第2节 能量的转化与守恒（表格式教学设计）物理鲁科版2019必修第三册

第2节 能量的转化与守恒（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第2节 能量的转化与守恒 教学 目标 物理观念 能理解能量转化的普遍性及能量守恒定律的内涵（总能量保持不变），建立“能量既不会凭空产生也不会凭空消失”的物理观念。 科学思维 能通过分析碰撞、电热转换等实例，推导能量转化的定量关系，判断能量守恒的适用性，提升现象分析与定量推理能力。 科学探究 能参与“验证机械能守恒”或“探究电热转化规律”实验，通过数据测量与分析验证能量守恒，提高实验设计与数据论证能力。 科学态度 与责任 通过了解能量守恒定律对科技发展的指导作用及能源损耗问题，认识节约能源的必要性，培养尊重科学规律、践行低碳生活的责任意识。 教学 重难点 重点：理解能量守恒定律内涵及能量转化的普遍性。 难点：分析复杂场景中能量转化路径及守恒验证。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 新能源汽车：汽车前面吊一块磁铁能不能一直吸着汽车前进？ 回顾能量转化的相关知识，并思考。 新课讲授 一、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其他形式，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。这个规律叫作能量守恒定律。 能量转化链条拼图游戏： 每组获得一套卡片，正面印有能量形式图标（如太阳、电池、灯泡、运动人形、火焰、热气等），背面写有简短描述。 任务：将卡片按能量转化顺序排列，形成合理的能量链条。 示例链条： 太阳能 → 化学能（植物光合作用）→ 化学能（食物）→ 动能（人跑步）→ 内能（出汗发热） 风能 → 机械能（风机转动）→ 电能 → 光能（路灯） 【提问】电路中的能量转化情况是什么？ 【提问】能量是如何相互转化的？ （1）机械能与内能的转化 摩擦生热是机械能转化为内能的典型例子。比如，我们冬天搓手，手会变暖和，就是通过摩擦力将机械能转化为了内能。 （2）机械能与电能的转化 发电机是将机械能转化为电能的装置。风力发电就是利用风的力量推动风车转动，从而带动发电机发电，将机械能转化为电能。 （3）内能与机械能的转化 内燃机是将内能转化为机械能的装置。汽车的发动机就是内燃机，通过燃料的燃烧产生内能，推动活塞做功，将内能转化为机械能，使汽车行驶。 （4）光能与电能的转化 太阳能电池板可以将光能转化为电能。当阳光照射到太阳能电池板上时，光子的能量被半导体材料吸收，产生电子空穴对，从而形成电流，实现光能到电能的转化。 （5）化学能与内能的转化 燃烧是化学能转化为内能的过程。比如，我们烧煤取暖，就是将煤中的化学能转化为内能，使周围环境变暖和。 （6）化学能与机械能的转化 汽车使用的燃料在发动机中燃烧，产生的内能转化为机械能，推动汽车前进，这就是化学能转化为机械能的过程。 理解能量守恒定律的内容。 1.排序能量转化链。 2.解释排列依据，分享思路。 回顾前面所学知识，思考并回答。 生活中还有哪些能量转化的例子？ 新课讲授 二、能量转移或转化的方向性 【提问】把刚煮好的热鸡蛋放到冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后二者温度相同。是否可以发生这样的现象：原来温度相同的鸡蛋和水，过一会水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升？ 【提问】内能不会自发地从凉水向热鸡蛋转移，这说明了什么？ 【提问】物体所具有的内能能自发地转化为机械能吗？这说明了什么？ 【讲述】一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即一切与热现象有关的宏观过程都有方向性。 【讲述】在能量转化过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。 电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能。 能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。 【提问】耗散的能量损失了吗？那为什么还要节约能源呢？ 【讲述】能量耗散表明，在能源的利用过程中,能量的总量守恒,但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。这是自然界的能量虽然守恒,但需要节约能源的根本原因。 【例题1】把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程，即原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升，这样的现象我们从来没看到过。燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明（　　） A.在能源的利用过程中，能量会减少，能量守恒定律不成立 B.我们在利用能源时，能量会耗散，自然界可利用的能源会越来越少 C.与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性 D.自然界中发生的能量转化都是不可逆的，各种能量最终都会转化为内能 【答案】BC 【解析】在能源的利用过程中，能量在数量上不会减少，能量守恒定律依然成立，但是能量会发生耗散，在可利用的品质上会降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，自然界可利用的能源会越来越少，故A错误，B正确；与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性，故C正确；自然界中发生的能量转化在自发情况下都是不可逆的，但在其他外在条件介入的情况下可以发生逆过程，能量的转移和转化具有方向性，各种能量最终都会转化为内能，故D错误。 针对训练1 如图是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量为。一台热水器的聚热面积为，太阳能的可转化为水的内能，估算一个晴天的日照（相当于太阳直射热水器4h）使一台热水器中水的内能的增加量，下列结果最合理的是（　　） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】这个热水器一天内最多能利用的太阳能为 故B正确，ACD错误。故选B。 思考并作答 思考并理解 课 堂 练 习 1.关于能量的转化，下列说法中不正确的是（　　） A．水力发电机把机械能转化为电能 B．燃气热水器把化学能转化为水的内能 C．洗衣机把电能转化为机械能 D．太阳能电池把太阳能转化为内能 【答案】D 【详解】A．水力发电机把机械能转化为电能，选项A正确，不符合题意； B．燃气热水器把化学能转化为水的内能，选项B正确，不符合题意； C．洗衣机把电能转化为机械能，选项C正确，不符合题意； D．太阳能电池把太阳能转化为电能，选项D错误，符合题意。 故选D。 2.受寒潮南下影响，2024年2月21日晚间，浙江丽水等多地出现短时大冰雹。其中在丽水青田县，冰雹混杂着雨水，有的如鸡蛋大小。一粒冰雹自高空云层由静止竖直下落，下落过程中冰雹受到的空气阻力与其速度成正比，不计冰雹质量的变化，则加速下落过程中冰雹（　　） A．加速度变大 B．动能变大 C．机械能守恒 D．克服空气阻力做功的功率与其速度成正比 【答案】B 【详解】A．下落过程中冰雹受到的空气阻力与其速度成正比，则空气阻力 由牛顿第二定律得 解得 则加速下落过程中冰雹变小，故A错误； B．由冰雹的动能，可知加速下落过程中冰雹的速度增大，动能增大，故B正确； C．冰雹加速下落过程中，空气阻力做负功，冰雹的机械能减小，故C错误； D．克服空气阻力做功的功率 所以克服空气阻力做功的功率与其速度的平方成正比，故D错误。 故选B。 3.被称为“空中电站”的S1000型涵道式浮空风力发电系统（如图），于2025年1月首次稳定悬停于高空，并顺利发电。该系统叶片转动时可形成与风向垂直的圆面，并将此圆面内10%的空气动能转化为电能。已知悬停位置的风速为时，该系统的发电功率为，则悬停位置的风速为时，该系统的发电功率为（　　） A． B． C． D． 【答案】D 【详解】设时间t内吹到圆面上空气的质量为m，圆面面积为S，则有 故t时间内空气的动能 该系统的发电功率当风速为时，系统的发电功率 当风速为3v时，系统的发电功率 故选D。 3.为了探究能量的转化与守恒，小明将小铁块绑在橡皮筋中部，并让橡皮筋穿入铁罐，两端分别固定在罐盖和罐底上，如图所示。让该装置从不太陡的斜面上A处由静止滚下，到斜面上B处停下，发现橡皮筋被卷紧了，接着铁罐居然从B处自动滚了上去。下列关于该装置能量转化的判断正确的是( ) A.从A处滚到B处，主要是重力势能转化为动能 B.从A处滚到B处，主要是重力势能转化为弹性势能 C.从B处滚到最高处，主要是动能转化为重力势能 D.从B处滚到最高处，主要是弹性势能转化为重力势能 【答案】BD 【详解】在A处和B处时铁罐的速度为零，动能为零，所以从A处到B处是重力势能转化为弹性势能，故A项错误，B项正确。从B处又滚到最高处的过程是弹性势能转化为重力势能，故C项错误，D项正确。 5.如图所示，此类夏日热卖的帽子上安装有连接着太阳能电池板的小电扇，在阳光的照射下小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置应用的能量转化过程是( ) A.太阳能→电能→机械能 B.太阳能→机械能→电能 C.电能→太阳能→机械能 D.机械能→太阳能→电能 【答案】A 【详解】帽子上的太阳能电池板将太阳能转化为电能，供小电扇工作。小电扇工作时消耗电能，将电能转化为扇叶的机械能。故选A。 6.20世纪70年代，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，其结构如图所示。在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上下端各有一个小孔P、Q，斜面下有一个连接两个小孔的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底部放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，由于这时球具有速度可以对外做功，然后又在磁铁的吸引下回到上端，到P处又漏下……关于这个设计，下列判断中正确的是( ) A.满足能量转化和守恒定律，所以可行 B.不满足热力学第二定律，所以不可行 C.不满足机械能守恒定律，所以不可行 D.不满足能量守恒定律，所以不可行 【答案】D 【详解】维尔金斯＂永动机＂不可能实现，因为它违背了能量守恒定律；小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯＂永动机＂不可能源源不断向外提供能量，所以维尔金斯＂永动机＂不可能实现。故D正确。 课 堂 小 结 通过生活实例引入能量转化现象，系统阐述能量守恒定律的普遍性与科学地位，强调其在自然规律中的基石作用。内容涵盖机械能、内能、电能、化学能等多种能量形式的相互转化，并通过实验与推理揭示能量既不会凭空产生，也不会凭空消失的本质规律。 板 书 设 计 2. 能量的转化与守恒 【主线】永动机之梦 → 能量去哪儿了？ → 能量不会消失，只会转化 → 宇宙的铁律 → 我们的责任 【核心定律】 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， 总量保持不变。 能量转化的方向性 作业 布置 1.列举生活中3个能量转化实例（如手机充电、电饭煲煮饭），用箭头图标注能量形式转化过程，并说明能量损失环节。 2.设计斜面滚球实验，测量不同高度小球动能与势能的变化，计算能量转化效率并分析误差原因（限200字）。 3.结合生物科“ATP合成”过程，绘制光能→化学能的转化路径图，标注能量载体及守恒关系。 教学反思 1.学生对能量流动的抽象过程（如内能→机械能）理解困难，后续可引入动画模拟或阶梯式能量流程图强化直观认知。 2.例题多集中于经典力学，未拓展至热力学循环（如空调制冷）等生活案例，需补充跨情境习题以提升迁移能力。 3.斜面实验中部分组别机械能转化效率数据偏差较大，应增设误差讨论环节，引导学生从摩擦、测量精度等角度反思守恒条件。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $