2019-2020年高一物理 第七章 A 物體的內能 (I)教案 滬科版一、教學任務分析能的轉化和能量守恒定律是在學習了械能守恒定律、物體的內能等知識后，對能的概念以及能量轉化和守恒做進一步的拓展和深化。能量守恒定律是自然界的一條普遍定律，它不僅是本章的學習重點，也是整個中學物理的重點。能量守恒的思想貫穿在整個物理學習的過程中，通過后續(xù)各章的學習，將不斷加深學生對能量守恒定律的認識和應用能力。能的轉化和守恒不僅是物理學的法則，而是一個跨越各門自然學科的統(tǒng)一法則。學習本節(jié)內容需要以動能、勢能、機械能、內能以及機械能守恒定律知識為基礎。以“天下第一爆”以及三峽電站的修建過程為切入口，使學生認識自然界物質的運動有多種形式的能。通過實驗、自主活動等，使學生明確各種形式的能量之間可以相互轉化。通過課內閱讀，介紹邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家為能的轉化和能量守恒定律所做的貢獻，得到能的轉化和守恒定律，并使學生感悟其中的科學態(tài)度與科學精神。通過從能量角度猜想“永動機”永動的秘密，加深對能量守恒定律的認識和理解，領略在科學發(fā)明與創(chuàng)新活動中，尊重事實、遵循科學規(guī)律的重要性。二、教學目標1知識與技能（1）知道能有各種形式，每一種形式的能對應于一種運動形式；知道各種形式的能之間是可以相互轉化的。 （2）理解能的轉化和能量守恒定律。（3）知道“永動機”是制造不出的。2過程與方法（1）通過實驗、視頻錄象、圖片等觀察、分析，感受認識客觀世界的過程就是從現(xiàn)象到本質的過程。（2）通過閱讀資料和聯(lián)系實際，感受運用比較、分類、歸納和綜合等科學方法。3情感、態(tài)度價值觀（1）通過學習“能的轉化和能量守恒定律” 的發(fā)現(xiàn)過程，體驗人類探索真理的艱難和這一發(fā)現(xiàn)過程在哲學和科學發(fā)展中的價值。（2）通過從能量角度猜想“永動機”永動的秘密，感悟在科學發(fā)明與創(chuàng)新活動中，尊重事實、遵循科學規(guī)律的重要性。三、教學重點與難點重點：能的轉化和能量守恒定律。難點：運用能量守恒定律對具體的自然現(xiàn)象進行分析，說明能是怎樣實現(xiàn)相互間的轉化的。四、教學資源1、器材演示實驗： 小燈泡、伏打電池（燒杯內裝硫酸溶液，銅片、鋅片插入其中）、干電池、電鍵、導線、小電動機、鉤碼、飲水鳥等。2、視頻錄象 “天下第一爆”、過山車、風力發(fā)電。3、圖片五、教學設計思路本設計內容包括三個方面：一是能的形式；二是能在一定條件下可相互轉化；三是能的轉化和守恒定律三部分內容。本設計的基本思路是：從“天下第一爆”入手，以三峽電站修建過程引入多種形式的能，通過觀看演示實驗、錄象等活動得出能在一定形式下可以相互轉化的結論。從邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家的研究成果中歸納得出普遍的能量守恒定律，最后由歷史上關于“永動機”的爭論，說明“永動機”的不可能性，深化對能量守恒定律的理解和認識。本設計要突破的重點是：能的轉化和能量守恒定律。方法是：通過三峽電站修建過程的情景，認識能的形式和能的轉化過程。通過對“永動機”中能量問題的討論，深化對能量守恒定律的理解。本設計要突破的難點是：應用能的轉化和守恒定律分析實際問題。方法是：通過觀看演示實驗，錄象、圖片等活動，觀察、比較、分析、討論，知道能的轉化和守恒定律。通過“飲水鳥”的實例分析，進一步理解能的轉化和守恒定律。本設計強調問題討論、自主探究、教師指導等多種教學策略的應用，強調學生的主動參與，重視概念、規(guī)律的形成過程以及伴隨這一過程的科學方法的教育。在合理考慮學生對能的認知基礎上，從簡單到復雜、從現(xiàn)象到規(guī)律，形成能的一般概念，建立能及能的轉化結構圖。強調通過學生主動參與，培養(yǎng)學生比較判斷、歸納概括的能力，從而加深對能的轉化和守恒定律的理解、拓展思維的深廣度、強化理論聯(lián)系實際的意識與實踐能力。完成本設計的內容約需1課時。六、教學流程1、教學流程圖 情景錄象1能的形式活動I大家談設問1活動II演示實驗錄象能可以相互轉化和轉移活動III自主活動設問2活動閱讀資料能的轉化和能量守恒定律“永動機”的神話活動V討論“飲水鳥”總 結2、流程圖說明情景 錄象1播放“天下第一爆”的錄象。設問1：三峽電站修建過程中利用到了哪些形式的能？該環(huán)節(jié)的目的是一方面激發(fā)學生強烈的民族自豪感，另一方面引出課題。活動I 大家談指出圖中所對應的能的形式，并談談你所知道的其他形式的能。設問2：各種形式的能之間有什么樣的聯(lián)系？活動II 觀看演示實驗、錄象演示實驗1：閉合電鍵，伏打電池使小燈泡發(fā)光。演示實驗2：閉合電鍵，小電動機提升鉤碼。錄象1：播放“過山車”的錄象。錄象2：播放“風力發(fā)電”的錄象?；顒覫II 自主活動根據(jù)錄象、實驗和生活經(jīng)驗，舉例說明各種能量之間是如何進行轉化的？設問3：各種形式的能之間相互轉化的規(guī)律是什么？活動 閱讀資料閱讀邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家發(fā)現(xiàn)能的轉化和能量守恒定律的歷程，從中歸納得出普遍的能量守恒定律。活動V 學生討論關于“飲水鳥”的秘密。3、教學主要環(huán)節(jié) 本設計可分為三個主要的教學環(huán)節(jié)。第一環(huán)節(jié)，通過觀看“天下第一爆”錄象，以三峽電站修建過程引入課題，使學生知道多種形式的能第二環(huán)節(jié)，通過觀看演示實驗、錄象等活動得出能在一定形式下可以相互轉化的結論，再通過自主活動，討論各種形式的能之間的轉化和轉移。第三環(huán)節(jié)，通過閱讀 邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家的研究，得出普遍的能量守恒定律，由歷史上關于“永動機”的爭論，說明“永動機”的不可能性，最后通過對“飲水鳥”問題的討論，深化對能量守恒定律的理解和認識。七、教案示例（一）情景引入:1、播放“天下第一爆”的錄象。設問1：三峽電站修建過程中利用到了哪些形式的能？學生應可以從具體事例中識別出已知形式的能，如電能、內能、化學能、機械能。若不能，老師則可將情景中的重點加以描述，進行啟發(fā)和更有針對性的提問。小結：能以多種形式存在于自然界，每一種形式的能對應于一種運動形式。提問：機械能與什么運動形式相對應？內能？電能？化學能？大家談：指出圖中所對應的能的形式，并談談你所知道的其他形式的能。太陽火山能是對物質運動形式的一種描述。隨著人們對物質運動形式越來越全面、深刻的認識，也會認識到更多形式的能，如核能等。2、導入新課我們這節(jié)課學習能的知識。（二）自主探究設問2：各種形式的能之間有什么樣的聯(lián)系？學生觀看演示實驗和錄象，討論各種形式的能量之間的轉化和轉移。演示實驗1：閉合電鍵，伏打電池使小燈泡發(fā)光。小燈泡發(fā)光演示實驗2：閉合電鍵，小電動機提升鉤碼。電動機提升鉤碼錄象1：播放游樂場“過山車”的錄象。過山車錄象2：播放“風力發(fā)電”的錄象。風力發(fā)電自主活動：根據(jù)錄象、實驗和生活經(jīng)驗，舉例說明各種能量之間是如何實現(xiàn)轉化的？小結：各種形式的能可以相互轉化，能量也可以從一個物體轉移到另一個物體上。設問3：各種形式的能之間相互轉化的規(guī)律是什么？（三）得出定律閱讀資料：邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家發(fā)現(xiàn)能的轉化和能量守恒定律的歷程。1842年，恩格斯曾經(jīng)把它稱為自然科學發(fā)展史上“劃時代的一年”。因為在這一年，有三個不同種工作的人幾乎同時證明了機械能、熱能、光能、磁能和化學能等在一定條件下可以相互轉化，然而卻不發(fā)生任何消耗，并且確定了熱的機械當量。正是這些工作標志著能量守恒和轉化定律正式問世。與此同時，發(fā)現(xiàn)者們卻蒙受了巨大的精神創(chuàng)傷。盡管如此，他們仍然胸懷坦蕩，一往無前，充分表現(xiàn)了科學家們探索真理的崇高獻身精神。德國26歲的青年醫(yī)生邁爾（JRMayer，18141878）于1840年隨船從荷蘭駛往東印度。當遠洋輪航至熱帶海域時，船醫(yī)邁爾發(fā)現(xiàn)海員患病者靜脈血液比在歐洲時紅亮。邁爾受拉瓦錫的氧化燃燒理論的啟示，認為這是由于血液含氧較多的緣故。因為在熱帶高溫條件下，人的機體只需要從食物中吸收較少的熱量就足夠了，所以人體中食物的氧化過程減弱了，靜脈血里留下的氧就比較多。由此，邁爾聯(lián)想到人體內的食物所含的化學能就像機械能一樣，可以轉化為熱能?；貒?，邁爾繼續(xù)進行研究。他進一步發(fā)展了倫福德的思想，在一家紙廠設計了一個實驗，大鍋里的紙漿用機械攪拌，靠繞著圈子的馬作為動力。他測出紙漿溫度的升高，就可得到馬做了一定量的機械功所產(chǎn)生的熱量的數(shù)據(jù)。邁爾還從空氣的定壓比熱Cp和定容比熱Cu的關系計算出一卡熱相當于365克米，即3.58焦耳（現(xiàn)在精確有數(shù)值是4.184焦耳）。1842年，邁爾寫成了他的第一篇關于能量守恒和轉化定律論文：論無機自然界的力。論文發(fā)往當時德國主要物理學年鑒雜志，結果被主編波根多夫拒絕發(fā)表而退了回來。雖化學家李比希主編的化學年鑒雜志1842年5月號上發(fā)表了邁爾的論文，但并未引起人們的注意。而1845年的邁爾的第二篇論文，則是以自己的經(jīng)費才得以發(fā)表的。在科學的征途上，迎接科學家的往往并不是什么鳥語花香，而可能是苛薄的冷嘲熱諷。作為第一個發(fā)表了能量守恒和轉化定律的邁爾，一次在海德爾堡遇見了約利，約利嘲諷邁爾說，如果你的理論是正確的話，水能夠被晃動而加熱。倉促發(fā)難，邁爾連一句話也沒回答便走了。幾周之后，邁爾回到了約利那里堅定地回答說，正是那樣，正是那樣！學術界偏見的打擊使邁爾的精神受到嚴重刺激。1849年5月28日，邁爾從二層樓窗口跳下自殺未遂。大致恢復健康以后，他又寫了一篇關于熱的機械當量的論文。1851年，他被關進精神病院，受到殘酷折磨。1853年恢復自由，可是精神卻從此再未恢復正常，以致在痛苦中度過了二十多年的余生。焦耳（JPJoule，18181889）是英國的業(yè)余物理學家，是最先用科學實驗確立能量守恒和轉化定律的人。和偏愛理論思維的德國人不同，焦耳具有英國人重視實驗的傳統(tǒng)。他先后用了四十多年時間，進行了大量實驗。1840年，22歲的焦耳首先測定了電流的熱效應，發(fā)現(xiàn)一定時間內電流通過導線所產(chǎn)生的熱量，同導線的電阻和電流強度平方乘積成正比。這就是著名的焦耳定律。焦耳根據(jù)這一實驗設想電能因阻力而轉化為熱能了。這些思想集中體現(xiàn)在他的第一篇論文：論伏打電池產(chǎn)生的熱。1843年，焦耳又做了一個實驗，他把盛有水的容器放進磁場中，然后讓一個線圈在水中旋轉，測量運動線圈中感生電流產(chǎn)生的熱和維持運動所消耗的能量。實驗說明消耗的能和產(chǎn)生的熱能與電流的平方成正比。因此，產(chǎn)生的熱和用來產(chǎn)生的機械動力之間存在恒定的比例。焦耳把這一實驗結果寫在他的第二篇論文：論電磁的熱量效應和熱的機械值。焦耳的研究并沒有立刻引起人們的注意。英國皇家學會拒絕發(fā)表他的兩篇論文。因為在皇家學會看來，作為釀酒商的年輕焦耳的發(fā)現(xiàn)不可能有多大學術價值。在朋友們勸告下，焦耳申請自然哲學教授的候選人，但因他的容貌缺陷而未獲準。焦耳繼續(xù)當一個釀酒商，并繼續(xù)他的科學研究。1847年4月，焦耳在曼徹斯特作了一次通俗的學術講演，介紹了他測定熱的機械當量的新實驗，即用銅制翼輪來攪動水，使水溫升高，而轉動翼輪的動力用砝碼下落來提供。地方報紙起初不予理睬，有一家報紙甚至拒絕報導這件事。經(jīng)過很長時間的爭論，曼徹斯特信使報才全文發(fā)表了焦耳的演說。在1847年6月，這個論題又提呈到牛津會議上，大會主席建議只由焦耳作簡要報告，而無須進行討論。當會議絲毫不考慮焦耳新思想而要立即轉入其他議程的時候，年輕的威廉湯姆遜站起來發(fā)言，從而引起了人們對這個理論的新興趣。結果，焦耳的能量守恒和轉化定律的思想引起了很大的轟動，焦耳本人才成為科學界注意的人物。1849年，焦耳在他的熱的機械當量論文中宣布了他的新實驗結果：要產(chǎn)生能使1磅水（在真空中稱量，溫度在55F60F之間）提高1F的熱量，需要花費相當于772磅重物下降1英尺所作的機械功。此值相當于4.157焦耳卡，很接近現(xiàn)在的4.184的數(shù)值。為了系統(tǒng)地測量各種能量形式轉化的當量關系，以最精確的實驗來證實能時守恒的論斷，焦耳從40年代開始，做了四百多次實驗，直到1878年獲得最后的數(shù)據(jù)。這時，一個二十多歲的年輕小伙子，已變成六十多歲的白發(fā)老頭子了。1847年，當焦耳在英國報告他的能量守恒和轉化定律時，26歲的德國物理學家赫爾姆霍茨（Helmholtz，18211894）在柏林物理學會上宣讀了他從研究動物熱的途徑中發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉化定律的論文：活力的守恒。這篇論文被權威們看成是異想天開的思辨，波根多夫主編的物理學年鑒雜志同樣拒絕發(fā)表它。赫爾姆霍茨在這種情況下，不得不掏腰包自費印刷，1847年以小冊子的表式散發(fā)，仍然很不受重視。1853年，它受到物理學家克勞胥斯的強烈抨擊。后來，杜林等還對赫爾姆霍茨進行了人身攻擊，辱罵他的發(fā)現(xiàn)是不誠實的，是從邁爾那里剽竊來的。其實，邁爾、焦耳和赫爾姆霍茨都各自獨立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉化定律。然而后來，焦耳和赫爾姆霍茨卻都愉快地承認了邁爾的優(yōu)先權。恩格斯從辯證唯物主義的高度對能量守恒和轉化定律加以概括和總結，指出：“運動的不滅不能僅僅從數(shù)量上去把握，而且還必須從質量上去理解”。所謂量的方面，指的是物質的運動既不能創(chuàng)造，也不能消滅，只能轉化，并且在轉化中有嚴格的當量關系；所謂質的方面，指的是物質運動形式是多種多樣的，這些運動形式的相互轉化的能力是永遠不會喪失的，而這種轉化的條件是物質運動本身所具有的，這樣，能量守恒和轉化定律便成了一條普遍規(guī)律，正如恩格斯所指出：“任何運動形式都證明自己能夠而且不得不轉變?yōu)槠渌魏芜\動形式。到了這種形式，規(guī)律便獲得了自己的最后的表達。由于有了新的發(fā)現(xiàn)，我們可以給它提供新的證據(jù)，提供新的更豐富的內容。但是，對于如此表述的規(guī)律本身，我們是不能再增加什么了。在普遍性方面其中形式和內容都同樣普遍這個規(guī)律是不可能再擴大了：它是絕對的自然規(guī)律。小結：能量既不能產(chǎn)生，也不能消失；它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體；在轉化或轉移的過程中，其總量不變?？茖W探究活動決不是一帆風順的，它的道路是曲折的。能量守恒和轉化定律問世時所遇到的種種阻力就是明證。真理是不可抗拒的?？茖W探索者們前赴后繼，終于取得了能量守恒和轉化定律的最后表達形式，成為人類認識自然的偉績豐碑，而載入科學史冊。提問：能否將能量守恒定律表述為“能量不變”？“守恒”是變中的不變。能量定恒是指各種形式的能會相互轉化，即能的形式會發(fā)生變化，而各種形式的能的總量不變。（1）能量守恒定律反映了自然現(xiàn)象的普遍聯(lián)系。自然界中的物質存在相互聯(lián)系、相互作用。能量守恒定律揭示和反映了這種普遍聯(lián)系，使自然科學工作者有了共同語言，取得了一系列重大成就。這一定律被恩格斯稱為“偉大的運動定律”，與細胞學說，進化論一起，被譽為十九世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)，也是物理學的理論支柱。（2）能量守恒定律是人類認識自然的重要依據(jù)。（3）能量守恒定律是人類利用自然的重要武器。（四）定律應用1、“永動輪”介紹一類永動輪，強調重申能量守恒定律是人類認識自然的重要依據(jù)。它與自然界中任何已知的現(xiàn)象都不矛盾。永動輪2、“飲水鳥”學生先討論，再揭示“飲水鳥”不停地飲水的秘密。飲水鳥（五）概括總結（略）（六）作業(yè)布置（略）