层楼的重力势能为Ep=mgh，人在第1层楼的重力势能为0，人的重力势能变化了ΔEp=0-mgh=-mgh. 生2 这里还有一个关系就是WG=-ΔEp，即物体重力势能的变化量在数值上等于重力做功的相反数. 师

(与学生一起总结)从这个讨论中，我们总结出这样的结论：

1.重力做功，物体重力势能减少，重力做多少功，物体重力势能就减少多少.物体克服重力做功，物体重力势能就增加，克服重力做多少功，物体重力势能就增加多少.物体重力势能的变化量在数值上等于重力做功的相反数. 2.重力做功于路径无关，只与物体的始末位置有关. 四、弹性势能

师

势能中还有一种形式叫做弹性势能，请同学们阅读课本，回答弹性势能的定义. 学生阅读课本回答：

生

发生形变的物体，在恢复原状时能够对外界做功，因而具有的能量，就叫做弹性势能. 师

弹性势能的大小与什么因素有关系？

学生阅读课本回答：

生

弹性势能的大小与物体的形变大小有关系，同一根弹簧的弹性势能跟弹簧的伸长或压缩的长度有关，弹簧的伸长或压缩的长度越大，恢复原状时对外做功就越多，弹簧的弹性势能越大；伸长或压缩的长度相同的不同弹簧，恢复原状时对外做功也不一定相同，弹簧的弹性势能跟弹簧本身的性质有关. 五、功和能的区别与联系

师

功和能有着密切的联系，但它们之间有什么区别呢？

1.能是表示物体运动状态的物理量，即状态量；而功则是和物体运动状态变化过程有关的物理量，是过程量,两者有着本质的区别. 2.做功可以使物体具有的能量发生变化，而且物体能量变化大小是用做功的多少来量度. 课堂训练

1.关于重力势能的说法正确的是：( )

A. 重力势能只由重力决定 B. 重力势能不能有负值 C. 重力势能的大小是相对的 D. 物体在两位置上重力势能之差是绝对的

2.关于重力做功和物体的重力势能，下列说法正确的是

A.当重力对物体做正功时，物体的重力势能一定减少；

B.物体克服重力做功时，物体的重力势能一定增加；

C.地球上的物体的重力势能都只有一个唯一确定的值；

D.重力做功的多少与参考平面的选取无关。 3. 沿高度相同，坡度不同，粗糙程度也不同的斜面上拉同一物体到顶端，以下说法正确的：

A.沿坡度小，长度大的斜面上升重力势能增加量大；

B.沿长度大，粗糙程度大的斜面上升重力势能增加量大 C.重力势能增加量一样多；

D.无法确定

4. 如图所示，桌面离地高为h，质量为m的小球从离桌面高为H处自由下落，不计空气阻力，假设桌面为零势能的参考平面，则小球在该处的重力势能为

A.mgh B.mgH C.mg（H+h） D.mg（H-h） 5. 质量为m的物体从地面上方H高处无初速度释放,落在地面后出现一个深为h的坑,如图所示,则在整个过程中

A.重力对物体做功为mgH B.重力对物体做功为mg(h+H) C.物体的重力势能减少了mg(h+H) D.物体的重力势能减少了mgH 参考答案

1.答案：CD 2.ABD 3.C 4. B 5 BC 课堂小结

1.运用功和能的观点、能量转化规律是分析解决物理问题的重要方法和途径之一，要充分理解、逐步深化. 2.功是能量转化过程中的关键物理量，在今后的学习中要深刻领会各种力做功的特点，熟练掌握各种功的计算，明确各种不同的功所涉及到的有关能量的转化. 3.能的转化和守恒定律在力、热、电、光、原子等各个领域都有广泛应用，要注意掌握和运用. 4.重力势能是由物体所处的高度决定的能量，是状态量，要知道重力势能的表达式.式中

的h为物体重心到参考平面的距离,并能进行简单计算. 能量

分类

定义

表达式

共同特点不同点

板书设计

第二节

动能

势能

一个物体能够对外做功,则这个物体就具有能

重力势能

弹性势能

物体所处位置的高度发生形变的物体，在决定的能量

恢复原状时能够对外界做功，因而具有的能量

Ep=mgh

单位相同，焦耳(J)；都是状态量；都是标量

h为物体重心到参考

平面的距离