動能和勢能的轉化教案示例之一

（一）教學目的

1.知道動能和重力勢能、彈性勢能可以相互轉化，并能舉例說明。

2.能解釋一些有關動能、重力勢能、彈性勢能相互轉化的簡單物理現象。

（二）教具

滾擺、單擺，斜槽，彈簧片，木球，人造地球衛星的掛圖等。

（三）教學過程 

1.復習

手持粉筆頭高高舉起。以此事例提問：被舉高的粉筆具不具有能量？為什么？

2.引入新課

學生回答提問后，再引導學生分析粉筆頭下落的過程。首先提出，當粉筆頭下落路過某一點時，粉筆頭具有什么能量？（此時既有重力勢能，又有動能）繼而讓學生比較在該位置和起始位置，粉筆頭的重力勢能和動能各有什么變化？（重力勢能減少，動能增加）

3.進行新課

在粉筆頭下落的過程，重力勢能和動能都有變化，自然界中動能和勢能變化的事例很多，下面我們共同觀察滾擺的運動，并思考動能和勢能的變化。

實驗1：滾擺實驗。

出示滾擺，并簡單介紹滾擺的構造及實驗的做法。事先應在擺輪的側面某處涂上鮮明的顏色標志，告訴學生觀察顏色標志，可以判斷擺輪轉動的快慢。

引導學生復述并分析實驗中觀察到的現象。開始釋放擺輪時，擺輪在最高點靜止，此時擺輪只有重力勢能，沒有動能。擺輪下降時其高度降低，重力勢能減少；擺輪旋轉著下降；而且越轉越快，其動能越來越大。擺輪到最低點時，轉動最快，動能最大；其高度最低，重力勢能最小。在擺輪下降的過程中，其重力勢能逐漸轉化為動能。

仿照擺輪下降過程的分析，得出擺輪上升過程中，擺輪的動能逐漸轉化為重力勢能。

實驗2：單擺實驗。

此實驗擺繩宜長些，擺球宜重些。最好能掛在天花板上，使單擺在黑板前，平行于黑板振動，以便在黑板上記錄擺球運動路線中左、右最高點和最低點的位置。分析單擺實驗時，擺球高度的變化比較直觀，而判斷擺球速度大小的變化比較困難，可以從擺球在最高點前后運動方向不同，分析擺球運動到最高點時的速度為零，作為這一難點的突破口。順便指出像單擺這種往復的運動，在物理學中叫做振動。

綜述實驗1、2，說明動能和重力勢能是可以相互轉化的。

實驗3：彈性勢能和動能的相互轉化。

演示課本圖1—7動能和彈性勢能的轉化實驗。實驗可分兩步做。首先手持著木球將彈簧片推彎，而后突然釋放木球，木球在彈簧片的作用下在水平槽內運動。讓學生分析在此過程中，彈性勢能轉化為動能。第二步實驗，讓木球從斜槽上端滾下，讓學生觀察木球碰擊彈簧片的過程。然后，依據課本圖1—7，甲→乙圖和乙→丙圖分析動能轉化為彈性勢能和彈性勢能轉化為動能的過程。得出：動能和彈性勢能也是可以相互轉化的。

自然界中動能和勢能相互轉化的事例很多。其中有一些比較直觀，例如：物體從高處落下、瀑布流水等這些事例也可以讓學生列舉，說明動能和勢能的相互轉化。有些事例比較復雜，例如：踢出去的足球在空中沿一條曲線（拋物線）運動過程中，動能和勢能是如何相互轉化的呢？（板畫足球軌跡，依圖分析）首先我們來分析足球離地面的高度的變化，這是判斷足球重力勢能變化的依據。很明顯，在上升過程中足球的重力勢能增加；在下降過程中重力勢能減少。接著再分析足球的速度。足球在最高點時不再上升，說明它向上不能再運動。所以，足球在上升過程中，速度逐漸變小；在下降過程中速度又逐漸變大。通過以上分析，可以看到足球在上升階段動能轉化為重力勢能；在下降階段重力勢能轉化為動能。

人造地球衛星在運行過程中，也發生動能和重力勢能的相互轉化。人造地球衛星大家并不陌生，然而圍繞人造衛星，同學們還有許多的謎沒有揭開。例如：人造衛星為什么能繞地球運轉而不落下來？在人造衛星內失重是怎么回事？等等，這些問題還有待于同學們進一步學習，今天我們只討論衛星運行過程中，動能和重力勢能的相互轉化。

人造衛星繞地球沿橢圓軌道運行，它的位置離地球有時近、有時遠。（出示我國發射的第一顆人造衛星軌道圖）現以我國發射的第一顆人造衛星為例，它離地球最近時（此處叫近地點）離地面439公里，離地球最遠時（此處叫遠地點）離地面高度是2384公里，它繞地球一周的時間是114分鐘。它在近地點時，速度最大，動能最大；此時離地面最近，重力勢能最小。衛星由近地點向遠地點運行時動能減小，重力勢能增大，動能向重力勢能轉化。直到遠地點時，動能最小，重力勢能最大。衛星由遠地點向近地點運行時，重力勢能向動能轉化。在衛星運行過程中，不斷地有動能和勢能的相互轉化。

4.小結

通過“想想議議”問題的討論，進一步認識動能和勢能的相互轉化。

(1)在動能和勢能的相互轉化過程中，必定有動能和勢能各自的變化，而且是此增彼減。

(2)動能的增減變化，要以速度增減來判斷。

(3)重力勢能的增減變化，要以物體離地面高度的增減變化來判斷。

(4)判斷彈性勢能的增減，要根據彈性形變大小的變化。

說明

1.滾擺實驗能直觀地表現動能和勢能的轉化。它的優點在于能量轉化的過程比較緩慢，擺輪高度變化明顯、直觀，擺輪轉動快慢變化也能直接觀察。實驗中應充分發揮上述優點，為此要注意以下幾點。

(1)擺輪的軸應相對細些，以減緩擺輪的升降速度。固定擺繩時，應穿過軸的橫孔，不宜用纏繞的方法固定，以防打滑。

(2)要在擺輪的側面某處涂上鮮明的顏色標志，便于觀察擺輪速度的變化。

(3)擺輪應當邊緣厚重，以增大轉動慣量。

2.關于人造衛星的知識，學生是非常感興趣的，鑒于學生的知識基礎，難以使學生揭開謎底，往往由此而損傷學生的求知欲。本節課如有可能，也可通俗地介紹衛星為什么能繞地球運行。講法上可用想象推理的方法。

參看圖1，水平地拋出一個物體，由于地球的吸引，它會落回地面，但是拋出的物體速度越快，它飛行的距離越遠。人拋物體，拋出的距離不過幾十米，但汽槍子彈能飛行幾百米，步槍子彈能飛行幾千米，而炮彈能飛行幾十公里。我們可以設想，物體的速度足夠大時，它就能永遠不落回地面，圍繞地球旋轉。這個速度大約是8公里/秒。如果速度再大些，物體繞地球運行的軌道就由圓形變為橢圓形。人造衛星就是根據這個道理發射的。