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第十四章 内能的利用
第1节 能量的转化与守恒
教材 解读 本节内容包括两部分:能量的转化和能量守恒定律。《初中物理新课程标准》对本节内容的要求是:“了解能量及其存在的不同形式。描述各种各样的能量和生产、生活的联系。通过实验,认识能量可以从一个物体转移到另一个物体,不同形式的能量可以相互转化。”教材首先分析了一系列熟知的能量转化的事例,揭示它们之间的本质联系——能量和能量的转化与守恒,然后阐述了能的转化与守恒定律的普遍性和重要性。
学 习 目 标 物理观念 1.理解能量守恒定律,能用能量转化和守恒的观点分析自然现象。 2.知道各种形式的能量是可以相互转化的。
科学思维 学会观察和分析生活中有关物理知识的实例与实验现象,具有初步的观察能力和分析概括能力。
科学态度 与责任 通过对“永动机”的分析,培养实事求是的科学态度。
教学 重、 难点 重点:能量守恒定律。 难点:运用能量守恒定律对具体的自然现象进行分析,说明能是怎样转化的。
教学 建议 在教学过程中,应重点强调定律的两个方面:一是能量的转化与转移,二是能量的守恒。能量守恒定律是一个普遍适用的定律,对生产、生活中几个实例的分析不能说明它的普遍意义,因此,教材是对几个最普遍、最简单的实例进行归纳。 对于能量的转化,通过主动实践,结合生活体验,让学生认识到各种现象中能量的转化,同时领悟到自然界中的现象都不是孤立的,而是有着内在联系,在这些联系中都伴随着能的转化。通过探究讨论、分析归纳,培养学生的各项能力,激发学生对物理的兴趣。
教学设计① (对应ppt见电子资源)
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 问题导入: 提出问题:请同学们双手不停地来回搓动,体会有何感受 从能量的角度分析,能量如何变化 从现象的角度分析,揭示了什么关系 分析归纳:双手搓动后手心发热。从能量的角度分析,是机械能转化为内能。从现象的角度分析,是摩擦生热,说明力现象与热现象存在着联系。 追问:除此之外,自然界中的其他现象之间有联系吗 它们之间的能量可以相互转化吗 在转化过程中有什么规律 下面我们就来讨论这些问题。 观察、思考、交流 通过亲历体验活动,认识不同能量间的相互转化。
【探究新知】 一、能量的转化 1.自然界中各种形式的能 多媒体展示图片: 归纳总结: 能量的形式比较多,如机械能、化学能、内能、光能、核能、电能、电磁能等。机械能又包括动能和势能,自然界中具有动能的能量有风能、水能、潮汐能等,势能又包括重力势能和弹性势能。 还可以启发学生列举出更多具有能量的物体或物质,并说出它们分别具有哪种形式的能量。 2.各种形式的能之间可以转化 [过渡语] 请同学们阅读课本P20的“想想做做”,利用课桌上的实验器材以同桌为小组完成这四个实验,根据实验现象,讨论发生了哪些能量的转化。 (1)来回迅速摩擦双手。 (2)用黑塑料袋盛些水,插入温度计后系好袋口,放在阳光下。 (3)将太阳能电池连在小电扇上,并使太阳能电池对着阳光。 (4)将塑料笔杆在头发或毛衣上摩擦后靠近细碎的纸片。 观察、思考、交流 观察、思考、交流 通过图片展示,从生活走向物理,让学生感受到物理就在身边,能量无处不在,为后面学习能量的转化和转移做好铺垫。 使学生能够判断能量是如何转化的。
[点拨引导] 在判断能量是如何转化时,可先找出是哪一种形式的能量减少了,哪一种形式的能量增加了,增加的那一种形式的能量就是由减少的那一种形式的能量转化而来的。 再用多媒体展示图片,分析体会各种形式能量间的转化。 图(a):钻木取火——机械能转化为内能; 图(b):水电站里水轮机带动发电机发电——机械能转化为电能; 图(c):电动机带动水泵把地下水送到地面——电能转化为机械能; 图(d):植物吸收阳光进行光合作用——光能转化为化学能; 图(e):木柴燃烧时放热——化学能转化为内能; 图(f):太阳能电池——光能转化为电能。 探究归纳:各种形式的能量在一定条件下都可以相互转化。 二、能量守恒定律 [设置问题情境一] 当你骑着自行车行驶在上学的路上,停止蹬脚踏后,一会儿自行车会停下来,自行车的动能消失了吗 它减少的能量跑到哪里去了 [设置问题情境二] 阅读课本P21“想想议议”,思考:秋千和小球的能量丢失了吗 [想想议议] ①处在最高点的小球具有什么形式的能 ②小球每次跳起的高度有什么变化 ③小球的机械能是否守恒 是否失去了能量 减少的机械能到哪里去了 探究归纳: ①能量守恒定律:能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,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其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变。 ②能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。 讨论:永动机可以实现吗 观察、思考、交流 思考、交流 观察、思考、交流 观察、思考、交流 使学生进一步理解能量的转移和转化,培养学生观察、分析、推理的能力。体会物理与生活、生产和科学的联系。 通过生活中的常见现象,引发学生探究的兴趣。 通过弹性小球在地面上来回跳动,高度不断下降的实验,让学生找出机械能不守恒的原因,帮助学生理解能量守恒定律,突破难点。
归纳总结:永动机是不可能实现的,因为能量的转移和转化是有方向的,虽然能量的总量保持不变,但物体在运动过程中,总会有一部分机械能转化为内能,能够被再次利用的机械能越来越少,所以永动机不可能“永动”。 课堂小结(略) 课堂练习(略) 布置作业(略) 通过引导,让学生展开讨论,最后得出“永动机无法实现”的结论。
教学设计② (详见电子资源)
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内容详见电子资源。
导学设计
学点1 能量的转化
1.能量的转化
[实验]完成下面的小实验,根据器材准备情况,可以选其中的一个或两个。观察实验发生的现象,讨论发生了哪些能量转化。
①来回迅速摩擦双手。
②用黑塑料袋盛些水,插入温度计后系好袋口,放在阳光下。
③将太阳能电池连在小电扇上,并使太阳能电池对着阳光。
④将塑料笔杆在头发或毛衣上摩擦后靠近细碎的纸片。
[分析总结]
①来回迅速摩擦双手。会发现双手 发热 , 机械 能转化为 内 能。
②用黑塑料袋盛些水,插入温度计后系好袋口,放在阳光下。温度计的示数 升高 , 太阳 能转化为 内 能。
③将太阳能电池连在小电扇上,并使太阳能电池对着阳光。小电扇的扇叶会 转动 , 太阳 能转化 电 能, 电 能又转化为 机械 能。
④将塑料笔杆在头发或毛衣上摩擦后靠近细碎的纸片。将塑料笔杆在头发或毛衣上摩擦,机械能转化为 电 能,笔杆在吸引细碎纸片的过程中, 电 能转化为 机械能 。
自然界中的各种现象都是互相联系的。科学家们经过长期探索,发现能量转化是非常普遍的,在一定条件下,各种形式的能量是可以 相互转化 的。
[思考]请你列举不同形式的能量相互转化的实例。
[分析总结]
①机械能与内能的相互转化:“钻木取火”是将 机械 能转化为 内 能;蒸汽火车行驶时是将 内 能转化为 机械 能。
②电能与机械能的相互转化:水电站发电是将 机械 能转化为 电 能;电动汽车行驶时是将 电 能转化为 机械 能。
③电能与内能的相互转化:电热水壶烧水时是将 电 能转化为 内 能;地热发电是将 内 能转化为 电 能。
④电能与光能的相互转化:LED灯照明时将 电 能转化为 光 能;阳光下太阳能电池板将 光 能转化为 电 能。
⑤内能与光能的相互转化:白炽灯工作时把电能转化成内能,再把内能转化成 光 能;太阳能热水器工作时将光能转化为 内 能。
2.正确理解能量的“转化”和“转移”
(1)能量的转化:能的形式发生了改变。如:弯折铁丝时,铁丝的温度升高,内能增加,机械能转化成内能。在能量的转化过程中,一种形式的能量 增加 了,肯定有其他形式的能量 减少 了。
(2)能量的转移:能量的 形式 并没有变化。如:用锅烧水时内能从高温的火转移到低温的水和锅上。再如:流水推动水轮机转动,水的机械能转移到水轮机上。
学点2 能量守恒定律
1.能量守恒定律
[想一想]如图14-1-5甲所示,停止用力,摆动的秋千会越摆越低。为什么高度会逐渐降低 是否丢失了能量 减少的机械能到哪里去了
[分析]在秋千的运动过程中,秋千和空气间有阻力,绳索间存在摩擦力,秋千要克服这些阻力做功,一部分 机械 能转化为 内 能,机械能总量逐渐 减少 ,最终机械能为零,全部转化为 内 能。
图14-1-5
[做一做]抛出弹性小球,观察小球与地面碰撞时的运动情况。会发现掉在地上的弹性小球越跳越低(图乙)。为什么高度会逐渐降低 是否丢失了能量 减少的机械能到哪里去了
[分析]在小球的运动过程中,由于和空气间有阻力,小球克服空气阻力做功,一部分 机械 能转化为 内 能,机械能总量逐渐 减少 ,最终机械能全部转化为 内 能。
[根据上述活动归纳]
能量守恒定律:能量既不会凭空消失,也不会凭空产生,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其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的 总量 保持不变。这就是能量守恒定律。
2.永动机
如图14-1-6所示,高处的水具有一定的机械能W总,水向下流动时,对水轮机做功,水轮机转动,把低处的水抽到高处。由于水轮机转动时各部件间存在摩擦,会有部分机械能转化为内能W内能,只有一部分能量用来抽水做功W抽水。根据能量守恒定律可知:W总= W内能+W抽水 ,最后抽水的能量 小于 原来水的总能量,使流下的水不能全部抽回。
由能量守恒定律知: 无法 制成永动机。
图14-1-6
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第十四章 内能的利用
第1节 能量的转化与守恒
新课导入
方式一 【情境导入】
多媒体播放视频或图片:
图14-1-1
先让我们来看两个情境:如图14-1-1甲所示,撑竿跳高过程中,撑竿的弹性势能转化为运动员的动能,然后动能转化为重力势能,越过横杆后,重力势能又转化为动能;图乙中人们在野外烤火、加热食物时,这些内能又是怎么得来的呢 我们平时所吃的食物又具有什么能呢
导入语:机械能中的动能、势能之间可以发生相互转化,自然界中还有许多其他形式的能量,它们之间在一定条件下是否也能发生转化呢 这节课我们就来一起探究——能量的转化和守恒。(板书课题)
方式二 【问题导入】
导入语:我们知道,刀具在砂轮上磨削时,刀具会发热;在暖气片上放一瓶冷水,过一段时间后水会变热……这些实例中,物体的内能为什么增加了 是凭空产生的,还是由其他形式的能转化来的呢 这就是今天我们要学习的内容。(板书课题)
方式三 【问题导入】
导入语:通过前面的学习,我们已经发现可以通过做功将其他形式的能量转化为内能。生活中的风能、太阳能(如图14-1-2所示)、电能、水能、化学能等,也可以相互转化吗
图14-1-2
电子视频 (详见电子资源)
教材知识处理
关于能量守恒定律的理解
对于能量守恒定律,要让学生知道自然界中存在多种多样的能量形式及它们之间各种各样的转化现象,重点指出能量在转化过程中总量保持不变,在转移过程中总量也保持不变。因为能量这个概念比较抽象,所以,通过举例让学生从能量的循环不灭中了解到能量的守恒,只要让学生初步知道“自然界中的能量不生不灭、总量守恒”这样一个道理就可以了。
本节教材链中考
[考点小说] 能量守恒定律是自然界中蕴藏的普遍规律,是人类利用自然、改造自然必须遵守的客观规律;要知道“永动机”是不可能制成的。中考多从能量形式的转化角度来考查,一般以选择题、填空题的形式出现。
[考点对接] 1.各种形式能量之间的转化
[源起教材P20、P21]
在一定条件下,各种形式的能量是可以相互转化的……图14.1-2中给出了两个实例,请你来补充一些吧。
图14.1-2 各种形式能量的转化
例1 (聊城中考)如图14-1-3所示是一种太阳能背包。它的前面有一个太阳能电池板,里面有一个蓄电池,可以给手机、小风扇或数码相机等电子产品供电。下列说法中错误的是 ( )
图14-1-3
A.太阳能电池板将太阳能转化为电能
B.给蓄电池充电时将电能转化为化学能
C.蓄电池放电时将化学能转化为电能
D.小风扇工作时将化学能转化为机械能
[答案] D
[考点对接] 2.形形色色的永动机
[源起教材P22] 想想议议
图14.1-4是一种设想中的永动机,它通过高处的水流冲击叶片,使叶片转动来对外做功,同时带动抽水机将水从低处抽到高处,从而循环工作。你能不能从能量守恒的角度说明它为什么不能一直工作下去
图14.1-4 一种设想中的永动机
例2 (邵阳中考)如图14-1-4所示为一种人们设想中的永动机,它通过高处的水流冲击叶片,叶片的转动又带动抽水机将水从低处抽到高处,从而循环工作。这种永动机 (选填“能够”或“不能够”)永远工作下去。
图14-1-4
[答案] 不能够
拓展材料
材料——比亚迪最新一代的双模混合动力技术
2024年5月28日,比亚迪第五代DM技术发布。作为插电式混合动力的研发成果,比亚迪第五代DM技术可实现最高发动机热效率高达46%、最低百公里亏电油耗3 L和最长综合续航2100公里,这些数据在全球汽车市场首屈一指。
DMI5.0是比亚迪最新一代的双模混合动力技术,该动力系统的汽车,在电池电量充足的情况下,电池为电动机供电。当电池电量不足时,系统便启动发动机带动发电机对电池进行充电。为节约能源,该混合动力汽车采用再生制动器,开启时它把汽车刹车制动时消耗的一部分动能转化为电能储存在蓄电池中,同时产生汽车所需的制动力,从而有效减少汽车的燃油消耗和制动器摩擦片的磨损。储能效率是指汽车正常行驶时关闭发动机,开启再生制动器,直至汽车停止的过程中,通过发电机将动能转化为电能的效率。汽车的行驶动力可由电动机或发动机单独提供,也可以由二者同时提供。
——详见电子资源
能力培优题 (详见电子资源)
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第十四章 内能的利用 章首语
教材分析
本章包括“能量的转化与守恒”“热机”“热机的效率”及“跨学科实践:制作简易热机模型”四部分内容。首先,结合各种实例介绍了能量的转化,进而给出能量守恒定律,这为热机的原理及热机的效率进行了铺垫。在此基础上,结合热机的工作过程,讨论了燃料的热值和热机的效率,讨论热机的效率是对热机性能的评估,最后通过跨学科实践活动,制作简易热机模型,更好地理解热机的工作原理。本章教材的编排由浅入深,层层递进,符合学生认知事物的一般规律。本章内容与现代技术联系紧密,与实际生活密切相关,通过本章的学习引导学生深入了解热学世界。
学情分析
对于能量的转化学生已有基础,如机械能的转化、利用做功改变物体的内能等。初中学生对于热机,既熟悉又陌生。虽然在平时的生活生产中经常会看到热机的应用——汽车,但只是知道汽车需要发动机驱动,对于热机的工作原理十分陌生。因热机与学生生活联系紧密,因此学生的学习热情高、好奇心强。通过联想与活动体会,方便开展较为专业的知识学习。
课标要求
1.了解能量及其存在的不同形式。能描述不同形式的能量和生产生活的联系。
2.通过实验,认识能量可以从一个物体转移到其他物体,不同形式的能量可以相互转化。
3.知道能量守恒定律。列举日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识。
4.了解热机的工作原理。知道内能的利用在人类社会发展史中的重要意义。
5.从能量转化的角度认识燃料的热值。
6.从能量转化和转移的角度认识效率。
本章目标
【物理观念】
知道各种形式的能是可以相互转化的;理解能量守恒定律,能用能量转化和守恒的观点分析自然现象;了解汽油机和柴油机的基本构造和工作原理;知道内燃机各冲程的工作状态和能量转化;了解汽油机与柴油机在构造上和工作过程中的异同点;从能量转化的角度认识燃料的热值;了解内能的利用在人类发展史上的重要意义;通过能量的转化和转移,认识热机效率。
【科学思维】
通过模型认识内燃机的构造。通过热机效率的学习,初步形成能量守恒的思想。学会观察和分析生活中有关物理知识的实例与实验现象,具有初步的观察能力、分析概括能力。
【科学探究】
通过演示实验,使学生了解可以利用内能来做功。利用动画、图片或模型讲解四冲程汽油机的基本结构和工作原理。通过实践和探究,让学生感受科学就在身边。
【科学态度与责任】
通过对“永动机”的分析过程,培养实事求是的科学态度。知道内燃机工作时有废气污染,树立环保意识。
教学思路
1.通过能量守恒定律的教学,让学生注重自然界的普遍联系
能量守恒定律是自然界最重要的规律之一,要从两个方面让学生认识与理解它。一是能量之间相互转化,反映出自然界各种现象之间的内在联系;二是通过能量守恒,认识自然界中的能量与物质均不会无中生有。学生在学习中可以充分利用自己已有的知识,对生活中的能量转化实例进行具体的分析,同时理解能量守恒定律的普遍性,从能量的角度体会自然界的普遍联系。
2.教学中必须注意理论联系实际,体现“从生活走向物理,从物理走向社会”的理念
热机是生产与生活中广泛使用的动力设备,在教学中要注意理论联系实际。有条件的话可以让学生到汽车修理厂观察内燃机的构造与工作过程,通过听声音判断内燃机的转速、工作冲程等情况。在教学中要重点分析四冲程汽油机的工作过程,展示热机是如何把内能转化成机械能并连续对外做功的。通过内燃机和热机效率的学习,让学生了解有效利用燃料和减少燃料造成的环境污染的重要性。
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