四、动能和势能特级教师教学实录

第3节

动能和势能

知识与技能

1．能通过实例从做功的角度描述能量，能说出能量与做功的关系，记住能的单位。

2．能利用实例或实验初步认识动能、势能的概念，并能运用其解释相关的现象。

3．能通过实验探究，了解动能、势能的大小跟哪些因素有关。

过程与方法

1．通过观察认识动能势能的存在，通过归纳概括得到动能势能的概念。

2．在了解动能、势能的大小跟哪些因素有关的活动中，学会用科学探究的方法研究物理问题。

3．通过合作学习与探究学习，培养学生合作技能与探究技能。

情感、态度与价值观

1．具有从能量的角度分析物理问题的意识。通过教师的引导、组织和学生的探究活动，激发学生的学习兴趣和对科学的求知欲望，使学生乐于探索生活中的物理学道理。

2．通过探究实验和合作学习，培养学生严谨的科学态度、敢于探索创新的科学精神及交流合作的团队意识。

3．通过科学探究，使学生经历基本的科学探究过程，学习科学探究方法，发展初步的科学探究能力，形成尊重事实、探索真理的科学态度。

重点

通过实例理解动能、势能的初步概念，探究影响动能和重力势能的因素。

难点

组织、指导学生在探究过程中，仔细观察、认真分析，得出影响动能和重力势能大小的因素。

木块、弹簧(软、硬)、橡皮筋、斜槽、不同质量的钢球、完全一样的小木桩、透明玻璃容器(水槽)装上沙子、多媒体课件。

一、创设情境，导入新知

当一个力作用在物体上，物体在这个力的作用下，沿力的方向上通过了一段距离，这个力的作用有了成效，就说这个力做了功。

演示：用手推动木块，使木块运动一段距离。在此过程中，手的推力是否做了功？

学生思考并回答，木块在推力的方向上通过了距离，推力做了功。

出示斜槽，并演示钢球从斜槽上滚下，在水平桌面上撞击木块，使木块移动了一段距离。让学生分析碰撞过程中，做没做功？

学生思考并回答，滚下的钢球撞击木块，对木块有力，并使木块移动了一段距离，钢球对木块做了功。

利用学生分析的结果“钢球对木块做了功”引入能量的概念：一个物体能够做功，我们就说它具有能量。可见物理学中，能量和功有着密切的联系，能量反映了物体做功的本领。

不同的物体做功的本领也不同。一个物体能够做的功越多，表示这个物体的能量越大。物体具有能量的形式是多种多样的，这节课我们来学习动能和势能。

二、自主合作，感受新知

回顾以前学的知识、阅读课文并结合生活实际，完成《探究在线·高效课堂》预习部分部分。

三、师生互动，理解新知

(一)动能

1．动能的概念

刚才的实验中钢球撞击木块能够做功，若将钢球静止停靠在木块一侧，钢球还能够对木块能够做功吗？(边讲边演示)。

学生观察并分析回答，静止的钢球不能使木块移动，所以不能够对木块做功。让学生认识到只有运动的钢球才能推动木块做功。

总结出动能概念：物体由于运动而能够做功，它们具有的能量叫做动能。

引导学生广泛地列举事例，说明运动的空气、水和各种物体都能够做功，而具有动能。概括出“一切运动的物体都具有动能”。

2．探究物体动能大小跟哪些因素有关

狂风能撼动大树，而微风只能摇动树叶，说明动能有大有小，你能猜想一下动能的大小可能与什么因素有关？

学生积极思考，并回答问题。启发同学得出，动能的大小可能与物体的质量、运动的速度有关。

现在我们要利用桌上的斜面、小球、木块来探究动能的大小与物体的质量、运动的速度有怎样的关系。实验前，我们先思考几个问题：

(1)实验时如何比较动能的大小？

使小球从斜面滑下，撞击平面上的物块，被撞物块的运动距离越长，运动小球所具有的动能就越大。

(2)动能的大小可能与两个或两个以上的因素有关，在实验中应如何具体操作？

采用控制变量法。

(3)研究动能与质量关系时，应该改变哪一个物理量？应该让哪一个物理量不改变？如何控制质量不同的小球撞击物体时的速度相同？

应该使质量不同，让速度相同。使小球分别从斜面的同一高度由静止滚下，就能使小球撞击物体时的速度相同。

(4)研究动能与速度关系时，应该改变哪一个物理量？应该让哪一个物理量不改变？如何控制质量相同的小球撞击物体的速度不同？

应该使质量相同，让速度不同。取同一个小球从斜面的不同高度滚下。就能使小球撞击物体时的速度不同。

(5)设计出实验步骤，并进行实验。

①将同一个钢球，从斜面不同高度滚下，让学生观察钢球将木块推动的距离。木块被推动的距离不同，说明钢球对木块做的功不同。木块被推动得越远，表明钢球的动能越大。

实验说明：从不同高度滚下的钢球，具有不同的动能。

②上面的实验表明钢球从较高处滚下时具有的动能大。那么钢球从不同的高度滚下时有

什么不同呢？我们可通过观察实验来得到结论。将质量相同的两个钢球，同时从斜槽的最高点和接近斜槽底部的位置释放。从最高点滚下的钢球能在水平槽上追上从接近底部滚下的钢球。

实验表明从高处滚下的钢球速度大。从而得到结论：物体的动能与速度有关，速度越大，物体的动能越大。

③换用不同质量的钢球，从同一高度让其滚下，让学生观察钢球推动木块的距离。

从而得出结论：运动物体的质量越大，动能就越大。

1 2 3 质量

(m1

度(h1

h2

h2

运动速度

小

较大

很大

木块运

动距离

近

较远

很远

让学生分组实验后得出结论：质量相同时，速度越大的物体具有的动能越大；速度相同时，质量越大的物体具有的动能越大；物体的动能与物体的速度和质量有关，速度越大，质量越大，物体具有的动能就越大。

学生阅读课本P68“想想议议”，请用物理学的术语解释：

(1)为什么要对机动车的行驶速度进行限制？

(2)为什么在同样的道路上不同车型限速不同？

学生思考交流回答：动能大小的决定因素是物体的质量和运动的速度。质量越大，速度越大，物体的动能就越大。物体的速度越大，动能越大，越不容易刹住车，所以要对车辆的速度加以限制，以免发生交通事故。质量越大，动能也越大，所以大型客车的限制速度比小型客车小。

学生阅读课本P69“小资料”，了解一些物体的动能。

典例解读

【例1】下列选项中，具有动能的是(

) A．滚动的足球

B．山上的石头

C．树上的小鸟

D．楼上听课的同学

【解析】滚动的足球，处于运动状态，具有动能，故A正确；山上的石头，静止在地面上，故没有动能，故B错误；树上的小鸟，处于静止状态，故不具有动能，故C错误；楼上听课的同学，由于处于静止状态，不具有动能，故D错误。

【答案】A 【例2】小明用图所示装置“探究物体的动能大小与速度的关系”，下列说法正确的是(

)

A．水平表面必须光滑

B．用木块移动的距离表示小球动能大小

C．由实验可得到结论：物体的释放的高度越高，动能越大

D．让质量不同的小球从同一斜面同一高度由静止释放

【解析】(1)在该实验中我们用到了转换的方法，即将小车动能的大小转化为其对木块做功的多少来比较，即小车推动木块越远，其对木块所做的功就越多，即具有的动能就越大；反之就越少；实验中若水平表面光滑，则无法观察木块移动距离的远近；故A错误，B正确。

(2)由实验可得到结论：物体质量一定，速度越大，动能越大，故C错误。

(3)动能的大小与物体的质量和速度有关，要探究动能大小与速度的关系，必须控制物体的质量相同，也就是保持小车的质量不变；而让不同的小车从同一斜面同一高度静止释放，是控制小车的速度不变；故D错误。

【答案】B 【例3】超高压水切割又称“水刀”，它是将普通水经过多级增压后，通过一个极细的喷嘴喷出一道高速“水箭”，以切割大理石、钢板等坚硬物体。“水刀”有纯水切割和加磨料切割(磨料为密度大于水的石英砂、金刚砂)两种。高速水流能切割坚硬物体是因为高速水流具有较大的________(填一种能量名称)，加入磨料后切割能力大大提高了，这是因为________。

【解析】切割大理石、钢板时要对它们做功，高速“水箭”之所以有这么强的做功本领，是因为它有较大的动能。加入磨料后，速度相同，但质量更大，“水刀”具有的动能更大，所以切割本领更强。

【答案】动能

速度相同时，质量越大，动能越大

(二)势能

1．重力势能

(1)重力势能的概念

多媒体投影图片，水库大坝水电站、被举高的重锤、雪崩……

学生思考提出的问题：

①水力发电站是用水来发电的，为什么要修那么高的大坝？

②打桩机高高举起的重锤为什么能把桩打入地里？被举高的重锤是否具有能量呢？

③大雪以排山倒海之势，摧毁一切，给人类和自然带来巨大的灾难。为什么看起来非常漂亮的雪花会有如此大的破坏力呢？

学生讨论后教师归纳：这是因为物体一旦处在一定高度时，就具有了一定的能量。而当它从所处的高处落下时，这些能量就会以做功的方式释放出来。

结论：重力势能的定义：高处的物体具有的能叫重力势能。

(2)实验探究：决定重力势能的大小的因素

提出问题：重力势能的大小与哪些因素有关？

猜想与假设：能是表示物体具有做功的本领的物理量，被举高物体的质量越大，能够做的功就越多；同一物体位置越高，能够做的功也越多。所以重力势能可能与物体的质量和物体的高度有关。

设计并进行实验：①把两个质量不同的钢球在同一高度释放，观察哪个钢球砸在木桩上，使木桩陷入深度大？

②把同一个钢球在不同的高度释放，观察哪个钢球砸在木桩上，使木桩陷入深度大？

探究分析：重物的质量相等时，高度大的把木桩砸入的深度大，说明质量相等时，高度大的重物的重力势能大。

重物的高度相等时，质量大的把木桩砸入的深度大，说明高度相等时，质量大的重物的重力势能大。

探究归纳：决定重力势能大小的因素是物体的质量和高度，在高度一定的情况下，物体的质量越大，它具有的重力势能越大；在物体的质量一定的情况下，高度越大，它具有的重力势能越大。

2．弹性势能

多媒体投影图片，张弓射箭、撑杆跳高、各类弹簧的图片。

学生观察思考：压缩的弹簧可以把小球弹出很远、拉开的弓可以把箭射出、撑杆跳高运动员可以借助手中的弯曲的竿跳得很高……这些现象说明什么？存在哪些共同的地方？

实验演示：

将一木块靠在弹簧上，压缩后松手，弹簧将木块弹出。

分别用一个硬弹簧和一个软弹簧做上述实验，分别把它们压缩后松手，学生认真观察实验现象并叙述。

现象一：同一根弹簧，压缩程度越大时，弹簧把木块推得越远。

现象二：两根等长的软、硬弹簧，压缩相同程度时，硬弹簧把木块弹出得远。

师生共同分析，得出结论：上述实验中，弹簧被压缩时，要发生形变，在恢复原状时能够对木块做功，因而具有能量，这种能量叫做弹性势能。

结论：

(1)弹性势能的定义：物体由于发生弹性形变而具有的能叫弹性势能。

(2)弹性势能的特点：同一物体形变越大，弹性势能越大。

重力势能和弹性势能是常见的两种势能。

典例解读

【例4】下列关于势能的说法正确的是(

) A．把压缩的弹簧放松，它的长度增加，势能也增加

B．同一根橡皮筋拉得越长，它的势能也越大

C．树上的两个苹果，位置高的一定比位置低的势能大

D．正在下落的两个铅球，5千克的铅球一定比4千克的铅球势能大

【解析】把压缩的弹簧放松，它的长度增加，在恢复至原长的过程中，弹性形变减小，

弹簧的弹性势能会减小，故A错误；橡皮筋被拉得越长，弹性形变程度变大，橡皮筋具有的弹性势能增大，故B正确；树上的两个苹果，由于不知道其质量的大小关系，所以不能只依靠高度来判断重力势能的大小，故C错误；正在下落的两个铅球，由于不知道其高度的关系，所以不能判断重力势能的大小，故D错误。

【答案】B 【例5】两个完全相同的篮球，表面涂黑，从不同的高度自由下落至同一地面，在地面上留下如图所示的黑色圆斑，关于初始时篮球的重力势能，下列说法正确的是(

)

A．落在a处的初始重力势能大

B．落在b处的初始重力势能大

C．两个一样大

D．无法比较大小

【解析】从高处下落的篮球具有重力势能，高度越高，重力势能越大；当篮球与地面接触时，篮球发生弹性形变，具有弹性势能，这样篮球的重力势能转化为篮球的弹性势能；高度越高，篮球落地时的形变量越大，即痕迹面积越大；由图可知，b图的篮球痕迹较大，所以，落在b处的篮球初始重力势能较大，B符合题意，A、C、D不符合题意。

【答案】B 【例6】在探究弹簧长度与力的关系时，选取甲、乙、丙完全相同的三根弹簧，将甲、乙弹簧左端固定在墙上，用大小为F的力拉甲的右端，用大小为F的力压乙的右端，在丙弹簧左右两端施加大小为F的拉力，三根弹簧都水平静止，如图所示，下列分析正确的是(

)

A．三根弹簧具有不同的弹性势能

B．丙的长度比甲大

C．丙的弹性势能比甲大

D．丙和乙具有相同的形变量

【解析】弹簧受到的拉力与其伸长量(弹簧实际长度与原长之间的差值)成正比；而图甲和丙都是使弹簧伸长的，图乙是压缩弹簧的，图甲和图丙上的作用力相同，故伸长的长度相同；图乙和图甲、丙上的作用力相同，故压缩的长度和伸缩的长度都是相同的，它们具有的弹性势能是相同的；故D说法正确。

【答案】D 四、尝试练习，掌握新知

《探究在线·高效课堂》相关作业。

五、课堂小结，梳理新知

本节课我们能通过实例从做功的角度描述能量，能说出能量与做功的关系，记住能的单位；能利用实例或实验初步认识动能、势能的概念，并能运用其解释相关的现象；能通过实验探究，了解动能、势能的大小跟哪些因素有关。

六、深化练习，巩固新知

《探究在线·高效课堂》相关作业。

P70“动手动脑学物理”第1、2、3、4、5题。