教学目标:
1. 知识与技能: a. 知道什么是重力势能,什么是弹性势能。
b. 重力势能的表达式及其特点。
c. 会区别重力势能和重力做功。
2. 过程与方法:结合生活中的实例,了解重力势能的特点。对重力势能形成一个基本的概念。
3. 情感与态度:培养学生
教学难点:
1. 重力势能的相对性。
2. 零势能面的概念。
3. 重力势能与重力做功的区别。
课时:1课时
教学方法:
多媒体演示
教学过程:
一、 势能
[引入]弓被拉开,箭在弦上,这支箭有被射出的趋势;挂在枝头的苹果,有往下掉的趋势。
如果把原本拉住弓弦的手松开,箭会射出,也就是具有了动能。
如果树枝折断,苹果落下,苹果也在下落的过程中动能越来越大。
以上两个例子,原本物体都处于静止状态,随后由于弓弦对箭做功,地球引力对苹果做功,使他们具有了动能。
[概念] 其实这两个物体静止时就存储着某种能量,使它们想运动但是又由于某些力的束缚而无法运动。这个能量也是机械能的一种。我们称之为势能。势能又分为两种:弹性势能和重力势能。
二、 弹性势能
[概念] 由于弓弦发生弹性形变而具有的势能我们就称之为弹性势能。而发生形变的弦将对箭做功。
[学生活动]大家看屏幕上(A)(B)两个图,分别是什么物体具有弹性势能,它将对什么物体做功吗?
[学生活动] 大家还能举一些关于弹性势能的例子吗?
[概念] 势能是标量,它只有大小没有方向。这一点同动能是一样的。我们以弹簧为例,那么大家觉得势能的大小可能与什么有关呢?
[学生回答] (引导学生得出答案)1. 弹簧的形变量;2. 弹簧的弹性系数。
三、重力势能
1. 重力势能概念
[学生活动]研究完弓弦,我们来接着研究苹果。大家都知道一个关于牛顿和苹果的故事吧?谁来给大家介绍一下?
[概念引入]显然挂在树枝上的苹果也具有某种能量,只不过树枝的支持力束缚了苹果使它不掉下来。不然牛顿的脑袋也就不会那么痛了。
[概念]这个能量我们称之为重力势能。受重力作用的苹果,由于被高举而具有的能量我们称之为重力势能。
重力势能我们用Ep表示。
Ep = mgh
m示物体的质量;g是重力加速度;h为物体重心到零势能面的高度。
2.重力势能具有相对性
[举例](1). 一个质量为m的乒乓球在高为H的十楼房间内。乒乓球距离十楼楼板h的位置自由下落。另一个相同的乒乓球在距离地面h高处自由下落。那么这一点两个乒乓球落在地板上的效果是否相同呢?(相同)
它们具有的势能相同吗?
(2). 我使这个乒乓球从十楼自由落体运动到地面,与从一楼自由下落。它们落到地面的位置效果显然是不相同的。难道它们具有的势能又不相同了吗?
[概念]这就取决与零势能面了。
重力势能是相对于某一水平面而言的,将这个水平面的重力势能取作零。这个平面叫做零势能面。
C. 当我们以地面,即平面C为零势能面时:
Ep = mgH Ep’ = mgh
B. 当我们以十楼楼板,即平面B为零势能面时:
Ep = mgh Ep’ = -mg(H-2h)
A. (学生)以A为零势能面计算一下,两个乒乓球具有的势能分别为多少?
Ep = mgh Ep’= -mgH
以上计算后我们发现,取了不同的零势能面后,物体所具有的势能是不同的。
但是,我们来计算一下Ep 与 Ep’ 的势能差会发现,对于同一零势能面的
△Ep = Ep – Ep’的数值是相同的。
C. △Ep = mgH-(mgh)= mg(H-h)
B. △Ep = mgh-[-mg(H-h)]= mg(H-h)
A. △Ep = -mgh-(-mgH)= mg(H-h)
[概念]因此,重力势能是相对的,所选的零势能面不同,重力势能的值是不同的。但两点间的势能差是绝对的。自取决于两点间的高度差。与零势能面无关。
四.重力做功
[过渡]刚才我们研究了重力势能,乒乓球悬在高处具有重力势能。然后自由落下,在下落的过程中,乒乓球受到重力作用,重力对乒乓球做功。
[学生活动]现在我们来看一下这三种情况:
(A) (B) (C)
以上三种情况重力分别做了多少功?
Wa = Wb = Wc
我们去地面为零势能面,小球在原本的h高处具有势能mgh,当释放小球后,竖直方向的重力对小球做功。并使其势能减少。小球从h高处开始运动到地面,竖直方向位移为h。因此重力在这三种情况下做功是相等的。均为 W = mgh
[概念]因此重力做功只与高度差有关,与路径无关。
我们要把重力做功与重力势能区分开。尽管它们之间存在联系。但这是两个完全不同的物理量。
[练习]
如图(1),从A运动到B,位移方向与重力方向相同。
W=Fs=Gs=mg(h2-h1)
重力对物体做正功,重力势能减少。
如图(2),从B运动到A,位移方向与重力方向相反。即重力与位移方向成180度。
W=Fscos1800= - Gs=- mg(h2-h1)
重力对物体做负功,重力势能减少。
[小结]
1、 物体因发生弹性形变而具有势能称为弹性势能
2、 弹簧的弹性势能的影响因素:
(1)弹簧被压缩或拉伸的形变越大,其弹性势能越大。
(2)不同弹簧的劲度系数不同,相同形变的弹性势能也不同。
3、 重力势能:受重力作用的物体由于被举高而具有的能。
4、 表达式:Ep=mgh。(h为物体重心到参考面的高度)
5、 单位:焦耳(J)。重力势能是标量。
6、 正负含义:重力势能是标量,是状态量,其负号仅表示相对大小。
正值:位于参考平面以上的物体的势能,Ep>0
负值:位于参考平面以下的物体的势能,Ep<0
7、 相对性:重力势能是相对的,所选的零势能面不同,重力势能的值是不同的,但两点间的势能差是绝对的,只取决于两点间的高度差,与零势能面的选取无关。