資源簡介

教學設計2
重力勢能
一、學情分析
1．思維基礎
高一學生開始從感性認識向理性認識過渡,從具體思維向抽象思維過渡,但思維還是與感性經驗直接聯系，仍需具體形象的圖片來支持。
2．知識基礎
學生在初中時己接觸過重力勢能的概念并且己學習了功的概念和計算方法,在此要定量的學習重力勢能及體驗建立過程,通過重力做功的計算來判斷重力勢能的變化。
能力基礎
估計學生對EP=mgh會進行公式化處理,出現只認公式不認理的現象,研究探索、質疑提問能力還比較薄弱。
二、教學目標
1. 物理觀念
(1) 理解重力勢能的概念，會用重力勢能的表達式計算。
(2) 會推導重力做功與重力勢能的關系，知道重力做功與路徑無關。
(3) 知道重力勢能的相對性。
2. 科學思維
(1) 根據功能關系，推導出重力勢能的表達式。
(2) 學會從功能關系上解釋和分析物理現象。
3.科學探究
(1) 重力勢能概念的定性探宄與定量推導。
(2) 反證法思辨重力做功與路徑無關，才會有重力勢能的概念。
4. 科學態度與責任
滲透從對生活中有關物理現象的解釋，得到物理結論的方法，激發和培養學生探索自然規律的興趣。滲透社會公德教育，讓學生認識到高空拋物的危害。
三、課程資源
網絡視頻、自制教具、米尺、重力燈、PPT課件等
四、教學內容
新人教版高中物理必修第二冊第8章第2節
五、教學重點與難點
重點：重力勢能概念的定性探宄與定量推導,即重力勢能概念的得出。
難點：重力做功與路徑無關及重力勢能的相對性。
六、教學方法
1.教學方法
1．實驗演示法
本節教學注重通過實驗創設問題情境,如一些生活中簡單的高空墜物等實驗現象,緊密聯系生活,激發學生的學習興趣。
2．啟發式講授法
教學過程中適時地穿插教師形象生動、富有啟發的講解,以點撥、啟發學生。在講授知識的過程中滲透探宄的思想，理論探宄(推導)重力做功與重力勢能變化的關系,進而得出重力勢能的表達式。
3．探究教學法
探究教學法有利于學生主動獲取知識，發揮學生的主體作用，增強學習積極性,培養學生的科學探究能力,實事求是的科學態度。師生合作探宄的方法得出重力勢能與哪些因素有關,并有什么定性關系。
七、教學安排
一課時（40分鐘）
八、教學設計
【魔術表演，導入新課】兩支質量相同的筆，筆尖朝下，從同一高度由靜止開始下落，插入沙子中的深度會一樣嗎？
其中的奧秘和我們今天所學的內容有關。
任務1:探究重力勢能的表達式
問題：這一節我們來進一步定量地研究重力勢能。你認為重力勢能的表達式應該是怎樣的呢？我們可以從什么角度入手去探究重力勢能具體的表達式？
創設情景，引導學生推導重力做功的特點：
問題1：一個質量為m的小球從高為h1的A處沿著豎直線到高為h2的B點，重力做了多少功？
問題2：若該小球沿著一條斜線從A處運動到了B處，重力做了多少功？
問題3：若小球沿著任意的一條曲線從從A處運動到了B處，重力做了多少功？
問題4：從結果上看，小球雖然是沿著不同的路徑運動，但是都是從h1的位置運動到高為h2的位置，重力做的功是一樣的，這說明重力做功有什么特點？
結論：重力做功與路徑無關，只與物體起點和終點位置的高度差有關。
問題5：考慮實際情況，小球豎直下落過程中受到空氣阻力可以忽略，但是從斜面和曲面下滑會受到摩擦阻力的影響，這個摩擦阻力可能不能忽略，那三種情況下重力做功還一樣嗎？
教學建議：
（1）思維引導建議。研究重力勢能，應從研究重力做功開始。如何確定重力勢能的定量表達式，從理論上探究三種情況下小球由A到B過程中重力所做的功，在過程丙中物體沿任意路徑向下運動情況，學生會感到困難。在分析過程中要體現出微元(極限)思想，分步提出問題：①物體沿曲線運動，根據已有的知識，重力做功能求出嗎 (不能)怎么辦 ②想一想我們能夠解決的是什么樣的情況 (物體沿直線運動過程重力做功，可以根據過程甲、乙的計算結果進行計算。③回憶前面學習過的方法，可不可以“變曲為直”呢，怎么變 (將整個路徑分成許多很短的間隔)。
（2）教學活動建議。三個不同場景下重力做功的推導，由淺入深，由特殊到一般。問題1和2可以學生動筆推導，教師觀察，并讓學生寫到黑板上，教師分析總結，并從解題規范性上提出相應的要求。問題3需要學生基于微元法對該問題進行解答，可以細化問題，引發學生思考的基礎上再讓學生回答解決問題的方法即可。問題4需要學生有一定的總結歸納能力，可以讓多個學生回答，教師適當補充。問題5有一定的難度，在學生思考的基礎上小組討論，再交流，最后總結分享。
任務2：探究重力勢能的表達式
銜接：初態和末態的表達式均為“mgh”，如果我們把它定義為一個新的物理量，那么mgh1和mgh2應該指的分別是這個物理量的初狀態和末狀態；減號在這里可以理解為經過重力的做功引起這個物理量發生了變化。結合功是能量轉化的量度這一概念，重力做了多少功，相應就有多少能量發生了變化。不難想到：這個物理量應該指的是某種和重力相關的能量。
問題1：那么我們把它稱為重力勢能，為什么要稱它為勢能呢？
引入勢能的概念：物體憑借其相對位置而具有的能量，叫做勢能。（位置決定能量。）
思考：mgh這個物理量具有特殊的物理意義，隨高度的變化而變化（憑借其相對位置），具有了勢能的特征。
總結： 因此，我們把 mgh叫做重力勢能是非常恰當和科學的。
問題2：為什么重力勢能它有勢能的特征，勢能的特點是位置決定能量，而重力做功是與路徑無關的，只與位置相關。他兩之間是不是存在某種因果關系呢？
提示：物體在同一位置的勢能值應該是唯一確定的，重力做了多少功重力勢能就發生了多少變化。（同學們討論一下，如果重力做功與路徑有關，mgh還能叫做重力勢能嗎？）
問題3：【學生實驗：測量鉤碼的重力勢能】試估算它的重力勢能，鉤碼的質量為50g，既然是粗測，那我們不妨重力加速度g取10m/s2。
師：有沒有其他的情況。→重力勢能是一個相對量，需要選擇一個參考平面作為零勢能面。
問題4：以桌面為參考平面，鉤碼如果掉到了地上，這時候它所具有的重力勢能為多少？同學們想到了重力勢能是一個負值，負值的含義是什么？
問題5：既然參考平面的選取是任意的，那么我也可以取瓶子的頂端為零勢能面，然后再將鉤碼分別放在桌面和地上，這時候所具有的重力勢能分別為多少，哪個大？
總結：負的越多，說明所具有的重力勢能越小；重力勢能是標量，有正負，正負號表示的是大小。
問題6：重力是由于地球吸引而產生的，如果沒有地球就不會有重力，說明重力勢能還和什么有關？所以，重力勢能不是僅僅這個物體所具有的，它應該是物體和地球所組成的系統共有的。只是我們平時講物體的重力勢能往往就把地球給省略掉了而已。
總結：從做功的表達式上可以看出，重力勢能的單位和功的單位是一樣的，也是J。
教學建議：
（1）思維引導建議。通過重力做功與路徑無關的特點，從而引出重力勢能的表達式，然后讓學生體會教材中所寫的“看起來， 物體所受的重力mg與它所處位置的高度h的乘積mgh， 具有特殊的意義"。它的特殊意義在于一方面與重力所做的功密切相關，另一方面隨著高度的變化而變化，與前面的猜想相呼應。對這一點學生會感覺比較困難,這一認知需要逐漸建立起來，需要基于對“功是物體能量變化的量度”的理解之上，引導學生邏輯推理，歸納總結規律,培養學生的物理思維能力。通過“思考與討論”中的問題進行討論，從而使學生理解，正是因為重力做功與路徑無關，才引入了重力勢能的概念。對于重力勢能的相對性、系統性以及正負號的含義，通過學生具體實驗操作和數據記錄的過程中產生矛盾，在解決問題與矛盾的過程中
（2）教學活動建議。問題1和問題2都具有一定的難度，先讓學生獨立思考并回答，其他同學補充，教師可以適當提問以減小思維上的難度；問題3、問題4和問題5都是基于學生動手操作和記錄數據的過程中產生疑慮，思考原因，解決問題，學生可以充分展示的基礎上討論交流。問題6要求學生回答，教師引導。
任務3：重力做功與重力勢能之間的關系
銜接：有了重力勢能的表達式，我們就可以把WG=mgh1-mgh2改寫成WG=EP1-EP2了。
問題1：重力做的是正功還是負功，重力勢能怎么變化？數值上有什么特點？如果現在我沿著不同的軌跡從某一低處向某一高處運動，那是什么情況？
銜接：基于今天所學的內容，我希望同學們能將今天的知識應用于我們的生活實際。
例1：在衢州市中考體育考試中，引體向上能一次性做12個為滿分；試估算得滿分的同學總共需要克服重力做多少功？
提示：初中生的體重一般在50kg左右，每次做引體向上時上升的高度大概是30cm，我們不需要知道重心的運動路徑，只需要估計重心上升的高度即可，可以估算出總共需要克服重力做功1800J。
例2：大家能不能估算一下視頻中電燈的功率。雖然視頻中我們看到產品已經做出來了，該公司發明的產品是否有視頻中介紹的那么好用呢，我還是心存疑慮。我希望同學們下課后能查閱資料，結合今天所學的知識，辨偽存真。
教學建議：
（1）思維引導建議。重力做功等于重力勢能的減小量，揭示了功與能之間的關系，問題1可以示范一個具體的物體由低處到高處、或高處到低處的過程，引導學生分析功的正負、重力勢能的增減，得出相應的結論。例1和例2是對本節課內容的一個應用，例1的難點是學生對克服重力做功這一過程的模型建構有些困難，比如做一次引體向上重心大約上升多少等，對實際的估算能力的要求比較高，例2視頻中的具體數據可以看出這個重力燈廣告有虛假宣傳的嫌疑，學生根據Ep=mgh可以辨別出視頻中部分內容的真偽，培養學生的質疑能力和實事求是的科學態度。
（2）教學活動建議。問題1學生獨立思考后回答，其他同學補充和評價；例1讓學生獨立求解并展示，其他同學質疑和評價；例2需要學生捕捉到視頻中的有效信息，教師引導學生辯證思考的基礎上，學生討論，教師根據需要補充講解。
九、教學反思
1.在重力勢能的相對性上，嘗試學生體驗測量物體重力勢能的實驗中產生矛盾，進而解決問題，落實知識點，學生參與度較高，思考問題也比較深入、全面，取得較好的教學效果。今后可以多嘗試讓學生親身體驗的過程，在真實情境中獲得感性的認知。
2．《重力勢能》這節主要是概念教學，不好講，尤其體現出概念的生成過程。“功是物體能量轉化的量度”的主線貫穿于每一個教學環節,教學思路要清晰,教學內容邏輯性非常強。基于學生課堂的表現，如何引導學生逐步由重力做功的特點建立重力勢能的概念，真正理解概念建立的過程還需要細化問題，降低思維的難度，引導學生在思維逐步進階的過程中真正內化概念。
十、預習任務與課后作業
1.關于視頻中的重力燈，查閱資料，結合今天所學的知識，辨偽存真。
2.以重力勢能為例，思考將彈簧由原長位置伸長或壓縮的過程中，有什么力做功，其特點和重力做功有什么共同點和區別？并探索彈性勢能的表達式。
3.完成P82的課后練習與應用。

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