2020年高中物理教学设计(新人教必修二)7.1《追寻守恒量》1.docx

§7－1追寻守恒量（教学设计）

【教学设计理念】
通过课堂教学，让同学体验科学探究过程，了解科学争辩方法；增加创新意识和试验力量，进展探究自然、理解自然的爱好与热忱；促使同学进一步形成守恒的思想，使同学了解守恒思想的重要性。生疏能量守恒思想对社会进展的影响，为形成科学世界观和科学价值观打下基础。
【章节内容分析】
在老教材中，本章的教学流程主线是：先学习功的概念，再了解功和能的关系，然后学习能量的概念以及能量转化过程中的规律。但实际上，在物理学的进展过程中，能量的概念几乎是与人类对能量守恒的生疏同步进展起来的，能量的概念之所以重要，就是由于它是个守恒量。守恒关系是自然界中格外重要的一类关系，我们强调方法的训练、观念的训练，就要从时代开头加强同学对守恒关系的生疏。依据这样的思想，新教材把守恒思想的提出放到了具体的能量概念之前，并把它渗透在能量学习的全过程。这实际上是还原了能量概念在科学史上原来的位置。
（一）学问与技能
1、知道自然界中存在着多种守恒的因素，守恒是自然界的重要规律。
2、知道自然界中存在着一种被命名为能量的守恒量。
3、知道相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫势能。
4、知道物体由于运动而具有的能量叫动能。
5、能分析生活中涉及机械能转化的问题。
。【教学重点难点】
重点：对守恒思想的领悟，对科学争辩过程的体验，对能量、动能、势能等概念的理解。
【教学用具器材】
多媒体，铁架台，小球与细线，滚摆。
【教学过程设计】
(一)课前练习
1、寒假期间，邻居的两个小孩被你领进一个小房间里下棋。你关上房门外出办事回来后，发觉棋子散了一地。你带领两个孩子一起整理棋子，把棋子在盒子里排放整齐后，发觉还缺少6颗。你们一起找啊找，门后有1颗，墙角有1颗，杯子里面也有1颗，还有3颗就是找不到。但是你们还是连续找，地毯下又找到了2颗。最终一颗在哪里呢？你发觉窗户打开着，探出头一看，草地上还有一颗！
支撑你们连续查找的信念是什么？　　　　　
2、如右图所示，小球从斜面A上距地面高度为H处滚下来，又滚上斜面B，若地面和斜面都是光滑的，两个斜面的倾角都未知，试用我们学过的学问证明：小球滚上斜面B的最大高度也肯定等于H!
〈设计说明〉第1个问题选自浙江省编的《作业本》，本人认为是个格外经典的守恒问题，所以拿来让同学在新课之前先预热一下，既好玩，又可以强化同学对新课的期盼。
第2个问题也可以在新课中直接给出，不要求在课堂上进行证明，只是关注一下：用牛顿定律与运动学学问，是可以进行证明的，然后马上提出假如斜面是曲面的问题。但在课堂上，同学可能会有一种想要证明的冲动，这会使下面的课堂过程难以顺当的进行下去。而作为课前练习，由于是针对有名的“伽利略斜面抱负试验”的问题，又是利用已学的牛顿定律与运动学学问，同学运用已把握的学问和方法解决有名的问题应当是有爱好的。再说，让同学事先证明过之后，课堂上提出“小球滚上斜面B的最大高度也肯定等于H”时，同学心里也更踏实了。
(二)课的引入
提出课前练习中的第1个问题，同学说出自己的答案：“支撑我连续查找下去的信念是：棋子的个数是不变的，是守恒的。”
给出以下问题：
1、一个选购员，带着1000元现金到一些商店选购了几样物品，但未即时把购买每件物品所用的钱记在笔记本上，回单位报帐时，从口袋时搯出了6张发票，合计金额为650元，而剩下的现金只有280元。你认为他将会去做什么？促使他去这样做的依据是什么？
〈设计说明〉这里不要在同学提出选购员“可能要做哪些事情”上消耗时间，要很快地转入后一个话题，得出选购员的思想依据是“现金与花出去的钱的总量应当不变”。设计本问题的意图是渗透“守恒”思想，同时对后面将要发觉的“伽利略斜面抱负试验”中的小球运动过程中“存在某种不变的因素”起到示意作用。最终还要让同学意识到自然界中可能存在着很多种守恒的因素。
2、在争辩运动和力的关系时，伽利略曾用“斜面抱负试验”说明小球在不受摩擦等阻力的抱负条件下，小球将在水平面上永久运动下去，他的依据是什么？
〈设计说明〉复习已学过的伽利略的“抱负试验”争辩方法，通过同学回忆或老师提示，回想起伽利略的依据是小球总要上升到原来的高度，老师还可以用风趣的语言来描述这个“伽利略小球”是有某种 “灵性”的小球，是“有记忆”、“有愿望”的小球，当它从斜面滚到水平面上时，总是“想着”回到原来的高度，当前方存在上倾的斜面时，小球的“愿望”得以实现，假如始终都是水平面，那么小球就始终带着这个“想要”回到原来高度的“愿望”始终运动下去……但是这些说法都不是物理学的语言，在物理学中，这一事实被说成是“有某一量是守恒的”。
3、如右图所示，小球从斜面A上距地面高度为H处滚下来，又滚上斜面B，若地面和斜面都是光滑的，两个斜面的倾角都未知，
（1）能不能用我们学过的什么学问求出小球到达在各个位置的运动状况？你能证明小球滚上斜面B的最大高度也肯定等于H吗？
（2）假如两个斜面是曲面呢？
〈设计说明〉可课前让同学先争辩第一个问题的后一问。其次问有难度，教科书中并没有提出这个问题，但作为一个难题，让同学难住了，或者是让他们觉得要用微元法求解太繁琐，从而引出是否存在其他解决问题的捷径的问题，可以激发同学更强的求知欲。
可以想象，宏大的牛顿正是在争辩这类问题时创造了微积分的，或许正由于牛顿有格外好的数学天赋，反而使他没有发觉更简洁的解决问题的方法——一个奇特的规律——能量守恒！
本问题的关注点是：小球在整个运动过程中处于各个位置时“是否始终存在某种不变因素？”
(三)新的探究
一、提出问题
牛顿定律很奇特，因它阐明白自然界的前因后果关系，人们还可用它预见一些简洁事物的将来！但是牛顿定律在解决实际问题时是否遇到困难？物理学产生于对自然现象的争辩，也要能运用于对自然现象的争辩，可是自然界的运动千变万化，假如都用牛顿定律来争辩，有时存在很大的困难，我们现在就开头查找新的解决问题的捷径吧。
二、初步猜想与试验“验证”
你对刚才的问题有什么猜想？你能证明这一猜想吗？
同学很自然地还会猜想：小球上升的最大高度仍是H
有部分同学提出：可用微元法证明，但很麻烦。
课件呈现：伽利略的斜面（曲面）抱负试验的动画
〈设计说明〉用微元法证明的过程在本节课中没必要进行，同学有这个思路就可以了，本节课的主要任务在于产生创新思维——追寻守恒量。
演示：由于实际的斜面（曲面）存在摩擦阻力，试验结果难以达到比较抱负的程度，我们可以用类似的试验来说明问题：如右图装置中，小球所受的阻力很小，大家看到什么规律？
同学可能回答：高度不变，或说高度守恒。
三、设置疑点
老师引导：这一说法只是关注小球在整个运动过程中的初、末两个状态，实际上小球在整个运动过程中高度是在变化的，怎么能说“高度守恒”？
四、重要探究点1——小球运动过程中的什么因素是守恒的？
〈设计说明〉这个探究点是教材中没有提及的，是教材内容的一个拓展点或者说是一个加探点，经教学实践，很多同学由衷地感叹说：物理学怎么这样好玩！分析来分析去的竟然发觉了很多自然界的奇特，原来能量的概念与力的概念是可以这样联系起来的！
同学小组活动：
〈设计说明〉老师可以示意：在“课的引入”问题1中，选购员不但是最终余下的现金与所花的钱之和应当等于起初所带的钱，其实在他不断花钱过程中的每一个状态下，这个和总是不变的，也就是守恒的！
在后面的一系列探究过程中，老师还应抓住一些恰当的时机进行引导，否则很可能得不到比较抱负的探究结果。不过在同学探究过程中，老师不要动不动就“横加干涉”，要把握好引导的度。
同学经探究发觉：小球高度减小时，速度就增大；反之，高度增大时，速度就减小。好像“高度”和“速度”可以相互转化？好像存在一个什么不变的因素？
在较短时间内，若没有同学提出，则由老师提出：是不是高度与速度加起来是守恒的？（多数同学表现：？）
〈设计说明〉同学已经有了单位制的概念，即使有了这个灵感，也不太可能会提出这个想法，灵感在瞬间被抹杀！所以，必要时老师可以替同学再次提出这一想法，目的是让同学提出疑义，同时激发他们产生更深化层次的灵感——“高度”与“速度”以某种方式加起来应当是守恒的——这实际上已经为本章第八节“机械能守恒定律”的教学做好了铺垫。
关键问题：高度与速度以什么样的方式加起来是守恒的？或者说以什么样的方式进行转化？
〈设计说明〉从“加起来守恒”的思想，变成“相互转化”的思想，从而在稍后的探究中想到速度平方公式，这是一个思维转换的过程，需要在设计问题时做一些铺垫。后一问就是为此而设计的。
同学连续探究：……
老师视同学的进展状况，必要时可进行如下思路的引导，这些引导遵循肯定的思维规律关系，使思维一步一步地靠近目标：
参考引导1：人们在争辩某些简单问题时，可能很难找出其中的规律，很自然就想到在这些问题中是否存在某种守恒的量，假如存在，则可能给问题的解决带来极大的便利。刚才我们考虑小球高度与速度大小之和守恒，是个有创意的想法，只是两者不属于同一类物理量，其大小之和是没有意义的。能否想方法联系到同一类物理量上去？
参考引导2：若在已知的量中找不出合适的，就可以考虑再定义一个新物理量，这是科学争辩的常用方法。
参考引导3：依据我们已学的物理学问，高度可以联系到位移量上去，而位移与速度是否存在某种联系？
参考引导4：我们查找的是某种守恒量，而守恒（或说不变）就意味着存在某种等式，所以我们所要查找的“某种联系”应当可以用等式（公式）来表达，假如存在这种等式，那这个等式的两边所对应的“量”必定是单位相同的，是同一类的“物理量”。请问：在我们已知的物理公式中是否有涉及位移与速度关系的？
同学探究结果的演进：
……v22－v12＝2ax……
……小球从静止开头运动，有v2＝2ax……
……在斜面上有v2＝2gh……
……进一步猜想： 2gh与v2之和是守恒的……
老师赞扬：格外好！这个猜想是否合理，我们以后有机会再争辩，但至少我们已经有了一个创新的想法。
五、了解科学家的争辩结果
科学进展到今日，人们发觉，一切变化无论属于什么运动形式，反映什么样的物质特性，都要满足肯定的守恒规律。例如刚才争辩的问题，科学家们是怎样争辩这个守恒规律的？现在请大家阅读教材P2的第四~六自然段（约2分钟），并回答以下问题：
①刚才所争辩的问题中的“守恒量”叫做什么？（能量或机械能）
②当把小球从桌面提高到肯定高度时，我们赐予小球什么能？（势能）
③小球沿斜面A往下滚时高度在减小，它的势能守恒吗？怎样解释？沿斜面B往上滚时又怎样？（不守恒，势能在减小，但动能在增加。沿斜面B往上滚时，动能在减小，而势能在增加。在这些变化过程中，能量只是在转化来转化去，但并未丢失。）
六、联系生活实际与解题应用
举诞生活中的一个例子，说明不同形式的机械能之间可以相互转化。你的例子是否向我们提示，转化过程中能的总量保持不变？
同学举例：……
参考例子：游乐园中的海盗船，假如没有摩擦和空气阻力，船在摇摆时都能达到肯定的高度……。
演示：滚摆试验
老师：通过本章节的学习，同学们将会发觉，有了能量观念，在解决某些力学问题时，经常会给我们带来惊喜！
七、重要探究点2——造成能量转化的缘由是什么？
〈设计说明〉这个内容也是教材中没有提及的。但是，关于“功是能量转化的量度”的问题，同学通过初习是知其而不知其所以然，当学了动能定理后，有些同学会为功、能这些概念的抽象而感到头痛，所以在本节课内容不多的状况下，让同学争辩一下造成势能和动能相互转化的缘由，从而对“功是能量转化的缘由”，直到后来得出“功是能量转化的量度”打下基础。再说，在接下来的一节课就要学习功的计算了，所以在本节课中，在时间允许的条件下，有必要探究一下，“为什么要建立功的概念？”，至于负功问题可以留到下一节再考虑。
思考与争辩：伽利略的斜面试验使人们生疏到引入能量概念的重要性，同时也产生了新的问题：势能和动能可以定量地量度吗？这个问题有难度，我们可以先搁置一下。但是我们首先可以考虑一下，造成势能和动能发出转化的缘由是什么呢？请针对前面的例子或你自己刚刚举出的例子分析一下。
同学：初过，是由于有力（重力）做功。
老师：为什么有力做功能使势能和动能发出转化？仅凭对学校学问的记忆来争辩高中问题是不够的，现在还是依据刚学的高中学问来一步一步地推理分析吧！
小组争辩：……
同学A：是由于有重力的作用，假如没有重力的作用，小球不会滚下来，势能就不会变。
同学B：有重力作用不肯定就能使小球的高度下降，例如小球放在水平面上。只有放在斜面上的小球在重力作用下势能才会减小，同时动能增加。
老师：有不同意见吗？
同学C：小球不肯定要放在斜面上，刚才试验中的摆球，其势能和动能也能相互转化。
同学D：小球从空中自由下落时，势能也转化为动能。
同学归纳：当物体受到重力，而且造成物体的高度下降时（也就是有重力方向上的位移时），物体的势能减小，动能增加。也就是说，当重力有做功时，势能和动能相互转化。
老师：很好！大家发觉了势能和动能之间的相互转化，需要通过重力做功来实现。我们再来看一个例子：水平面上一个物体受到一个水平推力的作用，速度越来越快，它的动能怎样变化？势能是否减小？怎样解释？
同学E：动能增加，而势能不减小，是由于推力对物体做功，能量于施加推力的物体。
老师：看来，能量的转化或转移可能是通过重力做功实现的，也可能是通过其他力做功实现的，总之，为了定量地表示各种能量以及这些能量的转化状况，必需首先争辩力以及力的做功状况，因此，我们下节就先来争辩力做功的问题。
八、课堂小结
通过这节课的学习：
1、我们了解了自然界的一个重要规律——守恒规律。这种守恒思想也是一种信念，它是科学争辩的重要思路。
2、大家还要知道，能量是物理学的重要概念，能量守恒定律不仅在力学中适用，而且在物理学的其他部分，甚至在物理学之外的各个领域都是普遍适用的，所以本章是高中物理中格外重要的内容。
3、在总量守恒的前提下，能量是可以相互转化的，造成能量转化的缘由是有力做功，因此下节课我们先来争辩功的问题。