【同课异构】7.4 势能及其改变

势能的学习是机械能守恒定律的知识基础，重力做功与重力势能改变的关系是本章一个重要知识点。对于重力势能，学生在初中已有了一定了解，在本节教学中，教师应在学生原有知识的基础上，根据学生的认知特点，定量探究重力势能与物体所受的重力、物体所处的高度的关系。在高中物理学习中，学生可能遇到的势能有：重力势能、弹性势能、电势能及分子势能，所以重力势能概念的学习对以后相关概念以及机械能守恒定理的理解都至关重要。

学生在初中时已接触过重力势能的概念，在高中阶段要进一步定量的理解重力势能。学生已学习了功的概念和计算方法，会计算重力做的功，对通过重力做功的计算来判断重力势能的变化已经有了知识准备。高中的学生具有一定自主探究能力，因而，在教学中以学生自主探究学习为主，引导他们自觉主动地去讨论探究。

1.理解重力势能的概念，知道重力势能的相对性，会用重力势能的定义进行计算。

2.理解重力势能的变化和重力做功的关系，知道重力做功与路径无关。

3.了解弹性势能。

1．通过自主探究过程培养学生逻辑思维能力。

2．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和对比思想。

科学态度与责任

学会从重力做功重力势能变化的角度分析和解释物理现象，体会物理规律在生活中的应用，激发学习兴趣，提高探索世界的能力。

重力势能的概念及重力做功跟物体重力势能改变的关系。

重力做功跟物体重力势能改变的关系，重力势能的系统性和相对性。

从教的角度看，教师先展示蓬松的白雪，然后展示雪崩的排山倒海之势，通过一个对比激发学生学习兴趣和强烈的求知欲。然后在课堂中将问题置于实验之中，通过不同小球的下落让学生体会重力势能和那些因素有关，让学生能更清晰地感受到物理量在公式中所起的所用。

从学的角度看，本节内容比较接近实际生活，学生已经学习了动能，高处的物体下落的过程中动能越来越大是生活中很常见的现象，学生可以从实际生活出发理解本节的知识。同时在学习重力做功与重力势能的关系时，学生一定要用好前面所学习的功的知识，主动去探究，主动去推导。

课堂引入：

展示蓬松的白雪的视频或图片，然后展示雪崩爆发的视频通过实验对比，

http://www.iqiyi.com/v_19rrnt7u68.html

教师提出问题：为什么平时看起来非常轻盈漂亮的雪花会有如此大的破坏力呢？

然后引导学生往能量的角度思考，通过这个例子，我们发现物体处在一定的高度时，就具有了一定的能量。而当它从所处的高处落下时，这些能量就会以做功的方式释放出来。这种能量就是重力势能。在初中，我们已经学过：物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能。定义：物体处于一定的高度而具有的能。

我们本节课主要围绕重力势能探究下面三个问题：

1．那么重力势能的大小与什么因素有关，又如何定量表示呢？

2．重力势能的变化与重力做的功之间又存在什么样的关系？

3．重力做功与物体运动路径的关系？

引发认知冲突，激起探究兴趣，引入新课。

教师准备好实验仪器，一盆干燥的细沙，2个铁球，1个塑料球，请同学们设计实验，如何探究重力势能和哪些因素有关？

学生设计实验，实验方法：控制变量法。2个小铁球由不同的高度自由下落，观察打出的沙坑的大小，得出结论：同等质量，高度越高，重力势能越大。然后让1个小铁球和1个小塑料球从相同高度同时下落，观察打出的沙坑的大小，得出结论：同等高度，质量越大，重力势能越大。（本实验是课本181页迷你实验室的试验改进，用2个小球同时下落会形成一个明显的对比，加深学生印象。）

进而进行总结：我们可以定性得到：重力势能跟物体的质量和高度都有关系，且物体的质量m越大，所处的高度h越大，重力势能E_P就越大。在物理学中，把物体的重力势能表示为：E_P=mgh

标量：势能是标量，只有大小，没有方向。

单位：焦耳（J）

教师提出问题：公式中的m是物体的质量，g是重力加速度，h是什么呢？是物体所处的高度？

对同一个物体，m一定，重力势能的大小由物体所处的高度决定。有一个桌面位于地面之上，桌面高为H，将一个物体放在桌面上，这个物体相对于桌面的高度是多少？物体相对于地面的高度又为多少呢？那物体的重力势能相对于桌面和地面又分别是多少呢？

学生分组讨论，然后将讨论结果进行展示，相对于桌面重力势能为0，相对于地面重力势能为E_P=mgH。

也就是我们两次求出来的同一个物体的重力势能大小不一样，这是为什么呢？

总结：因为我们选取的参考平面不一样。由此我们可以知道重力势能总是相对于某个水平面来说的，这个水平面叫参考平面。参考平面选取不同，重力势能的数值就不同。可见，重力势能具有相对性。

所以计算一个物体的重力势能时，我们必须先选定某一个水平面，并把这个水平面的高度定为零，即取物体在该面上的重力势能也为０，我们把这样的平面叫做零势能参考平面。

重力势能具有相对性：Ep与参考平面（零势能面）的选择有关

例如：如果我们选定桌面为零势能参考平面，当质量为ｍ的物体位于该参考平面以上高度为h_１的A处时，它的重力势能是E_PA=mgh₁；当物体放在桌面上时，它的重力势能即为E_PB＝０；而当物体放在桌面以下h_２的地上时，它的重力势能则为E_ＰＣ＝－mgh_２。

问题：势能的正负代表什么含义？重力势能为3J和重力势能为-5J哪个重力势能大？

正负代表大小，对选定的参考平面而言，在参考平面上方的物体，高度是正值，重力势能也是正值，表示物体在该位置具有的重力势能比在参考平面具有的重力势能要大。

在参考平面下方的物体，高度是负值，物体具有负的重力势能，表示物体在该位置具有的重力势能比在参考平面上具有的重力势能要少。

实际上，只有当放在高处的物体下落时，才对外做功，因此重力势能可以看成是一种被暂时储存起来的潜在力量。在生产生活中，人们根据需要将重力势能转化为动能把桩钉打入地下；在江河中修筑堤坝提高水位，就可以利用水的重力势能来发电。

展示滑雪运动的图片或视频

帮助学生构建出滑雪的物理模型。

提出问题1：运动员从A运动到B，重力做的功是多少？重力势能的变化是多少？

           运动员从A运动到C，重力做的功是多少？重力势能的变化是多少？

学生分组讨论，然后展示结论。

运动员无论是从A运动到B，还是从A运动到C，

重力做功为W_G=mg（h₁-h₂）

重力势能的变化为△E_P=mgh₂-mgh₁= mg（h₁-h₂）

然后提出问题2：如果运动员是沿曲线从A运动到C，那重力做的功是多少？重力势能的变化是多少？（可帮助学生回忆微元法）

结论：重力做功、重力势能的变化只与始末位置的高度差有关，路径无关。

教师可以继续提出问题3：如果小球下落过程中还受到阻力，重力势能的变化量和重力做的功跟只受重力时相比有没有变化？请同学们自己计算。

结论：物体的重力势能的变化只由重力所做的功决定，与是否存在其他力的作用及有没有其他力做功均无关。

重力势能的变化与重力做功的关系就可以写成：W_G =-△E_P= E_p1-E_p2

说明：W_G表示重力做的功；E_p1＝mgh₁，表示物体初位置的重力势能；E_p2＝mgh_２表示物体末位置的重力势能。

物体下落，这一过程中重力方向与位移的反向相同，重力做正功，W_G＞0，E_p1＞E_p2，重力势能减少，重力做多少功，重力势能减少多少；物体上升重力方向与位移方向相反，重力做负功，即物体克服重力做功，W_G＜0，E_p1＜E_p2，重力势能增加。

总之，重力势能的改变是由重力做功决定的：重力对物体做多少功，物体的重力势能就减小多少，物体克服重力做多少功，重力势增加多少；重力势能的改变与是否有除重力之外的其他力存在或参与做功无关。

教师引导：重力势能与零势面选取有关吗？物体在某两点间重力势能的改变与零势面选取有关吗？

经过讨论，总结规律：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，物体重力势能才确定。重力势能的变化与零势能面的选取无关，不具有相对性。

展示撑杆跳视频

http://v.youku.com/v_show/id_XMzAyNjExMTE0OA==.html?spm=a2h0k.8191407.0.0&from=s1.8-1-1.2

引发学生兴趣，然后进行实验演示

装置如图所示：

将一木块靠在弹簧上，压缩后松手，弹簧将木块弹出。

分别用一个硬弹簧和一个软弹簧做上述实验，观察现象。

学生观察并叙述实验现象.

同一根弹簧，压缩程度越大时，弹簧把木块推得越远。两根等长的软、硬弹簧，压缩相同程度时，硬弹簧把木块弹出得远。

师生共同分析，得出结论：

上述实验中，弹簧被压缩时，要发生形变，在恢复原状时能够对木块做功，因而具有能量，这种能量叫做弹性势能。

然后请同学们再举几个物体具有弹性势能的例子。

学生思考并举例：卷紧的发条、蹦床、拉开的弓。

提出问题1：弹性势能的大小与哪些因素有关？我们在学习重力势能时，是从个物理量开始入手进行分析的？这对我们讨论弹性势能有何启示？

学生思考后回答：学习重力势能时，是从重力做功开始入手分析的，讨论弹性势能应该从弹力做功的分析入手。

然后引导学生阅读教材183、184页，找出探究过程中要依次解决的问题，从总体上把握探究的思路。

提出问题2：重力做功，重力势能发生变化，重力做功在数值上等于重力势能的变化量。那么，弹力做功与弹性势能的变化之间的关系是怎样的？

学生思考问题，学生代表发言。

教师听取学生汇报，点评，解答学生可能提出的问题。

结论：与重力做功的情况类似，弹簧对外做了多少功，弹性势能就减小多少；反之，克服弹力做了多少功，然形式能就增大多少。

弹性势能与重力势能一样，都与物体间的相对位置有关：重力势能是地球表面附近物体与参考点的相对位置决定的；弹性势能是由发生弹性形变的物体各部分的相对位置决定的。人们把这类由相对位置决定的能称为势能。

学生活动五：寻找其他势能

课下思考并查阅资料，寻找一下生活中还有那些势能。

垦利一中  杜  辉

广饶一中  贾福东