21.1能量的转化与守恒教学设计--物理沪科版9全册

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《21.1能量的转化与守恒》教学设计
课题 1.能量的转化与守恒 单元 21 学科 物理 年级 九
教材分析 本节内容位于“第二十一章 能源、材料与社会”第一节，是整个章节的核心基础。教材以“能量的转化与守恒”为主线，系统阐述了能量转移与转化的基本规律，引入能量守恒定律，并通过生活实例说明能量转化的方向性及效率问题。内容涵盖动能、势能、内能、电能等多形式能量之间的相互转换过程，为后续学习热机效率、新能源开发等知识奠定理论基础。该节内容在课程体系中具有承上启下的作用，既是对前几章机械能、功与功率的深化，又为跨学科探究能源利用提供核心认知支撑。21世纪教育网独家资源
2022新课标要求 2022版新课标将“能量转化与守恒”归入一级主题“能量”下的二级主题“能量守恒”，聚焦核心素养培养，细化内容要求并强化实践：1.知识要求 ：掌握能量可转移、转化且总量守恒的规律，能举生活实例，也清楚能量利用有效率、转化和转移有方向性。2.能力培养 ：通过实验、探究培养用守恒观点分析问题的能力，还能对永动机这类错误说法提出质疑。
学习目标与核心素养 1.物理观念知道能量守恒定律，能从能量转化和转移的角度认识效率，能用能量守恒、能量转化和转移具有方向性的自然规律来分析自然现象、解释生产生活中的相关问题。2.科学思维（1）能从能量转化与转移的角度分析实际问题，形成系统化的问题解决思路。（2）能通过实验现象与数据推断能量去向，发展逻辑推理与归纳概括能力。3.科学探究能设计简单的观察任务，记录并分析小球摆动过程中的能量变化。4.科学态度与责任能从能量守恒定律感受大自然的多样性与统一性，能体会物理学的发展深化了人类对自然的认识。21世纪教育网独家资源
学情分析 九年级学生已掌握基本的力学知识，如动能、势能、功与功率的概念，具备初步的科学思维能力。他们对生活中常见的能量现象（如电灯发光、汽车行驶）有直观感受，但缺乏从能量守恒角度进行系统分析的能力。部分学生容易将“能量消失”与“能量转化”混淆，误认为机械能减少就是能量损失。此外，学生对抽象概念的理解尚弱，尤其在面对“能量转移方向性”这一复杂原理时易产生困惑。教师需借助真实情境、实验演示和对比分析，帮助学生建立正确的能量观，突破思维定势，培养科学推理与批判性思维能力。
重点 1.理解能量守恒定律的内涵，掌握能量转化与转移的基本规律。2.能运用能量守恒观点分析日常生活中的能量转化实例。
难点 理解能量转化与转移具有方向性的深层含义，尤其是机械能转化为内能后无法自发逆转。
材料准备 PPT课件，永动机视频
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 情境导入视频：能量转化可见不同形式的能量之间可以相互转化，那么，在转移和转化的过程中有什么规律？本节我们将学习能量的转化及其 规律。 观看视频：能量转化思考：在转移和转化的过程中有什么规律？ 了解能量的形式及其转化，引起学生学习的兴趣
讲授新课 一、能量的转移与转化1.能量的转移21世纪教育网独家资源（1）指的是能量的传递，能量从一种物体转移到另一种物体，或者从物体的一部分转移到另一部分，能量形式不变。（2）能量转移主要通过三种方式实现：①传导：通过物质直接接触传递热量，常见于固体间热量传递 。②对流：流体（液体或气体）通过循环流动传递能量。③辐射：以电磁波形式跨空间传递能量。水波的振动将中心部分的振动向四面八方传 播开去。这时中心部分水面的振动能量就不断向四周转移。热传递时，内能转移：水的内能 人体内能。小球碰撞时物体之间会发生能量的转移运动的小球通过碰撞让静止的小球也动起来，动能从一个物体转移到了另一个物体。2.能量的转化一种形式的能量变成另一种形式的能量的过程，能量形式改变。水力发电利用水电站将水的机械能转换为电能。电灯发光电灯发光，将电能转化为光能和内能食物中的营养成分给人体提供所需能量，化学能转化为内能。人体运动过程中化学能转化为动能，为运动提供能量。 植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，并储存在其体内。大量事实说明，能量不但可从一个物体转移到其他物体，而且可从一种形式转化为其他形式。分析讨论思考：在生产生活实践中，处处都离不开能量。你能说出图中各种物体所具有的能量及其可能的能量转化形式吗？（a）山顶上的石块山顶上的石块，高度较高，具有____________；若石头掉落，可将___________转化为________。答案：重力势能 重力势能 动能（b）滚动的足球滚动的足球，具有_______；滚动过程中需要克服阻力做功，会有一部分_______转化为____________。答案：动能 动能 内能（c）加热后的物体加热后的物体，温度较高，具有______；可以转化为_________。答案：内能 机械能（d）牛奶、面包、水果等牛奶、面包、水果等具有营养物质，具有___________；人类食用后可以为运动提供能量，将_________ 转化为_________。答案：生物质能 生物质能 机械能21世纪教育网独家资源（e）导线中的电流导线中的电流具有_______，照明时将________转化为_______和_______。答案：电能 电能 光能 内能二、能量守恒定律1.能量的形式能量有机械能、电能、内能、光能、化学能及核能等各种不同形式， 各种形式的能量可以在一定条件下相互转化。21世纪教育网独家资源长期以来，为了提高机械的工作效率，人们总是希望将一种形式的能量尽可能多地转化为另一种形式的能量，甚至希望找到一种机械，能无损耗地将一种形式的能量转化为另一种形式的能量，或产出多于输入的能量。但大量的研究表明，自然界的能量是守恒的，科学家们将研究的结果概括为能量守恒定律。2. 能量守恒定律能量既不会消灭，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其他物体，而能量的总量保持不变。3.对能量守恒定律的理解（1）普遍性能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。 自然界中的一切变化过程，只要有能量转移或转化，都遵循能量守恒定律。（2）定律的成立是无条件的能量从一种形式转化为其他形式，一种形式的能量减少多少，其他形式的能量就会增加多少；能量从一个物体转移到另一个物体上，一个物体的能量减少多少，另一个物体的能量就增加多少。能量的总量保持不变。4.分析能量守恒现象（1）小球的摆动小球在运动时能量守恒小球摆动时，势能与动能不断地相互转化。当小球到达最高处时_______最大；随着小球的下降，势能逐渐_____，动能逐渐_____，势能转化为动能；当小球下降到最低点时，势能_______，动能则_____。答案：势能 减小 增大 最小 最大思考讨论：小球摆动的过程中，能量是怎样转化的？遵守能量守恒定律吗？小球下降：势能转化为动能；小球上升：动能转化为势能；21世纪教育网独家资源小球运动过程中，与空气摩擦会产生热，一部分机械能转化为内能。如果将此内能计算进去，总的能量还是守恒的。小球摆动的高度越来越低，最后停下来。说明这个过程中________能减小了，而摆动过程中要克服空气阻力做功，使小球和周围空气的____能增大。答案：机械 内荡秋千时，一旦停止用力，秋千会越摆______答案：越低掉在地上的弹性小球虽然会弹起，但其反弹的高度会越来________。答案：越低思考：秋千和小球在上述运动过程中的能量转化。为什么它们的高度会逐渐降低？是否丢失了能量？你认为减少的机械能到哪儿去了？参考答案：秋千和小球在下降过程中，重力势能转化为动能；在上升过程中，动能转化为重力势能。在整个运动过程中因与空气摩擦，机械能转化为内能。高度逐渐降低是因为机械能逐渐减少，能量并没有丢失，减少的机械能转化为了内能。三、能量转移和转化的方向我们只见过自上而下的瀑布，未见过水自发地从低处流向高处。21世纪教育网独家资源一滴热水掉进冷水，热量只能自发从热水传到冷水。热量的转移是有方向性的，热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而决不会反向转移。1.物理学的研究表明：能量的转移与转化具有方向性。摩擦可以生热，机械能可以方便地转化为内能，但却不能反方向使热（内能）全部变成机械能。那么，能量转移和转化过程存在怎样的规律？1.物理学的研究表明：能量的转移与转化具有方向性。秋千和小球的运动中，由于摩擦的存在，一部分机械能会转化为内能，而这部分内能不可能自发地再转化为机械能。2.研究表明，自然界所有与热现象有关的过程都具有方向性。知识拓展查阅资料，了解关于第一类永动机和第二类永动机的一些设想，请运用能量守恒定律及能量转化和转移具有方向性的自然规律，讨论为什么这两类永动机都不可能实现。1.第一类永动机：它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，史称"第一类永动机"。21世纪教育网独家资源这种不消耗任何能量而能源源不断地对外做功的永动机是不可能设计、制造出来的。它违背了物理学基本规律——能量守恒定律（能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移过程中，能量的总量保持不变）。 机器对外做功必须消耗能量，不存在“无中生有”的能量，因此第一类永动机无法制成。视频：永动机真的存在吗？2.第二类永动机：第二类永动机是设想中能从单一热源（比如空气、海水）吸收热量，全部用来对外做功，且不产生其他影响的机器。它不违背能量守恒定律。视频：第二类永动机它违背了热力学第二定律：热量不能自发地从低温物体转移到高温物体；机械能和内能的转化具有方向性，内能不可能全部转化为机械能而不引起其他变化。现实中，机器工作时总会有能量以散热、摩擦等形式损耗，无法将吸收的热量完全转化为有用功。四、能量转移和转化的效率由于能量转移和转化的方向性，我们希望在能量转移和转化过程中，能充分利用能量。能量的利用存在效率问题，100%的能量利用率只是一种理想情况。你知道利用热机有哪些能量损失吗？汽油在汽缸内不能完全燃烧，损失了一部分能量，机械装置吸收了一部分能量，废气带走了一部分能量，机械传动等克服摩擦消耗了一部分能量，等等。1. 能量转化效率在能量转移和转化的过程中，输出的有用能量与输入总能量之比称为能量转化效率，通常用百分率表示。η 柴火灶能量转化效率只有 30% 左右燃气灶能量转化效率可达到 55%微波炉能量转化效率一般为70%～90%2.提高能量转化效率提高能量利用的效率是节能问题的核心，是可持续发展的重要措施之一。思考讨论：“如果我们想提高效率，应该怎么做？”（1）减少热散失，例如：加隔热层。（2）优化能量路径，例如：减少中间环节。（3） 使用新型技术，例如：电磁加热。 聆听老师讲解掌握能量的转移观察图片思考回答能量是如何转化的学生观察图片并完成填空学生掌握能量守恒定律，并知道能量守恒定律的普遍性和定律的成立是无条件的根据能量守恒完成填空思考讨论：小球摆动的过程中，能量是怎样转化的？遵守能量守恒定律吗？聆听讲解观察图片理解能量的转移与转化具有方向性。学生查阅资料，了解关于第一类永动机和第二类永动机的一些设想学生思考讨论分析热机有哪些能量损失阅读课文了解能量转化效率学生思考讨论 能通过实验现象推断能量去向，发展逻辑推理与归纳概括能力让学生更好地掌握能量的转化能从能量转化与转移的角度分析实际问题，形成系统化的问题解决思路。锻炼学生的理解记忆能力21世纪教育网独家资源让学生根据实际现象的分析，进一步掌握能量守恒锻炼学生的归纳总结能力、逻辑思维能力以及语言表达能力锻炼学生运用能量守恒、能量转化和转移具有方向性的自然规律来分析自然现象、解释生产生活中的相关问题。拓展学生的知识面，明白第一类永动机和第二类永动机都不可能实现锻炼学生的归纳总结以及逻辑思维能力锻炼学生的自主学习能力拓展学生的思维锻炼学生的归纳总结能力
课堂练习 1.如图是志明同学练习原地掷实心球的情景。用力将实心球推过头顶后前掷，球在上升过程中（ ）A．动能逐渐增大 B．机械能在增大C．重力势能增大 D．内能显著增大【答案】C【详解】AC．用力将实心球推过头顶后前掷，球在上升过程中，质量不变，速度减小，高度升高，球的动能减小、重力势能增大，故A不符合题意，C符合题意；BD．球克服摩擦力做功，将机械能转化为内能，则机械能在减小，但机械能转化的内能较小，内能变化不明显，故B、D不符合题意。故选C。2.如图所示，小兰将一个橙子用细绳悬挂起来制成单摆，让橙子从点由静止释放，橙子会在、两点之间来回摆动且摆幅越来越小。下列说法正确的是（ ）A．悬挂点到橙子的重心的距离即摆长越短，此单摆的周期越长B．来回摆动的过程中，橙子的机械能守恒C．橙子来回摆动的过程中，违背了能量守恒定律D．假设橙子摆到最高处时所有外力同时消失，橙子将处于静止状态【答案】D【详解】A．单摆的周期与摆长有关，悬挂点到橙子的重心的距离即摆长越短，此单摆的周期越短，故A错误；B．让橙子从点由静止释放，橙子会在、两点之间来回摆动且摆幅越来越小，说明来回摆动的过程中，橙子的机械能减小，故B错误；C．橙子来回摆动的过程中，仍然遵循能量守恒定律，橙子的机械能减小，是因为转化为了其他形式的能，故C错误；D．橙子摆到最高处时速度为零，根据牛顿第一定律，若所有外力同时消失，橙子将处于静止状态，故D正确。故选D。3.为了节能，现在很多电动汽车安装了“能量回收装置”，在刹车时该装置可带动发电机发电。在汽车刹车制动时，轮胎与地面摩擦会产生大量内能，但这些内能是_________（选填“可以”或“不可以”）自动转化成机械能供汽车运动的，这是因为能量的转移和转化具有________ 。【答案】不可以 方向性【详解】[1][2]在汽车制动时，与轮胎接触的地面、轮胎及空气等获得的内能，无法自动转化成机械能供汽车运动，这是因为能量的转移和转化具有方向性。 学生练习 巩固本节的知识
课堂小结 能量的转化与守恒一、能量的转移与转化1.能量形式2.不同形式的能量可以发生转化；同种形式的能量可以发生转移。二、能量守恒定律1.能量守恒定律2.对能量守恒定律的理解（1）普遍性（2）定律的成立是无条件的三、能量转移和转化的方向1.能量的转移与转化具有方向性。2.自然界所有与热现象有关的过程都具有方向性。四、能量转移和转化的效率1.能量转移和转化的效率2.提高能量转化效率 学生总结教师补充 让学生对本门知识有个系统理解
板书 能量的转化与守恒一、能量的转移与转化1.能量形式：机械能、内能、电能、光能、声能、磁能、化学能、核能等。2.不同形式的能量可以发生转化；同种形式的能量可以发生转移。二、能量守恒定律1.能量守恒定律能量既不会消灭，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其他物体，而能量的总量保持不变。2.对能量守恒定律的理解（1）普遍性（2）定律的成立是无条件的三、能量转移和转化的方向1.能量的转移与转化具有方向性。2.自然界所有与热现象有关的过程都具有方向性。四、能量转移和转化的效率1.能量转移和转化的效率在能量转移和转化的过程中，输出的有用能量与输入总能量之比称为能量转化效率。2.提高能量转化效率 对照板书回顾 夯实本节基础
课外拓展/课外阅读内容 阅读《永动机的“骗局”与科学真理》：讲述历史上永动机的设计尝试，分析其违背能量守恒定律的核心缺陷，引导学生用定律批判伪科学，培养科学思维。
特色资源分析和技术手段说明 视频资源以及科普读物：《物理世界奇遇记》中“能量守恒的魔法”章节、《身边的物理》能量专题，用故事化语言传递知识。
教学反思 本节内容位于“第二十一章 能源、材料与社会”第一节，是整个章节的核心基础。本节情境化资源有效降低抽象性：通过单摆等生活场景，学生能快速关联定律内涵，80%以上的学生可独立列举3个以上生活中的能量转化实例。课外阅读拓展知识边界：永动机、能量利用史等内容激发了学生的探究兴趣，部分学生主动查阅新能源相关资料，实现自主延伸学习。学生知识整合能力薄弱：学生对“机械能、内能、电能”跨章节的能量转化关联不足，需增加“能量转化链条”专项训练
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