“重力势能”的探究式教学设计，本文主要内容关键词为：势能论文,重力论文,式教学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
重力势能是机械能守恒的知识基础，是一个重要知识点。要让学生真正理解和掌握重力势能概念、意义及其研究方法，教师须采用有效的探究式教学。
一、教学目标
1.知识与技能
(1)理解重力势能的概念，能用重力势能的表达式计算重力势能，知道重力势能具有相对性，重力势能的变化具有绝对性。
(2)理解重力做功与重力势能的关系，并能用这一结论解决一些简单的实际问题，知道重力做功与运动路径无关。
(3)理解功是物体能量变化的量度。
2.过程与方法
(1)训练学生的发散思维和归纳能力。
(2)学习用“不变的量代替变化的量”的方法。
(3)学习势能的研究方法——功和能密切联系，抓住力做功和对应势能的变化，得到势能的表达式。
3.情感态度与价值观
(1)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。
(2)预防高空坠物的社会公德教育。
(3)体会通过做功研究能量变化的思想。
(4)科学不仅仅是认识自然，挑战自然，更在于能动地改造自然。
二、设计思想
学生是学习的主体，教师是活动的组织者和引导者。通过生动有趣的图片引入新课，激发学生求知的欲望。多媒体展示各种实例，让学生了解物体不动时，“储存”着一种能量——重力势能，提高学生认知水平。让学生通过自己设计实验，同学之间相互讨论，来学习应用“控制变量法”研究问题。引导学生通过实例计算来认识重力势能的相对性以及重力势能变化的绝对性，从而突破教学难点。根据功和能的关系，从理论上探究重力做功跟重力势能改变的关系，加深理解功是能量转化的量度。
三、教学过程
1.新课引入
通过视频或投影展示打桩机的重锤从高处落下，把水泥桩打进地里；陨石从天而降在地面上砸出一个巨坑；世界第一的尼亚加拉大瀑布，咆哮着飞奔而下等情景。
［教师提问］从刚才的画面中，同学们想到了什么？
［学生回答］……
［教师提问］举高的重锤、陨石、瀑布等，这些物体在没有下落之前都具有能量，高处的物体凭借其位置而具有的能量，叫做什么能？
［学生回答］重力势能。
2.重力势能
(1)实验探究
［教师提问］重力势能的大小和什么因素有关？
［教师引导］哑铃放在脚边，我们都不觉得什么？但是如果把它悬挂在你的头顶之上，就变得可怕起来。重力势能的大小和什么因素有关呢？
［学生回答］高度。
［教师引导］如果悬挂在头顶之上的是一团棉花，你还会觉得可怕吗？重力势能的大小还和什么因素有关呢？
［学生回答］质量。
［学生自主实验探究］（控制变量法）
实验器材：1根塑料管，1块泡沫塑料，2根钢钉，2块质量不同的圆柱体。
4人一组，让学生根据给定的实验器材设计实验方案（图1），请一名学生回答。
图1
通过实验，说明重力势能的大小与质量和高度之间的大致关系。得到：同一高度的物体，质量越大，重力势能越大；质量相同的物体，高度越高，重力势能越大。
［教师总结］质量越大，高度越高，重力势能越大，做功的本领也越大。
［教师引导］那么如何定量地来表示重力势能的大小？是mgh吗？根据此实验，写成
或
等是否也符合要求？看来要定量表达重力势能还得做进一步的研究。
(2)理论分析
①重力势能与重力的功密切联系
［教师引导］请同学们观察，将哑铃举高（演示），哑铃的重力势能增加，在举高过程中，哑铃是否在重力作用下通过了一段位移，重力是否做功？
哑铃的高度变化，重力要做功。哑铃举高时，重力做负功；哑铃下降时，重力做正功。重力势能与重力的功有密切联系，因此，我们要定量表达重力势能，就不能脱离对重力做功的研究。
②重力做功的特点
［设置情境］质量为m的滑雪运动员从高为
的山顶沿不同路径下滑到高度为
的山腰（图2），求重力对他做的功分别是多少。
1)运动员直接从高为的A点竖直下落到高为的B点，重力做功为
。
图2
［教师引导］逐步提出问题，引发学生思考并逐步进行分析计算。在分析过程中要体现出极限思想，主要强调的是科学方法。
1)物体沿曲线运动，就已有的知识，重力做功能求出吗？不能，怎么办？
2)想一想我们能够解决的是什么样的情况？
3)回忆前面学习过的方法，可不可以变曲为直呢，怎么变？将整个路径分成许多很短的间隔。
4)怎样来进一步计算重力做功？
5)把整个路径分成许多很短的间隔，由于每一段很小很小，都可以近似看作一段倾斜直线；分别求出物体通过每一小段倾斜直线时重力所做的功；物体通过整个路径时重力所做的功，等于重力在每小段上所做的功的代数和，即重力做功为
［思考］事实上运动员在下滑过程中要受到摩擦力，若考虑摩擦力的作用，对计算重力的功有影响吗？（重力做功只与重力有关，与物体是否受到其他的力作用无关）
［教师引导］能否从上面的几个例子中分析归纳重力做功的特点？
［学生归纳总结］物体运动时，重力对它做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。
［板书］
［教师引导］至此，我们已知道重力做功的大小等于重力跟起点高度的乘积
与终点高度的乘积
两者之差，观察重力与所处位置的高度的乘积“mgh”可以看出有下列特征：
a.与重力做功密切相关，且做功与路径无关；
b.与高度有关，且随高度变化而变化。
说明“mgh”是一个具有特殊意义的物理量。那么，这个特殊意义的物理量是什么呢？是否就是我们上课开始时提到的重力势能这个物理量呢？
［总结］是，原因是这一物理量具有的两个特征恰与重力势能的基本特征一致。
因此，我们把物理量mgh叫做物体的重力势能，常用
来表示。让学生自己写出计算重力势能的表达式
及单位、标矢性。
3.重力做功与重力势能变化的关系
根据重力势能的表达式，重力做功可以表示为初末位置重力势能的差值。
［板书］
由此可以看出重力做功可以使重力势能发生变化：重力做功与重力势能的变化关系如下。
物体下落，重力做正功，重力势能减少，减少的重力势能等于重力对物体做的功；
物体上升，重力做负功，重力势能增加，增加的重力势能等于物体克服重力做的功。
所以说重力势能的变化量与重力做功的正负号相反；用公式表示应该为
［小结］功与能密切联系，重力做功量度重力势能的变化。
［知识应用］浙江安吉抽水蓄能电站简介
问题：抽水蓄能电站有一个建在高处的上池和一个建在电站下游的下池。它的作用：一旦缺电，蓄能电站就放水发电；一旦窝电，蓄能电站便抽水蓄能。请问
1)蓄能电站储存的是什么形式的能？
2)若抽水过程中，将质量为m的水抽到高为h的上池，重力做的功为多少？重力势能变化了多少？
3)放水时，使质量为m的水下落h高度，重力做的功为多少？势能变化了多少？势能转化为什么形式的能？
4.重力势能的相对性
［讨论］有一句歌词“山上有棵小树，山下有棵大树，我不知道，不知道哪棵更高”，你能帮忙说明哪棵树更高吗？歌词说明了一个什么问题？
［教师引导］高度具有相对性。
［追问］那么重力势能有没有相对性呢？我们在研究一个物体重力势能时应该怎么办？
［教师引导］选择一个参考平面，设在这个平面上物体的重力势能为零。
举例：一只花盆从16楼窗台落地，分别以地面、16楼、3楼为参考平面，计算花盆在窗台和地面时的重力势能及它们之间的重力势能差值。
［学生讨论探究］根据上题给出数据（可列表）能总结出什么规律？（分组讨论、交流，教师引导总结）
［学生总结规律］
1)重力势能具有相对性（相对于不同的参考平面重力势能的大小不同），确定了参考平面，物体重力势能才有确定值。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。
2)重力势能的正负含义：重力势能是标量，只有大小没有方向，正号表示物体在参考平面的上方；负号表示物体在参考平面的下方。
3)重力势能的变化与零势能面的选取无关，具有绝对性，事实上在与重力势能相关的问题中，有价值的是势能的差值。
5.势能是系统所共有的
［教师］重力势能跟重力做功密切相关，而重力是地球与物体间的引力作用；没有地球对物体的引力作用就没有重力势能。因此重力势能为地球与物体所共有。平常所说的“某一物体”的重力势能，只是一种习惯的简化说法。
事实上，任何形式的势能，都是系统内物体由于相互作用，因相对位置的变化而引起的。如分子势能、电势能，它们分别属于分子系统或电荷组成的系统。
四、教学后记
本节课内容不多但非常重要。对于势能的学习，应该紧紧抓住重力做功和对应势能的变化展开，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，例如弹性势能、分子势能，特别是电势能的研究，有很多类似的地方，所以这节课一定要加以重视。