第二节 能量的转化（表格式教学设计）物理沪科版必修第三册

该高中物理教学设计围绕能量守恒定律、能量转化方向性及能源危机，以电动车能量转化实例导入，衔接“能量及其利用”旧知，为后续“热力学定律、可持续发展”提供理论支撑。 通过迈尔、焦耳等科学家史料及永动机、热鸡蛋冷水等实例，深化能量观念，培养科学推理与模型建构能力，结合能源危机分析强化社会责任，渗透科学态度与责任，助力学生理解应用，提升教学实效。

第二节 能量的转化（教学设计） 年级 高二 学科 物理 课时数 课题 第十二章 能源与可持续发展 12.2 能量的转化（教学设计） 教学 目标 1. 理解能量转化守恒定律。 2. 了解热传递过程具有单向性。 3. 知道能源危机，知道要节约能源。 教材 分析 本节内容选自沪科版教材第十二章“能源与可持续发展”，是整个章节的核心与基础。本节在前面“能量及其利用”知识框架之上，进一步揭示了自然界普遍遵循的能量守恒定律与能量转化方向性，为后续“热力学定律、可持续发展”提供物理理论支撑。 教材首先通过生活化情境导入，提出“能量能否凭空产生或消失”问题，引出能量守恒定律；继而通过迈尔、焦耳、亥姆霍兹的历史资料及典型实验奠定理论基础；随后以“永动机”例题和针对训练，引导学生利用守恒思想解决实际问题；最后从“不可逆过程”“能量耗散”过渡到“能源危机”，深化学生节能意识与社会责任。 教学重点 1. 能量守恒定律的本质与表达式； 2. 能量转化方向性与耗散概念。 教学难点 1. 将抽象守恒定律与具体情境（永动机、汽车滑行等）相联系，正确划定系统、判断能量转化路径； 2. 理解能源危机 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 各种形式的能量之间可以互相转化。如图所示是-辆电动车，它将化学能转化为电能，再将电能能转化为机械能。照明灯发光时，电能转化为光能；电池充放电时，化学能和电能相互转化。 【教师总结】利用能源本质上就是利用能量的转化过程。 学习新课 一、能量转化过程是否会产生或损失能量? 1. 能量守恒定律的发现 (1)迈尔的发现 体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的。 (2)焦耳的研究 ①确定了电能向内能转化的定量关系。 ②用了近40年的时间，不懈地钻研热功传递问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。 (3)亥姆霍兹的贡献 从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性。 2. 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其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，或者从物体的一部分转移到其他部分；在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 3. 意义 能量守恒定律的发现是科学史上的重大事件。人们曾经认为互不相关的各种现象，如力学的、热学的、电磁学的、光学的、化学的、生物学....... 都能通过能量守恒定律联系起来，把表面上不同的各类运动统一在同一个自然规律之中。恩格斯把能量守恒定律与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现。能量守恒定律是自然界中最普遍的规律之一，一切现象都遵循这一定律。直到现在，能量守恒定律仍然是我们研究自然科学强有力的工具。 对能量守恒定律的理解 ①能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。 ②各种形式的能在转化或转移过程中总能量守恒无须任何条件，而某种或几种形式能的守恒是有条件的。例如，系统(物体)机械能的守恒条件是只有重力做功。 ③某种形式能的减少，一定伴随着其他形式能的增加，且减少量和增加量一定相等。 ④某个物体能量的减少，一定伴随着其他物体能量的增加，且减少量和增加量一定相等。 ⑤能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，就要消耗能量，都只能使能量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，而不能无中生有地创造能量。不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。 【例1】如图所示，一演示用的“永动机”转轮由五根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　D　) A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量 B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身 C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高 D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 规律与方法 在利用能量转化与守恒定律解题时，一定要明确过程中哪些能量在转化或转移，确定好初末状态的能量E初、E末或确定能量的变化ΔE增、ΔE减各为多少，再由E初＝E末或ΔE增＝ΔE减列式求解。 【例2】下列说法正确的是(　C　) A.随着科技的发展，永动机是可以制成的 B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了 C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的 D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生 【针对训练】汽车关闭发动机后，沿斜面匀速下滑的过程中(　C　) A．汽车的机械能守恒 B．汽车的动能和势能相互转化 C．汽车的机械能转化成内能，汽车的总能量减少 D．汽车的机械能逐渐转化为内能，汽车的总能量守恒 掌握每个人物做出的物理贡献 理解掌握能量守恒定律 充分理解能量守恒定律 掌握此类问题的解决方法 学习新课 二、凡是能量守恒的过程就一定能发生吗? 【思考】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？ 【结论】1. 这一现象不违背能量守恒定律。 2. 但有些能量转化过程具有不可逆性：科学家对有关自然现象和经验事实进行大量研究后发现:一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 3. 能量耗散 燃料燃烧时，一旦把自己的热量释放出去，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热能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的了。 能量的耗散从能量转化的角度反映出自然中与热现象有关的宏观过程具有方向性。 能量转化的方向性是指内能和其他形式的能量(如电能、机械能等)的相互转化具有方向性。电能和机械能可以无条件地(自发地)转化为内能，而内能不可无条件地转化为电能和机械能。 热传递、气体自由膨胀、分子扩散、摩擦生热……这些现象的逆过程并不违反能量守恒定律，却从未能自发地发生。大量事实表明，自然界中的一切实际变化都具有方向性。朝某个方向的变化是可以自发发生的，相反方向的变化却是受到限制的。如果要使变化了的事物重新恢复到原来的状态，一定要外界施加影响，或者对外界产生影响，这就是自然过程的不可逆性。 【例3】热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把耗散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是(　C　) A.能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了 B.能量耗散表明，能量守恒定律具有一不定期的局限性 C.能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了 D.能量不可能耗散，能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意的方向性 【针对训练】(多选)下列哪些现象属于能量耗散(　BD　) A.利用水能发电转变成电能 B.电能通过电灯中的电阻丝放出热量和光能 C.电池的化学能转变成电能 D.火炉把房间的温度升高 理解能量耗散这整个过程 学习新课 三、既然能量守恒，为什么还会有能源危机? 在自然界发生的种种能量转化过程中，尽管能量的总值保持不变(守恒)，但是能量可被利用的品质却越来越小，也就是说能量可用性降低了。 对于人类来说，不仅需要内能，而且更需要机械能和电能。而内能在转化为机械能的过程中，总有一部分要散发到温度较低的环境里，只有部分内能可成为有用的机械能，另一部分成了“废品”。 从这个意义上说，内能是一种可被利用价值 低的能量。如果其他形式的能量通过摩擦、碰撞、燃烧等过程转化成内能，其能量的可被利用的价值就降低了。 由于自然过程的不可逆性，如果一个系统的内能增加，这个系统就永远无法依靠自身的作用(自发地)回到原先的状态，除非系统依靠外界的帮助。而“外界的帮助”往往会更多地消耗其他形式的能量，又将产生出更多的内能来。 当我们使用地球上的能源时，并不会减少地球上能量的总量，但是能量的可利用价值在降低。例如，汽车行驶时要消耗汽油，汽油在发动机中燃烧，将一部分内能转化为驱动汽车行驶的机械能、一部分内能使发动机整体升温而传到空气中，还有一部分内能被汽车排气管排出的废气带走，后两部分内能就很难被再利用起来了。 当今，世界上应用的能量主要来自石油、煤炭、天然气等物质。这些能源在地球上的总储量是有限的，燃烧使用后在几百年，乃至几千年内都是无法再生的。如果人类不研究和开发新能源，能源危机就会迫在眉睫。所以，为了解决能源危机，世界各国都在积极研究和开发可再生能源和核能等。 板 书 设 计 12.2 能量的转化 一、能量转化过程是否会产生或损失能量? 1. 能量守恒定律的发现 (1)迈尔的发现 体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的。 (2)焦耳的研究 ①确定了电能向内能转化的定量关系。 ②钻研热功传递问题，为能量守恒定律提供证据。 (3)亥姆霍兹的贡献 从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性。 2. 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其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，或者从物体的一部分转移到其他部分；在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 二、凡是能量守恒的过程就一定能发生吗? 1. 能量的耗散从能量转化的角度反映出自然中与热现象有关的宏观过程具有方向性。 2. 能量转化的方向性是指内能和其他形式的能量(如电能、机械能等)的相互转化具有方向性。电能和机械能可以无条件地(自发地)转化为内能，而内能不可无条件地转化为电能和机械能。 作业布置 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $