【同步備課】2020年高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)(新人教必修二)7.5《探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式》2

5探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式文本式教學(xué)設(shè)計(jì)整體設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)科學(xué)探究方法，進(jìn)展自主學(xué)習(xí)力量，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣，能運(yùn)用物理學(xué)問和科學(xué)探究方法解決一些問題是課程標(biāo)準(zhǔn)總目標(biāo)中對(duì)同學(xué)在科學(xué)探究方面提出的要求.本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是通過科學(xué)探究來落實(shí)過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀的要求.通過探究方案的設(shè)計(jì)，讓同學(xué)進(jìn)行自主探究，激發(fā)同學(xué)的制造潛能，啟發(fā)同學(xué)的思維，把同學(xué)真正地融入到教學(xué)中來，發(fā)揮其主體作用.本節(jié)就是依據(jù)物理課程標(biāo)準(zhǔn)要求，不要求同學(xué)用彈簧的彈性勢(shì)能的表達(dá)式解決相關(guān)問題，而是讓同學(xué)經(jīng)受一次理論探究的過程，屬于規(guī)律推理任務(wù)型.同學(xué)的科學(xué)探究并不意味著只是動(dòng)手操作，進(jìn)行試驗(yàn)活動(dòng).因此，本節(jié)教材在教學(xué)中重點(diǎn)放在物理方法的教學(xué)及加深同學(xué)對(duì)科學(xué)探究的理解上.本節(jié)課的探究是在同學(xué)原有認(rèn)知基礎(chǔ)上，通過猜想與假設(shè)，運(yùn)用已把握的物理規(guī)律,從理論上推導(dǎo)出新的物理規(guī)律，它留意理論推導(dǎo).在實(shí)際的教學(xué)中，由于對(duì)彈性勢(shì)能的理解同學(xué)存在肯定的困難，老師可以引導(dǎo)同學(xué)接受類比方法，彈性勢(shì)能類比重力勢(shì)能、彈力類比重力，引導(dǎo)同學(xué)回憶爭(zhēng)辯重力勢(shì)能時(shí)從重力做功入手，因此，爭(zhēng)辯彈性勢(shì)能應(yīng)當(dāng)從彈力做功開頭.然而彈簧的彈力是一個(gè)變力，如何爭(zhēng)辯彈力做功是本節(jié)的一個(gè)難點(diǎn)，要引導(dǎo)同學(xué)對(duì)比勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移的求法，進(jìn)行學(xué)問遷移，利用微元法得到彈簧的彈性勢(shì)能的表達(dá)式，逐步把微分和積分的思想滲透到同學(xué)的思維中.本節(jié)課不要求用彈性勢(shì)能的表達(dá)式解題，而是要著重讓同學(xué)體會(huì)探究的過程和所用的方法，所以在整個(gè)教學(xué)過程中，老師作為一個(gè)引導(dǎo)者，要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境，激發(fā)同學(xué)的學(xué)習(xí)欲望，要讓全體同學(xué)都主動(dòng)參與探究的全過程，成為學(xué)習(xí)的主體，同時(shí)，老師作為參與者，在探究過程中，要準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行點(diǎn)撥，引導(dǎo)同學(xué)去發(fā)覺問題，并啟發(fā)同學(xué)查找解決問題的方法，讓同學(xué)體驗(yàn)到探究自然規(guī)律的艱辛和喜悅.教學(xué)重點(diǎn)1.利用微元法和圖象法計(jì)算變力做功的問題.2.運(yùn)用規(guī)律推理得出彈力做功與彈性勢(shì)能的關(guān)系.教學(xué)難點(diǎn)1.理解微元法把變力做功轉(zhuǎn)化為恒力做功.2.理解利用力—位移的圖象計(jì)算變力做功的依據(jù).課時(shí)支配1課時(shí)三維目標(biāo)學(xué)問與技能1.理解拉力做功與彈簧彈性勢(shì)能變化的關(guān)系.2.進(jìn)一步了解功和能的關(guān)系.過程與方法1.用與重力勢(shì)能類比的方法，猜想打算彈性勢(shì)能大小的因素.2.通過學(xué)問與技能的遷移過程，自主探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式.3.讓同學(xué)經(jīng)受由猜想到理論探究，再到試驗(yàn)證明的一般的科學(xué)發(fā)覺過程.情感態(tài)度與價(jià)值觀1.通過爭(zhēng)辯與溝通等活動(dòng)，培育同學(xué)與他人進(jìn)行溝通與反思的習(xí)慣.發(fā)揚(yáng)與他人合作的精神，共享探究成功后的喜悅.2.體會(huì)彈性勢(shì)能在生活中的意義，提高物理在生活中的應(yīng)用意識(shí).課前預(yù)備自制課件、橡皮筋、彈簧、滑塊等.教學(xué)過程導(dǎo)入新課試驗(yàn)導(dǎo)入裝置如圖所示：將一木塊靠在彈簧上，壓縮后松手，彈簧將木塊彈出.分別用一個(gè)硬彈簧和一個(gè)軟彈簧做上述試驗(yàn)，分別把它們壓縮后松手，同學(xué)認(rèn)真觀看試驗(yàn)現(xiàn)象并敘述.現(xiàn)象一：同一根彈簧，壓縮程度越大時(shí)，彈簧把木塊推得越遠(yuǎn).現(xiàn)象二：兩根等長的軟、硬彈簧，壓縮相同程度時(shí)，硬彈簧把木塊彈出得遠(yuǎn).師生共同分析，得出結(jié)論：上述試驗(yàn)中，彈簧被壓縮時(shí)，要發(fā)生形變，在恢復(fù)原狀時(shí)能夠?qū)δ緣K做功，因而具有能量，這種能量叫做彈性勢(shì)能.圖片導(dǎo)入大屏幕投影呈現(xiàn)撐竿跳、張弓射箭、各類彈簧的圖片.老師提出問題：壓縮的彈簧可以把小球彈出很遠(yuǎn)、拉開的弓可以把箭射出、撐竿跳高運(yùn)動(dòng)員可以借助手中的彎曲的桿跳得很高……這些現(xiàn)象說明什么？他們存在哪些共同的地方？同學(xué)思考、爭(zhēng)辯、回答,引出本課內(nèi)容.問題導(dǎo)入2004年8月20日進(jìn)行的奧運(yùn)會(huì)女子蹦床競(jìng)賽，讓中國觀眾生疏了這項(xiàng)既好看又驚險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng).中國選手黃珊汕摘取銅牌后，國家蹦床隊(duì)總教練卓賢麟表示，盡管中國開展蹦床運(yùn)動(dòng)只有6年的時(shí)間，但是中國已經(jīng)確立了在2008年奧運(yùn)會(huì)上沖擊男女兩塊金牌的目標(biāo)，黃姍汕的銅牌，則成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步.蹦床的核心部件就是一張四周都固定的彈簧網(wǎng).1.運(yùn)動(dòng)員在網(wǎng)上是怎樣跳起來的？2.對(duì)同一運(yùn)動(dòng)員的同一個(gè)動(dòng)作來說，彈簧網(wǎng)下陷的“深度”與哪些因素有關(guān)？3.運(yùn)動(dòng)員能被彈到較高的高度，這說明形變的肌肉和形變的彈簧床具有什么性質(zhì)？推動(dòng)新課大屏幕投影呈現(xiàn)撐竿跳、張弓射箭、各類彈簧的圖片.同學(xué)觀看：壓縮的彈簧可以把小球彈出很遠(yuǎn)、拉開的彈弓可以把彈丸射出、撐竿跳高運(yùn)動(dòng)員可以借助手中彎曲的桿跳得很高.師生共同分析，得出結(jié)論：上述現(xiàn)象中，彈簧等裝置被壓縮或拉伸時(shí)，發(fā)生了彈性形變，由于彈力的作用，彈簧等裝置在恢復(fù)原狀時(shí)能夠?qū)ν庾龉?，因而具有能量，這種能量叫做彈性勢(shì)能.問題：通過重力勢(shì)能一節(jié)的學(xué)習(xí)我們知道了重力勢(shì)能的表達(dá)式mgh和兩個(gè)影響因素：物體的質(zhì)量和高度.影響彈性勢(shì)能的因素有哪些？是怎樣影響的？請(qǐng)舉誕生活中的一些彈性勢(shì)能的例子來總結(jié)分析說明.參考：1.弓拉得越滿，箭射出去得越遠(yuǎn).2.彈弓的橡皮筋拉得越長，彈丸射出得越遠(yuǎn).3.玩蹦床玩耍時(shí)，把蹦床壓得越深，人被反彈的高度越高.猜想總結(jié)：彈性勢(shì)能跟形變量的大小有關(guān)，而且通過以上例子可以猜想，彈性勢(shì)能隨形變量的增大而增大.4.在拉弓射箭時(shí)，弓的“硬度”越大，拉相同的距離，“硬度”大的，箭射出的距離越遠(yuǎn).5.壓縮同樣長度的彈簧到相同的位置，“粗”彈簧壓縮得要困難些.6.同樣長度的橡皮筋制作的彈弓，拉開相同的距離，“粗”橡皮筋的彈弓打出的彈丸遠(yuǎn).猜想總結(jié)：在形變量相同的狀況下，勁度系數(shù)大的，彈性勢(shì)能大.猜想歸納：彈簧的彈性勢(shì)能大小的影響因素是：彈簧的形變量和彈簧的勁度系數(shù).類比思考：依據(jù)重力勢(shì)能的表達(dá)式Ep=mgh,我們知道重力勢(shì)能跟高度h成正比，彈性勢(shì)能也跟形變量成正比嗎？對(duì)比說明：不肯定，由于要舉起同一個(gè)重物，所用的力并不隨高度變化，但是對(duì)于同一個(gè)彈簧，拉得越長，所用的力越大，所以我們不能確定彈性勢(shì)能跟形變量成正比，只能說明隨形變量的增大而增大.【問題探究】彈性勢(shì)能與形變量和勁度系數(shù)的定量關(guān)系是怎樣的？如何設(shè)計(jì)試驗(yàn)來探究呢？通過問題的提出，激發(fā)同學(xué)探究的熱忱，促使同學(xué)設(shè)計(jì)提出探究試驗(yàn)方案，并說明過程方法.方法提示：依據(jù)前面的探究型課題的學(xué)習(xí)，探究過程的一般方法：1.提出探究課題;2.設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案;3.進(jìn)行試驗(yàn),記錄數(shù)據(jù);4.作出速度—時(shí)間圖象;5.得出結(jié)論.老師啟發(fā)：物體具有做功的本事，我們稱之為物體具有能.彈簧既然有彈性勢(shì)能，確定具有對(duì)外做功的本事，依據(jù)功能關(guān)系，彈簧對(duì)外做的功就等于它所具有的彈性勢(shì)能.通過老師啟發(fā)，使同學(xué)突破思維障礙，讓同學(xué)連續(xù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，完成對(duì)彈簧彈性勢(shì)能表達(dá)式的探究.并提示同學(xué)，當(dāng)彈簧處于原長時(shí)，拉長或壓縮彈簧，彈簧的彈性勢(shì)能都增加，我們可以設(shè)彈簧處于原長時(shí)，彈簧的彈性勢(shì)能為零，從彈簧處于原長時(shí)開頭爭(zhēng)辯.對(duì)此，老師直接提示，使同學(xué)少走彎路.彈簧的形變，有拉長和壓縮兩種狀況，爭(zhēng)辯彈簧拉長或壓縮狀況均可，我們先選擇一種狀況爭(zhēng)辯.對(duì)于兩種影響因素的探討，同學(xué)已經(jīng)把握了把握變量法，在此不作提示.設(shè)計(jì)方案：利用如圖所示的裝置，彈簧一端固定，滑塊靠在彈簧的另一端，用滑塊壓縮彈簧，彈簧具有了彈性勢(shì)能，釋放滑塊，滑塊在彈力的作用下向右滑動(dòng)，在摩擦力的作用下最終停下，從開頭運(yùn)動(dòng)到靜止的距離為L.依據(jù)功能關(guān)系，彈簧釋放的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為滑塊的內(nèi)能W，內(nèi)能可以用FfL來計(jì)算，即內(nèi)能與L成正比，即Ep=W=FfL,把不能直接測(cè)量的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)換為滑塊克服摩擦力做功.只要我們探究出L與形變量x、勁度系數(shù)k的關(guān)系，就知道Ep與形變量x、勁度系數(shù)k的關(guān)系.1.保持k肯定，爭(zhēng)辯形變量x與滑塊的位移L的關(guān)系.2.保持x不變，爭(zhēng)辯勁度系數(shù)k與滑塊的位移L的關(guān)系.多次試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，填入設(shè)計(jì)的表格：（1）保持k肯定，爭(zhēng)辯形變量x與滑塊的位移L的關(guān)系彈簧的形變量(m)滑塊的位移L(m)xxx1234(2)保持x不變，爭(zhēng)辯勁度系數(shù)k與滑塊的位移L的關(guān)系勁度系數(shù)（N/m）滑塊的位移L(m)1k12k23k3指導(dǎo)同學(xué)將數(shù)據(jù)錄入電腦利用Excel進(jìn)行處理，通過圖象法找出各量之間的關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)論：彈性勢(shì)能與形變量的平方x2成正比,Ep∝x2.彈性勢(shì)能與勁度系數(shù)k成正比,Ep∝k.通過上面的試驗(yàn)，我們已經(jīng)證明白彈性勢(shì)能與形變量和勁度系數(shù)有關(guān)，但是他們之間的具體定量關(guān)系又如何呢？提出問題：如何求彈性勢(shì)能？如何求彈力所做的功？如何把變力轉(zhuǎn)化為不變的力？思路點(diǎn)撥：設(shè)計(jì)一個(gè)緩慢的拉伸過程，整個(gè)過程中拉力始終等于彈力，用拉力的功來替代彈力的功.由于彈力是一個(gè)變力，計(jì)算彈力的功不能用W=Fs,設(shè)彈簧的形變量為x，則彈力F=kx.指導(dǎo)同學(xué)回顧爭(zhēng)辯勻加速直線運(yùn)動(dòng)位移的方法.同學(xué)利用微元法求解：可以把變力功問題轉(zhuǎn)化為恒力功問題來解決.把拉伸的過程分為很多小段，它們的長度是Δx1、Δx2、Δx3……在各個(gè)小段上，拉力可以近似認(rèn)為是不變的，它們分別是F1、F2、F3……所以，在各個(gè)小段上，拉力做的功分別是F1Δx1、F2Δx2、F3Δx3……拉力在整個(gè)過程中做的功可以用它在各個(gè)小段做功之和來表示W(wǎng)總=F1Δx1+F2Δx2+F3Δx3……同學(xué)自己畫出F-x圖象，并與vt圖象比較.由v-t圖象下的面積來代表位移，通過思考、爭(zhēng)辯和溝通，可以得出F-x圖象下的面積能表示彈力所做的功.多媒體投影同學(xué)的推導(dǎo)過程，回答同學(xué)可能提出的問題：彈力做功等于陰影部分面積W=.思路總結(jié)：利用“無限分割”法來計(jì)算彈簧發(fā)生微小形變時(shí)彈力做的功，再利用圖象法來計(jì)算各段微小形變彈力做功之和，從而確定彈性勢(shì)能.總結(jié)：表達(dá)式：Ep=kl2式中Ep:彈性勢(shì)能k:彈簧勁度系數(shù)l:彈簧形變量提出問題：上面我們已經(jīng)推導(dǎo)出了彈性勢(shì)能的表達(dá)式，彈性勢(shì)能跟彈力做功之間有什么關(guān)系？先請(qǐng)同學(xué)回顧復(fù)習(xí)重力勢(shì)能跟重力做功的關(guān)系:重力做正功，重力勢(shì)能削減，例如做自由落體運(yùn)動(dòng)的小球;重力做負(fù)功，重力勢(shì)能增加，例如豎直上拋的小球.設(shè)計(jì)情景引導(dǎo)同學(xué)推導(dǎo)：如圖所示，滑塊以初速度v沖向固定在豎直墻壁的彈簧，并將彈簧壓縮.在彈簧壓縮的過程中，彈簧給滑塊的力F與速度的方向相反，滑塊克服彈簧彈力做功，即彈簧彈力做負(fù)功，彈簧被壓縮了，彈性勢(shì)能增加了.在彈簧恢復(fù)形變，從最大壓縮量向原長恢復(fù)的過程中，彈簧給滑塊的力F向右，彈簧彈力做正功，彈簧的形變減小，彈性勢(shì)能減小.總結(jié)：彈力做功與彈性勢(shì)能變化的關(guān)系:1.彈力做正功，彈性勢(shì)能削減;2.彈力做負(fù)功，彈性勢(shì)能增大.同學(xué)自主完成彈力做功與彈性勢(shì)能的關(guān)系的探究過程，體會(huì)探究的樂趣和成功的喜悅.例題如圖所示，表示撐竿跳運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)階段：助跑、撐桿起跳、越橫桿.試定性地說明在這幾個(gè)階段中能量的轉(zhuǎn)化狀況.引導(dǎo)同學(xué)分析問題，多找?guī)讉€(gè)同學(xué)，傾聽他們的思想，讓他們各抒己見，培育同學(xué)自由表達(dá)的力量.解答：運(yùn)動(dòng)員的助跑階段，身體中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為人和桿的動(dòng)能；起跳時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)能和身體中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為人的重力勢(shì)能和撐竿的彈性勢(shì)能，隨著人體的連續(xù)上升，撐竿的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為人的重力勢(shì)能，使人體上升至橫桿以上；越過橫桿后，運(yùn)動(dòng)員的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能.課堂小結(jié)本節(jié)主要學(xué)習(xí)了彈性勢(shì)能的概念，勢(shì)能是個(gè)比較難以理解的物理量，所以我們接受了類比重力勢(shì)能的方法來學(xué)習(xí)彈性勢(shì)能.這節(jié)課通過探究的方法主要爭(zhēng)辯了三個(gè)問題：①彈性勢(shì)能的表達(dá)式可能與哪幾個(gè)物理量有關(guān)；②彈簧的彈性勢(shì)能與拉力所做的功有什么關(guān)系；③怎樣計(jì)算拉力所做的功.在爭(zhēng)辯的過程中我們運(yùn)用了類比法、試驗(yàn)觀看法、分析歸納法、遷移法等方法.推導(dǎo)出了彈性勢(shì)能的影響因素以及彈性勢(shì)能表達(dá)式，并且用本節(jié)所學(xué)學(xué)問解決了一些問題.布置作業(yè)1.在本節(jié)“說一說”中提到“能不能規(guī)定彈簧的任意長度勢(shì)能為零勢(shì)能？”的問題，有力量的同學(xué)課后可以小組爭(zhēng)辯一下.2.橡皮筋拉長時(shí)也有彈性勢(shì)能，那么它的彈性勢(shì)能表達(dá)式應(yīng)當(dāng)怎樣進(jìn)行計(jì)算？板書設(shè)計(jì)5.探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式1.彈性勢(shì)能：發(fā)生彈性形變的物體的各個(gè)部分之間，由于有彈力的相互作用而具有勢(shì)能，這種勢(shì)能叫做彈性勢(shì)能.2.彈性勢(shì)能表達(dá)式：Ep=kl2（設(shè)彈簧處于原長時(shí)，彈簧的彈性勢(shì)能為零）3.探究彈性勢(shì)能表達(dá)式的方法：(1)影響彈性勢(shì)能的因素：①形變量②勁度系數(shù)(2)類比：①重力做功：爭(zhēng)辯重力勢(shì)能②彈力做功：爭(zhēng)辯彈性勢(shì)能(3)變力做功的處理方法：①微元法②圖象法活動(dòng)與探究主題:短跑運(yùn)動(dòng)員為什么要用蹲踞式起跑？它比竘立式起跑有哪些好處？過程:課下在操場(chǎng)嘗試起跑的蹲踞式和站立式,留意體會(huì)其區(qū)分,然后溝通、爭(zhēng)辯.結(jié)論:短跑運(yùn)動(dòng)員接受蹲踞式起跑時(shí)，腿彎曲，重心前移，起跑時(shí)腿用力蹬地，將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為身體的動(dòng)能，使運(yùn)動(dòng)員獲得一個(gè)較大的初速度，比站立式起跑時(shí)初速度大.設(shè)計(jì)點(diǎn)評(píng)彈性勢(shì)能是一個(gè)比較難以理解的概念，同學(xué)在一節(jié)課內(nèi)不簡(jiǎn)潔全面理解和把握.因此本節(jié)在設(shè)計(jì)上，先以同學(xué)生疏的撐竿跳高、射箭、彈簧壓縮小球等例子，引發(fā)