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2019-2020年高中物理 7.10《能量守恒定律與能源》優(yōu)秀教案 新人教版必修2 本節(jié)從能量守恒定律入手，從機(jī)械能守恒定律向普遍的能量守恒定律拓展，闡述了能量守恒定律推出的艱辛歷程，讓學(xué)生感受物理規(guī)律得出的歷程，使學(xué)生體會科學(xué)家不畏艱辛的探索精神.并且指出能量守恒定律的建立，是人類認(rèn)識自然的一次重大飛躍，是哲學(xué)和自然科學(xué)長期發(fā)展和進(jìn)步的結(jié)果,展示了科學(xué)的和諧美.教材第二部分，能源和能量耗散，從生活實際出發(fā)，讓學(xué)生了解自然界中熱傳導(dǎo)過程和能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移是有一定方向的，讓學(xué)生了解能源對人類文明的意義和由能源帶來的環(huán)境問題，引入可持續(xù)發(fā)展的概念.讓學(xué)生認(rèn)識節(jié)約能源，開發(fā)新能源與可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，可以讓學(xué)生通過查閱相關(guān)材料，提出自己的見解.思考怎樣探索和使用未來的理想能源,使學(xué)生體會物理學(xué)與技術(shù)發(fā)展的互動關(guān)系. 建議本節(jié)采取開放式的教學(xué)形式，讓學(xué)生通過預(yù)習(xí)查找資料，談?wù)勛约簩δ芰康恼J(rèn)識.特別應(yīng)該對教材中“思考與討論”欄目中所說的“既然能量是守恒的，不可消滅，為什么我們還要節(jié)約能源？”的話題進(jìn)行討論.在討論中逐漸使學(xué)生認(rèn)識到，能量從更深的層次上反映了物質(zhì)運(yùn)動和相互作用的本質(zhì).能量守恒定律是人們認(rèn)識自然的重要工具.能源關(guān)系到人們的衣食住行，關(guān)系到國家的興旺發(fā)達(dá),能源的開發(fā)和利用，是關(guān)系人類生存和發(fā)展的一個重大的社會問題.這一節(jié)教學(xué)目標(biāo)的落腳點(diǎn)應(yīng)放在使學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀、形成可持續(xù)發(fā)展的意識上.本節(jié)課為物理規(guī)律與實際生活的結(jié)合課程，重點(diǎn)為物理規(guī)律與實際問題的辯證關(guān)系，課堂教學(xué)要大量引用其他相關(guān)學(xué)科的知識，比如地理、歷史等. 教學(xué)重點(diǎn) 能量守恒定律的內(nèi)容. 教學(xué)難點(diǎn) 理解能量守恒定律的確切含義，知道既然能量守恒為什么還要節(jié)約能源. 課時安排 1課時 三維目標(biāo) 知識與技能 1.了解什么是常規(guī)能源，什么是新型能源. 2.知道能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性以及第二類永動機(jī)不可能實現(xiàn). 3.通過能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性，認(rèn)識提高效率的重要性. 4.了解能源與人類生存和社會發(fā)展的關(guān)系，使學(xué)生認(rèn)識能源的合理利用與環(huán)境保護(hù)對可持續(xù)發(fā)展的重要意義. 過程與方法 1.通過指導(dǎo)學(xué)生分析事例，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和理論聯(lián)系實際的能力. 2.通過指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力. 情感態(tài)度與價值觀 1.了解大量的能源消耗帶來的全球性環(huán)境問題,樹立環(huán)保意識. 2.感知我們周圍能源的耗散，樹立節(jié)能意識. 教學(xué)過程 新課導(dǎo)入 情景導(dǎo)入 在20世紀(jì)的最后幾分鐘里，一項新的多米諾骨牌吉尼斯世界紀(jì)錄，在北京頤和園體育健康城綜合館和網(wǎng)球館誕生.中國、日本和韓國的62名青年學(xué)生成功推倒340多萬張骨牌，一舉打破了此前由荷蘭人保持的297萬張的世界紀(jì)錄.這就是“多米諾骨牌效應(yīng)”，該效應(yīng)產(chǎn)生的能量是十分巨大的.大不列顛哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)家A.懷特海德曾經(jīng)制作了一組骨牌，共13張，第1張最小，長9.53 mm，寬4.76 mm，厚1.19 mm，還不如小手指甲大.以后每張體積擴(kuò)大1.5倍，這個數(shù)據(jù)是按照一張骨牌倒下的時候能推倒一張1.5倍體積的骨牌而選定的.最大的第13張長61 mm，寬30.5 mm，厚7.6 mm，把這套骨牌按適當(dāng)間距排好，輕輕推倒第1張，必然會波及到第13張，第13張骨牌倒下時釋放的能量比第1張牌倒下時整整要擴(kuò)大20多億倍.而按同樣比例制作的第32張骨牌倒下時釋放的能量將高達(dá)1.241015J，又?jǐn)U大了20多億倍.不過，A.懷特海德畢竟未能制作第32張骨牌，因為它將高達(dá)415 m，兩倍于紐約帝國大廈.如果真有人制作了這樣一套骨牌，那摩天大廈就會在一指之力下被轟然推倒! 這種巨大的能量從何而來？能量之間又是如何轉(zhuǎn)化的？ 故事導(dǎo)入 在xx年，某雜志報道，一位家住“河南鄭州二七區(qū)齊扎閻鄉(xiāng)”，自稱是“新加坡籍華人”“博士、院士、專家委員”名為“梁星人”的一個人，成了當(dāng)時的網(wǎng)上名人，其原因是他聲稱建成了“宇宙引力能永動機(jī)”，并獲得了中國專利（實際上只是申請了專利，還未獲得批準(zhǔn)），而且還有一家“海南星人永動機(jī)發(fā)電廠有限公司”正在生產(chǎn)改永動機(jī)裝備的車輛，你分析一下制造這種永動機(jī)的可行性. 問題導(dǎo)入 我國人均能源占有量只有世界平均值的1/4，解決我國的能源問題的基本方針是：能源開發(fā)與節(jié)約并重.但有人認(rèn)為“能量是守恒的”,不需要節(jié)約，談一下你對此的看法，并觀察周圍可利用的能源哪些是“綠色的”. 新聞導(dǎo)入 2003年12月8日國內(nèi)某媒體報道了下面的這則消息：這個冬天，對于湖南長沙市的150多萬市民來說，將格外漫長，因為從今年11月30日起，可能一直要持續(xù)到明年三月份，這里的市民，將分區(qū)分片“享受”每連續(xù)供電三天后，停電24小時的“待遇”.《某某晚報》11月27日的報道中，已經(jīng)赫然出現(xiàn)了商店秉燭營業(yè)的景觀. 長沙并不是唯一的例子，從今年春天就開始逐漸浮出水面的電力危機(jī)，在盛夏季節(jié)達(dá)到一個短暫的高峰，至今這個陰影仍然揮之不去，影響范圍先后涉及到全國幾乎三分之二的省份，有人戲稱，中國電力市場又退回到了20世紀(jì)80年代. 僅僅是電力嗎？似乎沒有這么簡單，入秋之后，柴油的緊張狀況，從珠江三角洲到長江三角洲，從福建到浙江，已經(jīng)形成了一種新的“流行病”，即使在北京地區(qū)，限量供應(yīng)的情況也再次出現(xiàn)，就差沒有“憑票供應(yīng)”了. 同學(xué)們思考，為什么會出現(xiàn)能源危機(jī)？如何應(yīng)對？ 推進(jìn)新課 一、能量守恒定律 問題：在驗證機(jī)械能守恒定律的實驗中，重物帶著紙帶下落時，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，減少的重力勢能的值大于增加的動能的值，即機(jī)械能的總量在減少.原因就是紙帶和打點(diǎn)計時器之間的摩擦力和空氣的阻力等.是不是考慮了各種摩擦和阻力后這部分能量就消失了呢？ 學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識總結(jié)歸納：沒有，它轉(zhuǎn)化成為除機(jī)械能外的其他的能量了. 教師引導(dǎo)：它轉(zhuǎn)化成了機(jī)械能外的其他形式的能量，除重力、彈力之類的力外，其他任何力對物體做功使物體的機(jī)械能增加或減少的過程，實質(zhì)上都是其他形式的能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的過程，在轉(zhuǎn)化的過程中，能的總量是不變的.這是大自然的一條普遍的規(guī)律，而機(jī)械能守恒定律只是這一條普遍規(guī)律的一種特殊情況. 問題：驗證機(jī)械能守恒定律中，減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.生活中還有很多這樣能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的例子，同學(xué)們能否舉出幾例，并說明其中的能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程? 參考案例： 1.風(fēng)吹動柳枝擺動空氣的機(jī)械能轉(zhuǎn)移到柳枝上. 2.放在火爐旁的冰融化變熱內(nèi)能由火爐轉(zhuǎn)移到冰. 3.電流通過燈泡，燈泡發(fā)光電能轉(zhuǎn)化為光能. 4.植物進(jìn)行光合作用光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能. 思維拓展 課件展示各種圖片，讓學(xué)生認(rèn)真觀察，并說明各種裝置能量的轉(zhuǎn)化情況.通過圖片展示，讓學(xué)生更加形象地感受能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程,為能量守恒定律的提出作準(zhǔn)備. 學(xué)生通過認(rèn)真觀察圖片并回顧相關(guān)知識，歸納總結(jié)： 圖1：太陽能電站：太陽能轉(zhuǎn)化為電能 圖2：內(nèi)燃機(jī)車：內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 圖3：水電站：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能 圖4：水果電池：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 從上面的例子我們可以看出，能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的. 引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，說出能量守恒定律的內(nèi)容，并引用教材上的話，說明能量守恒定律的建立有何重大意義. 師生總結(jié)： 1.能量守恒定律的內(nèi)容：能量既不會消滅，也不會創(chuàng)生，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量保持不變. 2.定律的表達(dá)式：E初=E終 ΔE增=ΔE減 3.發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的意義：能量守恒定律的建立，是人類認(rèn)識自然的一次重大飛躍，是哲學(xué)和自然科學(xué)長期發(fā)展和進(jìn)步的結(jié)果，它是最普遍、最重要、最可靠的自然規(guī)律之一，而且是大自然普遍和諧性的一種表現(xiàn)形式. 重點(diǎn)說明：該定律是貫穿整個物理學(xué)的基本規(guī)律之一，是學(xué)習(xí)物理學(xué)的一條主線.在應(yīng)用中,要分清系統(tǒng)中有多少種形式的能，發(fā)生了哪些轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移. 例 一小滑塊放在凹形斜面上，用力F沿斜面向下拉小滑塊，小滑塊沿斜面運(yùn)動了一段距離.若已知在這過程中，拉力F所做的功的大?。ń^對值）為A，斜面對滑塊的作用力所做的功的大小為B，重力做功的大小為C，空氣阻力做功的大小為D,當(dāng)用這些量表達(dá)時，小滑塊的動能的改變（指末態(tài)動能減去初態(tài)動能）等于多少？滑塊的重力勢能的改變等于多少？滑塊機(jī)械能（指動能與重力勢能之和）的改變等于多少？ 解答：根據(jù)動能定理，動能的改變等于外力做功的代數(shù)和，其中做負(fù)功的有空氣阻力、斜面對滑塊的作用力的功（因彈力不做功，實際上為摩擦阻力的功），因此ΔEk=A-B+C-D； 根據(jù)重力做功與重力勢能的關(guān)系，重力勢能的減少等于重力做的功，因此ΔEp=-C； 滑塊機(jī)械能的改變等于重力之外的其他力做的功，因此ΔE=A-B-D. 二、能源和能量耗散 問題：既然能量是守恒的，不可能消滅，為什么我們還要節(jié)約能源？ 情景引導(dǎo)：有些事可以倒過來進(jìn)行，但有些事情卻是不可能倒過來進(jìn)行的.你可以向前走路，也可以倒退著走路,但是，打碎的鏡子不可能自動復(fù)原成原來完好的樣子,冒起的煤煙和散開的炭灰不可能重新組合成一堆煤炭.類似的，自然界中自發(fā)的能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移也具有某種方向性. 問題：根據(jù)上面的提示，能否舉出生活中關(guān)于這種方向性的例子，并說明其中能量的變化? 參考案例： 1.草地上滾動的足球，逐漸慢下來，最后靜止,足球不能主動從靜止開始運(yùn)動. 足球的機(jī)械能減少，轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,內(nèi)能不能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能. 2.同學(xué)們圍著火爐取暖，熱量從高溫的火爐轉(zhuǎn)移到同學(xué)們身上,同學(xué)們卻不能利用比自身溫度低的物體取暖. 熱能夠自動地從高溫的火爐向人體傳輸卻不能從低溫物體自發(fā)地向高溫物體傳輸. 師生總結(jié)：與熱現(xiàn)象有關(guān)的能量轉(zhuǎn)化過程是具有方向性的.例如：摩擦力做功的過程，要損耗機(jī)械能而生熱，產(chǎn)生的熱不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能.在其他的宏觀過程中也是如此，例如：兩種氣體放到一個容器內(nèi)，總會均勻地混合到一起，但不會再自發(fā)地分離開來.通過實例說明，在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能的量是守恒的，但能量的品質(zhì)卻降低了，可被人直接利用的能在逐漸減少，這是能量耗散現(xiàn)象.所以，能量雖然守恒，但我們還要節(jié)約能源. 閱讀課本，舉例說明自然界能量轉(zhuǎn)化過程的方向性,如:冰箱制冷、瀑布中水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化、噴出的香水、松弛后的發(fā)條等. 學(xué)生交流：自然現(xiàn)象的變化也具有類似的不可逆性，例如沙漠化的土地不會自發(fā)地再變?yōu)榫G洲.因此人類不僅要珍惜能源和資源，還要自覺地保護(hù)自然. 總結(jié)：能量耗散 1.能量耗散：流散的內(nèi)能無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象叫做能量耗散. 2.能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性. 例2 下列判斷正確的是（ ） A.電流的能不可能全部變?yōu)閮?nèi)能 B.在火力發(fā)電機(jī)中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變?yōu)殡娔? C.熱機(jī)中，燃?xì)鈨?nèi)能不可能全部變?yōu)闄C(jī)械能 D.在熱傳導(dǎo)中，熱量不可能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體 解析：凡與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮?nèi)能（由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知），而內(nèi)能不可能全部變成電流的能.機(jī)械能可全部變?yōu)閮?nèi)能，而內(nèi)能不可能全部變成機(jī)械能.在熱傳導(dǎo)中，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體，而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體，所以選項B、C、D正確. 答案：BCD 閱讀材料：課件展示閱讀材料，讓學(xué)生了解能源和環(huán)境是兩個全球所關(guān)注的問題，能源是現(xiàn)代社會生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，而常規(guī)能源的有限儲藏量與人類的需求存在矛盾，同時大量消耗常規(guī)能源帶來了環(huán)境問題，正確地協(xié)調(diào)和解決這一矛盾和問題是生活在地球上每一個人的職責(zé). （一）常規(guī)能源 1.能源：凡是能夠提供可利用能量的物質(zhì)統(tǒng)稱為能源. 2.常規(guī)能源：人們把煤、石油、天然氣叫做常規(guī)能源，人類消耗的能量主要是常規(guī)能源. 3.常規(guī)能源的儲藏是有限的. 4.常規(guī)能源的大量消耗帶來了環(huán)境問題. （1）溫室效應(yīng)：溫室效應(yīng)是由于大氣里溫室氣體（二氧化碳、甲烷等）含量增大而形成的.石油和煤炭燃燒時產(chǎn)生二氧化碳. （2）酸雨：大氣中酸性污染物質(zhì)，如二氧化硫、二氧化碳、氫氧化物等，在降水過程中溶入雨水，使其成為酸雨.煤炭中含有較多的硫，燃燒時產(chǎn)生二氧化硫等物質(zhì). （3）光化學(xué)煙霧：氮氧化合物和碳?xì)浠衔镌诖髿庵惺艿疥柟庵袕?qiáng)烈的紫外線照射后產(chǎn)生的二次污染物質(zhì)——光化學(xué)煙霧，主要成分是臭氧. 另外常規(guī)能源燃燒時產(chǎn)生的浮塵也是一種污染. 常規(guī)能源的大量消耗所帶來的環(huán)境污染既損害人體健康，又影響動植物的生長，損壞建筑物及文物古跡，嚴(yán)重時可改變大氣的性質(zhì),使生態(tài)受到破壞. （二）綠色能源的開發(fā)和利用 常規(guī)能源的短缺和利用常規(guī)能源帶來的環(huán)境污染，使得新能源的開發(fā)成為當(dāng)務(wù)之急. 綠色能源：在釋放能量或能量轉(zhuǎn)化過程中對環(huán)境不造成污染的能源叫綠色能源.人類可開發(fā)和利用的綠色能源主要有下列幾種： 1.風(fēng)能. 2.水流（河流、潮汐）能.風(fēng)能和水流能是可再生能源.而石油、煤炭是不可再生能源. 3.太陽能. 4.氫能源. 5.反物質(zhì)能. 大自然賜給人類的綠色能源儲量豐富，只要我們科學(xué)開發(fā)、合理利用，必將對人類作出前所未有的貢獻(xiàn). 課堂小結(jié) 新課程更多地與社會實際相聯(lián)系，鼓勵學(xué)生提出問題.本節(jié)“思考與討論”對能源問題做了討論，這是一個質(zhì)疑的范例，它引導(dǎo)我們考慮能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性.從物理學(xué)的角度研究宏觀過程的方向性，在現(xiàn)階段只需用一些簡單的實例，讓學(xué)生初步地體會一下就可以了.例如：摩擦力做功的過程，要損耗機(jī)械能而生熱，產(chǎn)生的熱不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械功.在其他的宏觀過程中也是如此，例如：兩種氣體放到一個容器內(nèi)，總會均勻地混合到一起，但不會再自發(fā)地分離開來.通過實例說明，在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能量是守恒的，但能量的品質(zhì)卻降低了，可被人直接利用的能在逐漸減少，這是能量耗散現(xiàn)象.所以，能量雖然守恒，但我們還要節(jié)約能源. 布置作業(yè) 1.教材“問題與練習(xí)”第1、2題. 2.設(shè)想有一間房間，與外界沒有熱量交換，完全絕熱.房間里有一臺電冰箱在工作，如果電冰箱的門是開著的，那么，房間里的溫度會變化嗎？認(rèn)真討論一下，形成書面材料，與同學(xué)們交流. 板書設(shè)計 10 能量守恒定律與能源 一、能量守恒定律 二、能量耗散 三、能源 活動與探究 課題：永動機(jī) 目的：通過具體的能量轉(zhuǎn)化的分析，說明永動機(jī)不能制造的理由. 內(nèi)容：有人設(shè)計了這樣一臺“永動機(jī)”：距地面一定高度架設(shè)一個水槽，水從槽底的管中流出，沖擊一個水輪機(jī)，水輪機(jī)的軸上安裝一個抽水機(jī)和一個砂輪.他指望抽水機(jī)把地面水槽里的水抽上去，這樣循環(huán)不已，機(jī)器不停地轉(zhuǎn)動，就可以永久地用砂輪磨制工件做功了.分析這種裝置的能量轉(zhuǎn)化過程并判斷能否制造. 習(xí)題詳解 1.解答：家用電飯鍋是把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；洗衣機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為動能，等等. 2.解答：（1）依題意可知，三峽水庫第二期蓄水后，用于發(fā)電的水流量為： 1.35104m3/s-3 500 m3/s=10 000 m3/s， 每秒鐘轉(zhuǎn)化為電能的是：mgh20％=ρVgh20％=1.01031.01041013520％ J/s =2.7109J/s 發(fā)電功率最大是2.7109 W=2.7106 kW. (2)設(shè)三口之家每戶的家庭生活用電功率為1 kW，考慮到不是每家同時用1 kW的電，我們平均每家同時用電0.5 kW，則三峽發(fā)電站能供給=5.4106戶用電，人口數(shù)為35.4106=16.2106人，即可供16個百萬人口城市的生活用電. 設(shè)計點(diǎn)評 本節(jié)重點(diǎn)是讓學(xué)生體會能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程與能源危機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的環(huán)保意識.教學(xué)中通過大量的實例，采取開放式的教學(xué)形式，讓學(xué)生通過預(yù)習(xí)查找資料，發(fā)表自己對能量的認(rèn)識.在能源和能量耗散方面，本教學(xué)設(shè)計從生活實際出發(fā)，讓學(xué)生了解了自然界中熱傳導(dǎo)過程和能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移具有方向性，讓學(xué)生了解了能源對人類文明的意義和由能源帶來的環(huán)境問題，引入了可持續(xù)發(fā)展的概念.讓學(xué)生了解了可持續(xù)發(fā)展的含義和意義，能夠從自己做起，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境.