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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，讓學生感受物理規(guī)律得出的歷程，使學生體會科學家不畏艱辛的探索精神.并且指出能量守恒定律的建立，是人類認識自然的一次重大飛躍，是哲學和自然科學長期發(fā)展和進步的結果,展示了科學的和諧美.教材第二部分，能源和能量耗散，從生活實際出發(fā)，讓學生了解自然界中熱傳導過程和能量轉化、轉移是有一定方向的，讓學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.讓學生認識節(jié)約能源，開發(fā)新能源與可持續(xù)發(fā)展的關系，可以讓學生通過查閱相關材料，提出自己的見解.思考怎樣探索和使用未來的理想能源,使學生體會物理學與技術發(fā)展的互動關系. 建議本節(jié)采取開放式的教學形式，讓學生通過預習查找資料，談談自己對能量的認識.特別應該對教材中“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？”的話題進行討論.在討論中逐漸使學生認識到，能量從更深的層次上反映了物質運動和相互作用的本質.能量守恒定律是人們認識自然的重要工具.能源關系到人們的衣食住行，關系到國家的興旺發(fā)達,能源的開發(fā)和利用，是關系人類生存和發(fā)展的一個重大的社會問題.這一節(jié)教學目標的落腳點應放在使學生樹立科學的世界觀、形成可持續(xù)發(fā)展的意識上.本節(jié)課為物理規(guī)律與實際生活的結合課程，重點為物理規(guī)律與實際問題的辯證關系，課堂教學要大量引用其他相關學科的知識，比如地理、歷史等. 教學重點 能量守恒定律的內容. 教學難點 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 知識與技能 1.了解什么是常規(guī)能源，什么是新型能源. 2.知道能量轉化和轉移的方向性以及第二類永動機不可能實現(xiàn). 3.通過能量轉化和轉移的方向性，認識提高效率的重要性. 4.了解能源與人類生存和社會發(fā)展的關系，使學生認識能源的合理利用與環(huán)境保護對可持續(xù)發(fā)展的重要意義. 過程與方法 1.通過指導學生分析事例，培養(yǎng)學生分析問題和理論聯(lián)系實際的能力. 2.通過指導學生閱讀教材，培養(yǎng)學生的自學能力. 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. 教學過程 新課導入 情景導入 在20世紀的最后幾分鐘里，一項新的多米諾骨牌吉尼斯世界紀錄，在北京頤和園體育健康城綜合館和網球館誕生.中國、日本和韓國的62名青年學生成功推倒340多萬張骨牌，一舉打破了此前由荷蘭人保持的297萬張的世界紀錄.這就是“多米諾骨牌效應”，該效應產生的能量是十分巨大的.大不列顛哥倫比亞大學物理學家A.懷特海德曾經制作了一組骨牌，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1.241015J，又擴大了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化的？ 故事導入 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，成了當時的網上名人，其原因是他聲稱建成了“宇宙引力能永動機”，并獲得了中國專利（實際上只是申請了專利，還未獲得批準），而且還有一家“海南星人永動機發(fā)電廠有限公司”正在生產改永動機裝備的車輛，你分析一下制造這種永動機的可行性. 問題導入 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”. 新聞導入 2003年12月8日國內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，在盛夏季節(jié)達到一個短暫的高峰，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，已經形成了一種新的“流行病”，即使在北京地區(qū)，限量供應的情況也再次出現(xiàn)，就差沒有“憑票供應”了. 同學們思考，為什么會出現(xiàn)能源危機？如何應對？ 推進新課 一、能量守恒定律 問題：在驗證機械能守恒定律的實驗中，重物帶著紙帶下落時，計算結果發(fā)現(xiàn)，減少的重力勢能的值大于增加的動能的值，即機械能的總量在減少.原因就是紙帶和打點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？ 學生根據(jù)所學知識總結歸納：沒有，它轉化成為除機械能外的其他的能量了. 教師引導：它轉化成了機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械能增加或減少的過程，實質上都是其他形式的能與機械能相互轉化的過程，在轉化的過程中，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：驗證機械能守恒定律中，減少的機械能轉化為內能.生活中還有很多這樣能量轉化或轉移的例子，同學們能否舉出幾例，并說明其中的能量轉化或轉移過程? 參考案例： 1.風吹動柳枝擺動空氣的機械能轉移到柳枝上. 2.放在火爐旁的冰融化變熱內能由火爐轉移到冰. 3.電流通過燈泡，燈泡發(fā)光電能轉化為光能. 4.植物進行光合作用光能轉化為化學能. 思維拓展 課件展示各種圖片，讓學生認真觀察，并說明各種裝置能量的轉化情況.通過圖片展示，讓學生更加形象地感受能量的轉化或轉移過程,為能量守恒定律的提出作準備. 學生通過認真觀察圖片并回顧相關知識，歸納總結： 圖1：太陽能電站：太陽能轉化為電能 圖2：內燃機車：內能轉化為機械能 圖3：水電站：機械能轉化為電能 圖4：水果電池：化學能轉化為電能 從上面的例子我們可以看出，能量之間是可以相互轉化或轉移的. 引導學生閱讀教材，說出能量守恒定律的內容，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： 1.能量守恒定律的內容：能量既不會消滅，也不會創(chuàng)生，它只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化和轉移過程中，能量的總量保持不變. 2.定律的表達式：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，是人類認識自然的一次重大飛躍，是哲學和自然科學長期發(fā)展和進步的結果，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. 重點說明：該定律是貫穿整個物理學的基本規(guī)律之一，是學習物理學的一條主線.在應用中,要分清系統(tǒng)中有多少種形式的能，發(fā)生了哪些轉化和轉移. 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,當用這些量表達時，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系，重力勢能的減少等于重力做的功，因此ΔEp=-C； 滑塊機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：有些事可以倒過來進行，但有些事情卻是不可能倒過來進行的.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)的能量的轉化和轉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動. 足球的機械能減少，轉化成內能,內能不能自發(fā)地轉化為機械能. 2.同學們圍著火爐取暖，熱量從高溫的火爐轉移到同學們身上,同學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：與熱現(xiàn)象有關的能量轉化過程是具有方向性的.例如：摩擦力做功的過程，要損耗機械能而生熱，產生的熱不可能全部轉化為機械能.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，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，在能量的轉化和轉移過程中，能的量是守恒的，但能量的品質卻降低了，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化過程的方向性,如:冰箱制冷、瀑布中水的機械能轉化、噴出的香水、松弛后的發(fā)條等. 學生交流：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，還要自覺地保護自然. 總結：能量耗散 1.能量耗散：流散的內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)閮饶? B.在火力發(fā)電機中，燃氣的內能不可能全部變?yōu)殡娔? C.熱機中，燃氣內能不可能全部變?yōu)闄C械能 D.在熱傳導中，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)象有關的宏觀過程都具有方向性，電流的能可全部變?yōu)閮饶埽ㄓ呻娏鳠嵝械慕苟煽芍?，而內能不可能全部變成電流的?機械能可全部變?yōu)閮饶?，而內能不可能全部變成機械能.在熱傳導中，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，讓學生了解能源和環(huán)境是兩個全球所關注的問題，能源是現(xiàn)代社會生活的重要物質基礎，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)調和解決這一矛盾和問題是生活在地球上每一個人的職責. （一）常規(guī)能源 1.能源：凡是能夠提供可利用能量的物質統(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：溫室效應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生二氧化碳. （2）酸雨：大氣中酸性污染物質，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，燃燒時產生二氧化硫等物質. （3）光化學煙霧：氮氧化合物和碳氫化合物在大氣中受到陽光中強烈的紫外線照射后產生的二次污染物質——光化學煙霧，主要成分是臭氧. 另外常規(guī)能源燃燒時產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，嚴重時可改變大氣的性質,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)成為當務之急. 綠色能源：在釋放能量或能量轉化過程中對環(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.風能. 2.水流（河流、潮汐）能.風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.反物質能. 大自然賜給人類的綠色能源儲量豐富，只要我們科學開發(fā)、合理利用，必將對人類作出前所未有的貢獻. 課堂小結 新課程更多地與社會實際相聯(lián)系，鼓勵學生提出問題.本節(jié)“思考與討論”對能源問題做了討論，這是一個質疑的范例，它引導我們考慮能量轉化和轉移的方向性.從物理學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，要損耗機械能而生熱，產生的熱不可能全部轉化為機械功.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，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，在能量的轉化和轉移過程中，能量是守恒的，但能量的品質卻降低了，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”第1、2題. 2.設想有一間房間，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？認真討論一下，形成書面材料，與同學們交流. 板書設計 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 目的：通過具體的能量轉化的分析，說明永動機不能制造的理由. 內容：有人設計了這樣一臺“永動機”：距地面一定高度架設一個水槽，水從槽底的管中流出，沖擊一個水輪機，水輪機的軸上安裝一個抽水機和一個砂輪.他指望抽水機把地面水槽里的水抽上去，這樣循環(huán)不已，機器不停地轉動，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化過程并判斷能否制造. 習題詳解 1.解答：家用電飯鍋是把電能轉化為內能；洗衣機是把電能轉化為動能，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. 設計點評 本節(jié)重點是讓學生體會能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程與能源危機，培養(yǎng)學生節(jié)約能源、保護環(huán)境的環(huán)保意識.教學中通過大量的實例，采取開放式的教學形式，讓學生通過預習查找資料，發(fā)表自己對能量的認識.在能源和能量耗散方面，本教學設計從生活實際出發(fā)，讓學生了解了自然界中熱傳導過程和能量轉化、轉移具有方向性，讓學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，保護環(huán)境.