八年级物理11.4《机械能及其转化》教学详案

教学目标

1.知道动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。

2.能通过实验或实例，认识物体的动能和势能可以相互转化。能解释与机械能转化相关的现象。

3.通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化。通过水能和风能的利用知道人类如何利用机械能的转化和守恒解决实际问题。提高运用机械能转化和守恒观点分析力学问题的意识。

教学重点难点

1.重点：动能和势能之间的转化。

2.难点：分析和解释实例，说明动能和势能的转化过程、机械能守恒的意义。

教具

学生用：每组准备单摆一组。

教师用：滚摆、单摆、小铁球、皮球、斜槽、溜溜球等，另有电化教学器材、教学光盘。

教学过程

回顾思考

1.物体由于      而具有的能叫做动能；物体由于受到重力并处在一定      时所具有的能叫做重力势能；物体由于发生      而具有的能叫做弹性势能。

2.动能与      和      有关；重力势能与      和      有关；弹性势能与      的大小和材料有关。

导入新课

1.小魔术导入

将如图所示的“罐子”沿不太陡的斜面滚下。会有什么意想不到的现象发生呢？

问：你看到了什么？

设疑：铁罐在滚下来后，为什么会再沿斜面滚上去呢？

师：秘密就在罐子里面，想知道吗？

生：想——

师：只有认真学完这节课的知识，罐子里面的秘密你就会知道了。

2.多媒体导入

视频：过山车的三维动画。

游乐场中惊险刺激的过山车，能让你尖叫，但你是否想过在你尖叫的背后，它是怎样运行起来的呢？

师生一块分析过山车的动能和势能：过山车在高台上只有重力势能，但是到了轨道的底端却有了动能，而重力势能变小了，可见动能和势能是可以相互转化的，我们这节课就来学习《机械能及其转化》。

3.操作溜溜球导入

老师操作溜溜球，吸引学生注意力，提出有关溜溜球是否具有能量，及能量的转化问题，引起学生思考，引入课题。

进行新课

探究点一　机械能

引导学生阅读教材第71页第一段，回答：

1.机械能包括：        。

2.机械能的计算：若知道物体的动能和势能的大小，就可以根据机械能的特点计算一个物体的机械能了。即机械能=动能+势能。其单位与功的单位相同，都是焦耳。

注意：一个物体只有动能，或者只有势能，或者既具有动能又具有势能，此时都可以说物体具有机械能，因为机械能是动能和势能的总和。

探究点二　动能和重力势能之间的转化

1.出示滚摆，并简单介绍滚摆的构造及实验的做法。事先告诉学生在摆轮的侧面某处涂有鲜明的颜色标志，可通过观察标志，判断摆轮转动快慢。教师演示实验：滚摆上下运动（如图所示）。

注意分析的问题：

（1）在下降过程中，滚摆的高度、速度各有什么变化？这说明了什么？

下降过程中，滚摆的高度降低，速度越来越大，说明其动能越来越大，重力势能越来越小。

（2）在上升过程中，滚摆的高度、速度各有什么变化？这说明了什么？

上升过程中，滚摆的高度升高，速度越来越小，说明其动能越来越小，重力势能越来越大。

（3）在最高点时，滚摆的高度、速度各有什么特点？这说明了什么？

当滚摆升到最高点时，其高度最高，运动速度最小为零，此时的滚摆只具有重力势能且最大，没有动能，说明动能转化为了重力势能。

（4）在最低点时，滚摆的高度、速度各有什么特点？这说明了什么？

当滚摆下降到最低点时，其高度最低，运动速度最大，此时滚摆的重力势能最小，动能最大，说明重力势能转化为了动能。

2.学生实验：单摆左右摆动（如图）。

将单摆的摆球置于A处，放手后观察摆球在各个阶段（AB、BC）的运动速度和高度的变化情况。将实验结果记录在下表中。

引导归纳：单摆下降过程中的能量变化与滚摆下降时的能量变化相同；单摆上升过程中的能量变化与滚摆上升时的能量变化也相同。

综上所述：滚摆下降时重力势能转化为动能，上升时动能转化为重力势能。因此可以得出结论：动能和重力势能之间可以相互转化。

3.人造地球卫星的机械能转化

同学们阅读教材第73页“科学世界”部分。

问题：卫星由远地点向近地点运动的过程中，速度怎样变化？能量怎样转化？

（引导学生回答：卫星由远地点到近地点，势能减小了，减小的势能转化为动能，故速度增大。再让学生回答卫星由近地点向远地点运动时能量的转化情况）

归纳总结：人造卫星在远地点，势能最大，在近地点，势能最小。从远地点向近地点运动的过程中，势能转化为动能；从近地点向远地点运动的过程中，动能转化为势能。

例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）

例1　小明骑自行车上学，途中正好遇到一段上坡路（如图所示）。在上坡过程中，当不踩脚踏板时会发现自行车越来越慢，其原因是在上坡的过程中人和自行车的      能逐渐转化为      能，使人和自行车的速度越来越慢。

解析：骑自行车上坡，上坡时高度增加，重力势能越来越大，动能转化为人和自行车的重力势能，所以若不踩脚踏板，人和自行车的速度会越来越慢。

答案：动　重力势

例2　如图所示，用细线系住小球悬挂在O点，将小球拉至A点释放，从A点经过B点运动到C点的过程中，小球的重力势能先变小后      ，动能先      后      。（均选填“变大”“变小”或“不变”）

解析：重力势能的大小与质量和高度有关，由图知，小球由A点运动到B点再到C点的过程中，小球质量不变，高度先变小后变大，所以重力势能先变小后变大；而动能的影响因素是质量和速度，小球由A点运动到B点再到C点过程中，小球质量不变，速度先变大后变小，所以小球的动能先变大后变小。

答案：变大　变大　变小

探究点三　动能和弹性势能之间的转化

问题：既然动能和重力势能之间可以相互转化，那么动能和弹性势能之间可以相互转化吗？

播放视频1：观看弹簧门开启、自动关闭时的全过程。

（视频中，一种装有弹簧合页的门开启后，弹簧合页发生形变，弹性势能增大；弹簧合页在恢复原状的过程中，使门获得动能而自动关闭）

播放视频2：观看蹦床运动员的表演过程。（用慢镜头播放）

（运动员在最高点时重力势能最大，当与蹦床将要接触时具有一定的动能。与蹦床面接触后，床面发生弹性形变，运动员的动能和重力势能转化成蹦床的弹性势能，当床面发生最大形变时弹性势能最大。床面在恢复原状的过程中，弹性势能转化为运动员的动能和重力势能。运动员在上升过程中，动能转化为重力势能）

实验：在水平槽里竖立一个弹簧片，它的下端固定，让小球从斜槽滚入水平槽，撞击弹簧片，观察小球与弹簧片的碰撞过程，并思考其中能的转化。

引导学生分析：由甲到乙的过程，小球的动能转化为弹簧的弹性势能；由乙到丙的过程，弹簧的弹性势能转化为小球的动能。

教师归纳：在一定的条件下，动能和弹性势能之间可以相互转化。

拓展引申：运动员在拉弓射箭的过程中弓和箭的能量是如何转化的？你能举出一些其他例子吗？

（在被拉弯的弓将箭水平射出的过程中，不涉及重力势能问题，所以比较容易得出动能和弹性势能之间的转化关系）

例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）

例3　如图所示，小邦在玩蹦极，不考虑空气阻力，关于他在下降过程中的能量分析，下列说法正确的是（　　）

A.弹性绳绷直前，重力势能增大，动能减小

B.弹性绳绷直前，重力势能减小，动能不变

C.下降到最低点，动能最小，弹性势能最大

D.下降到最低点，重力势能最大，弹性势能最小

解析：弹性绳绷直前，小邦在重力作用下加速下落，重力势能减小，动能增大，A、B错误；绳绷直后，小邦继续下落，弹性绳的伸长量逐渐增大，对小邦向上的拉力逐渐增大，下降到最低点，小邦的速度为零，此时小邦的重力势能最小，动能为零，弹性绳的弹性势能最大，C正确，D错误。

答案：C

例4　如图所示是学生科学实验竞赛时用的弹力小车，依靠橡皮筋提供动力。比赛时卷紧橡皮筋后由静止释放小车，橡皮筋则牵动车上齿轮带动车轮使小车前进，这个过程中能量的转化情况是：      能转化为      能。当橡皮筋释放完能量后与齿轮脱离，小车由于      继续前进，最终小车停下来，运动距离远者得分高。

解析：比赛时卷紧橡皮筋后由静止释放小车时，卷紧的橡皮筋具有弹性势能，当小车前进时，橡皮筋的弹性势能减小，小车的动能增加，因此将弹性势能转化为了动能，橡皮筋释放完能量后与齿轮脱离，小车由于惯性继续前进。

答案：弹性势　动　惯性

探究点四　机械能守恒

情景分析：在滚摆实验和单摆实验及教师演示的斜槽小球实验中，运动的物体虽然其动能、重力势能及弹性势能都可能发生了变化，但是物体最终处于什么状态呢？

（静止）

为什么物体会最终停下来？

（根据学生的回答，及时予以肯定，不要对内能等其他形式的能量做深入讲解，只要回答出有其他形式的能存在就可以）

若要使滚摆、单摆等物体运动时永远不停止，需要满足什么要求？

（所有的动能都转化成重力势能，所有的重力势能也都转化成动能）

引导归纳：如果只有动能和势能相互转化，尽管动能和势能的大小会变化，但机械能的总和保持不变，或者说，机械能是守恒的。

例题讲解：（学生先练习，若有问题，教师补充讲解）

例5　2019年3月10日凌晨，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭，成功将“中星6C”卫星发射升空，在卫星加速升空的过程中，关于卫星的能量分析，下列说法正确的是（　　）

A.动能增加，势能不变

B.动能不变，势能增加

C.机械能总量不变

D.机械能总量增加

解析：在卫星加速升空的过程中，其质量不变，速度增大，动能增大，高度增大，势能增大；卫星在升空过程中没有发生弹性形变，因为机械能等于动能和势能之和，所以卫星的机械能总量增加。故选D。

答案：D

点拨：人造地球卫星的机械能

卫星在大气层外运行，不受空气阻力，机械能守恒。在近地点时，高度小，速度大，即重力势能小，动能大；在远地点时，高度大，速度小，即重力势能大，动能小。

探究点五　水能和风能的利用

指导学生阅读教材第72页“水能和风能的利用”部分。

1.水能的利用：根据阅读的情况，总结和回答以下几个问题：

（1）我国古代人们是怎样利用水能的？

（2）随着科学技术的发展，现在的人们又是怎样利用水能的？水电站在利用水来发电的过程中实现了怎样的能量转化？

（3）拦河坝提高水位有何意义？

2.风能的利用：根据阅读的情况，总结和回答以下几个问题：

（1）对风能的利用主要是用来做什么的？

（2）在风力发电的过程中实现了怎样的能量转化？

课堂小结

本节课我们主要学习了“机械能及其转化”和“水能和风能的利用”两大部分内容，其中动能和势能之间的转化是本节课的重点，大家要学会分析。请完成“当堂达标”测试题，巩固今天所学的知识。

布置作业

教材第74页“动手动脑学物理”第1至4题。