上海地区优秀教案：第7章 b 能的转化和能量守恒定律

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高考资源网第七章 B 能的转化和能量守恒定律
一、教学任务分析
能的转化和能量守恒定律是在学习了械能守恒定律、物体的内能等知识后，对能的概念以及能量转化和守恒做进一步的拓展和深化。能量守恒定律是自然界的一条普遍定律，它不仅是本章的学习重点，也是整个中学物理的重点。能量守恒的思想贯穿在整个物理学习的过程中，通过后续各章的学习，将不断加深学生对能量守恒定律的认识和应用能力。能的转化和守恒不仅是物理学高考资源网的法则，而是一个跨越各门自然学科的统一法则。
学习本节内容需要以动能、势能、机械能、内能以及机械能守恒定律知识为基础。
以“天下第一爆”以及三峡电站的修建过程为切入口，使学生认识自然界物质的运动有多种形式的能。
通过实验、自主活动等，使学生明确各种形式的能量之间可以相互转化。
通过课内阅读，介绍迈尔、焦耳、赫尔姆霍茨等科学家为能的转化和能量守恒定律所做的贡献，得到能的转化和守恒定律，并使学生感悟其中的科学态度与科学精神。
通过从能量角度猜想“永动机”永动的秘密，加深对能量守恒定律的认识和理解，领略在科学发明与创新活动中，尊重事实、遵循科学规律的重要性。
二、教学目标
1．知识与技能
（1）知道能有各种形式，每一种形式的能对应于一种运动形式；知道各种形式的能之间是可以相互转化的。
（2）理解能的转化和能量守恒定律。
（3）知道“永动机”是制造不出的。
2．过程与方法
（1）通过实验、视频录象、图片等观察、分析，感受认识客观世界的过程就是从现象到本质的过程。
（2）通过阅读资料和联系实际，感受运用比较、分类、归纳和综合等科学方法。
3．情感、态度价值观
（1）通过学习“能的转化和能量守恒定律” 的发现过程，体验人类探索真理的艰难和这一发现过程在哲学和科学发展中的价值。
（2）通过从能量角度猜想“永动机”永动的秘密，感悟在科学发明与创新活动中，尊重事实、遵循科学规律的重要性。
三、教学重点与难点
重点：能的转化和能量守恒定律。
难点：运用能量守恒定律对具体的自然现象进行分析，说明能是怎样实现相互间的转化的。
四、教学资源
1、器材
演示实验：
小灯泡、伏打电池（烧杯内装硫酸溶液，铜片、锌片插入其中）、干电池、电键、导线、小电动机、钩码、饮水鸟等。
2、视频录象
“天下第一爆”、过山车、风力发电。
3、图片
五、教学设计思路
本设计内容包括三个方面：一是能的形式；二是能在一定条件下可相互转化；三是能的转化和守恒定律三部分内容。
本设计的基本思路是：从“天下第一爆”入手，以三峡电站修建过程引入多种形式的能，通过观看演示实验、录象等活动得出能在一定形式下可以相互转化的结论。从迈尔、焦耳、赫尔姆霍茨等科学家的研究成果中归纳得出普遍的能量守恒定律，最后由历史上关于“永动机”的争论，说明“永动机”的不可能性，深化对能量守恒定律的理解和认识。
本设计要突破的重点是：能的转化和能量守恒定律。方法是：通过三峡电站修建过程的情景，认识能的形式和能的转化过程。通过对“永动机”中能量问题的讨论，深化对能量守恒定律的理解。
本设计要突破的难点是：应用能的转化和守恒定律分析实际问题。方法是：通过观看演示实验，录象、图片等活动，观察、比较、分析、讨论，知道能的转化和守恒定律。通过“饮水鸟”的实例分析，进一步理解能的转化和守恒定律。
本设计强调问题讨论、自主探究、教师指导等多种教学策略的应用，强调学生的主动参与，重视概念、规律的形成过程以及伴随这一过程的科学方法的教育。在合理考虑学生对能的认知基础上，从简单到复杂、从现象到规律，形成能的一般概念，建立能及能的转化结构图。强调通过学生主动参与，培养学生比较判断、归纳概括的能力，从而加深对能的转化和守恒定律的理解、拓展思维的深广度、强化理论联系实际的意识与实践能力。
完成本设计的内容约需1课时。
六、教学流程
1、教学流程图
2、流程图说明
情景 录象1
播放“天下第一爆”的录象。
设问1：三峡电站修建过程中利用到了哪些形式的能？
该环节的目的是一方面激发学生强烈的民族自豪感，另一方面引出课题。
活动I 大家谈
指出图中所对应的能的形式，并谈谈你所知道的其他形式的能。
设问2：各种形式的能之间有什么样的联系？
活动II 观看演示实验、录象
演示实验1：闭合电键，伏打电池使小灯泡发光。
演示实验2：闭合电键，小电动机提升钩码。
录象1：播放“过山车”的录象。
录象2：播放“风力发电”的录象。
活动III 自主活动
根据录象、实验和生活经验，举例说明各种能量之间是如何进行转化的？
设问3：各种形式的能之间相互转化的规律是什么？
活动Ⅳ 阅读资料
阅读迈尔、焦耳、赫尔姆霍茨等科学家发现能的转化和能量守恒定律的历程，从中归纳得出普遍的能量守恒定律。
活动V 学生讨论
关于“饮水鸟”的秘密。
3、教学主要环节 本设计可分为三个主要的教学环节。
第一环节，通过观看“天下第一爆”录象，以三峡电站修建过程引入课题，使学生知道多种形式的能
第二环节，通过观看演示实验、录象等活动得出能在一定形式下可以相互转化的结论，再通过自主活动，讨论各种形式的能之间的转化和转移。
第三环节，通过阅读 迈尔、焦耳、赫尔姆霍茨等科学家的研究，得出普遍的能量守恒定律，由历史上关于“永动机”的争论，说明“永动机”的不可能性，最后通过对“饮水鸟”问题的讨论，深化对能量守恒定律的理解和认识。
七、教案示例
（一）情景引入:
1、播放“天下第一爆”的录象。
设问1：三峡电站修建过程中利用到了哪些形式的能？
学生应可以从具体事例中识别出已知形式的能，如电能、内能、化学能、机械能。若不能，老师则可将情景中的重点加以描述，进行启发和更有针对性的提问。
小结：能以多种形式存在于自然界，每一种形式的能对应于一种运动形式。
提问：机械能与什么运动形式相对应？内能？电能？化学能？……
大家谈：指出图中所对应的能的形式，并谈谈你所知道的其他形式的能。
能是对物质运动形式的一种描述。随着人们对物质运动形式越来越全面、深刻的认识，也会认识到更多形式的能，如核能等。
2、导入新课
我们这节课学习能的知识。
（二）自主探究
设问2：各种形式的能之间有什么样的联系？
学生观看演示实验和录象，讨论各种形式的能量之间的转化和转移。
演示实验1：闭合电键，伏打电池使小灯泡发光。
演示实验2：闭合电键，小电动机提升钩码。
录象1：播放游乐场“过山车”的录象。
录象2：播放“风力发电”的录象。
自主活动：根据录象、实验和生活经验，举例说明各种能量之间是如何实现转化的？
小结：各种形式的能可以相互转化，能量也可以从一个物体转移到另一个物体上。
设问3：各种形式的能之间相互转化的规律是什么？
（三）得出定律
阅读资料：迈尔、焦耳、赫尔姆霍茨等科学家发现能的转化和能量守恒定律的历程。
1842年，恩格斯曾经把它称为自然科学发展史上“划时代的一年”。因为在这一年，有三个不同种工作的人几乎同时证明了机械能、热能、光能、磁能和化学能等在一定条件下可以相互转化，然而却不发生任何消耗，并且确定了热的机械当量。正是这些工作标志着能量守恒和转化定律正式问世。与此同时，发现者们却蒙受了巨大的精神创伤。尽管如此，他们仍然胸怀坦荡，一往无前，充分表现了科学家们探索真理的崇高献身精神。
德国26岁的青年医生迈尔（J．R．Mayer，1814－1878）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红亮。迈尔受拉瓦锡的氧化燃烧理论的启示，认为这是由于血液含氧较多的缘故。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。回国后，迈尔继续进行研究。他进一步发展了伦福德的思想，在一家纸厂设计了一个实验，大锅里的纸浆用机械搅拌，靠绕着圈子的马作为动力。他测出纸浆温度的升高，就可得到马做了一定量的机械功所产生的热量的数据。迈尔还从空气的定压比热Cp和定容比热Cu的关系计算出一卡热相当于365克．米，即3.58焦耳（现在精确有数值是4.184焦耳）。1842年，迈尔写成了他的第一篇关于能量守恒和转化定律论文：《论无机自然界的力》。论文发往当时德国主要物理学年鉴杂志，结果被主编波根多夫拒绝发表而退了回来。虽化学家李比希主编的化学年鉴杂志1842年5月号上发表了迈尔的论文，但并未引起人们的注意。而1845年的迈尔的第二篇论文，则是以自己的经费才得以发表的。
在科学的征途上，迎接科学家的往往并不是什么鸟语花香，而可能是苛薄的冷嘲热讽。作为第一个发表了能量守恒和转化定律的迈尔，一次在海德尔堡遇见了约利，约利嘲讽迈尔说，如果你的理论是正确的话，水能够被晃动而加热。仓促发难，迈尔连一句话也没回答便走了。几周之后，迈尔回到了约利那里坚定地回答说，正是那样，正是那样！学术界偏见的打击使迈尔的精神受到严重刺激。1849年5月28日，迈尔从二层楼窗口跳下自杀未遂。大致恢复健康以后，他又写了一篇关于热的机械当量的论文。1851年，他被关进精神病院，受到残酷折磨。1853年恢复自由，可是精神却从此再未恢复正常，以致在痛苦中度过了二十多年的余生。
焦耳（J．P．Joule，1818－1889）是英国的业余物理学家，是最先用科学实验确立能量守恒和转化定律的人。和偏爱理论思维的德国人不同，焦耳具有英国人重视实验的传统。他先后用了四十多年时间，进行了大量实验。1840年，22岁的焦耳首先测定了电流的热效应，发现一定时间内电流通过导线所产生的热量，同导线的电阻和电流强度平方乘积成正比。这就是著名的焦耳定律。焦耳根据这一实验设想电能因阻力而转化为热能了。这些思想集中体现在他的第一篇论文：论伏打电池产生的热》。1843年，焦耳又做了一个实验，他把盛有水的容器放进磁场中，然后让一个线圈在水中旋转，测量运动线圈中感生电流产生的热和维持运动所消耗的能量。实验说明消耗的能和产生的热能与电流的平方成正比。因此，产生的热和用来产生的机械动力之间存在恒定的比例。焦耳把这一实验结果写在他的第二篇论文：论电磁的热量效应和热的机械值》。
焦耳的研究并没有立刻引起人们的注意。英国皇家学会拒绝发表他的两篇论文。因为在皇家学会看来，作为酿酒商的年轻焦耳的发现不可能有多大学术价值。在朋友们劝告下，焦耳申请自然哲学教授的候选人，但因他的容貌缺陷而未获准。焦耳继续当一个酿酒商，并继续他的科学研究。1847年4月，焦耳在曼彻斯特作了一次通俗的学术讲演，介绍了他测定热的机械当量的新实验，即用铜制翼轮来搅动水，使水温升高，而转动翼轮的动力用砝码下落来提供。地方报纸起初不予理睬，有一家报纸甚至拒绝报导这件事。经过很长时间的争论，《曼彻斯特信使报》才全文发表了焦耳的演说。在1847年6月，这个论题又提呈到牛津会议上，大会主席建议只由焦耳作简要报告，而无须进行讨论。当会议丝毫不考虑焦耳新思想而要立即转入其他议程的时候，年轻的威廉．汤姆逊站起来发言，从而引起了人们对这个理论的新兴趣。结果，焦耳的能量守恒和转化定律的思想引起了很大的轰动，焦耳本人才成为科学界注意的人物。
1849年，焦耳在他的《热的机械当量》论文中宣布了他的新实验结果：要产生能使1磅水（在真空中称量，温度在55°F－60°F之间）提高1°F的热量，需要花费相当于772磅重物下降1英尺所作的机械功。此值相当于4.157焦耳／卡，很接近现在的4.184的数值。为了系统地测量各种能量形式转化的当量关系，以最精确的实验来证实能时守恒的论断，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。
1847年，当焦耳在英国报告他的能量守恒和转化定律时，26岁的德国物理学家赫尔姆霍茨（Helmholtz，1821－1894）在柏林物理学会上宣读了他从研究动物热的途径中发现了能量守恒和转化定律的论文：《活力的守恒》。这篇论文被权威们看成是异想天开的思辨，波根多夫主编的物理学年鉴杂志同样拒绝发表它。赫尔姆霍茨在这种情况下，不得不掏腰包自费印刷，1847年以小册子的表式散发，仍然很不受重视。1853年，它受到物理学家克劳胥斯的强烈抨击。后来，杜林等还对赫尔姆霍茨进行了人身攻击，辱骂他的发现是不诚实的，是从迈尔那里剽窃来的。其实，迈尔、焦耳和赫尔姆霍茨都各自独立地发现了能量守恒和转化定律。然而后来，焦耳和赫尔姆霍茨却都愉快地承认了迈尔的优先权。
恩格斯从辩证唯物主义的高度对能量守恒和转化定律加以概括和总结，指出：“运动的不灭不能仅仅从数量上去把握，而且还必须从质量上去理解”。所谓量的方面，指的是物质的运动既不能创造，也不能消灭，只能转化，并且在转化中有严格的当量关系；所谓质的方面，指的是物质运动形式是多种多样的，这些运动形式的相互转化的能力是永远不会丧失的，而这种转化的条件是物质运动本身所具有的，这样，能量守恒和转化定律便成了一条普遍规律，正如恩格斯所指出：“任何运动形式都证明自己能够而且不得不转变为其他任何运动形式。到了这种形式，规律便获得了自己的最后的表达。由于有了新的发现，我们可以给它提供新的证据，提供新的更丰富的内容。但是，对于如此表述的规律本身，我们是不能再增加什么了。在普遍性方面——其中形式和内容都同样普遍——这个规律是不可能再扩大了：它是绝对的自然规律。
小结：能量既不能产生，也不能消失；它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体；在转化或转移的过程中，其总量不变。
科学探究活动决不是一帆风顺的，它的道路是曲折的。能量守恒和转化定律问世时所遇到的种种阻力就是明证。真理是不可抗拒的。科学探索者们前赴后继，终于取得了能量守恒和转化定律的最后表达形式，成为人类认识自然的伟绩丰碑，而载入科学史册。
提问：能否将能量守恒定律表述为“能量不变”？
“守恒”是变中的不变。能量定恒是指各种形式的能会相互转化，即能的形式会发生变化，而各种形式的能的总量不变。
（1）能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系。
自然界中的物质存在相互联系、相互作用。能量守恒定律揭示和反映了这种普遍联系，使自然科学工作者有了共同语言，取得了一系列重大成就。这一定律被恩格斯称为“伟大的运动定律”，与细胞学说，进化论一起，被誉为十九世纪自然科学的三大发现，也是物理学的理论支柱。
（2）能量守恒定律是人类认识自然的重要依据。
（3）能量守恒定律是人类利用自然的重要武器。
（四）定律应用
1、“永动轮”
介绍一类永动轮，强调重申能量守恒定律是人类认识自然的重要依据。它与自然界中任何已知的现象都不矛盾。
2、“饮水鸟”
学生先讨论，再揭示“饮水鸟”不停地饮水的秘密。
（五）概括总结（略）
（六）作业布置（略）
情景
录象1
能的形式
活动I
大家谈
设问1
活动II
演示实验
录象
能可以相互
转化和转移
活动III
自主活动
设问2
活动Ⅳ
阅读资料
能的转化
和
能量守恒
定律
“永动机”
的神话
活动V
讨论
“饮水鸟”
总 结
太阳
火山
小灯泡发光
电动机提升钩码
过山车
风力发电
永动轮
饮水鸟
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