2020高中物理第七章机械能守恒定律第1节追寻守恒量--能量课件 人教版必修2 34页

第七章 机械能守恒定律 〔 情 景 切 入 〕 自然界存在各种不同形式的能量 —— 机械能、内能、电能、化学能、核能等等，各种不同形式的能量可以相互转化，外力做功对能量的变化有什么影响？不同形式的能量如何转化？能量在转化过程中又遵守怎样的规律？这一章我们就来探究这些问题。 〔 知 识 导 航 〕 本章在牛顿运动定律的基础上，通过引入功和能的概念，得出动能定理和机械能守恒定律，故本章可以视为牛顿力学的进一步拓展与延伸。 本章可以分为三个单元： 第一单元 ( 第 1 ～ 3 节 ) ：主要引入能量的概念、学习功和功率。 第二单元 ( 第 4 ～ 7 节 ) ：主要学习重力做功与重力势能变化的关系、设计实验探究弹性势能的表达式、做实验探究功与速度变化的关系、学习应用动能定理分析解决问题。 第三单元 ( 第 8 ～ 10 节 ) ：主要学习机械能守恒定律、能量守恒定律、做实验验证机械能守恒定律，了解能源及能量耗散。 本章的重点是功、功率、动能、势能的概念及其动能定理、机械能守恒定律两个重要规律；难点是动能定理和机械能守恒定律在各种不同情况下的具体应用。 〔 学 法 指 导 〕 1 ．在学习功、功率时，要在复习初中知识和联系生活实际的基础上展开。对于功，先复习公式 W ＝ Fs ，然后扩展为 W ＝ Fs cos θ 。对于功率，先复习初中的 P ＝，然后，分析汽车等交通工具运动问题，展开为 P ＝ F v 。 2 ．在学习动能和动能定理时，要紧抓功能关系这一线索，从动能的决定因素及动能发生变化时对应哪些因素变化和相应的外部原因上进行分析、讨论，不要将动能和动能定理分开学习。在学习时特别要注意解题的方法，注意总结解题中的注意事项。如：正确对物体进行受力分析，正确判断每一个力是否做功，掌握求合外力的功的方法，然后进行适量的训练。这样，既关注了知识的内在联系，又提高了学习效率。 3 ．在学习重力势能、机械能守恒定律时，要通过身边的事例，充分认识动能、势能之间可以相互转化，进而得出机械能守恒定律。而讨论守恒条件应该成为学习的重点，也是能否正确理解和使用该定律的关键。 4 ．解决力学问题，同学们往往习惯于应用牛顿运动定律和运动学知识解决，以为这样具体可信，而不习惯于从能量的观点和守恒的思想来分析，但是学习了本章之后同学们会发现从能量的观点来分析，往往会给力学问题的解决带来很大的方便，因此在今后的学习中同学们应注意培养自己从能量的观点分析、解决问题的能力。 第一节　追寻守恒量 —— 能量 素养目标定位 ※ 知道能量的概念 ※ 理解动能和势能的概念与意义 ※ 了解日常生活中能量转化的事例，培养热爱生活的情趣 素养思维脉络 课前预习反馈 1 ．实验现象 让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个对接斜面，没有摩擦时， h A ______ h B ，如图所示。 2 ． 能量概念的建立 始、末位置高度相同，小球运动中守恒的量叫 ________ 。 知识点 1 伽利略斜面实验探究 ＝　 能量　 1 ．能量 (1) 一个物体如果具备了 ____________ 的本领我们就说这个物体具有能量。 (2) 能量是个状态量，是 ________ ，和物体的某一状态对应。 2 ． 势能 (1) 由物体间的 ______________ 和物体间的 ____________ 决定的能量叫做势能。如：重力势能，弹性势能，分子势能，电势能等。 (2) 势能是能量的一种具体形式，是 ________ 。 知识点 2 能量概念 对外做功　 标量　 相互作用力　 相对位置　 标量　 3 ．动能 (1) 物体由于 ________ 而具有的能量叫动能。 (2) 动能与物体的质量和 ________ 有着密切的联系。 (3) 和物体运动过程中某一状态相对应，是 ________ ，并且总为正值。 (4) 一切 ________ 物体都具有动能，大到天体小到微观粒子。 运动　 速度　 标量　 运动　 『 判一判 』 (1) 物体由于运动而具有的能量叫动能。 ( 　　 ) (2) 势能是能量的一种具体形式，是标量。 ( 　　 ) (3) 动能与物体的质量和速度有关。 ( 　　 ) (4) 动能和势能可以相互转化。 ( 　　 ) (5) 能量在转化和转移的过程中，总量有所减少。 ( 　　 ) 辨析思考 √ 　 √　 √　 √　 × 　 『 选一选 』 小球从一个斜面的某一高度由静止滑下，并运动到另一个斜面的同一高度，小球好像 “ 记得 ” 自己的起始高度，或与高度相关的某个量。 “ 记得 ” 并不是物理学的语言。后来的物理学家把这一事实说成是 “ 某个量是守恒的 ” ，并且把这个量叫做 ( 　　 ) A ．弹力　　　　　　　 B ．势能 C ．能量 D ．速度 解析： 在伽利略的斜面实验中，小球从一个斜面滚到另一个斜面，斜面弹力是不同的，势能先减小后增大，速度先增大后减小，所以 A 、 B 、 D 错，守恒量应是能量，包括动能和势能， C 对。 C 　 『 想一想 』 下图是上海 “ 明珠线 ” 某车站的设计方案。由于站台建得稍高，电车进站时要上坡，出站时要下坡。忽略斜坡的摩擦力，你能分析这种设计的优点吗？ 答案： 这样设计的主要优点在于节约电能。 解析： 电车进站前虽关闭了电动机，但仍具有动能，可使电车爬上斜坡，这是将动能转化为势能储存。出站时，电车可利用斜坡再将势能转化成动能。可见，这种设计方案可以节约电能。 课内互动探究 探究一　对 “ 守恒量 ” 的理解 荡秋千是一种常见的娱乐活动。如果空气阻力和秋千各部分的摩擦力可以忽略，秋千就会不停地摆动下去，这说明秋千在运动过程当中有一个保持不变的 “ 东西 ” ，你认为这个 “ 东西 ” 是什么？ 提示： 能量 1 1 ．所谓 “ 守恒 ” 是指数值保持恒定。对于伽利略斜面实验，我们可以这样理解，如果空气阻力和摩擦力小到可以忽略，小球必将滚到它原来的高度，小球好像记得 “ 自己的起始高度 ” ，我们把小球 “ 记得 ” 的这个 “ 东西 ” 叫做守恒量。 2 ．守恒量是自然界在变化过程中隐藏于现象中的一个反映其本质的物理量，也就是说，自然界并不自动地展现其背后的本质、规律和内在联系，所以寻找守恒量必须讲究科学的方法。例如，观察此消彼长的物理量、研究其相互的关系、科学构思巧妙的实验、精确地论证、推理和计算等。 　　　 　 在伽利略的斜面实验中，如果空气阻力和摩擦阻力不能忽略，则下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．动能和势能之和仍然守恒 B ．动能和势能之和将增加 C ．动能和势能之和将逐渐减少，但总能量还是守恒的 D ．以上说法均不正确 C 　 典例 1 解题指导： 伽利略的斜面实验为能量概念的建立和能量守恒定律的发现奠定了良好的基础，这也正是这一实验的重大意义。 解析： 若空气阻力和摩擦力不能忽略，那么在小球运动的过程中必然不断产生内能，因为能量一定遵循守恒的原则，所以动能和势能的总和一定要减少，减少的部分转化为内能。故选项 C 正确。 〔 对点训练 1〕 　 ( 原创题 )2013 年 6 月 20 日 “ 神舟十号 ” 航天员王亚平在 “ 天宫一号 ” 开展基础物理实验，为全国青少年进行太空授课，她将摆球拉开一定距离后放手，摆球并没有来回摆动 ( 如图所示 ) ，这是为什么？此时我们探究的守恒量 —— 能量，还存在吗？ 答案： 小球处于完全失重状态；存在 解析： 在 “ 天宫一号 ” 中的物体处于完全失重状态，与重力有关的一切物理现象都消失了，所以小球不会来回摆动。此时小球随 “ 天宫一号 ” 一起绕地球高速旋转，其动能与势能之和保持不变，即能量守恒。 探究二　动能、势能及其相互转化　 打夯时，夯锤高高举起又落下，砸在工作面上 ( 如图所示 ) ，请你说说打夯的过程中发生了哪些能量的转化？ 提示： 人把夯举高消耗体内的化学能使夯具有重力势能，下落时夯的速度越来越大，势能转化为动能，落地时动能又转化成内能等其他形式的能。 2 1 ．动能 说到动能，一定要有运动着的物体。例如，当伽利略释放小球后，小球开始运动，获得速度，运动着的小球就具有了动能。流动的河水 ( 如下图甲所示 ) ，吹来的风即流动的空气 ( 如下图乙所示 ) ，运转的天体，绕原子核旋转的电子等都具有动能。 2 ．势能 它必须有相互作用的物体，而且一定与其位置有关。例如，小球受到地球施于它的重力作用，当伽利略把小球从桌面提高到斜面上起始点的高度时，他就赋予了小球一种形式的能量 —— 势能。当我们将弹簧拉伸或者压缩时，弹簧各部分发生相互作用，各部分的相对位置与弹簧自然伸长时发生了变化，我们也就赋予了弹簧一定的势能。 3 ． 势能和动能的相互转化 从伽利略的斜面实验我们可以看出，势能和动能可以相互转化。如果斜面是光滑的，且空气阻力忽略不计，小球总可以沿斜面 B 上升到原来的高度。这说明了动能和势能在相互转化过程中能量是守恒的。 　　　 　 试分析下列事例中能量转化的情况： 解题指导： 本题主要突出动能和势能可以相互转化，体现转化过程中的守恒问题。 典例 2 解析： 对过山车来说，从最高处向最低处运动时，高度在减小，势能在减少，同时其速度在增大，动能在增加；对下落的果实来讲，其能量转化情况与过山车的情景相似；对斜抛物体来说，斜向上运动阶段，高度增大，速度减小，动能转化为势能；斜向下运动阶段，高度减小，速度增大，势能又转化为动能。 答案： a. 过山车从高处到低处势能减少，动能增加，势能转化为动能；从低处到高处速度减小，高度增大，动能减少，势能增加，动能转化为势能。 b ．下落的果实：果实的势能转化为动能。 c ．斜抛的物体：斜向上运动过程，动能转化为势能；斜向下运动过程，势能转化为动能。 〔 对点训练 2〕 　古代战争中常用滚木和礌石作为武器来阻止敌人的进攻，你能用所学的知识说明其中的科学道理吗？这种战术适用于哪种情况？怎样才能使杀伤力更大？为什么？ 答案： 滚木和礌石的重力势能转化为动能，利用其动能来杀伤敌人；这种战术适用于据高防守；提高其高度、增大其质量才有更大的杀伤力。动能越大，作用效果越强。 核心素养提升 　　　　 如果我们把相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫做势能；把物体由于运动而具有的能量叫做动能，那么，伽利略的斜面实验可以给我们一个启示。这个启示正确的是 ( 　　 ) ① 小球在斜面 A 上运动时，小球离地面的高度减小，速度增加，小球的速度是由高度转变而来的 ②小球在斜面 B 上运动时，小球离地面的高度增加，速度减小，小球的高度是由速度转变而来的 B 　 案 例 ③ 小球在斜面 A 上运动时，小球离地面的高度减小，速度增加，小球的动能是由势能转化而来的 ④小球在斜面 B 上运动时，小球离地面的高度增加，速度减小，小球的势能是由动能转化而来的 A ．①②　　　　　 B ．③④　　　　　 C ．①③　　　　　 D ．②④ 易错分析： 本题易错选 A ，这是只从表面现象得出的结论。 正确解答： 守恒量是自然界在变化过程中隐藏于现象中的一个反映其本质的物理量。小球在斜面上滚动时，其守恒量是 “ 能量 ” ，小球的 “ 能量 ” 在动能与势能之间转化，而不是速度与高度之间转化。