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2019-2020年高一物理《能量守恒定律與能源》教學設計教案 課 題 5.10 能量守恒定律與能源 課 型 新授課（2課時） 教 學 目 標 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．用能量的觀點分析問題應該深入學生的心中，因為這是最本質(zhì)的分析方法． 2．感知我們周圍能源的耗散，樹立節(jié)能意識． 教學重點、難點 教學重點 1．能量守恒定律的內(nèi)容． 2．應用能量守恒定律解決問題． 教學難點 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 方 法 探究、講授、討論、練習 教 學 手 段 教具準備 投影儀、教學錄像或課件、玻璃容器、沙子、小鐵球、水、小木塊． 教 學 活 動 [新課導入] 師：我們已學習了多種形式的能，請同學們說出你所知道的能量形式．我們還知道不同量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，請舉幾個能量轉(zhuǎn)化的例子． 生1：電燈能夠發(fā)光是因為電能轉(zhuǎn)化為了光能． 師：當電燈發(fā)光的同時．還能感覺到電燈是熱的，說明什么問題呢? 生1：說明在電能轉(zhuǎn)化為光能的同時還產(chǎn)生了熱能． 生2：我舉一個例子，當兩個物體相互摩擦的時候，它們的溫度會升高，這個過程中機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能． 生3：在火箭發(fā)射的時候，推進劑燃燒產(chǎn)生的化學能轉(zhuǎn)化為火箭的機械能． 生4：汽車在行駛過程中，汽車內(nèi)燃機產(chǎn)生的化學能轉(zhuǎn)化為汽車的機械能． 師：剛才同學們分析得都很好，看起來自然界除了我們在上幾節(jié)學過的機械能之外，還有各種各樣的能量，機械能守恒定律成立的條件是什么? 生：機械能守恒定律成立的條件是只有重力或彈力做功． 師：我們看一下下面幾種情況下物體所處的系統(tǒng)機械能是否守恒． [新課教學] 一、能量守恒定律 (演示實驗1：在一個玻璃容器內(nèi)放人沙子，拿一個小鐵球分別從某一高度釋放，使其落到沙子中) 師：大家看這樣一個問題：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． 生：小球在運動過程中機械能不守恒，根據(jù)機械能守恒定律成立的條件是只有重力或彈力做功，在小球下落的過程中，除了受到的重力做功之外，還有沙子對它做功，沙子對鐵球做負功，鐵球在下落過程中機械能是減少的． 師：從這個問題中我們可以得到什么結(jié)論? 生：外力(除了重力和彈力之外的力)對系統(tǒng)做負功，系統(tǒng)的機械能減少． [演示實驗2：用手提一個物體勻速上升，讓學生分析機械能的變化情況(物體可以是身邊的物體，例如黑板擦、課本等等)] 師：這個物體在運動過程中機械能是否守恒，如果不守恒，原因是什么，機械能是怎樣變化的? 生：這個物體在運動過程中機械能不守恒，原因是不符合機械能守恒定律成立的條件，有外力對物體做了功，這個力是人對物體向上的拉力．在運動過程中，物體動能沒有發(fā)生變化，而物體的重力勢能增加了，所以系統(tǒng)的機械能是增加的． 師：我們可以得出什么結(jié)論? 生：當外力(除了重力或彈力以外的力)對物體做正功，物體的機械能增加，物體機械能的增加量等于外力對物體做的功． 師：從這兩個例子中我們能夠得出什么結(jié)論? 生：物體所處的系統(tǒng)機械能守恒是有條件的，當外力對物體做功時，系統(tǒng)的機械能不守恒，此時外力對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)機械能的變化． 師：這里的外力是指的什么? 生：這里的外力是指的除了物體本身重力和彈力之外的力． 師：這個結(jié)論叫做功能原理．從這兩個例子中我們可以看到，機械能守恒定律并不是自然界中最基本的守恒定律，當涉及到多個能量之間的相互轉(zhuǎn)化時，我們應該怎樣研究這些能量之間的關系呢? 師：下面大家閱讀28頁中有關能量守恒定律建立的過程，回答相應的問題． (學生閱讀課本，總結(jié)能量守恒定律的表達方式) 師：導致能量守恒定律最后確立的兩類重要事實是什么? 生：導致能量守恒定律最后確立的兩類重要事實是確立了永動機的不可能性和發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化． 師：能量守恒定律的內(nèi)容是什么? 生：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)移到另外一個物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總和保持不變． 師：能量守恒定律是一個人發(fā)現(xiàn)的嗎? 生：能量守恒定律不是一個人發(fā)現(xiàn)的，到了19世紀40年代前后．科學界已經(jīng)形成一種思想氛圍，即用聯(lián)系的觀點去觀察自然，各種不同能量可以相互轉(zhuǎn)化，這預示著，到了把分立環(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，不同國家、不同領域的十幾位科學家，以不同的方式，各自獨立提出了能量守恒定律的內(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)移到另外一個物體．而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中．能量的總和保持不變． 師：看起來能量守恒定律是人類進步的一個必然的結(jié)果，那么對能量守恒定律作出貢獻比較大的科學家是誰呢? 生：對能量守恒定律貢獻比較大的科學家有：德國物理學家和醫(yī)生邁爾，英國物理學家焦耳，德國物理和生理學家女姆霍茲等人． 師：現(xiàn)在看一個科教片：能量守恒定律的建立過程． (多媒體播放能量守恒定律的建立過程)(參考案例) 能量守恒定律是建立在自然科學發(fā)展的基礎上的，從16世紀到18世紀．經(jīng)過伽利略、牛頓，惠更斯、萊布尼茨以及伯努利等許多物理學家的認真研究，使動力學得到了較大的發(fā)展，機械能的轉(zhuǎn)化和守恒的初步思想，在這一時期已經(jīng)萌發(fā)．18世紀末和19世紀初，各種自然現(xiàn)象之間聯(lián)系相繼被發(fā)現(xiàn)．倫福德和戴維的摩擦生熱實驗否定了熱質(zhì)說．把物體內(nèi)能的變化與機械運動聯(lián)系起來．1800年發(fā)明伏打電池之后不久，又發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應、磁效應和其他的一些電磁現(xiàn)象．這一時期，電流的化學效應也被發(fā)現(xiàn)，并被用來進行電鍍．在生物學界，證明了動物維持體溫和進行機械活動的能量跟它所攝取的食物的化學能有關，自然科學的這些成就，為建立能量守恒定律作了必要的準備．能量守恒定律的最后確定，是在19世紀中葉由邁爾、焦耳和荄姆霍茲等人完成．德國醫(yī)生邁爾是從生理學的角度開始對能量進行研究的．1842年，他從“無不生有，有不變無”的哲學觀念出發(fā)．表達了對能量轉(zhuǎn)化和守恒思想，他分析了25種能量的轉(zhuǎn)化和守恒現(xiàn)象，成為世界上最先闡述能量守恒思想的人．英國物理學家焦耳從1840年到1878年將近40年的時間里．研究了電流的熱效應，壓縮空氣的溫度升高以及電、化學和機械作用之間的聯(lián)系，做了400多次實驗，用各種方法測定了熱和功之間的當量關系，為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)奠定了堅實的實驗基礎．在1847年，當焦耳宜布他的能量觀點的時候，德國學者荄姆霍茲在柏林也宜讀了同樣課題的論文．在這篇論文里，他分析了化學能、機械能、電磁能、光能等不同形式的能的轉(zhuǎn)化和守恒，并且把結(jié)果跟永動機不可能制造成功聯(lián)系起采，他認為不可能無中生有地創(chuàng)造一個永久的推動力，機器只能轉(zhuǎn)化能量，不能創(chuàng)造和消滅能量．女姆霍茲在論文里對能量守恒定律作了一個清晰、全面而且概括的論述，使這一定律為人們廣泛接受．在19世紀中葉，還有一些人也致力于能量守恒地研究．他們從不同的角度出發(fā)，彼此獨立地研究，卻幾乎同耐發(fā)現(xiàn)了這一偉大的定律．因此，能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)是科學發(fā)展的必然結(jié)果．此時，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律得到了科學界的普遍承認．這一原理指出：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，對應于不同的運動形式，能量也有不同的形式，如機械運動的動能和勢能，熱運動的內(nèi)能．電磁運動的電磁能，化學運動的化學能等，他們分別以各種運動形式特定的狀態(tài)參量來表示。當運動形式發(fā)生變化或運動量發(fā)生轉(zhuǎn)移時，能量也從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個系統(tǒng)傳遞給另一個系統(tǒng)：在轉(zhuǎn)化和傳遞中總能量始終不變．恩格斯曾經(jīng)把能量轉(zhuǎn)化和守恒定律稱為“偉大的運動基本規(guī)律”，認為它的發(fā)現(xiàn)是19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)之一．(另兩個發(fā)現(xiàn)是細胞學說，達爾文的生物進化論) 師：通過學習能量守恒定律，你受到了什么啟示? 生：能量守恒定律的建立過程，是人類認識自然的一次重大的飛躍，是哲學和自然科學長期發(fā)展和進步的結(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．和諧美是科學的魅力所在． 師：這位同學總結(jié)得很好，美是無處不在的，物理學中更是處處存在著美，希望同學們在學習中注意發(fā)現(xiàn)，注意體會，這樣我們的學習將會更加的豐富多彩． [課堂訓練] 下列對能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認識正確的是……………………………( ) A。某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加 B。某個物體的能減少．必然有其他物體的能增加 C。不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器——永動機是不可能制成的 D。石子從空中落下，最后慘止在地面上，說明機械能消失了 解析；能量守恒定律是指能量的總量不變，但更重要的是指轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中的守恒．在不同形式的能量間發(fā)生轉(zhuǎn)化，在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移．不需要任何外界動力而持續(xù)對外做功的機器是違背能量守恒定律的，是永遠不可能制成的．機械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量而不能消失，能量是不會消失的． A選項是指不同形式的能量間在轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中是守恒的．B選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中是守恒的．這正好是能量守恒定律的兩個方面——轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移．任何永動機都是不可能制成的，它違背了能量守恒定律，所以ABC正確．D選項中石子的機械能在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能要減少，但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失．故D是錯的． 說明：此題考查能量守恒定律的理解，以及對水動機的認識，凡是違背能量守恒定律的永動機是永遠不能制成的． 二、能源和能量耗散 師：大家下面思考這樣一個問題：既然能量是守恒的，我們?yōu)槭裁催€要節(jié)約能源．帶著這個問題．大家閱讀課本第28頁到29頁有關能量和能量耗散的內(nèi)容，回答相關問題． (學生閱讀教材，了解人類應用能源的歷程，能源對人類社會發(fā)展所起的作用；人類在利用能源的同時也對環(huán)境造成了嚴重污染) 師：什么是能量耗散? 生：然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)吸收后變?yōu)橹車h(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用．這種現(xiàn)象叫做能量的耗散． 師：能量耗散與能量守恒是否矛盾，該怎樣理解? 生：能量耗散和能量守恒并不矛盾，能量耗散表明，在能源利用的過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能量在數(shù)量上并沒有減少．但是可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用變?yōu)椴槐阌诶昧耍? 師：這說明什么問題? 生：這說明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． 師：我們?yōu)槭裁匆?jié)約能源呢? 生：正是因為能量轉(zhuǎn)化的方向性，能量的利用受這種方向性的制約，所以能量的利用是有條件的，也是有代價的． 生：節(jié)約能源同時開發(fā)可再生能源． 師：通過下面材料的閱讀。加深你對能源的理解． (多媒體播放世界能源的解決途徑)(參考案例) 世界能源問題的解決途徑是什么?能源，是人類敕以生存和進行生產(chǎn)的不可缺少的資源．近年來，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和能源消費的增長．能源問題已被列為世界上研究的重大問題之一．解決世界能源問題的根本途徑，主要有兩個方面：其一是廣泛開源，其二是認真節(jié)流．所謂開源，就是積極開發(fā)和利用各種能源．在繼續(xù)加緊石油勘探和尋找新的石油產(chǎn)地的同時，積極開發(fā)豐富的煤炭資源，還要大力開發(fā)水能，生物能等常規(guī)能源，加強核能、太陽能，風能、沼氣，海洋能，地熱能以及其他各種新能源的研究和利用，從而不斷擴大人類的能源資源的種類和來源．所謂節(jié)流，就是要大力提倡節(jié)約能源．節(jié)能是世界上許多國家關心和研究的重要課題，甚至有人把節(jié)能稱為世界的“第五大能源”，與煤、石油和天然氣、水能、核能等并列．在節(jié)能方面，在有計劃地控制人口增長的同時，重點要發(fā)揮先進科學技術(shù)的優(yōu)勢，提高各國的能源利用效率．如果世界各國家和各地區(qū)都能改進各種用能設備，不斷提高能源的質(zhì)量標準和降低單位產(chǎn)品的能耗，加強科學管理，適當控制生活能源的合理使用，就能使能源更加有效地用于生產(chǎn)和生活之中，從而解決人類面臨的能源問題． [小結(jié)] 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(zhì)疑的范例．它引導我們考慮能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)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(chǎn)生的熱不可能全部轉(zhuǎn)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(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． 對功能關系的理解 ［例1］一小滑塊放在如圖所示的凹形斜面上，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所做的功的大小（絕對值）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G，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？ 解析：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 學 生 活 動 作 業(yè) [布置作業(yè)] 教材第30頁問題與練習，1，2． 板 書 設 計 10．能量守恒定律與能源 一、能量守恒定律 1．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)移到另外一個物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總和保持不變． 2．建立過程． 二、能源和能量耗散 1．內(nèi)容：能量轉(zhuǎn)化具有方向性． 2．節(jié)約能源的重要意義． 教 學 后 記 思維方法是解決問題的靈魂，是物理教學的根本；親自實踐參與知識的發(fā)現(xiàn)過程是培養(yǎng)學生能力的關鍵，離開了思維方法和實踐活動，物理教學就成了無源之水、無本之木。學生素質(zhì)的培養(yǎng)就成了鏡中花，水中月。