上海地区优秀教案：第7章 c 能的转化的方向性 能源开发

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高考资源网第七 章 C 能的转化的方向性 能源开发
一、教学任务分析
本节内容主要包括自然过程的方向性、能源及能源种类、能源危机及环境问题等，是对之前能的种类、能量的转化和守恒等学习内容的深化、总结和应用。本节内容的学习对学生认同科学规律、建立社会责任感有重要的意义。
学习本节内容需要有能的概念、能的分类、能的转化、能量守恒定律、热传递、分子热运高考资源网动以及相应的化学方面的知识基础。
本节教学可以分为“能的转化方向性”，“能源及能源的利用”两大主要环节，宜采用问题引导、学生讨论思考的方式展开教学，如“既然能量守恒，为什么还会产生能源危机”、“如何更好的利用能源”等。
教学可以通过创设情境开始，提出问题，接着进行“自然过程的方向性”、“能的耗散与退化”的学习，从而解决部分问题，然后转入“能源及能源的利用”环节的学习，通过对能源的种类、能源的使用状况、常规能源使用造成的环境问题的了解，最终解决提出的问题。
在教学的过程中应注重设置一些活动，展示一些资料或学生收集一些资料来加强学生的直观感受，使学生认识能源的利用过程实质上是能的转化和传递过程而非创造能量，意识到节能、开发新能源和环境保护的迫切性。
二、教学目标
1．知识与技能
（1）知道能源及其种类。知道一些新型能源。
（2）知道自然过程的方向性。知道能量的耗散和退化。
2．过程与方法
（1）通过解决“自然过程方向”的探讨，感受归纳的一般方法。
（2）通过全班同学搜集、分析资料，交流讨论等活动，经历探究的一般过程。
3．情感、态度与价值观
（1）通过了解能源的现状，懂得节能的意义，增强自觉节能的意识。
（2）通过自然过程方向性的学习，从能量转化的角度感悟尊重事实、遵循科学规律的重要性。
三、教学重点和难点
重点：增强开发新能源、节约能源和保护环境的意识。
难点：了解认同自然过程的方向性
四、教学器材和课件
“太阳塔”演示录像；“气体扩散的方向性”课件；“环境问题”相关图片。
五、教学设计思路
本教学设计以澳大利亚政府决定建造“千米太阳塔”的报道引入，引导学生关于“澳政府为什么决定建造该塔”展开讨论，在学生讨论的基础上，归纳出世界面临能源危机、使用新能源可以减少对环境污染的两点中心思想。
接着进入能源及其种类的学习，这部分知识，学生在初中物理以及其他学科已多次接触到，可以让学生完成自主活动，简单带过。在了解能源现状后，提出 “既然能量守恒，为什么还会产生能源危机”的问题，过渡到“自然过程的方向性”的学习，在此基础上进一步学习“能的耗散与退化”，从而解决上述提出的问题。同时提出“如何更好的利用能源”的问题，在分析“各种交通工具的效率”、“一辆在高速公路上匀速行驶的小汽车内典型的能量流动”两份资料的基础上，引导学生提出“节能”与“提高能量利用率”
最后，以实际资料分析能源与环境问题，得出“常规能源的大量消耗带来了诸多环境问题”，解决这个问题，要靠新能源的开发和利用。
本设计要突出的重点是：增强开发新能源、节约能源和保护环境的意识。方法是：以具体翔实的资料和数据，引导学生分析，加强学生切身体会，增加学生社会责任感，从而突出重点。
本设计要突破的难点是：自然过程方向性。方法是：这部分涉及的是“热力学第二定律”、“熵”的内容，但这部分内容在基础型课程教学时不宜直接出现，且过渡展开。因此实际处理中，通过教师展示单项过程以及学生自己举例，然后进行归纳得出结论。
完成本设计的内容约需2课时。
六、教学流程
1、教学流程图
2、对流程图的说明
情景 千米太阳塔
播放太阳塔演示录像，提出问题1：澳政府为什么决定建造太阳塔。
活动Ⅰ 阅读、讨论
活动1：阅读课文关于“太阳塔”的介绍，就问题1展开讨论。
活动Ⅱ 填表
活动2：按照表给出的能源分类法，填写能源名称。
问题Ⅰ 设问1 ：既然能量守恒，为什么还会有能源危机？
问题Ⅱ 问题2：关于海水降温发电的计算
问题3：将一块烧红的铁块投入冷水中，会出现什么现象呢？
问题4：电工冰箱工作过程的实际情况与热传递的方向性是否矛盾？
活动Ⅲ 举例
活动3：列举几个自然界和日常生活中具有“方向性”过程的例子？
活动IV 分析、应用
活动4：结合图示，说明汽车行驶时，燃烧汽油释放的化学能通过哪些途径转化成了周围环境的内能？
问题Ⅲ 设问2 ：如何更好地利用能源？
活动V 分析、讨论
活动5：分析资料1、资料2，讨论如何更好的利用能源。
3、教学的主要环节 本设计可分为五个具体的教学环节：
第一环节，情景引入。
第二环节，能源及能源种类。
第三环节，自然过程的方向性，能源的耗散与退化。
第四环节，能源的利用与开发。
第五环节：巩固练习。
七、教案示例
Ⅰ 情景导入
情景 播放澳大利亚预建“太阳塔”的演示录像 ( http: / / www.21cnjy.com / )。
问题1 人们为什么要投入巨大的人力和物力建造“太阳塔”呢？
活动1 （1）阅读教材上关于“太阳塔”的介绍；
（2）学生就问题1开展讨论。
经过学生的讨论、回答后，着重突出两点意见：①世界面临能源危机；②使用新能源可以减少对环境的污染。
Ⅱ 教学内容
（一）能源及能源的种类
1、能源
【板书】（或投影）能够提供可利用能量的物质资源叫做能源。
2、能源分类
活动2 按照下表给出的能源分类法，填写能源名称。
类别 一次能源 二次能源
新能源
常规能源
3、世界能源的资源状况及消耗种类比例
能源 已探明储量 可开采年限
石油 1.36×1011t 30~40年
天然气 1.38×1014m3 50~60年
煤 2×1011t 约300年
分析上图表，我们可知我们面临着严峻的能源危机问题！
设问1 之前我们学习了能量守恒定律，既然能量守恒，为什么还会有能源危机？
（二）自然过程的方向性
问题2 在初中我们学过当物体升高或降低温度时，就要吸收或放出热量，并且热量计算的公式为：Q＝cmΔt，那么，现在我们计算一下这样一个问题：地球上有大量的海水，它的总质量约为1.4×1018t，如果这些海水的温度降低0.1℃，将要放出多少焦耳的热量？若三峡水电站一年发电量为500亿千瓦时，则相当于几个三峡水电站一年的发电量？（海水的c＝4.2×103J/kg℃）
『同学计算：Q ＝ 4.2×103×1.4×1018×103×0.1 J ＝ 5.8×1023J；
n ＝ ≈ 3.2×106 （个）』
这相当于320多万个三峡水电站一年的发电量，且不违背能量守恒定律，为什么人们不去研究这种“新能源”呢？因为，在自然界中这样做是不可能的。
1、热传递的方向性
问题3 将一块烧红的铁块投入冷水中，会出现什么现象呢？
『同学回答：铁块的温度降低，水的温度升高，最终两者温度相同。』
两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高。谁见过这样的现象：将烧红的铁块投入水中，结果铁块温度更高，水的温度更加低。… 也就是说，谁也没有见过：热量会自发地从低温物体传给高温物体，使低温物体的温度越来越低，高温物体的温度越来越高。这里所说的“自发地”指的是没有任何外界的影响或帮助。
【板书】（或投影）热传导的过程是有方向性的，这个过程可以向一个方向自发地进行，但是向相反方向却不能自发地进行。要实现相反方向的过程，必须借助外界的帮助，因而产生其他影响或引起其它变化。
问题4 电工冰箱工作过程（热量从冰箱内的低温区传递到外界温度较高的空气中）的实际情况与上述说法是否矛盾？
『同学回答：不，因为电冰箱消耗了电能。』
这是因为电冰箱消耗了电能，对制冷系统做了功，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了。这个过程不是自发进行的，它引起了其他变化，即消耗了电源的电能。因此它与上述说法不矛盾。
2、机械能和内能之间转化的方向性
一个在水平地面上运动的物体，由于克服摩擦力做功，最后总要停下来，在这个过程中，物体的动能转化成为内能，使物体和地面的温度升高。有人提出这样一种设想，发明一种装置，用它把物体与地面摩擦所生的热量都吸收过来并对物体做功，将内能全部转化为动能，使因摩擦停止运动的物体在地面上重新运动起来，而不引起其它变化。这是一个非常诱人的设想，这种设想并不违反能量守恒定律，如果真能造出这样的装置，那么，我们的“能源问题”也就解决了。
其实人们为制造这类装置作出了各种努力，最终是失败了。这类装置不可能制成，因为：
【板书】（或投影）机械能和内能的转化过程具有方向性，机械能可以全部转化为内能，内能却不能全部转化成机械能，同时不引起其它变化。
3、其他过程的方向性
活动3 列举几个自然界和日常生活中具有“方向性”过程的例子？
『同学回答：……』
【课件演示】 气体扩散的方向性 ( http: / / www.21cnjy.com / )
【板书】（或投影）自然过程的方向性：
大量的事实表明，自然界中的一切实际变化过程都具有方向性，朝某个方向的变化是可以自发发生的，相反方向的变化确是受到限制的。这时如果要使变化了的事物重新回复到原来的状态，一定会对外界产生无法消除的影响，这就是自然界的不可逆性。
（三）能量的耗散与退化
根据前面的讨论，我们知道将内能从物质中取出，使它转化为机械能时，总有一部分要散发到温度较低的环境中。只有部分内能成为有用的机械能，另一部分成了“废品”。从这个意义上说，内能是一种低品质的能。
【板书】（或投影）流散的内能无法重新收集起来加以利用的现象，称为能量耗散。
比如：电池中的化学能转变成电能，电能又在灯泡中转成光能，光被墙壁吸收之后，变成周围环境的内能；火炉把屋子烤暖，这时高温物体的内能变成低温物体的内能。没有“外界的帮助”这些散失的能量永无法重复利用。
活动4 结合下图说明，汽车行驶时，燃烧汽油释放的化学能通过哪些途径转化成了周围环境的内能？
『同学回答：化学能变成了气缸内气体的内能，一部分内能转化为汽车的动能，另一部分散失到周围的环境中成为环境的内能．汽车的动能通过摩擦转化为环境的内能．气缸内气体的内能还有一部分通过汽车发电机转化为蓄电池内的化学能，使用蓄电池时这部分化学能转化为电能又通过车灯转化为光能，光照到地面空气，转化为环境的内能……』
设问2 至此，我们就知道了虽然能量是守恒的，但我们仍面临着能源危机的原因！在这种情况下，我们应思考，如何更好地利用能源？
（四）能源的利用
资料1 各种交通工具的效率
交通工具 人·公里/升
私家小轿车（平均乘坐1.15人） 7
商业航空飞机 14
合伙用车（平均乘坐4人） 25
公共汽车 32
城市间火车 60
步行 178*
自行车 642*
*将食物的卡路里数折合汽油容积
资料2 一辆在高速公路上匀速行驶的小汽车内典型的能量流动
活动5 根据资料1、资料2，讨论如何利用能源
面对当前的能源危机问题，我们应当节能，同时利用科技进步提高能源利用率。
（五）能源与环境
常规能源的大量消耗带来了诸多环境问题：温室效应、酸雨、光化学烟雾……
问题5 煤、石油、天然气等能源能以热的形式提供人类所需能量．试以它们各自的主要成分C、CnH2n+2、CH4为代表，写出它们充分燃烧时的化学反应方程式，并指出它们燃烧时，哪一种产生的温室效应气体（CO2）少？
『同学回答：
　　　　
　　　　
质量相同的燃料，CH4产生的温室气体最少。』
解决常规能源带来的环境问题，要靠新能源的开发和利用。
Ⅲ 巩固练习
1、对下列过程判断正确的是（ ）
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，热量有可能自发地从低温物体传递给高温度物体
[答案：C]
2、据《中国环境报》报道：从一份科技攻关课题研究结果显示，我国酸雨区已占国土面积的40％以上，研究结果还表明，我国农业每年因遭受酸雨而造成的经济损失高达15亿多元。为了有效控制酸雨，目前国务院已批准《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》等法规。
（1）在英国进行的一项研究结果表明：高烟囱可有效地降低地面SO2 浓度．在20世纪的60～70年代的10年间，由发电厂排放的SO2增加了35％，但由于建造高烟囱的结果，地面浓度降低了30％之多。请你从全球环境保护的角度，分析这种作法是否可取？说其理由。_______________________________________________________
（2）用传统的煤、石油做燃料，其主要缺点是什么？
（3） 水能可以用来发电，为人类提供清洁能源．若某水电站的平均流量为 Q(m3/s)，落差为h(m)，发电效率为 η，则发电机组的输出电功率约为多少？
[答案]：（1）不可取，因为SO2 的排放总量并没有减少，进一步形成的酸雨仍会造成对全球的危害。
（2）煤、石油是不易再生的化工燃料，其资源是有限的，其次燃烧后产生的SO2 、NOX 等严重污染大气，进而形成酸雨，燃烧后产生的CO2 又会造成温室效应。
（3）由题知，单位时间内落下的水的质量m =ρ水Q，这些水落下时重力势能减小mgh，它们转化为电能，其转化效率为η，所以发电机组的输出电功率：P =ρ水Qghη
3、探究活动
题目1：收集各种新能源的信息，并比较各种能源利用的优缺点，并说明节约能源的好处。
题目2：查阅相关资料，提出提高能源利用率的措施，并举例说明。
组织：个人（2个题目任选一题）
评价：科普性、教育性
问题Ⅰ
设问1
情景
“太阳塔”
问题1
活动Ⅰ
活动1
能源及
其种类
活动Ⅱ
活动2
问题Ⅱ
问题2、3、4
活动Ⅲ
活动3
自然过程的方向性
活动Ⅳ
活动4
能量的耗散与退化
问题Ⅳ
问题5
问题Ⅲ
设问2
活动Ⅴ
活动5
巩固练习
节能
提高能源
利用率
开发
新能源
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