高中物理新课标人教版必修2优秀教案：能量守恒定律与能源 6页

10 能量守恒定律与能源 整体设计 本节从能量守恒定律入手，从机械能守恒定律向普遍的能量守恒定律拓展，阐述了能量 守恒定律推出的艰辛历程，让学生感受物理规律得出的历程，使学生体会科学家不畏艰辛的 探索精神.并且指出能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃，是哲学和自然科 学长期发展和进步的结果,展示了科学的和谐美.教材第二部分，能源和能量耗散，从生活实际 出发，让学生了解自然界中热传导过程和能量转化、转移是有一定方向的，让学生了解能源 对人类文明的意义和由能源带来的环境问题，引入可持续发展的概念.让学生认识节约能源， 开发新能源与可持续发展的关系，可以让学生通过查阅相关材料，提出自己的见解.思考怎样 探索和使用未来的理想能源,使学生体会物理学与技术发展的互动关系. 建议本节采取开放式的教学形式，让学生通过预习查找资料，谈谈自己对能量的认识.特 别应该对教材中“思考与讨论”栏目中所说的“既然能量是守恒的，不可消灭，为什么我们还要 节约能源？”的话题进行讨论.在讨论中逐渐使学生认识到，能量从更深的层次上反映了物质运 动和相互作用的本质.能量守恒定律是人们认识自然的重要工具.能源关系到人们的衣食住行， 关系到国家的兴旺发达,能源的开发和利用，是关系人类生存和发展的一个重大的社会问题.这 一节教学目标的落脚点应放在使学生树立科学的世界观、形成可持续发展的意识上.本节课为 物理规律与实际生活的结合课程，重点为物理规律与实际问题的辩证关系，课堂教学要大量 引用其他相关学科的知识，比如地理、历史等. 教学重点 能量守恒定律的内容. 教学难点 理解能量守恒定律的确切含义，知道既然能量守恒为什么还要节约能源. 课时安排 1 课时 三维目标 知识与技能 1.了解什么是常规能源，什么是新型能源. 2.知道能量转化和转移的方向性以及第二类永动机不可能实现. 3.通过能量转化和转移的方向性，认识提高效率的重要性. 4.了解能源与人类生存和社会发展的关系，使学生认识能源的合理利用与环境保护对可持续发 展的重要意义. 过程与方法 1.通过指导学生分析事例，培养学生分析问题和理论联系实际的能力. 2.通过指导学生阅读教材，培养学生的自学能力. 情感态度与价值观 1.了解大量的能源消耗带来的全球性环境问题,树立环保意识. 2.感知我们周围能源的耗散，树立节能意识. 教学过程 新课导入 情景导入 在 20 世纪的最后几分钟里，一项新的多米诺骨牌吉尼斯世界纪录，在北京颐和园体育健 康城综合馆和网球馆诞生.中国、日本和韩国的 62 名青年学生成功推倒 340 多万张骨牌，一举 打破了此前由荷兰人保持的 297 万张的世界纪录.这就是“多米诺骨牌效应”，该效应产生的能 量是十分巨大的.大不列颠哥伦比亚大学物理学家 A.怀特海德曾经制作了一组骨牌，共 13 张， 第 1 张最小，长 9.53 mm，宽 4.76 mm，厚 1.19 mm，还不如小手指甲大.以后每张体积扩大 1.5 倍，这个数据是按照一张骨牌倒下的时候能推倒一张 1.5 倍体积的骨牌而选定的.最大的第 13 张长 61 mm，宽 30.5 mm，厚 7.6 mm，把这套骨牌按适当间距排好，轻轻推倒第 1 张，必然 会波及到第 13 张，第 13 张骨牌倒下时释放的能量比第 1 张牌倒下时整整要扩大 20 多亿倍. 而按同样比例制作的第 32 张骨牌倒下时释放的能量将高达 1.24×1015J，又扩大了 20 多亿倍. 不过，A.怀特海德毕竟未能制作第 32 张骨牌，因为它将高达 415 m，两倍于纽约帝国大厦.如 果真有人制作了这样一套骨牌，那摩天大厦就会在一指之力下被轰然推倒! 这种巨大的能量从何而来？能量之间又是如何转化的？ 故事导入 在 2004 年，某杂志报道，一位家住“河南郑州二七区齐扎阎乡”，自称是“新加坡籍华人”“博 士、院士、专家委员”名为“梁星人”的一个人，成了当时的网上名人，其原因是他声称建成了“宇 宙引力能永动机”，并获得了中国专利（实际上只是申请了专利，还未获得批准），而且还有一 家“海南星人永动机发电厂有限公司”正在生产改永动机装备的车辆，你分析一下制造这种永动 机的可行性. 问题导入 我国人均能源占有量只有世界平均值的 1/4，解决我国的能源问题的基本方针是：能源开 发与节约并重.但有人认为“能量是守恒的”,不需要节约，谈一下你对此的看法，并观察周围可 利用的能源哪些是“绿色的”. 新闻导入 2003 年 12 月 8 日国内某媒体报道了下面的这则消息：这个冬天，对于湖南长沙市的 150 多万市民来说，将格外漫长，因为从今年 11 月 30 日起，可能一直要持续到明年三月份，这里 的市民，将分区分片“享受”每连续供电三天后，停电 24 小时的“待遇”.《某某晚报》11 月 27 日的报道中，已经赫然出现了商店秉烛营业的景观. 长沙并不是唯一的例子，从今年春天就开始逐渐浮出水面的电力危机，在盛夏季节达到 一个短暂的高峰，至今这个阴影仍然挥之不去，影响范围先后涉及到全国几乎三分之二的省 份，有人戏称，中国电力市场又退回到了 20 世纪 80 年代. 仅仅是电力吗？似乎没有这么简单，入秋之后，柴油的紧张状况，从珠江三角洲到长江 三角洲，从福建到浙江，已经形成了一种新的“流行病”，即使在北京地区，限量供应的情况也 再次出现，就差没有“凭票供应”了. 同学们思考，为什么会出现能源危机？如何应对？ 推进新课 一、能量守恒定律 问题：在验证机械能守恒定律的实验中，重物带着纸带下落时，计算结果发现，减少的重力 势能的值大于增加的动能的值，即机械能的总量在减少.原因就是纸带和打点计时器之间的摩 擦力和空气的阻力等.是不是考虑了各种摩擦和阻力后这部分能量就消失了呢？ 学生根据所学知识总结归纳：没有，它转化成为除机械能外的其他的能量了. 教师引导：它转化成了机械能外的其他形式的能量，除重力、弹力之类的力外，其他任何力 对物体做功使物体的机械能增加或减少的过程，实质上都是其他形式的能与机械能相互转化 的过程，在转化的过程中，能的总量是不变的.这是大自然的一条普遍的规律，而机械能守恒 定律只是这一条普遍规律的一种特殊情况. 问题：验证机械能守恒定律中，减少的机械能转化为内能.生活中还有很多这样能量转化或转 移的例子，同学们能否举出几例，并说明其中的能量转化或转移过程? 参考案例： 1.风吹动柳枝摆动  空气的机械能转移到柳枝上. 2.放在火炉旁的冰融化变热  内能由火炉转移到冰. 3.电流通过灯泡，灯泡发光  电能转化为光能. 4.植物进行光合作用  光能转化为化学能. 思维拓展 课件展示各种图片，让学生认真观察，并说明各种装置能量的转化情况.通过图片展示， 让学生更加形象地感受能量的转化或转移过程,为能量守恒定律的提出作准备. 学生通过认真观察图片并回顾相关知识，归纳总结： 图 1：太阳能电站：太阳能转化为电能 图 2：内燃机车：内能转化为机械能 图 3：水电站：机械能转化为电能 图 4：水果电池：化学能转化为电能 从上面的例子我们可以看出，能量之间是可以相互转化或转移的. 引导学生阅读教材，说出能量守恒定律的内容，并引用教材上的话，说明能量守恒定律 的建立有何重大意义. 师生总结： 1.能量守恒定律的内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式， 或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变. 2.定律的表达式：E 初=E 终 ΔE 增=ΔE 减 3.发现能量守恒定律的意义：能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃，是哲学 和自然科学长期发展和进步的结果，它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是 大自然普遍和谐性的一种表现形式. 重点说明：该定律是贯穿整个物理学的基本规律之一，是学习物理学的一条主线.在应用中,要 分清系统中有多少种形式的能，发生了哪些转化和转移. 例 一小滑块放在凹形斜面上，用力 F 沿斜面向下拉小滑块，小滑块沿斜面运动了一段距离. 若已知在这过程中，拉力 F 所做的功的大小（绝对值）为 A，斜面对滑块的作用力所做的功 的大小为 B，重力做功的大小为 C，空气阻力做功的大小为 D,当用这些量表达时，小滑块的 动能的改变（指末态动能减去初态动能）等于多少？滑块的重力势能的改变等于多少？滑块 机械能（指动能与重力势能之和）的改变等于多少？ 解答：根据动能定理，动能的改变等于外力做功的代数和，其中做负功的有空气阻力、斜面 对滑块的作用力的功（因弹力不做功，实际上为摩擦阻力的功），因此ΔEk=A-B+C-D； 根据重力做功与重力势能的关系，重力势能的减少等于重力做的功，因此ΔEp=-C； 滑块机械能的改变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 问题：既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源？ 情景引导：有些事可以倒过来进行，但有些事情却是不可能倒过来进行的.你可以向前走路， 也可以倒退着走路,但是，打碎的镜子不可能自动复原成原来完好的样子,冒起的煤烟和散开的 炭灰不可能重新组合成一堆煤炭.类似的，自然界中自发的能量的转化和转移也具有某种方向 性. 问题：根据上面的提示，能否举出生活中关于这种方向性的例子，并说明其中能量的变化? 参考案例： 1.草地上滚动的足球，逐渐慢下来，最后静止,足球不能主动从静止开始运动. 足球的机械能减少，转化成内能,内能不能自发地转化为机械能. 2.同学们围着火炉取暖，热量从高温的火炉转移到同学们身上,同学们却不能利用比自身温度 低的物体取暖. 热能够自动地从高温的火炉向人体传输却不能从低温物体自发地向高温物体传输. 师生总结：与热现象有关的能量转化过程是具有方向性的.例如：摩擦力做功的过程，要损耗 机械能而生热，产生的热不可能全部转化为机械能.在其他的宏观过程中也是如此，例如：两 种气体放到一个容器内，总会均匀地混合到一起，但不会再自发地分离开来.通过实例说明， 在能量的转化和转移过程中，能的量是守恒的，但能量的品质却降低了，可被人直接利用的 能在逐渐减少，这是能量耗散现象.所以，能量虽然守恒，但我们还要节约能源. 阅读课本，举例说明自然界能量转化过程的方向性,如:冰箱制冷、瀑布中水的机械能转化、 喷出的香水、松弛后的发条等. 学生交流：自然现象的变化也具有类似的不可逆性，例如沙漠化的土地不会自发地再变为绿 洲.因此人类不仅要珍惜能源和资源，还要自觉地保护自然. 总结：能量耗散 1.能量耗散：流散的内能无法重新收集起来加以利用的现象叫做能量耗散. 2.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性. 例 2 下列判断正确的是（ ） A.电流的能不可能全部变为内能 B.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能 C.热机中，燃气内能不可能全部变为机械能 D.在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体 解析：凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能（由电流热效应 中的焦耳定律可知），而内能不可能全部变成电流的能.机械能可全部变为内能，而内能不可能 全部变成机械能.在热传导中，热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从 低温物体传递给高温物体，所以选项 B、C、D 正确. 答案：BCD 阅读材料：课件展示阅读材料，让学生了解能源和环境是两个全球所关注的问题，能源是现 代社会生活的重要物质基础，而常规能源的有限储藏量与人类的需求存在矛盾，同时大量消 耗常规能源带来了环境问题，正确地协调和解决这一矛盾和问题是生活在地球上每一个人的 职责. （一）常规能源 1.能源：凡是能够提供可利用能量的物质统称为能源. 2.常规能源：人们把煤、石油、天然气叫做常规能源，人类消耗的能量主要是常规能源. 3.常规能源的储藏是有限的. 4.常规能源的大量消耗带来了环境问题. （1）温室效应：温室效应是由于大气里温室气体（二氧化碳、甲烷等）含量增大而形成的. 石油和煤炭燃烧时产生二氧化碳. （2）酸雨：大气中酸性污染物质，如二氧化硫、二氧化碳、氢氧化物等，在降水过程中溶入 雨水，使其成为酸雨.煤炭中含有较多的硫，燃烧时产生二氧化硫等物质. （3）光化学烟雾：氮氧化合物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强烈的紫外线照射后产生的 二次污染物质——光化学烟雾，主要成分是臭氧. 另外常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染. 常规能源的大量消耗所带来的环境污染既损害人体健康，又影响动植物的生长，损坏建 筑物及文物古迹，严重时可改变大气的性质,使生态受到破坏. （二）绿色能源的开发和利用 常规能源的短缺和利用常规能源带来的环境污染，使得新能源的开发成为当务之急. 绿色能源：在释放能量或能量转化过程中对环境不造成污染的能源叫绿色能源.人类可开 发和利用的绿色能源主要有下列几种： 1.风能. 2.水流（河流、潮汐）能.风能和水流能是可再生能源.而石油、煤炭是不可再生能源. 3.太阳能. 4.氢能源. 5.反物质能. 大自然赐给人类的绿色能源储量丰富，只要我们科学开发、合理利用，必将对人类作出 前所未有的贡献. 课堂小结 新课程更多地与社会实际相联系，鼓励学生提出问题.本节“思考与讨论”对能源问题做了 讨论，这是一个质疑的范例，它引导我们考虑能量转化和转移的方向性.从物理学的角度研究 宏观过程的方向性，在现阶段只需用一些简单的实例，让学生初步地体会一下就可以了.例如： 摩擦力做功的过程，要损耗机械能而生热，产生的热不可能全部转化为机械功.在其他的宏观 过程中也是如此，例如：两种气体放到一个容器内，总会均匀地混合到一起，但不会再自发 地分离开来.通过实例说明，在能量的转化和转移过程中，能量是守恒的，但能量的品质却降 低了，可被人直接利用的能在逐渐减少，这是能量耗散现象.所以，能量虽然守恒，但我们还 要节约能源. 布置作业 1.教材“问题与练习”第 1、2 题. 2.设想有一间房间，与外界没有热量交换，完全绝热.房间里有一台电冰箱在工作，如果电冰 箱的门是开着的，那么，房间里的温度会变化吗？认真讨论一下，形成书面材料，与同学们 交流. 板书设计 10 能量守恒定律与能源 一、能量守恒定律    建立过程 内容 .2 .1 二、能量耗散    有方向性自然界中的宏观过程具 能量耗散 .2 .1 三、能源    绿色能源的开发和利用 常规能源 .2 .1 活动与探究 课题：永动机 目的：通过具体的能量转化的分析，说明永动机不能制造的理由. 内容：有人设计了这样一台“永动机”：距地面一定高度架设一个水槽，水从槽底的管中流出， 冲击一个水轮机，水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮.他指望抽水机把地面水槽里的水 抽上去，这样循环不已，机器不停地转动，就可以永久地用砂轮磨制工件做功了.分析这种装 置的能量转化过程并判断能否制造. 习题详解 1.解答：家用电饭锅是把电能转化为内能；洗衣机是把电能转化为动能，等等. 2.解答：（1）依题意可知，三峡水库第二期蓄水后，用于发电的水流量为： 1.35×104m3/s-3 500 m3/s=10 000 m3/s， 每秒钟转化为电能的是：mgh×20％=ρVgh×20％=1.0×103×1.0×104×10×135×20％ J/s =2.7×109J/s 发电功率最大是 2.7×109 W=2.7×106 kW. (2)设三口之家每户的家庭生活用电功率为 1 kW，考虑到不是每家同时用 1 kW 的电，我们平 均每家同时用电 0.5 kW，则三峡发电站能供给 5.0 109.2 6 =5.4×106 户用电，人口数为 3×5.4×106=16.2×106 人，即可供 16 个百万人口城市的生活用电. 设计点评 本节重点是让学生体会能量守恒定律的发现过程与能源危机，培养学生节约能源、保护 环境的环保意识.教学中通过大量的实例，采取开放式的教学形式，让学生通过预习查找资料， 发表自己对能量的认识.在能源和能量耗散方面，本教学设计从生活实际出发，让学生了解了 自然界中热传导过程和能量转化、转移具有方向性，让学生了解了能源对人类文明的意义和 由能源带来的环境问题，引入了可持续发展的概念.让学生了解了可持续发展的含义和意义， 能够从自己做起，节约资源，保护环境.