（教師用書）2020學(xué)年高中物理 第七章第1節(jié) 追尋守恒量素材 新人教版必修2

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1、第1節(jié) 追尋守恒量 理解領(lǐng)悟 能量的概念是在人類追尋“運動中的守恒量是什么”的過程中發(fā)展起來的。能量概念之所以重要，就是因為它是一個守恒量。守恒關(guān)系是自然界中十分重要的關(guān)系。本節(jié)教材從追尋守恒量出發(fā)引入能量概念，要把這種物理思想滲透在能量學(xué)習(xí)的全過程。 基礎(chǔ)級 1. 對伽利略斜面理想實驗的再認識 在牛頓之前，伽利略的斜面理想實驗已經(jīng)顯現(xiàn)了能量及其守恒的思想。關(guān)于這一理想實驗，我們在第四章第一節(jié)學(xué)習(xí)牛頓第一定律時已經(jīng)有所了解，這一理想實驗對牛頓第一定律的建立起到了極其重要的作用?，F(xiàn)在，讓我們從一個新的角度再來討論一下這個理想實驗。 圖5—1 h h B A 如圖5—1所示

2、，當(dāng)小球沿斜面A從h高處由靜止開始滾下時，小球的高度不斷減小，而速度不斷增大，這說明小球憑借其位置而具有的某個量不斷減少，而由于運動而具有的某個量不斷增大。當(dāng)小球從斜面底沿另一個斜面B向上滾時，小球的位置不斷升高，而速度不斷減小，說明小球憑借位置而具有的某個量不斷增加，由于運動而具有的某個量逐漸減少。如果斜面是光滑的，空氣阻力也可忽略，當(dāng)小球到達斜面B的h高度時，速度為0。小球好像“記得”自己起始的高度。這說明某種“東西”在小球運動過程中是不變的。 2. 如何理解能量概念？ 正如教材所指出的，“記得”并不是物理學(xué)的語言。在摩擦力和空氣阻力小到可以忽略的條件下，小球能準(zhǔn)確地終止于同它開始點相

3、同的高度，不會高一點，也不會低一點。在物理學(xué)中，我們把這一事實說成是“有某一量是守恒的”，并且把這個量叫做能量或能。能量的概念是在人類追尋“運動中的守恒量是什么”的過程中發(fā)展起來的。 能是描述物質(zhì)（或系統(tǒng)）運動狀態(tài)的一個物理量，是物質(zhì)運動的一種量度。任何物質(zhì)都離不開運動，在自然界中物質(zhì)的運動是多種多樣的，相對于各種不同的運動形式，就有各種不同形式的能量。自然界中主要有機械能、熱能、光能、電磁能和原子能等。各種不同形式的能可以相互轉(zhuǎn)化，而在轉(zhuǎn)化過程中，能的總量是不變的，這是能的最基本的性質(zhì)。 3. 什么是勢能？ 我們把相互作用的物體憑借其位置而具有的能量叫做勢能。可見，說到勢能，必須有相互

4、作用的物體，而且一定與其位置有關(guān)。例如，小球受到地球施于它的重力作用，當(dāng)伽利略把小球從桌面提高到斜面上起始點的高度時，他就賦予了小球一種形式的能量——勢能。當(dāng)我們將彈簧拉伸或者壓縮時，彈簧各部分發(fā)生相互作用，各部分的相對位置與彈簧自然伸長時發(fā)生了變化，我們也就賦予了彈簧一定的勢能。同樣，構(gòu)成物質(zhì)的分子之間有相互作用，也存在憑借其位置而具有的勢能。 4. 什么是動能？ 我們把物體由于運動而具有的能量叫做動能?？梢?，說到動能，一定要有運動著的物體。例如，當(dāng)伽利略釋放小球后，小球開始運動，獲得速度，運動著的小球就具有了動能。流動的河水、轉(zhuǎn)動的飛輪、飛行的炮彈、無規(guī)則運動的分子等，都具有一定的動能

5、。 5. 引入能量概念的重要性 伽利略的斜面理想實驗，使我們認識到引入能量概念的重要性。 在物理學(xué)的發(fā)展過程中，能量的概念幾乎是與人類對能量守恒的認識同步發(fā)展起來的。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)告訴我們，盡管物質(zhì)世界千變?nèi)f化，但這種變化不是沒有規(guī)律的，基本的規(guī)律就是守恒定律。也就是說：一切運動變化無論屬于什么運動形式，反映什么樣的物質(zhì)特性，都要滿足一定的守恒定律。能量的概念之所以重要，就是因為它是個守恒量。守恒關(guān)系是自然界中十分重要的一類關(guān)系。 發(fā)展級 6. 追尋守恒量的歷史足跡 長期以來，人們?yōu)樽穼な睾懔孔龀隽瞬恍傅呐?。早在力學(xué)初步形成時就已有了能量守恒思想的萌芽。例如，伽利略研究斜面問

6、題和擺的運動，斯梯芬研究杠桿原理，惠更斯研究完全彈性碰撞等都涉及能量守恒問題。17世紀法國哲學(xué)家笛卡爾已經(jīng)明確提出了運動不滅的思想。以后德國哲學(xué)家萊布尼茨引進活力的概念，首先提出活力守恒原理，他認為用mv2度量的活力在力學(xué)過程中是守恒的，宇宙中的“活力”是守恒的。D·伯努利的流體運動方程實際上就是流體運動中的機械能守恒定律。永動機不可能實現(xiàn)的歷史教訓(xùn)，從反面提供了能量守恒的例證，成為導(dǎo)致建立能量守恒原理的重要線索。至19世紀20年代，力學(xué)的理論著作強調(diào)“功”的概念，提供了一種機械“能”的量度，這為能量轉(zhuǎn)換建立了定量基礎(chǔ)。1835年哈密頓發(fā)表了《論動力學(xué)的普遍方法》一文，提出了哈密頓原理。至此，

7、能量守恒定律及其應(yīng)用已經(jīng)成為力學(xué)中的基本內(nèi)容。 另外，在化學(xué)、生物學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等方面，科學(xué)家們也做了大量的研究工作，德國的邁爾、赫姆霍茲和英國的焦耳都對能量轉(zhuǎn)化與守恒定律做出過明確的敘述。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是自然界基本規(guī)律之一。恩格斯對這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)給予了崇高的評價，把它和達爾文進化論及細胞學(xué)說并列為三大自然發(fā)現(xiàn)。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律這個全面的名稱就是恩格斯首先提出來的。 應(yīng)用鏈接 本節(jié)知識的應(yīng)用主要涉及伽利略斜面理想實驗中關(guān)于能量問題的思考，對能量、勢能和動能概念的理解，以及對建立能量概念重要性的認識。 基礎(chǔ)級 例1 試以伽利略斜面理想實驗為例，說明不同形式的機械能之間

8、可以相互轉(zhuǎn)化，且轉(zhuǎn)化過程中能的總量保持不變。 提示 小球的勢能與動能相互轉(zhuǎn)化。 解析 在伽利略的斜面理想實驗中，當(dāng)小球從斜面滾下時，小球的高度在降低，而速度卻在增大，小球的勢能轉(zhuǎn)化為動能；當(dāng)小球滾上另一斜面時，小球的高度在增加，而速度卻在減小，小球的動能又轉(zhuǎn)化為勢能。小球能達到與起始點相同的高度，說明在轉(zhuǎn)化過程中，能的總量保持不變。 點悟 伽利略斜面理想實驗說明，不同形式的機械能之間可以相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能的總量保持不變。 例2 試以伽利略斜面理想實驗為例，說明引入能量概念的理由。 提示 從描述守恒量的角度進行分析。 解析 如果不引入能量概念，我們也可以對伽利略斜面理

9、想實驗做這樣的描述：“為了提高小球，伽利略施加了與重力相反的力。當(dāng)他釋放小球時，重力使小球滾下斜面。在斜面的底部，小球由于慣性而滾上另一斜面?！比欢@樣描述無法表達在空氣阻力和摩擦力小到可以忽略的情況下，小球總是能夠滾到與起始點相同的高度，無法描述小球運動過程中的守恒量。因此，從描述守恒量的需求來看，引入能量概念是十分必要的。 點悟 引入能量的概念，是在物理學(xué)發(fā)展中追尋守恒量的一個重要事例。 例3 試說明下列物體的機械能轉(zhuǎn)化情況，轉(zhuǎn)化過程中機械能的總量是否保持不變？ （1） 將石子豎直上拋，石子上升到最高點后又落回原處；； （2） 小球落到豎直放置的彈簧上，并將彈簧壓縮。 提示

10、 根據(jù)勢能與動能的定義，注意物體位置與速度的變化。 解析 （1）石子上升階段，高度增加，速度減小，石子的動能向勢能轉(zhuǎn)化；石子下落階段，高度降低，速度增大，石子的勢能向動能轉(zhuǎn)化。若不考慮空氣阻力，石子在空中運動的全過程中機械能的總量保持不變。 （2）小球下落過程中，在接觸彈簧前，高度降低，速度增大，小球的勢能向動能轉(zhuǎn)化；在接觸彈簧到彈簧彈力與小球重力相等的過程中，高度降低，速度繼續(xù)增大，彈簧被壓縮，小球的勢能向動能和彈簧的勢能轉(zhuǎn)化；在小球繼續(xù)下落的過程中，小球高度降低，速度減小，彈簧進一步被壓縮，小球的勢能和動能向彈簧的勢能轉(zhuǎn)化。若不考慮空氣阻力，小球與彈簧的機械能總量保持不變。 點悟

11、分析物體運動狀態(tài)，把握其位置與速度的變化情況，這是分析不同形式的機械能之間轉(zhuǎn)化情況的基礎(chǔ)。 O A B 圖5—2 C 例4 請列舉兩例，分析不同形式機械能間的轉(zhuǎn)化情況，并說明轉(zhuǎn)化過程中能量守恒。 提示 考慮物體位置與速度的變化。 圖5—3 O A B 解析 （1）如圖5—2所示，一只碗放在水平桌面上，將光滑小球自碗的左側(cè)邊緣A處由靜止釋放，小球?qū)⒀刂氲膬?nèi)壁下滾到碗底C點，并繼續(xù)沿碗的內(nèi)壁向上滾至碗的右側(cè)邊緣B處。在小球由A到的過程中，小球的高度降低，速度增大，其勢能轉(zhuǎn)化為動能；在小球由C到B的過程中，小球的高度增加，速度減小，其動能又轉(zhuǎn)化為勢能。由于空氣阻力和摩擦力

12、小到可以忽略，小球總是能上升到與起始點相同的高度，說明小球在運動過程中能量守恒。 （2）如圖5—3所示，一根細長的彈簧一端固定，一端系著一個小球，放在光滑的桌面上，小球靜止于O點。手握小球把彈簧拉長，使小球位于A點，放手后小球便在A、B間來回運動。在小球由A到O的過程中，小球的速度增大，彈簧逐漸恢復(fù)原長，彈簧的勢能轉(zhuǎn)化為小球的動能；在小球由O到B的過程中，小球的速度減小，彈簧不斷被壓縮，小球的動能轉(zhuǎn)化為彈簧的勢能；在小球由B到O的過程中，小球的速度增大，彈簧又逐漸恢復(fù)原長，彈簧的勢能又轉(zhuǎn)化為小球的動能；在小球由O到A的過程中，小球的速度減小，彈簧不斷被拉伸，小球的動能又轉(zhuǎn)化為彈簧的勢能。在小

13、球以后的運動中，能量轉(zhuǎn)化情況將重復(fù)上述過程。由于空氣阻力和摩擦力小到可以忽略，小球總是能回到起始位置，說明小球在運動過程中小球與彈簧的總能量守恒。 點悟 在日常生活中，不同形式機械能間的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的。只要關(guān)注生活、注意觀察，不難找到這方面的實例。 圖5－4 發(fā)展級 例5 如圖5—4所示，將一個帶軸的輪子用兩根細線懸吊起來，使輪軸處于水平狀態(tài)，做成一個“滾擺”。旋轉(zhuǎn)滾擺，讓細線繞在輪軸上，然后由靜止開始釋放滾擺。滾擺就會邊旋轉(zhuǎn)邊下落，繞在輪軸上的細線也隨之不斷退出；到達最低點后，滾擺又會邊旋轉(zhuǎn)邊上升，細線又隨之逐漸繞在輪軸上。試分析滾擺運動過程中的能量轉(zhuǎn)化情況。在阻力小到可以忽

14、略的情況下，你猜想滾擺每次都能回升到起始點的高度嗎？請說明你猜想的依據(jù)。 提示 分析滾擺的勢能與動能變化情況，依據(jù)能量守恒規(guī)律進行合理猜想。 解析 在滾擺向下運動的過程中，滾擺的高度不斷降低，下落速度和旋轉(zhuǎn)速度不斷增大，滾擺的勢能轉(zhuǎn)化為動能；在滾擺向上運動的過程中，滾擺的高度不斷增加，上升速度和旋轉(zhuǎn)速度不斷增減小，滾擺的動能又轉(zhuǎn)化為勢能。依據(jù)能量守恒規(guī)律，在阻力小到可以忽略的情況下，滾擺機械能的總量保持不變，滾擺每次都應(yīng)該能回升到起始點的高度。 點悟 對物理現(xiàn)象做出合理猜想，這是科學(xué)探究的重要一環(huán)。感興趣的同學(xué)不妨自制一個滾擺，然后對上述猜想進行實驗驗證。 例6 行駛中的汽車制動

15、后滑行一段距離，最后停下來；流星在夜空中墜落，并發(fā)出明亮的光焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同物理過程是（ ） A. 物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 B. 物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 C. 物體的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 D. 其他形式的能轉(zhuǎn)化為物體的機械能 提示 具體分析各物體的能量轉(zhuǎn)化情況，再進行比較。 解析 汽車制動后受到摩擦阻力的作用，動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；流星在空中墜落時受到空氣阻力作用，動能和勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能；降落傘在空中勻速下降，受到空氣阻力作用，勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；條形磁鐵在下落過程中穿過閉

16、合線圈，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。正確選項為C。 點悟 能量轉(zhuǎn)化有不同的過程與形式，而在轉(zhuǎn)化過程中，能的總量總是保持不變的，即能量是守恒的。 課本習(xí)題解讀 [p.3問題與練習(xí)] 例如：做自由落體運動的物體在下落過程中，勢能不斷減少，動能不斷增加，在轉(zhuǎn)化的過程中動能和勢能的總和不變。（生活中的例子很多，只要符合題意都可以。） 練習(xí)鞏固（5—1） 基礎(chǔ)級 1. 在自然界經(jīng)歷的多種多樣的變化中，能的總量保持不變。我們把 而具有的能量叫做勢能，把 而具有的能量叫做動能。 2. 指出下列物體分別具有什么形式的機械能： ①飛奔的駿馬；②停在空中

17、的直升飛機的機身；③被壓縮的彈簧；④運行中的人造衛(wèi)星。 3. 伽利略斜面理想實驗使人們認識到引入能量概念的重要性。在此理想實驗中，能說明能量在小球運動過程中不變的理由是（ ） 圖5－5 A. 小球滾下斜面時，高度降低，速度增大 B. 小球滾上斜面時，高度增加，速度減小 C. 小球總能準(zhǔn)確地到達與起始點相同的高度 D. 小球能在兩斜面之間永不停止地來回滾動 4. 試舉出日常生活中的一個例子，說明引入能量概念的理由。 5. 將小球用細線拴住懸掛起來，做成一個“單擺”。讓此單擺的擺球偏離平衡位置，使擺線與豎直方向成一定的角度，從靜止開始釋放小球，小球就在同一豎直平面內(nèi)來回擺動，如

18、圖5—5所示。試說明單擺運動的機械能轉(zhuǎn)化情況。轉(zhuǎn)化過程中機械能的總量是否保持不變？ 6. 請列舉一例，分析不同形式機械能間的轉(zhuǎn)化情況，并說明轉(zhuǎn)化過程中能量守恒。 7. 對于斜面實驗，若小球與斜面間的摩擦力及空氣阻力不能忽略，小球?qū)⒉荒苓_到起始點相同的高度，而是在兩個斜面間來回滾動，所能達到的高度越來越低，最終停在最低處。這種情況還能說明能量在小球運動過程中是不變的嗎？ 發(fā)展級 8. 本節(jié)教材加了這樣一段眉批：“科學(xué)概念的力量在于它具有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力。在這方面能量概念的作用十分獨特。”對此，你是如何理解的？ 9. 進圖書館或上網(wǎng)查閱資料，更多地了解科學(xué)家追尋守恒量并發(fā)現(xiàn)

19、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的研究進程。 10. 本節(jié)教材篇末提出了兩個值得思考的問題：“勢能和動能如何定量地量度？勢能和動能的轉(zhuǎn)化是怎樣進行的？”對這兩個問題，我們將在下面幾節(jié)中逐步加以解決。學(xué)有余力的同學(xué)可先進行預(yù)習(xí)，就能得到正確答案。 練習(xí)鞏固參考答案（5—1） 1. 我們把相互作用的物體憑借其位置而具有的能量叫做勢能，把物體由于運動而具有的能量叫做動能。 2. ①飛奔的駿馬具有動能；②停在空中的直升飛機的機身具有勢能；③被壓縮的彈簧具有勢能；④運行中的人造衛(wèi)星既具有勢能，又具有動能。 3. CD 4. 仿照本節(jié)例2解答。 5. 仿照本節(jié)例4（1）解答。 6. 仿照本節(jié)例4解答。 7. 小球的機械能不再守恒，但總能量依然是守恒的，因為由于摩擦和空氣阻力的作用，有部分機械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能。 8. 從能量“具有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力”這一角度加以理解。 9. 按題目要求去做。 10. 按題目要求去做。 教后感想