3. 势能教学目标

重力势能

教学设计

教学目标

知识与技能

1．理解重力势能的概念，会用重力势能的定义进行计算．

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．

过程与方法

用所学功的概念推导重力做功与路径的关系，亲身感受知识的建立过程．

情感、态度与价值观

渗透从对生活中有关物理现象的观察，得到物理结论的方法，激发和培养学生探索自然规律的兴趣．

教学重点：重力势能的概念及重力做功跟物体重力势能改变的关系．

教学难点：重力势能的系统性和相对性．

教学方法：探究、讲授、讨论、练习

教具准备：投影片．

教学活动

[新课导入] 师：放一段泥石流和雪崩的视频

生：高处的物体具有重力势能，当物体从高处下落时重力势能转化为动能，物体获得较大的速度，造成重大灾难

[新课教学] (多媒体投影演示．引发学生有意注意，引导学生进入状态) 陨石坑，空间站坠落，打桩机的重锤从高处落下，把水泥桩打进地里；水力发电站等等

师：从刚才的画面中，同学们想到了什么，从做功和能量转化的角度分析问题．

生：重锤把水泥桩打进地里；水自高处下落等等；．据功和能的关系，既然重力做了功，表明这些物体在没有下落之前具有能．因为一个物体能够对外做功，所以这个物体具有能量．

师：这个能量与什么因素有关? 生：与物体所处的高度有关．

师：由于物体被举高而使物体具有的能量是什么能? 生：在初中我们已经学过：物体由于被举高而具有的能量叫重力势能．

师：那么重力势能的大小与什么有关，又如何定量表示呢?本节课我们就来学习这个问题．

一、探究影响重力势能大小的因素

师：重力做功与什么因素有关呢?我们现在就通过几个例子来探究一下．

多媒体投影：

探究：物体的重力势能与质量和高度有怎样的定量关系呢? (定量分析) 师：大家看看刚才举得例子中物体由高处向低处运动过程中有哪些力做功？

生：都有重力在做功。

探究思路: 从重力做功探究重力势能的概念

师：求出三种情况下重力做的功。

师：比较容易做的是哪一个问题? 生：第一个和第二个问题．

师：为什么这两个问题容易研究呢? 生：因为这两个问题中物体运动的路径是直线，所以在研究重力做功问题上比较容易研究．

师：那么这两个问题的答案是什么呢? 生l：第一个问题中WG＝mg△h=mghl一mgh2．

生2：第二个问题中WG=mgcosa=mg△h＝mgh1一mgh2；，和第一个问题中所求出的答案相同．

师：我们大胆猜想一下，第三个图中重力做的功和前两个是否相等呢? 生：可能是相等的．

师：我们来验证一下我们的猜想，第三个图的困难在哪里? 生：力做功的路径是曲线．

师：我们怎样突破这个难点呢? 生1(很为难)：这是力在曲线上做功的情况，不容易研究．

生2：我记得在第二节学习力对物体做功的问题时曾经接触过有关变力做功的问题．

师(鼓励)：说说看，解决的途径是什么? 生2：曲线问题不容易解决，我们可以把这一条曲线看作由很多小的直线组成，这样把每小段直线上重力做的功合起来就是整个过程中重力做的总功．

师(表扬)：这个同学分析得非常好，根据这个同学的分析方法，第三个问题的答案应该是什么呢? 生：在第三种情况下重力做的功和前两种情况中重力做的功相同．

师：我们可以得到什么样的结论? 生：重力做功与路径无关．

师：既然重力做功与路径无关，那么它与什么因素有关呢? 生：与物体的初末位置有关．

师：具体的表达式是什么? 生：WG=mgh1一mgh2，其中hl和h2表示物体所处位置的高度．

师：很好，可见物体的重力mg与它所在位置的高度h的乘积“mgh”是一个具有特殊意义的物理量. 生：我们把物理量mgh叫做物体的重力势能．

师：为什么可以这样来进行定义? 生：这是因为mgh这个物理量的特殊意义在于它一方面与重力做功密切相关，另一方面它随高度的变化而变化．

二、重力势能

师：重力势能的表达式是什么?用文字怎样叙述? 生：Ep=mgh，物体的重力势能等于它所受到的重力与所处高度的乘积．

师：重力势能是矢量还是标量? 生：与所有的能量一样，重力势能也是标量．

师：重力势能的单位是什么?符号是什么? 生：重力势能和其他能量一样，它们的单位和功的单位相同，都是焦耳，符号是J．

师：重力势能与什么因素有关?你能否列举生活中的实例加以说明? 生：根据重力势能的表达式，重力势能与物体所受到的重力和物体的相对高度有关．例如塔吊上吊着的重物比较可怕，但是当这个重物被放下之后就不再可怕了，因为物体被放下之后重力势能减少了；再例如树梢上的树叶，虽然所处位置比较高，但是由于它受到的重力比较小，所以它虽然比塔吊上的物体可能还高，但是我们并不感觉害怕它．

三、重力做功与重力势能变化的关系

师：刚才这位同学分析得非常好．根据重力势能的定义式，它和重力做功的表达式非常相似，么它们之

间的关系是什么呢? 生：当物体由高处向低处运动时，重力做正功，物体重力势能减少，也就是WG>0，Ep1>Ep2；当物体从低处运送到高处时，重力做负功(或者说物体克服重力做功)，重力势能增加，也就是WG<0，Epl

师：它们的数值具体用一个公式应该如何表示? 生1：它们之间的关系应该是WG＝△Ep 生2：当物体受到的重力做正功时，物体重力势能减少；当物体克服重力做功时，物体重力势能增加，所以说重力势能的变化量和重力做功之间的关系应该是互为相反数，

用公式表示应该为：WG＝Epl —

Ep2=-△Ep．

三、重力势能的相对性和系统性

(举例说明高度具有相对性，可以用身边的物体做实验，也可以投影演示)

师：我把课本放在桌面上，课本的高度是多少呢?

生1：大约是课桌的高度，约为1 m左右．

生2：不对，它比一楼地面高出4m左右(假设学生在二楼)．

师：这两位同学哪位同学错了呢?

生：两个同学都没错，只是选取的参考平面不同．

师：我们可以得到一个什么结论?

生：物体所处相同位置时它的高度值可能不一样，是因为高度的参考平面不同．

师：那么重力势能有没有相对性呢?

生：由于高度有相对性，所以重力势能也应该有相对性．

师：我们在研究一个物体重力势能时应该怎么办?

生：应该也选择一个参考平面，在这个平面上物体的重力势能值为零．

师(总结)：重力势能总是相对于某个水平面来说的，这个水平面叫参考平面．参考平面选取不同，重力势能的数值就不同．可见，重力势能具有相对性．选择哪个水平面作为参考平面，可视研究问题的方便而定，通常选择地面作为参考平面．选择不同的参考平面，物体的重力势能的数值是不同的，但并不影响研究有关重力势能的问题，因为在有关的问题中，有确定意义的是重力势能的差值，这个差值并不因选择不同的参考平面而有所不同．

师：那么重力势能是谁具有的呢?

生(齐声回答)：当然是物体具有的．

师：如果没有地球，有没有重力呢? …

生(开始疑惑)：当然没有。

师：那么重力势能是谁具有的呢?

生：重力势能应该是物体与地球组成的系统共同具有的，而不是地球上某一个物体单独具有的，

师：不只是重力势能，任何形式的势能，都是相应的物体系统由于其中各物体之间，或物体内的各部分之间存在相互作用而具有的能，是由各物体的相对位置决定的．

[课堂训练]见投影片

如图，质量0.5kg的小球，从桌面以上h1=1.2m的A点落到地面的B点，桌面高h2=0.8m．请按要求填写下表．(g=10m/s2)

板书设计

重力势能

一、重力的功：

物体运动时，重力对它的功只跟它的起点和终点的位置有关，而跟物体运动的路径无关．

二、重力势能：

物体的重力势能等于它所受的重力和所处高度的乘积．

Ep=mgh

三、重力势能的相对性

1．重力势能与参考平面的选取有关．但重力势能的变化量与参考平面的选取无关．

2．势能是系统所共有的．

教学反思

这节课内容不多但是非常重要，关键是如何研究势能，以后有关势能的学习，都可以从这节课的学习方法中得到借鉴．例如分子势能，弹性势能，特别是电势能的研究，更有很多类似的地方，所以这节课一定要加以重视．对于势能的学习，应该紧紧抓住力做功和对应势能的变化展开．在这一节中，围绕重力做功和重力势能的变化展开，知道重力势能是物体和地球组成的系统共同具有的，这一点学生往往容易忽略．知道重力势能具有相对性，但重力势能的变化量是不变的．所有这些知识，学生可能一时掌握不了，在今后的学习中还要注意逐步渗透．

地面

桌面

参考

平面

小球在A点小球在B点下落过程小球下落过程小球重力势能

重力势能

重力做功

重力势能变化