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1、专题讲座高中物理“机械能和能源”教学研究 韩东（ 北京市师达中学，特级教师） 一、该主题的学科知识的深层次理解 ( 一 ) 【 课程标准对本主题相关内容的要求 】 1. 举例说明功是能量转化的量度，理解功和功率。关心生活和生产中常见机械功率的大小及其意义。 2. 通过实验探究恒力做功与物体动能变化的关系。理解动能和动能定理。用动能定理解释生活和生产中的现象。 3. 理解重力势能。知道重力势能的变化与重力做功的关系。 4. 通过实验，验证机械能守恒定律。理解机械能守恒定律。用机械能守恒定律分析生活和生产中的有关问题。 5. 了解自然界存在多种形式的能量。知道能量守恒是最基本、最普遍的自然规律之一
2、。 6. 通过能量守恒以及能量转化和转移的方向性，认识提高效率的重要性。了解能源与人类生存和社会发展的关系，知道可持续发展的重要意义。 （二）【本主题的知识结构】 重点知识的理解、认识与掌握。 1. 做功的过程就是能量的转化过程 ，做了多少功，就有多少能量发生了转化或转移。功是能量转化的量度，功能关系主要形式有下列几种： （ 1 ）合外力做的功等于物体动能的增量， 即 W 合 = E k 动能定理 （ 2 ）重力做多少正（负）功，重力势能减少（增加）多少；即 W G = - E p 。 （ 3 ）弹簧弹力做的功等于弹性势能增量的负值。即 W 弹 = - E 弹 （ 4 ）除系统内的重力和弹簧的
3、弹力外，其它力做的总功等于系统机械能的增量。即 W 它 = E 机 。 （ 5 ） . 一对滑动摩擦力对系统做功等于系统内能增加（摩擦生热），除重力和弹力外只有滑动摩擦力做功，一对滑动摩擦力对系统做功又等于系统机械能的减少，即： Q = fS 相对 2. 关于变力做功的几种方法 (1) 应用动能定理计算变力做功 最主要方法 (2) 化变力为恒力求变力做功 - 等效代换 （如平均力做功） (3) 化曲线运动为直线运动求变力做功 - 实质是微分求和（如沿曲面下滑看做多个小斜面） (4) 使用在位移上力的平均值来计算变力做功 (5) 利 用 W = Pt 来计算变力做功 （如发动机以恒定功率工作）
4、(6) 利用图像来计算 变力做功 （如弹力做的功） 3. 对几种力做功的讨论 (1) 重力对物体做功的特点：只跟物体的初末位置有关，与物体的运动路径无关（保守力做功的特点） （ 2 ）滑动摩擦力对物体做功的特点跟物体运动的路程有关，跟物体的位移无关。（耗散力做功的特点） (3) 关于摩擦力做功正负的认识：不论是滑动摩擦力还是静摩擦力，它们既可以做正功，也可以做负功。做正功典型事例 - 传送带传送物体 （ 4 ）一对相互作用的滑动摩擦力对物体系做的总功一定不为零（净功为负值，机械能减少使内能增加 - 摩擦生热）； 一对相互作用的静摩擦力对物体系做的总功一定为零（净功为零 - 两个物体相对静止，位
5、移相同）； (5) 对一对相作用力做功关系的讨论 一对相作用力的大小相等方向相反，学生很容易误认为其做功也大小相等，符号相反，总功为零，错误原因是没有注意到它们的受力物体不是同一个物体，两个相互作用的物体的位移没有确定的关系。 所以，一对相作用力做功的大小和性质没有确定的关系 （三）【本专题知识的深层次理解】 1. 开辟了认识自然的新通道。学生过去只是从力与运动的关系角度运用牛顿运动定律加运动学公式去解决问题，较为直观，易于理解，而且形成了习惯。本专题开辟了一条认识自然的新途径，从能量角度去研究生活和生产中的自然现象所遵循的规律。 2. 分析的观点研究问题。本专题仍然研究力导致物体的运动状态发
6、生改变，却研究力产生的另一个效果，即力在空间的积累导致系统的能量转化，功是能量转化的量度。使学生认识到在自然界的发展变化过程中，不仅有速度在改变，也伴随着能量的转化。 3. 全面的观点研究自然。学生能够更加全面地认识到，合力产生加速度；合力做的功等于物体动能的变化。在能量转化的过程中，既有某力做功与某种形式的能量转化的对应关系，又有合力功的整体效果，培养学生辩证唯物主义思想。 4. 培养学生辩证地看待解决问题的方法：虽然运用牛顿运动定律加运动学公式及能量观点解决的都是两个状态与一个过程对应的关系，但是运用牛顿运动定律及运动学公式有条件的，即局限于匀变速直线运动。而能量守恒既能解决问题直线运动也
7、能解决曲线运动，既可恒力也可变力，可以说其解决问题的视野大大开阔； 思考 1 ：能量的规律能够求时间吗？ 5. 以整体的观点研究自然。通过对自然现象的研究，学生能够进一步理解：功是能量转化的量度，在整个自然界中，总能量是不变的，这是自然界普遍存在的规律。 6. 本专题的意义：通过本专题的学习，应该在高一的基础上，进一步理清从能量的角度研究自然现象的基本思路，能够认识到功与能量之间的关系；能够分清一个力做功与物体做功之间的关系；把握住运用动能定理、机械能守恒定律、能量守恒定律解决问题的基本思路和方法。 7. 形成认识运用能量观点解决问题的基本思路： （ 1 ）本章新学习的状态量：动能、势能、机械
8、能 （ 2 ）本章新学习的过程量：功 （ 3 ）二者衔接：动能定理、机械能守恒、能量守恒定律 做功的过程一定伴随着能量的转化；而能量的转化或转移过程不一定通过做功实现 （四）【本主题知识的更新与拓展】 1. 夯实基础的落脚点在哪里？ 功的要素及对功的意义的讨论，理解认识功的公式中各物理量的意义；求合力的功的基本思路；如何求变力做功；正功与负功的意义是什么？ 2. 如何正确认识功与功率，为什么在研究物理现象时，常从功率的角度体现出能量守恒规律？ 功是一个过程量，它是能量转化的量度，一个力做功的过程必定随着能量的转化过程，如果通过做功来验证能量守恒，必然有一定的过程，这对变力做功来说会很麻烦；功率
9、是描述做功快慢的物理量，它能够从瞬时功率的角度时刻描述做功情况，如果功率存在守恒关系，那么能量一定存在守恒关系。所以在运用能量定律解决问题时常以功率为切入点，在进行功率的复习时，要渗透这种思想，不要仅仅会求功率，更要从较高的高度认识功率的意义。 3. 如何引入动能定理，在得出结论后应该关注什么？在动能定理的使用上有关注意引导学生什么？ 动能定理是运用较为普遍的规律，它不论对恒力做功，还是变力做功，都能够帮助解决问题，它不仅运用于力学，在电磁等部分都有重要地位，所以引入动能定理要从直线运动到曲线运动，从恒力做功到变力做功等全面角度使学生认识到其运用的环境；同时使学生分析出，使用动能定理的基本步骤
10、及基本思路？避免只是对动能定理简单的复习与阐述的情况。 4. 如何引入能量守恒定律，如何使学生认识使用能量守恒定律？ 在动能定理、机械能守恒定律复习结束后，学生接触到的能量已经有定量的动能、重力势能、弹性势能、内能，这时就某一个物理过程进行分析，（比如板块模型），使学生能够意识到在这个现象中，有各种形式的能量参与进来，通过分析使学生知道，各种形式的能量在相互转化，但总能量保持不变，这时要注意引导学生分析参与进来的能量，不能把能量和功混在一起，出现混乱局面。使学生认识到，能量守恒思想是从另一个角度分析物理现象存在的规律，是丰富我们认识自然的又一个理论依据。 二、该主题的教学策略 （一）【本主题教
11、学目标】 1. 知识技能目标 ： （ 1 ）掌握功的公式，理解功的公式中各物理量的物理意义； （ 2 ）理解平均功率与瞬时功率，理解功率隶属于一个力，是描述该力做功快慢的物理量。 （ 3 ）掌握并能够熟练运用动能定理，能够熟知其运用环境及使用的基本步骤。 （ 4 ）掌握机械能守恒定律及其条件，能够将弹簧的弹性势能纳入到系统当中去，提高对复杂物理现象的分析能力 （ 5 ）理解掌握能量守恒定律，能够在复杂的物理现象中运用能量守恒定律分析问题、解决问题。 2. 过程与方法目标： 能够在求合力做功的过程中体会求合力做功的基本方法与思路，能够熟练求各种力做的功。 在动能定理的运用过程中体会动能定理的使用
12、注意事项及动能定理能够解决的问题。 树立运用能量的观点解决物理问题的思想，建立从能量角度解决物理问题的基本思维形式 掌握从单一过程到复杂过程，从单一研究对象到多个研究对象的对复杂体系的研究方法。 3. 形成的基本技能与方法 ： 在会求功、会运用动能定理及机械能守恒定律的基础上，使学生形成运用能量观点解决物理问题的基本思路及研究问题应该把握的切入点，即 “ 触景生情 ” 。提高分析问题与运用知识的效率，使学生能够真正掌握事物的本质，即研究一个物理现象，要分清过程，建立物理模型，根据过程的特点科学选择解决问题的规律的基本技能与方法。 确定准研究对象、建立物理模型、分清运动过程、用准规律是物理学的追
13、求 （二） 【本主题的教学重点与难点】 本课程的教学重点是在整个教学过程中，形成功是能量转化的量度的思想，使学生能够本着事物之间都有其内在的联系观点去分析问题，使学生在能够准确获取功的大小的同时，认识到正功与负功的作用是改变物体的动能；再去研究特殊现象即重力做功与重力势能变化关系、弹簧弹力做功与弹性势能关系、其它力做功与机械能变化的关系等，使学生真正理解功是能量转化的量度；同时在现象的研究的过程中，教师一定要本着状态与过程之间存在怎样的关系的思想去研究，培养学生从能量角度去研究问题想习惯与方法。 （三）【本主题的教学教学策略】 1. 发展认识 ：学生在初中已经学习过功和功率，对动能和重力势能也
14、有所了解，且受牛顿运动定律的影响，对从能量守恒的观点研究问题，不太适应，应该引导学生在原有的基础上，去发展知识运用知识，开辟解决问题的新途径，从思想上首先要引起学生对本部分知识的重视。 2. 全面提高 ：对功、功率要全面认识，要在牛顿运动定律及运动学公式的支持下，认识到功与能的关系，全面系统地提高对运用能量的观点解决物理问题的重要性的认识。 3. 主要策略 ：提出问题；讨论问题；探讨原理；达成共识；形成能力；在本主题的教学过程中，要本着这样的教学策略和发展目标：提出问题进行探究，在探究中发现学生在认识上存在的问题，寻求解决问题的正确的理论依据和思考方法，达成解决问题的有效途径，使学生能够认识事
15、物的本质及事物之间的内在联系，真正能够把握问题的实质，抓住主要矛盾，培养学生分析问题、解决问题的能力。 第一节 追寻守恒量教学策略 对运动的描述过去采用是牛顿运动定律表述方式，其中是变化的东西较多，通过伽利略斜面理想实验及小球摆动实验及弹簧振子实验，引导学生开始从另一个角度去分析物理现象，发现有一个东西是不变的，那就是能量，在物体运动过程中，除了从运动角度描述，还可以从能量角度描述（学生在初中已经对动能、重力势能、弹性势能较为了解），引导学生从能量转化的角度去描述物体的运动，是认识世界、研究自然的另一个重要途径，为今后研究描述电场的两个性质及磁场电之间的转化都奠定了重要的基础。这一节课要引起我
16、们教师的高度重视。注意（ 1 ）引导学生从能量的观点分析现象；（ 2 ）认识问题学会多角度，多渠道去探索现象中存在的规律。 第二节 功 建议（ l ）先出两个求功的问题了解一下学生求功的基本素养，在此会发现学生对求某个力做功的认识掌握程度； 【 案例一 】 1. 某位同学用 F =100N 竖直向上的力，提一桶水沿水平方向匀速行走 100m , 该同学对水做了多少功。 2. 该同学用 F =100N 的力，把一桶 G =40N 的水沿竖直向上提高 1.0m , 该同学对水做了多少功。 （ 2 ）在纠正学生出现的认识上的错误之后，引导学生复习做功的两个因素，形成清晰的认识，进一步提出，如果力的方向与位移方向
