資源簡介

第十一章 功和機械能
第3節動能和勢能
設計說明
“動能和勢能”這一節主要是讓學生理解能量與做功的關系，認識動能和勢能的概念并會解釋一些簡單的物理現象，進一步理解影響動能和勢能大小的因素。
教學中，對于能量的引入，可以從一些涉及能量的詞中，知道“能”是重要的概念，再聯系做功的知識，列舉實例，如教材上的實例和演示小實驗，用學生自主學習的方法，讓學生列舉運動的物體能做功的現象，并分析這些不同事物的相同點，進而得出運動的物體具有的能量是動能的結論。進一步用實驗或多媒體資料歸納出動能大小的決定因素，并能分析和解釋生產和生活中的現象。對于重力勢能和彈性勢能的學習，也可用同樣的方法，設計與動能相同的學習框架，讓學生用科學探究的方法學習，同時學生可以加深體驗學習物理的方法，感受到學習物理的樂趣。
影響動能和勢能大小的因素是本節教學的重點，也是難點，可以讓學生通過觀察物體從斜面上自由滾下的實驗或是滾擺的實驗歸納出動能或重力勢能的大小變化關系，進而歸納出其各自的影響因素，通過適量的相關練習來鞏固學習的知識點。
教學目標
1.能通過實例從做功的角度描述能量，能說出能量與做功的關系，記住能的單位。
2.能通過實例或實驗初步認識動能、勢能的概念，并能運用其解釋相關的現象。
3.能通過實驗探究，了解動能、勢能的大小跟哪些因素有關。
4.具有從能量的角度分析物理問題的意識。
教學重點難點
1.重點：影響動能和勢能大小的因素。
2.難點：影響動能和勢能大小的因素、能量的概念。
教具
學生用：斜槽、鋼球、木塊等。
教師用：斜槽、鋼球、木塊、質量不同的重物、沙槽、小桌、橡皮筋、彈簧等。另有電化教學器材、教學光盤。
教學過程
回顧思考
1.做功的兩個必要因素是什么？
2.物體受力時發生形變，不受力時又恢復到原來形狀的性質叫________。
3.在“阻力對物體運動的影響”實驗中，讓小車從斜面的相同高度滑下，目的是________。
導入新課
1.故事導入
播放：據英國《每日郵報》報道，2014年2月24日，在美國佛羅里達州上空約300米處，一只飛鳥與一架輕型飛機相撞，飛機擋風玻璃被撞碎，并且這只飛鳥還砸中了駕駛員的臉。不過，駕駛員最終將飛機成功地安全降落在機場。
問：飛鳥為什么能把飛機擋風玻璃撞碎？帶著這個疑問，我們開始今天的學習。
2.多媒體導入
播放視頻及幾個畫面：（播放視頻資料：流動的水能夠推動皮艇前行、颶風能夠把屋頂掀翻、行駛的摩托車能夠撞動汽車）。
　 　
問：上述三個過程中都有哪些物體能夠做功？
帶著這個疑問，我們開始今天的學習。
3.新聞導入
多媒體播放一則新聞：《鐵路職工“中彈”昏倒》
教師：新聞中一只平常的饅頭竟然能把人當場擊昏，這是什么原因呢？學完這節課大家就會明白了。
進行新課
探究點一　能的概念
實驗探究：出示斜槽
（1）讓鋼球位于斜槽頂端。
①此時鋼球受到了什么力的作用？做功了嗎？
此時鋼球處于靜止狀態，只受到重力和支持力的作用，由于沒有移動距離，故這兩個力都沒有做功。
②怎樣才能讓鋼球做功？
啟發學生想象和思考：如果鋼球滾下來，就可以讓鋼球在重力的方向上運動一段距離了。
歸納：雖然鋼球此時沒有做功，但它卻具有做功的本領。
（2）同樣的思維，我們來看一下陽臺上的花盆、高處的重錘、拉伸的彈簧，它們各自有做功的本領嗎？
引導學生分析：這些物體雖然處于靜止狀態，但都蘊含了能量，都有做功的本領。
總結：物體能夠對外做功，我們就說這個物體具有能量。一個物體能夠做的功越多，表示這個物體具有的能量越大。
能的單位與功的單位一樣，都是焦耳，簡稱焦，符號J。重力為1 N的物體（質量約為0.1 kg）被提升1 m所獲得的能量大約就是1 J。
通過舉例順勢引導學生思考能量的大小和如何去判斷能的大小。
比如用風來舉例：四、五級風能夠推動帆船“逆水行舟”，八、九級大風可以使大樹“前仰后合”，而颶風能把大樹連根拔起。
讓學生回答：哪種風具有的能量最大？
你怎樣判斷能的大小？
通過學生的回答總結：在物理學中，能量和做功有密切的聯系，能量反映了物體做功的本領。一個物體能做的功越多，這個物體的能量就越大。
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例1　（多選）下列關于能的敘述中，正確的是（　　）
A.一個物體能夠做功，我們說這個物體具有能
B.掛在樹枝上的蘋果，沒有做功，所以沒有能
C.一個物體具有的能越多，說明這個物體做的功越多
D.一個物體能夠做的功越多，這個物體具有的能越多
解析：一個物體能夠做功，我們就說它具有能，一個能夠做功即具有能的物體，只能說明物體有了做功的本領，但不能說明物體正在做功，A選項正確；同理，具有的能越多，說明這個物體能夠做的功越多，不一定做的功多，C選項錯誤；掛在樹枝上的蘋果，沒有做功，但落下來時能夠做功，所以具有能，B選項錯誤；一個物體能夠做的功越多，表示這個物體具有的能越多，D選項正確。
答案：AD
探究點二　動能
實驗探究：什么是動能
師：請同學們說一說都知道哪些形式的能量呢？
生：光能、電能、聲能、太陽能……
師：同學們知道的能量可真不少。下面請同學們觀看課件中的情景。（流動的水推動小船，風吹動風車，子彈擊穿木塊，汽車撞擊木塊）
師：剛才同學們看到的流水、風、子彈、汽車是否具有能量呢？這些物體有什么共同特點。
生：它們具有能量，都是運動的。
師：根據它們的特點給它們具有的能量試著進行命名。并舉些其他例子。
引導總結：它們是因為運動具有的能，叫動能。如：飛行的小鳥，奔馳的駿馬……
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例2　下列動物中不具有動能的是（　　）
A.空中飛翔的雄鷹 B.枝頭睡覺的貓頭鷹
C.緩慢爬行的蝸牛 D.忙于搬家的鼴鼠
解析：動能是指物體由于運動而具有的能量，A、C、D三個選項中的動物都在運動，所以都具有動能，而B選項中的貓頭鷹靜止，不具有動能，故選B。
答案：B
探究點三　探究影響動能大小的因素
列舉實例說明：運動的物體具有的動能多少不盡相同，如狂風能吹倒大樹，而微風只能使樹枝搖動。動能的大小各有不同，那么動能的大小與什么因素有關呢？
（首先要讓學生明確如何確定動能的大小，引導學生總結出木塊被推動得越遠，表示物體的動能越大。讓學生明白，物體動能大小不容易判斷，需要通過對其他物體的作用效果來體現，這里涉及了轉換法）
閱讀教材第67頁實驗，分析我們是通過什么看出鋼球具有動能的？
（因為鋼球推動木塊做了功）
鋼球的動能大小我們用什么來體現？
（用木塊運動距離的遠近來體現）
如何改變鋼球做功的多少呢？
（學生猜想：改變鋼球的質量、高度……）
實驗探究：探究影響動能大小的因素。
采用如圖所示的實驗裝置，讓鋼球從斜面上滾下，碰到木塊上，推動木塊做功，讓同一個鋼球從不同高度滾下，看哪次木塊被推得遠。如圖所示，換用質量不同的鋼球，讓它們從同一高度滾下，看哪個鋼球把同一木塊推得遠。
完成實驗后，可組織學生討論以下幾個問題幫助學生加深對實驗的理解：
（1）兩次實驗中，分別控制哪些因素不變？哪些因素改變？為什么要這樣設計實驗？
（2）兩次實驗中，分別讓小球從斜面的不同高度或相同高度滾下，目的是什么？
（3）為什么讓小球推動木塊？木塊被推動距離的遠近說明了什么？
結論：物體動能的大小與物體的質量和運動速度有關。質量相同的物體，運動的速度越大，動能越大；運動速度相同的物體，質量越大，動能越大。
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例3　（2019·廣西貴港中考）如圖是探究“動能的大小跟哪些因素有關”的實驗裝置圖。
（1）若讓同一鋼球分別從斜面不同的高度由靜止開始滾下，高度h越高，鋼球運動到水平面時速度越________，木塊B被撞得越________。
（2）若讓不同質量的鋼球分別從斜面相同的高度h由靜止開始滾下，比較木塊B被撞擊后運動距離s的遠近。這是為了探究動能的大小與________的關系。
解析：影響物體動能大小的因素有兩個：一是物體的質量，二是物體的速度。本實驗采用控制變量法來探究動能的大小跟質量與速度的關系。（1）若讓同一鋼球分別從斜面不同的高度由靜止開始滾下，則是保持質量不變，通過調整不同高度來改變物體的速度，而且高度越高，鋼球運動到水平面時的速度越大，木塊B被撞得越遠。（2）若讓不同質量的鋼球分別從斜面相同的高度h由靜止開始滾下，則是控制速度不變，通過改變質量來研究動能大小的情況，而動能大小的情況可以用木塊B被撞擊后運動距離的遠近來反映，所以本操作是為了探究動能的大小與質量的關系。
答案：（1）大　遠　（2）質量
探究點四　重力勢能
（1）重力勢能的概念
運動的物體具有動能。生活中也有很多物體并沒有運動，但是它們也能做功，也具有能。
設置情景：同學們抬頭看懸掛在教室頂上的日光燈，如果懸掛它的線足夠細，或時間長出現了老化問題，坐在日光燈下的同學們會有什么感覺？
生：這樣會砸到我們，我們會受傷。
師：懸掛的日光燈有能量嗎？如何判斷它具有能量？同學們還知道哪些物體，它們沒有運動，但是也具有這樣的能量？
（根據學生的回答，結合做功的條件和能的概念，分析不運動的物體的能量形式）
教師講解：人們在打樁時，必須把重錘高高舉起，當重錘落下時可以做功，因為重錘受到豎直向下的重力，重錘下落時沿著重力的方向向下通過了一段距離，所以舉高的重錘可以做功，將木樁打入地里。試想，一個重錘如果靜止地壓在木樁上是不能做功的。重錘只有在被舉高的情況下才能做功，即重錘被舉高時才具有做功的本領——能。
一池靜止的水是不能做功的，但是這一池靜止的水如果處在高山上，水下落時就可以做功，把水輪機沖得轉起來，就可以對水輪機做功。
歸納：物體由于受到重力并處在一定高度時所具有的能叫重力勢能。
強調：動能和重力勢能都是物體所具有能量的一種形式，同一個物體可能同時具有兩種形式的能量，也可能只具有其中一種形式的能量。
（2）影響重力勢能大小的因素
請同學們判斷下列物體的重力勢能的大小。
①打地基時，質量是20 kg的石頭重錘和質量是100 kg的鐵質重錘被舉得同樣高，誰的重力勢能大？
②同一個重錘，被舉高1 m或3 m兩種情況下，哪種情況重力勢能大？
猜想：重力勢能的大小跟物體的質量和被舉的高度有關。
實驗探究：探究重力勢能的大小跟物體的質量和被舉高的高度的關系。
設計并進行實驗：a.如圖所示，把質量為m的重物第1次從h高處由靜止放下，第2次從2h高處由靜止放下，比較兩次把小桌子砸入沙中的深度。
b.如圖所示，將重物都從h高處由靜止放下，第1次重物質量為m，第2次重物質量為2m，比較兩次把小桌子砸入沙中的深度。
探究分析：重物的質量相等時，高度大的把小桌子砸入沙中的深度大，說明質量相等時，高度大的重物的重力勢能大。
重物的高度相等時，質量大的把小桌子砸入沙中的深度大，說明高度相等時，質量大的重物的重力勢能大。
探究歸納：決定重力勢能大小的因素是物體的質量和被舉高的高度，在高度一定的情況下，質量越大，重力勢能越大；在質量一定的情況下，高度越大，重力勢能越大。
注意：（1）在分析重力勢能大小的變化時，要同時考慮物體的質量和被舉高的高度兩個因素，質量大的物體其重力勢能不一定大，同理高度大的物體，其重力勢能也不一定大。（2）在沒有特別指明的情況下，“高度”一般是指相對于地面而言的。在初中階段，通常把地面上的物體所具有的重力勢能看成零。
應用：嘗試解釋為什么花盆放在高樓陽臺的邊緣很危險。
引導學生回答：因為高樓陽臺的花盆處于高處，質量一定，具有較大的重力勢能，不小心落下時做功較大，易造成危害。
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例4　（2019·湖南郴州中考）一架飛機在高空中水平勻速飛行，向災區投放救災物資。該飛機在此過程中（　　）
A.動能不變 B.動能減小
C.重力勢能不變 D.重力勢能增大
解析：一架飛機在高空中水平勻速飛行，高度不變、速度不變，向災區投放救災物資時，飛機的質量減小，所以飛機的動能和重力勢能都減小，故選B。
答案：B
探究點五　彈性勢能
（1）彈性勢能
實驗探究：（教師邊演示，邊講授）把一個砝碼放在彈簧上的小木板上，用力將彈簧壓縮，使其發生彈性形變。此時，彈簧靜止，沒有動能。彈簧也沒有被舉高，也沒有重力勢能。
問題：彈簧能不能做功？
（能。放開手，砝碼被彈簧舉起來）
分析：可見，被壓縮的彈簧也具有能。這種能區別于動能和重力勢能，它是由于物體發生了彈性形變而具有的能。
總結：發生彈性形變的物體具有的能叫彈性勢能。
物體在很多情況下都具有彈性勢能。射箭用的弓被拉滿時產生彈性形變，具有彈性勢能。鐘表的發條在卷緊時具有彈性勢能，通過做功來帶動鐘表機件正常轉動。
（2）影響彈性勢能大小的因素
猜想：彈性勢能的大小可能與什么因素有關？
（因為彈性勢能是指物體由于發生彈性形變而具有的能，所以肯定會與彈性形變量的大小有關）
學生動手操作：用尺子作為彈性物體，探究一下彈性勢能的大小與彈性形變量大小的關系。
歸納：物體的彈性勢能的大小跟形變大小有關，彈性形變越大，它具有的彈性勢能越大。
重力勢能和彈性勢能是常見的兩種勢能。
例題講解：（學生先練習，若有問題，教師補充講解）
例5　如圖所示，某興趣小組的同學用彈弓進行彈子彈比賽。他們發現彈出的子彈飛行情況各不相同，因此展開了討論。
（1） 拉開的彈弓具有______能，彈弓上的橡皮筋彈性形變______，具有的能量越多。
（2）他們在研究影響彈出的子彈飛行距離的因素時，提出以下猜想：
猜想1：與子彈的質量有關；
猜想2：與子彈的形狀有關；
猜想3：與彈弓橡皮筋的彈性形變程度有關。
①根據所學知識，可以斷定猜想3是正確的，判斷的依據是____ ____；
②請設計一個簡單實驗，驗證猜想2是否正確，簡述你的實驗方案：
簡要做法：____ ____。
如何判斷：____ ____。
解析：在探究影響子彈飛行距離是否與子彈形狀有關時，應運用控制變量法進行實驗設計。
答案：（1）彈性勢（或勢）　越大　（2）①彈弓上的橡皮筋的形變越大，具有的能量越多，子彈彈出時的能量就越多，子彈就飛得越遠　②使用同一彈弓，使之伸長相同的長度，取質量相同但形狀不同的幾個子彈，沿水平方向將子彈射出，測量子彈飛行的距離　若子彈射出后飛行的距離不同，則說明子彈飛行距離與子彈形狀有關；若子彈射出后飛行的距離相同，則說明子彈飛行距離與子彈形狀無關。
課堂小結
本節課我們主要學習了動能和勢能兩部分內容，其中影響動能和勢能大小的因素是本節課的重點和難點，同學們要重點掌握。請完成“當堂達標”測試題，鞏固一下所學的知識。
當堂達標
1.正在飛行的A、B兩架飛機具有相同的重力勢能，且mA>mB，則（　　）
A.A飛機飛得快 B.A飛機飛得慢
C.A飛機飛得高 D.A飛機飛得低
2.（2020·福建中考）疫情期間，某快遞公司用無人機進行無接觸配送包裹。無人機攜帶包裹勻速上升時，包裹的（　　）
A.動能減少，重力勢能增加
B.動能不變，重力勢能增加
C.動能不變，重力勢能不變
D.動能增加，重力勢能減少
3. （2019·山東聊城中考）如圖是探究“物體的動能跟哪些因素有關”的實驗。實驗中，讓同一銅球從斜面的不同高度由靜止釋放，撞擊同一木塊，下列說法正確的是（　　）
A.該實驗探究的是物體動能大小與高度的關系
B.該實驗探究的是物體動能大小與質量的關系
C.該實驗中，物體的動能是指木塊B的動能
D.該實驗結論可以解釋為什么對機動車限速
4.（2019·福建中考） 踢毽子是一項有益的體育活動。如圖所示，毽子某次被踢出后，豎直上升經過某一位置時，毽子的動能和重力勢能分別為Ek1和Ep1，下落經過同一位置時，毽子的動能和重力勢能分別為Ek2和Ep2，則（　　）
A. Ek2>Ek1 B. Ek2C. Ep1>Ep2 D. Ep15.（2019·湖南湘潭中考）送餐機器人在水平地面上做勻速直線運動時，機器人處于________（選填“平衡”或“不平衡”）狀態，其動能________（選填“增大”“減小”或“不變”）。
6.（2019·云南中考）第24屆冬奧會將于2022年在北京—張家口舉辦，高山滑雪是冬奧會的重要競賽項目之一。如圖所示是滑雪運動員從山頂加速下滑訓練的情景，在下滑過程中運動員的動能________，重力勢能________。（均選填“減小”“增大”或“不變”）
7.（2020·江蘇無錫中考）用“模擬打樁”來探究物體重力勢能的大小與哪些因素有關，物體的質量m1=m28.（江蘇泰州中考）某小組進行“探究動能大小與質量是否有關”的活動。
（1）小明用兩輛相同的小車，在其中一輛小車上放一個砝碼，然后讓它們從同一斜面的同一位置由靜止釋放，撞擊置于水平面上的木塊，如圖（a）所示。
①將小車從同一位置處釋放，目的是控制小車到達水平面的________相同。
②通過比較________來比較小車動能的大小。根據實驗得出結論：動能大小與質量大小有關。
（2）小紅改變實驗方案：讓同一小車，從同一斜面的不同高度由靜止釋放，撞擊水平面上的木塊，如圖（b）。發現：木塊滑行的距離不一樣遠。根據這一現象，能做出以下哪個判斷？________。
A.動能大小與質量無關，一定與其他因素有關。
B.動能大小除了與質量有關外，一定還與其他因素有關
C.不能判斷物體動能大小是否與質量有關，動能大小一定與質量外的其他因素有關
　　
（a）　　　　　　　　　　　　（b）
布置作業
教材第70頁“動手動腦學物理”第1至5題。
板書設計
一、能量 物體能夠對外做功，我們就說這個物體具有能量。 二、動能 1.物體由于運動而具有的能量。 2.動能大小跟物體的運動速度和質量有關。 三、重力勢能 1.物體由于受到重力并處在一定高度時所具有的能量。 2.重力勢能的大小跟物體的高度和質量有關。 四、彈性勢能 物體由于發生彈性形變而具有的能量。 彈性勢能的大小跟彈性形變的程度有關。
參考答案
1.D
2.B　解析：無人機攜帶包裹勻速上升時，質量和速度均不變，故動能不變；高度增加，故重力勢能增加，故選B。
3. D　解析：同一銅球質量一定，從斜面的不同高度由靜止釋放，滑到水平面上時的速度不同，故該實驗是探究物體動能與速度的關系，故A、B錯誤。實驗的研究對象是銅球，所以物體的動能是銅球的動能，實驗中通過木塊被推出的距離來反映銅球的動能的大小，運用了轉換法，故C錯誤。實驗可得出結論：質量一定時，速度越大，動能越大，所以要對機動車限速，故D正確。
4. B　解析：影響動能大小的因素是物體的質量和運動速度；影響物體重力勢能大小的因素是物體的質量和高度。當毽子上升又下落回同一位置的時候，高度不變，所以重力勢能不變，即Ep1=Ep2，由于克服空氣阻力做功，毽子的速度減小，所以動能減小，即Ek25.平衡　不變
6.增大　減小　解析：高山滑雪運動員在訓練中由山頂加速下滑，運動員質量不變，速度增大，高度變低，所以運動員的動能增大，重力勢能減小。
7.多　高度　a、c　解析：物體下落過程中，物體的重力勢能轉化為動能，物體的重力勢能越大，對木樁做功越多，木樁陷入沙坑越深，所以我們可以通過觀察木樁陷入沙坑的深度來判斷重力勢能的大小，這用到了轉換法；由a、b兩圖可知，物體的質量m1=m2，從不同高度落下，落下的位置越高，木樁被打得越深，物體的重力勢能越大，說明重力勢能與高度有關；比較a、c兩圖可知，物體的質量m18.（1）速度　木塊被推出的遠近　（2）C
解析：（1）要探究動能大小與質量的關系，需控制速度相同，為了使小車到達水平面時的速度相等，需將質量不同的小車從斜面上的同一高度由靜止釋放；通過木塊被推出距離的遠近來比較小車動能的大小。（2）同一小車，從同一斜面的不同高度由靜止釋放，小車到達水平面時的速度大小不同。小車推動木塊做功，運動距離越遠，做功越多，動能越大。小車質量一定，不能判斷物體動能大小是否與質量有關，動能大小一定與質量外的其他因素有關，所以應選C。
教學反思
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