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2019-2020年人教版高中物理必修二 第七章 第10節(jié) 能量守恒定律與能源 教案1 三維目標(biāo) 知識與技能 理解能量守恒定律，知道能源和能量耗散； 過程與方法 通過對生活中能量轉(zhuǎn)化的實例分析，理解能量守恒定律的確切含義。 情感、態(tài)度與價值觀 1．感知我們周圍能源的耗散，樹立節(jié)能意識； 2．通過能量守恒定律的教學(xué)，讓學(xué)生領(lǐng)略物理規(guī)律的和諧美和簡潔美，發(fā)展對科學(xué)的好奇心與求知欲。 教學(xué)重點 能量守恒定律的內(nèi)容。 教學(xué)難點 1．理解能量守恒定律的確切含義； 2．能量轉(zhuǎn)化的方向性。 教學(xué)方法 教師啟發(fā)、引導(dǎo)，學(xué)生自主閱讀、思考，并討論、交流學(xué)習(xí)成果。 教學(xué)工具 投影儀、教學(xué)錄像或課件。 教學(xué)過程 ［新課導(dǎo)入］ 我們已學(xué)習(xí)了多種形式的能，請同學(xué)們說出你所知道的能量形式。我們還知道不同能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，請你舉幾個能量轉(zhuǎn)化的例子。 在一個玻璃容器內(nèi)放入沙子，拿一個小鐵球分別從某一高度釋放，使其落到沙子中。小球運動過程中機械能是否守恒？請說出小球運動過程中能量的轉(zhuǎn)化情況。 在盛有水的玻璃容器中放一小木塊，讓小木塊在水中上下浮動，過一段時間，小木塊停止運動。小木塊運動過程中機械能是否守恒？請說出小球運動過程中能量的轉(zhuǎn)化情況。 以上實驗表明，各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，一種能量減少，必有其他能量增加，一個物體的能量減少，必定其他物體能量增加，能量的總和并沒有不化。這就是我們今天要學(xué)習(xí)的能量守恒定律。 ［新課教學(xué)］ 一、能量守恒定律 1．自然現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系 我們可以從千差萬別的各種自然現(xiàn)象中抽象出一個共通的量──能量，這說明不同的運動形式在相互轉(zhuǎn)化中有數(shù)量上的確定關(guān)系。 科學(xué)家們一直在關(guān)注自然現(xiàn)象之間的普遍聯(lián)系 …… 1801年 戴維發(fā)現(xiàn)電流的化學(xué)效應(yīng)（電和化學(xué)的聯(lián)系） 1820年 奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)（電和磁的聯(lián)系） 1821年 塞貝克發(fā)現(xiàn)溫差電現(xiàn)象（熱和電的聯(lián)系） 1831年 法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象（電和磁的聯(lián)系） 1840年 焦耳發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(yīng)（電和熱的聯(lián)系） 1842年 邁爾表述了能量守恒定律，并計算出熱功當(dāng)量的數(shù)值（力和熱的聯(lián)系） 1843年 焦耳測定了熱功當(dāng)量的數(shù)值（力和熱的聯(lián)系） 1947年亥姆霍茲在理論上概括和總結(jié)能量守恒定律 …… 我們在初中學(xué)過的聲、光、熱、電、磁、力等各種現(xiàn)象，都與能量有著密切聯(lián)系。本章描述的機械能守恒定律是普遍的能量守恒定律的一種特殊形式。包括機械能守恒在內(nèi)的能量守恒思想的萌芽，盡管出現(xiàn)時都是十分模糊的，卻是后人總結(jié)和概括出普遍的能量守恒定律的依據(jù)。 2．能量守恒定律確立的兩類重要事實 導(dǎo)致能量守恒定律最后確立的兩類重要事實是：確認(rèn)了永動機的不可能性和發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象之間相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。到了19世紀(jì)40年代前后，科學(xué)界已經(jīng)形成了一種思想氛圍，即用聯(lián)系的觀點去觀察自然。不僅各種機械能之間可以相互轉(zhuǎn)化，電流也可以產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)，電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象可以相互轉(zhuǎn)化，熱和電也可以相互轉(zhuǎn)化……這預(yù)示著，到了把分立的環(huán)節(jié)連成一體的時候了，也就是到了建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的時候了。在這種情況下，不同國家、不同領(lǐng)域的十幾位科學(xué)家，以不同的方式，各自獨立地提出能量守恒定律，其中，邁爾、焦耳、亥姆霍茲的工作最有成效。 3．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)移的過程中，能量的總量保持不變。這個規(guī)律叫做能量守恒定律（law of energy conservation）。 在能量守恒定律發(fā)現(xiàn)之后，曾有人懷疑某種過程“能量不守恒”。但是，進(jìn)一步研究又發(fā)現(xiàn)，原來是漏掉了人類尚不認(rèn)識的一種新形式的能量。如果把這種新形式的能量計算在內(nèi)，總能量依然守恒。能量守恒定律經(jīng)受住了新的檢驗。 4．能量守恒定律建立的意義 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。和諧美是科學(xué)的魅力所在。 【思考與討論】 1．既然能量是寧恒的，不可能消滅，為什么我們還要節(jié)約能源？ 2．歷史上曾有人設(shè)想制造一種不需要消耗任何能源就可以不斷做功的機器，即永動機，這樣的機器能不能制成？為什么？ 二、能源和能量耗散 1．能源 （1）能源 能夠提供可利用能量的物質(zhì)。 （2）利用能源的三個時期 能源是人類社會活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類利用能源大致經(jīng)歷了三個時期，即柴薪時期、煤炭時期、石油時期。自工業(yè)革命以來，煤和石油成為人類的主要能源。到了20世紀(jì)50年代，世界石油和天然氣的消耗量超過了煤炭。 煤炭和石油是古代植物和動物的遺體在地層中經(jīng)過一系列生物化學(xué)變化而生成的，與古生物化石有些相似，所以有時叫做化石能源。 （3）能源的分類 ①常規(guī)能源和新能源 a．常規(guī)能源 人類目前消耗的能量主要來自煤、石油、天燃?xì)獾龋藗儼衙?、石油、天然氣叫做常?guī)能源。 b．新能源 風(fēng)能、水流動時的機械能、大陽能、沼氣、核能等。 ②可再生能源和不可再生能源 a．可再生能源 水流能、風(fēng)能是可再生能源。 b．不可再生能源 石油、煤炭等能源物質(zhì)，如果消耗完了就沒有了，是不可再生能源。 ③清潔能源和非清潔能源 a．清潔能源 為“綠色環(huán)?！蹦茉?。太陽能的利用不污染環(huán)境，它是一種清潔能源 b．非清潔能源 （4）大量消耗常規(guī)能源帶來的社會問題 ①能源枯竭 煤炭和石油資源是有限的。以今天的開采和消耗速度，石油儲藏將在百年內(nèi)用盡，煤炭資源也不可能永續(xù)。隨著生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，使得能源的消耗也急劇增長，研究人員估計：按照目前的石油開采速度，地球上的石油儲藏將在幾十年內(nèi)全部產(chǎn)完，煤的儲量稍多一些，但也將在二百多年的時間內(nèi)采完。所以常規(guī)能源不是取之不盡，用之不竭的。 ②環(huán)境污染 與此同時，大量煤炭和石油產(chǎn)品在燃燒時排出的有害氣體污染了空氣，改變了大氣的分。能源短缺和環(huán)境惡化已經(jīng)成為關(guān)系到人類社會能否持續(xù)發(fā)展的大問題。 例一：石油和煤炭燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，由此產(chǎn)生了溫室效應(yīng)，使得地面的氣溫上升，兩極的冰雪熔化，海平面上升，淹沒沿海城市，海水向河流倒灌、耕地鹽堿化等. 例二：常規(guī)能源的使用會產(chǎn)生有毒氣體和浮塵，能引起人的多種疾病。 常規(guī)能源的短缺和由這類能源利用所帶來的環(huán)境污染，使得新能源的開發(fā)成為當(dāng)務(wù)之急。 （5）各種能源的內(nèi)在聯(lián)系 大海中的水被太陽曬熱、蒸發(fā)，變成云，變成雨，降落在高山上，匯成河流，所以宏觀上也可以說：水力發(fā)電站輸出的電能來自太陽。有人說：煤和石油的能量也來自太陽，那么，太陽能通過什么途徑變成了煤礦和石油中的化學(xué)能？ 地球上的各種能源中，太陽輻射能(簡稱太陽能)占著特別重要的地位。除了人的食物中的能量是來源于太陽能外，草木燃料、化石燃料、風(fēng)力、流水、海流、海洋熱能的能量也來源于太陽能.盡管太陽向四面八方輻射的熱量僅有二十二億分之一到達(dá)地球大氣的最高層，并且還有一部分被大氣層反射和消耗在加熱空氣上，然而，每秒鐘到達(dá)地面上的總量還高達(dá)80萬億千瓦.這一能量是很大的，如果用它來發(fā)電，就可以得到比現(xiàn)在全世界發(fā)電總量大約數(shù)萬倍以上的電力.太陽能是地球上可以獲得的、能連續(xù)供應(yīng)的最大能源，真可謂“取之不盡，用之不竭”。 太陽能的利用，有間接利用和直接利用兩種形式，所謂間接利用，就是利用草木燃燒、化石燃料、風(fēng)力、水力、海洋熱能、海流動能和各種被固定的太陽能(如沼氣、海洋生物)的能量.學(xué)了生物后，你就會理解草木燃料、化石燃料、海洋生物等的能量是被固定的太陽能，所以煤又被稱為太陽石.據(jù)你所學(xué)地理知識，就能理解風(fēng)力、水力等能源的能量從根本上是太陽能轉(zhuǎn)化而來的.間接利用太陽能的方法很多，除普通火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電之外，還有海水溫差發(fā)電，海流發(fā)電，大氣上層的電離氣體發(fā)電等等. 潮汐的主要原因是月球引力的影響.所以不歸為太陽能的間接利用，核能也不屬于太陽能。 煤 石油 燃燒爐 天然氣 水力 風(fēng)力 核能 太陽能 內(nèi)能 機械能 電能 反應(yīng)堆 風(fēng)車 水輪機 光電池 太陽灶 常規(guī)能源 新能源 熱機 電動機 發(fā)電機 2．能量耗散 （1）能量耗散 燃料燃燒時一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會再次自動聚集起來供人類重新利用；電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，它又通過燈泡轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們也無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。 流散的內(nèi)能無法收集起來重新利用的現(xiàn)象，叫做能量耗散。 城市的工業(yè)和交通急劇發(fā)展，給人們的生活帶來方便的同時，也使得城市環(huán)境接收了過多耗散的能量，使城市環(huán)境的溫度升高。 紅外照片是不能分辨顏色的，右圖中的顏色是為區(qū)分不同的溫度而在照片處理時加上的。 （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 能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了。這是能源危機更深層次的含意，也是“自然界的能量雖然守恒，但還是要節(jié)約能源”的根本原因。 能量的耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中宏觀過程的方向性。能源的利用受這種方向性的制約，所以能源的利用是有條件的，也是有代價的。 ［小結(jié)］ 能源是提高人民生活水平和進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，但是，能源與人們的需求及環(huán)境之間的關(guān)系又迫使人們不得不注意節(jié)約能源和開發(fā)新能源。 太陽能、風(fēng)能都是無污染、不需要開采費用的能源，而且取之不盡，用之不竭，目前處于試驗使用階段，要大規(guī)模地使用還需要取得技術(shù)上的突破.無論是節(jié)約能源，還是開發(fā)能源，都要靠科學(xué)研究，都要掌握先進(jìn)的技術(shù)，希望同學(xué)們努力學(xué)習(xí)，將來能夠在能源科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域為祖國做貢獻(xiàn)。 本節(jié)課我們了解了能源和環(huán)境的關(guān)系，能源與人類需求之間的矛盾，那么在今后的生活中，我們要從自身做起，節(jié)約能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境. ［布置作業(yè)］ 教材第82頁“問題與練習(xí)”。