3.3 能量守恒定律 教学设计 -2024-2025学年高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第三册

第3章 热力学定律 第3节 能量守恒定律 安徽省临泉第一中学 郭雪鹏 1、 教学内容分析 《能量守恒定律》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》选择性必修3模块中热力学定律主题下的内容。课程标准的要求为：通过有关史实，了解能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义。理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。《普通高中物理课程标准(2017年)版解读》对课程标准的阐释为：知道永动机是不可能制成的，了解第一类永动机的设计思想和模型。要求通过介绍能量守恒定律发现的过程，让学生领略自然界的奇妙，体会科学家们探索自然规律的艰辛，体会科学探索中的失败对科学发现的意义，学习科学家的坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度与科学精神。本条目要求学生知道能量守恒定律的含义，能分析具体实例中各种形式的能量如何相互转化，并能应用分析解决一些实际问题。在能量守恒定律的学习中要强调与生产、生活实际紧密结合，能用能量守恒的观点解释自然现象。例如，说明为什么地球绕着太阳运行时，它在近日点的速度大于远日点的速度?又如，用能量守恒的观点解释潮汐现象。通过自然界中许多生产、生活实际问题的讨论分析，理解能量守恒定律的意义，体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律。 2、 学情分析 学生已掌握机械能守恒、热力学第一定律（ΔU=Q+W），但对不同形式能量（化学能、内能、机械能等）的相互转化缺乏系统认知，对“永动机”等抽象概念存在认知偏差。高二学生具备逻辑推理能力，但对能量转化的“普遍性”理解不足，需通过多领域案例强化。 3、 教学目标 物理观念： 理解能量守恒定律的内容，能用其解释自然现象（如瀑布水温变化、潮汐现象）。 科学思维： 分析能量转化案例（如内燃机、饮水小鸭），归纳能量转移与转化的路径。 科学探究： 通过估算练习（如太阳辐射能、饮料能量换算），培养定量建模能力。 科学态度与责任： 认识永动机不可能制成的科学本质，感悟科学家探索真理的精神，树立“守恒”是自然界普遍规律的世界观。 4、 教学重难点 教学重点：能量守恒定律的表述与应用；永动机违背能量守恒的本质。 教学难点：跨领域能量转化的综合分析（如化学能→内能→机械能） 教学方法：讲授法、启发式教学 5、 教学过程 环节1：创设悬念，导入新课 活动：演示“饮水小鸭”玩具的动态循环，提问：“它是永动机吗？” 目的：激发兴趣，引出能量守恒的探索需求。 环节2：探索能量守恒的足迹 教师介绍：人们经过了漫长而曲折的探索过程，真正认识到可用“能量”观念来探索各种运动形式。人类对能量的认识是在生产实践和科学研究的长期探索中逐步形成的，来自不同国家和地区、不用领域的科学家以不同方式完成关于能量的转化分析。用下图表示。 焦耳的贡献 焦耳精确测定了做功与传热之间的等价关系，为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，为能量守恒定律的定量描述迈出了重要一步。 迈尔的贡献 1840年左右，迈尔作为随船医生前往印度尼西亚，在给生病船员放血治疗时，发现静脉血不像生活在温带国家的那样颜色暗淡，从当地医生那里了解到热带地区人的静脉血较新鲜。从海员处了解到暴风雨时海水比较热。 迈尔1842年发表《热的力学的几点说明》中，宣布热和机械能的相当性和可转换性，得到“因此力(即能量)是不灭的、可转化的、不可称量的客体。” 迈尔关于能量转化与守恒的叙述是最早的完整表达。 迈尔主张“热是一种力，它可以转变为机械效应。”在论文中具体论述了热和功的联系，推出气体定压比热和定容比热的差值，现在称之为迈尔公式。 迈尔以起电机为例说明了“机械效应向电的转化”，认为“下落的力(即重力势能)可以用重量和下落高度的乘积来量度。”“与下落的力转变为运动或者运动转变为下落的力无关，这个力或机械效应始终是不变的常量。” 亥姆霍兹的贡献 亥姆霍兹早期研究“动物热”，深信所有生命现象都服从物理与化学规律。亥姆霍兹早年在数学经历良好的训练，熟悉力学的成就，读过牛顿、达朗贝尔、拉格朗日等人的著作。 1847年，发表《力的守恒》著名论文，目的是“建立基本原理，并由基本原理出发引出各种推论，再与物理学不同分支的各种经验进行比较。” 论文共分为六节：前两节回顾力学的发展，强调动能守恒和机械能守恒；第三节为守恒原理的应用；第四节为“热的力当量性”；第五节“电过程的力相当性”和第六节“磁和电磁现象的力相当性”讨论各种电磁现象和电化学过程。 环节3：能量守恒定律与永动机批判 能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 爱因斯坦相对论给出，能量与质量相关联，E=mc2。 能量守恒定律的永动机表述： 不存在第一类永动机。 永动机是不需要消耗任何燃料或动力，而能源源不断地对外作功的理想动力机械.第一类永动机违反能量守恒定律. 思考与讨论：图示是历史上是一种永动机的设计，轮子中央有一个固定转轴，轮子边缘安装着 12 个可活动的短杆，每个短杆的外端装有铁球。方案设计者认为，在转动过程中右边球的重力与力臂的乘积要比左边球的重力与力臂的乘积大。这样，轮子就会永无休止地沿顺时针方向转动下去，并且带动机器转动。分析是否可行？ 分析：虽然右边每个球的重力与力臂的乘积大，但是球的个数少；左边每个球的重力与力臂的乘积虽然小，但是球的个数多。所以，轮子不会持续转动下去而对外做功，只能摆动几下便会停止。 课堂练习 有一个500mL的饮料罐，其标签上注有“180kJ/100mL”的能量参考值。请你估算这瓶饮料的能量相当于一个成年人爬多少层楼所做的功。 解：设一个成年人质量m=60kg，一层楼高h=3m，g=10m/s2。 饮料的总能量为E=180kJ×5=9×105J 由E=nmgh 代入数据解得 n=500 6、 板书设计 §3.3 能量守恒定律 1、 探索能量守恒的足迹 人类对能量的认识： 能量具有不同形式；不同形式能量可以互相转化 能量守恒观念的形成： 焦耳 迈尔 亥姆霍兹 2、 能量守恒定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 三、永动机不可能制成 第一类永动机：不消耗燃料，能不断对外做功 第一类永动机违反能量守恒定律 7、 教学反思 本节课通过科学史时间轴和定量估算，基本达成了能量守恒观念的建立目标，存在以下改进空间： 抽象概念具象化：部分学生对“能量转化”的微观机制（如乙醚蒸发驱动小鸭）理解困难，可增加Flash动画模拟分子运动。 跨学科联系不足：可补充生物案例（如人体ATP供能）体现能量守恒的普适性。 探究深度提升：将“估算太阳辐射能”练习改为实验设计任务，引导学生自主推导公式 哲学渗透强化：结合恩格斯“三大发现”论述，引导学生讨论守恒思想对自然科学体系构建的意义。 4 3 学科网（北京）股份有限公司 $$