1 追寻守恒量——能量
整体设计
功和能量转化的关系不仅为解决力学问题开辟了一条新的重要途径，同时它也是分析解决电磁学、热学等领域中问题的重要依据．但是学生在能量概念的建立上没有概念基础，所以教材在第一节设立追寻守恒量，旨在让学生对能量能够有清晰的认识．教材从著名物理学家的理论出发，展示伽利略的斜面实验，逐步引导能量的概念建立．继而利用生活中的实例，给出势能和动能的概念．教材具体说明了引入能量概念的必要性．
在实际教学中，逐步渗透物理学家研究认识问题的方法：设法找出所研究现象是否存在物理量守恒的情况，一旦发现某种物理量守恒，就首先用以往整理的经验和所学知识总结成定律，然后在新的现象或实例中对总结出的守恒定律进行检验，如果定律得以证实就可以借助它解决问题，甚至作出新的预见，追寻和研究守恒量是物理学的一种重要研究方法．
守恒关系是自然界中十分重要的关系，通过本节课的学习，加强学生对守恒关系的认识，并把这种物理思想渗透在能量学习的过程中．
教学重点
理解动能、势能的含义，体会能量转化、守恒的普遍存在性．
教学难点
培养创新能力，使学生在发现了能量转化、守恒的普遍存在性后，能意识到能量转化、守恒的巨大使用前景．
课时安排 [ww&^w.zzste*#p.co@m]
1课时
三维目标
知识与技能
1．理解动能、势能及能量的概念与意义．
2．能独立分析伽利略理想斜面实验的能量转换和守恒关系．
3．能列举不同形式的能量可以相互转化并守恒的实例．[来#@^~&源:中教网]
过程与方法
1．体会伽利略分析问题的精妙，学习分析事物本质的方法．
2．在列举事例过程中体会费恩曼所说话的深刻内涵，体会转化与守恒的普遍性．
情感、态度与价值观
1．通过动能、势能间的相互转化来研究生活中的物体的运动，培养热爱生活的情趣．
2．通过“追寻守恒量”，使学生了解守恒思想的重要性，初步树立能量转化与守恒的观点，学会从物理现象中探求事物本质的科学态度和研究方法．
3．通过学习，要善于把实际问题理想化．
课前准备
多媒体课件、学案、滚摆、单摆．
教学过程
导入新课
实验导入[来#%源&:~中教网^]
如图所示，一个用细线悬挂的小球从A点开始摆动．记住它向右能够达到的最大高度．然后用一把直尺在P点挡住摆线，看一看这种情况下小球所能达到的高度．
这个实验现象说明了什么？它是否说明在小球摆动的过程中某种“东西”是不变的？这种“东西”会是什么？
通过本节课的学习，同学们就能理解这一实验现象了．
故事导入
新华社2000年12月31日和中央电视台2001年元月6日先后报道：在20世纪的最后几分钟里，一项新的多米诺骨牌吉尼斯世界纪录，在北京颐和园体育健康城综合馆和网球馆诞生了．中国、日本和韩国的62名青年学生成功地推倒了340多万张骨牌，一举打破了此前由荷兰人保持的297万张的世界纪录．从电视画面可看出，骨牌瞬间依次倒下的场面蔚为壮观，其间显示的图案丰富多彩，令人惊叹．其中蕴含着一定的科学道理，这就是“多米诺骨牌效应”．该效应产生的能量是十分巨大的．这种效应的物理道理是：骨牌竖着时，重心较高，倒下时重心下降，倒下过程中，将其重力势能转化为动能，它倒在第二张牌上，这个动能的一部分就转移到第二张牌上，第二张牌将第一张牌转移来的动能和自己倒下过程中由本身具有的重力势能转化来的动能之和，再传到第三张牌上……所以每张牌倒下的时候，虽然有部分能量损失，但具有的动能都比前一块牌大，因此它们的速度一个比一个快，也就是说，它们依次推倒的能量一个比一个大．你可以设想一下，如果牌的个数足够多，那么最后一个牌的速度将是怎样的大！场面又是何等的壮观！
故事中应用到了动能、势能及其转化．今天，我们就来学习追寻守恒量这节课，学习问题中展示的能量问题，探索其中的奥秘．[z^@zste&p.co*%m]
问题导入
“挽弓当挽强，用箭当用长；射人先射马，擒贼先擒王．”这是一首杜甫的诗．跳高运动员总是要充分地助跑才能取得好的成绩．请同学们思考下面的问题：
(1)为什么强弓就射得远？跳高运动员是以高度来计成绩的，而他们为什么要提高自己的速度呢？难道速度和高度之间有什么联系吗？[w@w*w.z&z^step.c~om]
(2)这体现了一种什么过程？
[%@中~&教*网]
推进新课 [ ]
一、伽利略斜面实验
牛顿是经典力学的奠基人，他提出了三个定律和万有引力定律，但是他没有研究过能量(至少没有深入研究)，所以当时人类对自然的认识还很有局限．但在伽利略的实验中，已经有了“能量”的影子．
能量概念的形成和发展，始终是和能量守恒定律的建立过程紧密相连的．能量守恒定律的发现告诉我们，尽管物质世界千变万化，但这种变化不是没有规律的，基本的规律就是守恒定律．这一节课我们从一个较高的角度去认识这个问题．[中国*教&^育%#出版网]
教师指导：让一位学生朗读教材开头费恩曼的话，让学生体会能量守恒定律的重要性．
活动探究[中国教%&~^育出@版网]
课件展示1：大屏幕投影展示伽利略理想实验的flash模拟动画．
问题：1.当小球沿斜面从高处由静止滚下时，小球的高度不断减小，而速度不断增大，说明了什么？[来@源:中教^网%&~]
2．当小球从斜面底端沿另一个斜面向上滚时，小球的位置不断升高，而速度不断减小，说明了什么问题？
学生观察交流、讨论并总结：
明确：1.说明小球凭借其位置而具有的物理量不断减少，而由于运动而具有的物理量不断增大．
2．说明小球凭借位置而具有的物理量不断增加，而由于运动而具有的物理量逐渐减少．[来源@:#中国^教育出&版网~]
课件展示2：利用动画模拟实验，将斜面调整，引导学生观察小球的运动情况．指导学生自己组织语言，描述看到的物理现象．学生通过阅读并观察、讨论、总结：让小球沿一个斜面从静止开始滚下，小球将滚上另一斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度．减小后一斜面的倾角，小球在这个斜面上仍达到同一高度，但这时他要滚得远些．若继续减小后一斜面的倾角，小球达到同一高度，但滚得更远些．
教师设疑：若将后一斜面放平，小球的运动情况将是怎样？
引导学生讨论、交流，大胆猜想．
参考结论：小球好像“记得”自己的起始高度，但又永远达不到原来的高度，所以将永远滚动下去．
点评：教师通过动画展示，让学生感受到“有某一量是守恒的”．教师逐步引导，让学生体会“守恒量”的追寻过程，进一步激发学生的探究意识和学习的欲望．[来源^@~:中国教育出版*网&]
二、物体的动能和势能
实验演示：演示滚摆实验和单摆实验，进一步强化，如果没有摩擦和介质阻力，物体好像“记得”自己初始的高度，即某一量是守恒的．
引导学生根据以上示例，举出生活中其他关于此种现象的事例．
公园里的秋千，游乐园里的海盗船，乒乓球自高处落到水泥地面上后的运动，在没有摩擦和空气阻力的情况下，都能达到一定的高度．这说明，将实际生活中的问题理想化后，确实存在着某一物理量是不变的．
通过学生列举的实例，让学生体会生活中的普遍规律．
教师点评：在物理学中，我们把以上这一事实说成是“有某一量是守恒的”，并把这个量叫做能量或能．
通过阅读体会，给出动能与势能的概念，体会动能与势能转化并守恒的普遍存在．
教师引导学生认识，伽利略的发现今天看来就是我们学习过的能量转化与守恒的思想．
课件展示实例，指导学生分析物体动能和势能之间的转化情况．[中国*教育#^出&版网%]
[来源^:%zzstep.co~m#*]
滚摆[www%.zzs*t#ep.c@om~]
1．视频展示：秋千与海盗船．
2．视频展示：滚摆与落下的乒乓球．
学生详细分析：讨论总结并由代表发言．
阶段小结：
1．能量：“有某一量是守恒的”，这个量叫做能量或能．[zzs#*t~e^&p.com]
2．势能：相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫做势能．
3．动能：物体由于运动而具有的能量叫做动能．
视野拓展
2004年12月26日，国际标准时间00：58：50，一股压抑许久的“怒气”从印度洋深处狂躁地迸发而出，里氏9.0级(美国地震局测定)地震劈开周围的海水，形成一道道相距百十公里的弧形水幕，以每小时800公里的起始速度排山倒海般向四周袭去……巨浪呼啸，以摧枯拉朽之势，越过海岸线，越过田野，迅猛地袭击着岸边的城市和村庄，瞬时人们都消失在巨浪之中．港口所有设施、被震塌的建筑物，在狂涛的洗劫下，被席卷一空．事后，海滩上一片狼藉，到处是残木破板和人畜尸体．地震海啸给人类带来的灾难是十分巨大的……
试查阅有关资料，谈一谈此次海啸中存在哪些能量．
以竖直上抛的小球(忽略空气阻力)为例说明小球的势能和动能的转化情况．在这个例子中是否存在着能的总量保持不变？
参考答案：竖直上抛运动的小球，首先由动能转化为重力势能，达到最高点时，动能为零，重力势能达到最大；在下落时，重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，重力势能又转化为动能．在小球运动过程中，小球的机械能总量保持不变．[zzste&p%#.c^o@m]
点评：本实例探究可以应用受力情况来作分析，亦可根据实际运动情况总结，紧紧抓住高度影响重力势能，速度影响动能这一关键进行分析．
课堂训练[来&源:@中教#*~网]
如图所示，一根不可伸长的细绳拴着一个小球在竖直平面内摆动，图中a、b、c三点分别表示小球摆动过程中的三个不同位置，其中a、c等高．在小球摆动的整个过程中，动能最大时是在______点，在______点重力势能最大；如果没有空气阻力的影响，小球在a点的势能______(填“大于”“等于”或“小于”)在b点的动能．
[来#源:中教*^&网%]
解析：在小球来回摆动时，动能与重力势能不停地相互转化但总量不变．在a、c两点时小球位置最高，重力势能最大，速度为零，动能为零．在b点时位置最低，重力势能最小，速度最大，动能最大．[来&源:中%国教@育*#出版网]
答案：b a、c 等于
方法总结：在某一过程中，若仅涉及动能和重力势能的转化，若能判断出其中一种能量正在减小或增大，则另一种能量一定正做相反变化，且一种能量为零时，另一种能量达到最大值．
课堂小结
1．物体由于位置高度而具有的能量叫做重力势能．对于同一水平面而言，物体被举得越高、质量越大，物体具有的重力势能就越大．[中%&国教*^育出版~网]
2．物体由于运动而具有的能量叫做动能．动能是由物体的质量和速度共同决定的，物体运动的速度越大、质量越大，它的动能就越大．
3．动能和势能统称为机械能．动能可以转化为势能，势能也可以转化为动能．在只有重力做功时，动能和重力势能的相互转化过程中，总的机械能不变．
布置作业
1．通过各种途径查找资料，了解人类对能量的研究过程．[z^z#s*tep.~co&m]
2．在其他自然学科中列举出几个能量转化与守恒的实例；转化与守恒的思想(不仅仅是能量)在生产生活中的实例．(例如水资源)
板书设计
1 追寻守恒量——能量
一、伽利略斜面实验
二、物体的动能和势能[来@^源&*:#中教网]
1．势能：相互作用的物体凭借其位置而具有的能量[中国教育出@~^版*网&]
2．动能：物体由于运动而具有的能量
三、追寻守恒量的意义
活动与探究
课题：能量的应用．
内容：古代战争中常用滚木和檑石作为武器来阻止敌人的进攻，你能利用所学的知识说明其中的科学道理吗？这种战术适用于哪种情况？怎样才能使杀伤力更大？为什么？[中国教^育出&版@网*~]
方法：利用动能与势能的转化思想．
参考答案：滚木和檑石的重力势能转化为动能，利用其动能来杀伤敌人；这种战术适用于居高防守；提高其高度、增大其质量才能有更大的杀伤力．
设计点评
学生是知识的主动建构者，学生对所研究问题的热情程度及在探究过程中所表现出来的精神状态和情绪，直接影响教学的效果．本设计利用学生生活中常见的秋千、海盗船，由静止下落的乒乓球引入新课，用伽利略理想斜面实验，引发学生的思维能力，使学生产生求知的兴趣与热情．通过感悟斜面实验的科学现象，重走追寻守恒量的科学之路，完成教学目标的情感态度这一难度要求．继而通过滚摆、单摆的视频资源调动探求动能与势能转化的关系，体会能量的守恒思想．
备课资料
一、能
近年来，能的重要地位已是人人皆知．你或许会以为“能”这个词在古代就有了．其实不然，这个词的出现还不到二百年，英国科学家托马斯·杨在1807年第一次使用了它．能总是和功相伴随的，你做的功越多，需要的能量就越多；而能量越大，就可以做越多的功．
事实上，托马斯·杨是从原意为“内部功”的希腊文中引申出“能”这个词的．能就是指某些物体具有的“内部功”，你可以通过使用能来得到功．
尽管古代人还没有创造出“能”这个词来，但他们已有“能”的概念．他们知道干活得用力气，干得多了就累得慌．他们还知道，活干得越多，力气就花得越大，同时会觉得越疲劳．如果他们知道“能”这个词，他们可能会说：“你身体内只有这么多能量，你干的活越多，就得花越多的能量，你就会感到越疲劳．”
早在17世纪，哲学家莱布尼兹在惠更斯的运动量守恒的基础上对力学运动进一步研究发现，运动物体具有一种“活力”，并用质量与速度平方的乘积表示大小．他发现这种“活力”在物体碰撞时会转移，但“活力”的总量不变，而且物体在上升时，“活力”会使物体上升，“活力”暂时消失，但在物体落下时，“活力”会全部释放出来．
18世纪末，人们研究热现象时认为物质中含有一种“热质”，物体的温度高低就是含有“热质”的多少，温度发生变化，“热质”也发生转移，但“热质”总量不变．
19世纪初，人们开始对热、光、电、磁、化学等问题进行深入研究，研究过程中发现每种现象中都含有不同的、类似“活力”“热质”一样的“自然力”，并且发现“活力”“热质”以及各种“自然力”会互相转化，尤其是各种“自然力”都会转化为“热质”．例如：通过摩擦生热说明“活力”会转化为“热质”，“温差电”现象说明“热质”会转化为电的“自然力”，电流热效应说明电流的“自然力”会转化为“热质”，还有光电效应、光磁效应、光辐射、电化学、电磁感应等现象都说明“自然力”不能从“无”到“有”，一种“自然力”的产生必定是另一种“自然力”消耗的结果，各种“自然力”会相互转化，但它们是统一的，等价的，本质是相同的．于是人们用“能量”统称各种“自然力”，并指出能量并不是一种含在物质中的成分，而是依附在物质上，是物体具有的一种对外做功的能力．[www.z^z&s@tep*.co~m]
二、能量存在的基本形式
能量依附于物质，以物质为载体，存在于物质的不同运动形式和相互作用中，在高中物理中能量从存在的基本形式来分可分为两大类：一类是存在于物质不同的基本运动形式中，我们可以统称为动能．不同的基本运动形式具有不同形式的动能．宏观物体由于机械运动而具有的机械动能，微观分子由于热运动具有的分子动能，电子绕核高速运动的动能，核子运动的动能，光子运动具有的光能等，这类能量的大小也与运动有关．另一类能量是存在于一些具有特殊相互作用的物体组成的系统内，这类能量都与系统内物体间相对位置有关，这类能统称位能或势能．宏观物体与地球间的万有引力势能(重力势能)，微观分子间的分子势能，电荷间的电势能，核子间的核势能等．这两大类基本形式的能量组成了宇宙万物中的各种各样的能量．机械运动的物体具有的机械能就是动能，重力势能与弹簧的弹性势能组成；物体内能就是所有分子动能和分子势能总和；太阳能就是以光速运动的大量光子的总能量；化学能就是化学物质内部原子、离子间的电势能总和；水能就是流动的水具有的动能和高处的水具有的重力势能；风能就是流动空气的动能；原子能就是原子内核子动能、核势能、电势能的总和．
从更深的角度来说，能量又是物质存在的另一种形式．当物质具有的能量增加时，其质量将增大．能量减少时，质量减小．例如：铀核裂变释放能量，质量减小等等．一般的能量变化引起的质量变化很微小，几乎不可测量，只有在核反应过程中能量变化巨大，质量的变化略微大些才可以测量得出．[来&#~源*:zzstep.c^om]
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