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《探究弹性势能的表达式》教学设计

查字典物理网 2020-11-19

【课程目标】

1.知识与技能:

巩固和应用重力势能的概念;了解弹性势能的概念和特点;会利用提供的器材对弹性势能作实验探究。

2.过程与方法:

用类比的方法了解弹性势能,尝试利用图象和实验分别对弹性势能的表达式进行理论和实验两方面的探究,从而认识科学探究的意义,了解物理学的研究方法在物理学发展过程中的作用。

3.情感态度与价值观:

发展对科学的好奇心与求知欲,培养与他人合作的精神,体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

【教学过程】

1.阅读材料一,通过弹性势能和重力势能的比较认识弹性势能

物体因发生弹性形变而具有的势能,这种势能叫做弹性势能。物体发生弹性形变的时候,物体的各个部分之间发生弹力的相互作用。正像地球和物体之间由于有重力的相互作用,因而地球和物体组成的系统具有重力势能一样,发生弹性形变的物体的各个部分之间由于有弹力的相互作用,因而由这些部分组成的系统,亦即发生弹性形变的物体本身,就具有弹性势能。

任何发生了弹性形变的物体都具有弹性势能。卷紧了的发条,拉长或压缩了的弹簧,拉弯了的弓,正在击球的网球拍或羽毛球拍,正在支撑运动员上跳的撑竿等等,都具有弹性势能。

弹性势能和弹力做功密切相关,它们的关系类似于重力势能和重力做功的关系。

弹簧的弹性势能跟弹簧被压缩或拉伸的长度有关系。一个没有被压缩或拉伸的弹簧,弹性势能为零。弹簧被压缩或拉伸的时候,它被压缩或拉伸得越大,克服弹力所做的功越多,弹簧的弹性势能就越大。另外,弹簧的弹性势能还跟弹簧的劲度系数有关系。不同的弹簧被压缩或拉伸相同的长度,劲度系数越大,克服弹力做的功越多,因而弹簧的弹性势能就越大。


重力势能

弹性势能

由于物体被举高

(由于弹簧发生弹性形变)

与重力做功相关

(与弹力做功有关)

Ep =mgh

2.阅读材料二(课本第62~63页),设计理论探究方案

弹性势能的表达式可能与哪些物理量有关?(劲度系数k、弹性形变量l)

弹性势能的变化与弹力所做的功有什么关系?(功是能量变化的量度)

复习利用匀变速直线运动的v-t图象求位移,思考怎样利用F-/图象计算弹力这个变力所做的功?







由功能关系可知,如果对弹簧做功,弹簧的弹性势能就增加。取弹簧不发生弹性形变时的弹性势能为零势能,则上述③式的结果就是弹簧弹性形变为l时所具有的弹性势能,即


3.阅读材料三,用重力这个恒力对弹簧做功改变弹簧的弹性势能,设计实验探究方案

【器材】弹簧,金属重物,刻度尺,支架。

【操作】把弹簧悬挂在支架上,在弹簧的下端悬挂金属重物,静止时处于位置O,如图所示。



用手慢慢地将重物托起,直至弹簧恢复原长(即位置1)为止。然后将重物由静止释放,很快抽开手,让重物无初速落下,重物能够到达最低点(即位置2),以后重物就在1、2两个位置之间来回振动。

设重物质量为m,弹簧劲度系数为k,1-2间距为l,1-0间距为 ,0-2间距为 ,探究:

从位置1-位置0重力做功为多少?(mg )

在这个过程中弹簧的弹性势能增加多少?(mg )

从位置1-位置2重力做功为多少?(mgl)

在这个过程中弹簧的弹性势能增加多少?(mgl)

以弹簧原长时为弹性势能的零势能位置,弹簧在位置2时的弹性势能是多少?(Ep=mgl)重力mg和弹力f1是什么关系?

)


分组实验,测出 之间有何关系?( = = )

利用实验结果,推导弹簧在弹性形变量为l时,弹性势能的表达式:

代入,得





【教学反思】

1.本教学设计体现了探究形式的多样性,对贯彻新课程教学理念有积极意义。

2.弹性势能表达式的推导在教材体系中不属于重点内容,但通过本课教学,可以巩固学生已学的知识(匀变速直线运动的图象、胡克定律),锻炼知识的运用、方法的迁移能力,其中的实验探究部分还可以为以后研究弹簧振子的简谐运动服务。

3.实验探究的能力要求较高。尤其是测定重物的最低位置(即位置2),由于是在重物运动过程中记录该位置,难度较大。教学中发现有些学生能够探索好的方法,例如用三角板在预期位置“等候”,多次尝试,测得的结果误差很小。但也有少数学生只是通过目测进行测量,结果误差很大。另外,选择劲度系数适当小一些的弹簧实验效果比较好。

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