人教版九上14.3能量的转化与守恒教学设计

《能量的转化与守恒》教学设计
【教材分析】
“能的转化与能量守恒”是课程标准中的核心概念4。本节课相当于通过对整个单元的复习中总结出能量的转化与守恒定律。通过专题化学习，让学生从实际问题出发学习能的形式、能的转移和转化的具体分析方法。初中阶段，首先学习初步的科学概念和规律，如动能、势能、机械能及其守恒，机械功、功率、杠杆平衡条件、机械效率、内能及改变物体内能的途径、热量、燃料的热值、物质的比热容、电功、电功率、功和能的关系等，这些内容与学生的日常生活紧密联系，但贯穿始终的主线是能的转化与能量守恒。其次，运用概念进行简单的定量计算，如功和功率的计算、应用杠杆平衡条件的计算、分析计算滑轮组的省力问题、计算滑轮组的机械效率、电功率以及电能消耗的计算等。这些定量计算是学习能量守恒定律的基础。最后，定性了解能的多种形式（包括生物体能量的来源与转化），能的转化与传递的方向性。
【学情分析】
本节课相当于通过对整个单元的复习中总结出能量的转化与守恒定律，对学生的综合分析能力要求相当高，本节内容用系统的概念理解能的转化过程中能的总量保持守恒，初步建立用能的转化与守恒的观点分析问题的意识，能的转化和转移的方向性，对学生来说有一定难度，由于是热力学第二定律的内容，初中学生只需了解方向性的概念及相关现象即可。通过观察、实验、案例分析等来提高学生的模型建构、推理与论证等科学思维能力。
【教学目标】
1.科学观念：通过单摆实验的情境引入，复习动能和势能之间的相互转化；通过学生举例及科学史实的展现，复习常见的能的形式及其转化；通过焦耳的实验装置的分析，能用功和能的关系解释能的转化现象；
2.科学思维：通过观察、实验、案例分析等来提高学生的模型建构、推理与论证等科学思维能力；
3.实践探究：通过分析迈尔及焦耳的研究过程，把能量转化拓展到生理学、热学及自然界，并认为它们是统一的；通过阅读亥姆霍兹的研究过程，初步体会定量方式对科学定律建立的重要性；
4.态度责任：通过科学史，感受科学发现是曲折艰难的过程，科学成果是众多科学家集体智慧的结晶，同时培养学生勇于质疑，大胆推理的科学意识及关心自然界各种现象之间的联系，关心科学技术发展和能源发展的社会意识。
【教学设计】
（一）分析实际问题，引入课题内容；
师：演示单摆来回运动，提问动能和势能如何转化？
生：小球摆向最低点时，势能变小，动能变大，势能转化为动能；离开最低点时，势能变大，动能变小，动能转化为势能。
师：同学们也来举几个生活中有关能量转化的例子？
（二）比较科学史实，体验能量转化；
材料一：说说下列历史事件中的能量转化。
（1）1820年奥斯特发现电流的磁效应：通有电流的导线在其周围产生磁场。
（2）1821年塞贝克发现温差电效应：将两条不同材料的金属线首尾相连形成具有两个结点的闭合回路，加热其中的一个结点，再使一个结点保持低温，在电路中会产生电流。
（3）1831年法拉第发现电磁感应现象和规律：闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流。
（4）1840年焦耳发现电流的热效应：电流通过各种导体时，电流做功使电能转化为热能
分析：1.实现了电能到磁能的转化。
2.实现了内能到电能的转化。
3.实现了机械能到电能的转化。
4.实现了电能到内能的转化。
思考：科学史上涉及能量转化的研究为什么都集中在19世纪初？随着人类实践活动的深入,特别是由于科学实验的蓬勃发展,在19世纪的前三十多年中,人们把认识领域不再是机械运动，而是扩展到电磁运动、热运动和化学运动等方面,从而有了一系列关于电能与机械能、热能、化学能相互转化的实验结果, 这就为能量守恒和转化定律的发现提供了充分的根据。?
（三）展示迈尔的研究过程，分析解释现象；
材料二：德国26岁的青年医生迈尔于1840年随船从荷兰驶往东印度。当远洋轮航至热带海域时,船医迈尔发现海员患病者静脉血液比在欧洲时鲜红。请解释热带地区海员静脉血鲜红的原因。引导学生分析：静脉血鲜红，说明含氧量高，推出细胞消耗的氧气少，消耗的能量少，推出人散热少，说明外界环境气温高。也就是说因为在热带高温条件下,人的机体只需要从食物中吸收较少的热量就足够了,所以人体中食物的氧化过程减弱了,静脉血里留下的氧就比较多。由此,迈尔联想到人体内的食物所含的化学能就像机械能一样,可以转化为热能。虽然迈尔对上述两个现象的思维与推理过程是定性的，但他把能量转化拓展到生理学、自然界，并认为它们是统一的。
迈尔假定：能量“既不会凭空创生，也不会凭空消失”，这才有符合逻辑的解释。定性思考与推理虽然不能带来让人信服的证据，但为后续严密地研究“热功当量值”奠定了基础。
过渡：自然界中存在着多种形式的能，不同形式的能之间是可以转化的。那么在转化过程中遵循什么定律吗？比如我们的单摆实验中小球的动能和势能是不是全部（百分之百的）转化呢？
生：在没有空气阻力的情况下，最高点的势能全部转化为最低点的动能，也就是机械能守恒。如果考虑空气阻力的话减少的机械能转化为增加的内能。
师：若把内能也考虑在内，机械能、内能的总量如何？
生：不变。
师：是不是这样呢？你能如何加以证实？
（四）展示焦耳的研究过程，分析实验装置；
材料三：1847年，焦耳做了著名的桨叶轮实验：在量热器里装水，中间安上带有叶片的转轴，让两侧对称的重物下降带动叶片旋转，由于叶片和水的摩擦，水和量热器都升温了。根据重物的质量、下落的高度以及量热器和水升高的温度，就可以计算出热功当量值。随后，焦耳分别用鲸油、水银等液体代替水做实验，得到平均值为4.203J/cal。实验装置如图所示。
（1）说明实验原理。
（2）该实验能说明什么问题？
（3）结果发现水内能的增加量总是小于重物重力做功的大小,影响实验误差的可能因素有哪些？
分析：（1）当重物下降时,绳子叶片拉动转轴转动,带动叶片旋转,对水做功，水的内能增加，使容器里的水温度升高,由温度计测出搅拌前后水的温差，结合水的质量和水的比热容计算出水增加的内能,记为Ｑ，外界对物体做功的多少由砝码下降的距离和重物的重力算出Ｗ，由Ｊ＝Ｗ/Ｑ公式可测定热功当量。
（2）说明力对物体做功时机械能转化为内能，在与外界没有热传递的条件下,物体内能的增加量与外界对物体做功的多少相等即认为能量是守恒的。
（3）热量传递给容器、叶轮及转轴等其他物体，玻璃温度计误差较大等等。为了用最精确的实验来证实能量守恒的论断,焦耳从40年代开始,做了四百多次实验,直到1878年获得最后的数据。这时,一个二十多岁的年轻小伙子,已变成六十多岁的白发老头子了。焦耳强调自然界的能量是等量转换、不会消失的，哪里消耗了机械能或电磁能，总能在另一些地方能得到数量相当的热。这一观点打破了统治多年的热质说，国际单位已统一规定功、热量、能量的单位都用焦耳，热功当量就不存在了。但是热功当量的实验及其具体数据在物理学发展史上所起的作用是永远存在的。焦耳的实验为能量转化与守恒定律奠定了基础。
（五）阅读亥姆霍兹的研究过程，体会定量方式；
材料四：1847年，德国科学家亥姆霍兹发表了《论力的守恒》一文，把能量的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学等领域，系统、严密地阐述了能量守恒思想。他分析了机械能、化学能、电磁能等不同形式能量的转化和守恒，并把能量守恒与永动机不可能制成联系起来。他认为机器只能转化能量，而不能创造或消灭能量。首次使用了严密的物理学和数学语言来描述能量守恒定律，对能量守恒定律作出了清晰、具有说服力的论述，从而使能量转化和守恒定律得到人们的广泛接受。可见，能量转化和守恒定律是众多科学家集体智慧的结晶。
（六）展现中微子危机，关心科学技术发展。
同学们，其实能量守恒定律发现并非我们课上如此简单，历史上它是经历一个曲折艰难的过程，在能量守恒定律发现之后，曾有人怀疑某个过程“能量不守恒”，但进一步研究又发现，原来是漏掉了人类尚不认识的一种新的形式的能量，如果把这种新的形式的能量计算在内，总能量依然守恒。同学们如果感兴趣可以课后查阅中微子的发现内容。