第八章《机械能守恒》学习过程

　　一、本单元的学习进阶设计

　　二、学习进阶设计说明

　　1．L1层级：理解功和功率

　　学生在初中物理课程学习中已经了解力和物体运动方向相同时力做功的计算方法，也知道力和物体运动方向垂直时不做功，在此基础上经过自主推导，得出当力和物体的运动方向成一定夹角时力做功的计算方法，实现推理能力的进阶；经过分类讨论力和运动方向夹角不同时力做功的情况，及所对应的力的作用效果，理解力对物体做功的物理意义，实现对功的概念的理解进阶，为“能量”的量化做好认知准备；经过由各力功求合力功的运算推理，深化对标量和矢量的认识，理解功是标量。

　　学生在初中物理课程学习中已经了解平均功率的概念，在高中物理课程中体验过极限方法，在此基础上推理出瞬时功率的概念，通过了解常见机械的功率大小，并应用瞬时功率分析汽车牵引力与瞬时速度的关系，能够实现学生对功率概念的理解进阶。

　　【活动设计案例一】

　　基于具体物理情境（用斜向上的力拉着物体沿水平地面前进），推导力和物体的运动方向成一定夹角时，力对物体做功的计算法则。

　　活动目的：培养学生用物理学视角观察生活现象的能力，掌握功的计算。

　　【活动设计案例二】

　　分类比较当力与位移成不同夹角时，力对物体做功的计算结果与力的作用效果间的关系。

　　活动目的：理解力对物体做功的物理意义，提升分析能力。

　　【活动设计案例三】

　　证明当一个物体在几个力的共同作用下发生一段位移时，这几个力对物体所做的总功，是各个力分别对物体所做功的代数和。

　　活动目的：理解功是标量，功的计算遵守标量运算法则，提升推理能力。

　　【活动设计案例四】

　　了解生产生活中常见机械的功率大小及其意义。运用功率概念解释汽车上坡时出现的现象，讨论当汽车发动机的功率一定时，牵引力与速度的关系。

　　活动目的：理解功率，培养用功率概念分析机械问题的能力。

　　2．L2层级：理解重力势能

　　学生已经具备丰富的有关重力势能、弹性势能的感性认识，但是不知道势能的定量表述方法，也不知道重力做功跟物体运动的路径无关，只跟物体的起点和终点的位置有关的规律。按照由简到繁的原则，先以最简单的竖直下落为例，分析重力对物体做功，再以沿倾斜直轨道下滑为例分析重力对物体做功，发现重力对物体做功的特点，然后将重力做功的特点推广到物体沿任意路径运动的情况中，归纳出重力做功特点，提炼出重力势能的表达式，实现学生推理、归纳能力的进阶。

　　【活动设计案例一】

　　基于物体运动的具体情境（沿水平面运动；竖直下落；沿倾斜直轨道下滑；沿弯曲轨道下滑）研究重力做功，引导学生发现“重力对物体做的功只跟物体的起点和终点的位置有关，而跟物体运动的路径无关”的规律，发现重力势能的表达式，理解重力做功与重力势能的变化的关系。

　　活动目的：理解重力势能，理解重力势能的变化与重力做功的关系。

　　【活动设计案例二】

　　基于具体物理情境，比较物体的重力势能、重力势能的变化量与零势能面的选取之间的关系。

　　活动目的：理解重力势能的相对性，理解重力势能的变化量与零势能面的选取无关。

　　3．L3层级：理解动能和动能定理

　　学生已经了解物体的动能大小与物体的质量、速度有关，具有定量描述物体动能大小的学习愿望；学生已经掌握牛顿运动定律和匀变速直线运动中速度—位移公式，为自主推导动能定理、发现动能的表达式提供了知识和能力基础。学生经历动能定理的推导过程，实现演绎推理能力的进阶。引导学生用“功是能量转化的量度”的思想分析公式的物理意义，理解动能和动能定理，促进能量观念的形成。体验用动能定理解释生活中各种物理现象，提升学生从能量视角分析问题、解决问题的能力。

　　【活动设计案例一】

　　基于匀变速直线运动的物理情境，引导学生应用牛顿运动定律和匀变速直线运动规律自主推导出动能定理的表达式，再用“功是能量转化的量度”的思想分析的物理意义。 

　　活动目的：理解动能和动能定理；提升演绎推理能力。

　　【活动设计案例二】

　　分别用牛顿运动定律，动能定理两种方法解答教材中的例题。 

　　活动目的：体会运用动能定理解决问题的简单快捷，培养运用动能定理解决物理问题的意识和能力。

　　4．L4层级：理解机械能守恒定律

　　（1）理论分析得出机械能守恒定律。

　　通过“功和能”的学习，学生知道了重力做功会引起重力势能的变化，弹簧的弹力做功将使弹性势能发生变化，合力的功等于物体动能的变化，学生曾在初中阶段学过的一些定性的东西，逐渐找到了定量描述的方法，对功能关系的认识加深了，也萌发了继续探究的兴趣。那么在动能，重力势能和弹性势能都参与转化的过程中，情况又将怎样呢？这是学生亟待解决的问题，机械能守恒定律的建立已经到了水到渠成的时候。

　　从知识发展的线索来看，机械能守恒定律，既是“功能关系”的阶段性总结，也为进一步认识能量守恒定律做好铺垫。通过机械能守恒定律的学习，学生对“功是能量转化的量度”会有更加深刻的理解，也为从不同角度处理力学问题，提供了良好的学习体验。

　　【活动设计案例一】

　　基于具体物理情境（自由落体运动，物体沿光滑直轨道下滑，物体沿光滑曲面下滑）推导机械能守恒定律，总结机械能守恒的条件。

　　活动目的：理解机械能守恒定律；提升推理能力。

　　【活动设计案例二】

　　运用机械能守恒定律分析问题、解决问题，初步形成清晰的能量观念，能从能量转化和守恒的视角正确描述和解释自然现象。

　　活动目的：能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。体会守恒思想对认识物理规律的重要性。

　　（2）实验验证机械能守恒定律。

　　学生已经掌握了打点计时器、气垫导轨（数字计时器）等实验设备的工作原理和使用方法，为实验验证机械能守恒定律奠定了基础。在实验过程中，学生经历实验方案的制订，实验器材的选取，实验数据的采集，实验数据的分析，以及实验报告的撰写，实验结果的反思和交流过程，认识实验是物理学研究的基本方法，实现科学探究素养的提升，在与同学的合作过程中，形成积极寻求合作的团队意识，提升合作能力。

　　【活动设计案例一】

　　了解实验在物理学发展过程中的重要性。

　　活动目的：认识实践是检验真理的唯一标准，培养用实践检验理论的严谨科学态度。

　　【活动设计案例二】

　　学生自主设计实验方案，选取器材，完成数据采集和分析，进行交流和讨论，分析误差和产生原因，提出实验改进方案。

　　活动目的：锻炼实验设计能力，动手操作能力，反思交流的能力；提升科学探究素养。