3.3 能量守恒定律 教案-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该教案聚焦能量守恒定律及永动机不可能制成这一核心知识点，通过“饮水小鸭”实验导入，引发学生对能量来源的疑问，引导阅读讨论初步理解其非永动机原理，进而梳理能量形式、转化及守恒定律的探索脉络。 该教案特色在于融合科学思维与科学探究，通过分析伦福德实验等科学家探索历程，让学生体会守恒思想形成，采用实验探究法和讨论法，如合作完成科学家探索表格，培养科学推理与论证能力。帮助学生构建能量观念，提升探究兴趣，为教师提供清晰教学流程与丰富资源。

第3节　能量守恒定律 教学分析 · 教学目标 物理观念：知道能量守恒定律及永动机不可能制成。 科学思维：能根据能量守恒定律解释永动机不可能制成的原因。 科学探究：通过能量守恒定律的应用，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛与热情。 科学态度与责任：学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的严谨的科学态度，培养探究科学的兴趣。 · 教学重难点 重点:了解守恒思想的认识过程,知道永动机是不可能制成的。 难点:体会守恒思想的形成。 · 教学方法 实验探究法、讲授法、讨论法。 · 课时安排 1课时 · 教学准备 多媒体辅助教学设备、学案、“饮水小鸭”实验器材等。 教学设计 一、情境导入 当堂展示“饮水小鸭”的实验: [实验展示]让“饮水小鸭”“喝”完一口水后,直立起来。直立一会儿,它又会慢慢俯下身去,再“喝”一口水,然后又会直立起来。如此循环往复…… [提出问题]在“饮水小鸭”实验中,为什么小鸭会动?能量从哪里来?它是永动机吗? [学生活动]自主阅读教材《能量守恒定律》一节的相关内容,小组讨论寻找问题的答案。初步明白饮水小鸭的工作原理并不是永动机。 [教师总结]板书呈现课题,配合课件使用,引导学生进入本课的学习过程,明确本课的基本教学目标。 二、新课讲授 (一)探索能量守恒的足迹 [情境设问]通过学习,我们了解到机械运动中蕴含机械能,热运动中蕴含内能,自然界中存在着许多不同形式的运动,每种运动都有与之对应的能量,请同学们举例分析。 [学生回答] 机械运动——机械能　　　热运动——内能 电荷运动——电能　　　　化学反应——化学能 生物运动——生物能 原子核内部的运动——核能 [提出问题]不同形式的能量之间可以相互转化,请同学们分析以下图片所示过程中不同能量之间的转化。 [学生回答] 电炉取暖:电能→内能 煤燃烧:化学能→内能 白炽灯灯丝发光:内能→光能 [教师总结]通过分析,我们了解到不同形式的能量之间可以相互转化:机械能中的动能和势能可互相转化(自由落体运动);机械能可以与内能相互转化(摩擦生热,消耗的机械能通过做功的形式转化为内能;热机中的气体推动活塞做功把气体内能转化为机械能);其他形式的能也可以转化为内能(如电流通过导体时,把电能转化为内能;燃烧时,把化学能转化为内能)。大量事实证明:各种形式的能量之间都可以相互转化。 (二)能量守恒定律 [思考与讨论]请同学们自行阅读教材,根据教材呈现的轴向列表“科学家们一直关注自然现象之间的普遍联系”,分析科学史上人类对能量和能量守恒观念的认识所经历的几个关键时间,体会和感悟能量守恒定律的探索历史,小组合作交流完成下面的表格。 发现 解释 对能量的认识 1798年伦福德实验 热的本质是运动 内能与机械能的联系 1820年奥斯特发现电流的磁效应 电能可以转化为磁能 电能与磁能的联系 1821年塞贝克发现温差电现象 内能可以转化为电能 内能与电能的联系 1831年法拉第发现电磁感应现象 磁能可以转化为电能 磁能与电能的联系 1836年盖斯发现化学反应放出的热量与反应步骤无关 化学能转化成热能具有规律性 化学能与内能的联系 1840年焦耳发现电流的热效应 电能可以转化为热能 电能与内能的联系 1843年焦耳测定做功与传热的关系 做功与传热具有当量关系 机械能、电能与内能之间的联系 [教师总结]由于能量既抽象又以各种不同的形式广泛存在,所以能量守恒思想的萌芽及产生并不是一蹴而就的。从各种实验的验证,再到实验结果的被质疑,科学家们付出了大量的努力。应该说,人类对能量的认识过程,体现了科学家前辈们对“守恒”这一科学思想的追寻。人类对能量守恒的认识经历了一个由浅入深、由含糊到清晰的过程。 请同学们自行阅读教材内容,归纳得出能量守恒定律。 [学生总结]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。 (三)永动机不可能制成 [教师引导] 历史上不少人致力于制造一种机器,它不需要任何动力或燃料,却可以源源不断地对外做功,史称“第一类永动机”。请同学们结合本堂课的学习,分析“第一类永动机”能否制成并分析其原因。 [思考与讨论]学生根据能量守恒定律的学习,不难得出,任何一部机器,只能使能量从一种形式转化为另一种形式,而不能无中生有地制造能量,因此“第一类永动机”是不可能制成的。 [教师总结] 第一类永动机 概念:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。 结果:无法制成。 原因:违背了能量守恒定律。 [例题展示] 【例题1】(多选)下列关于能量转化现象的说法正确的是(　　) A.用太阳灶烧水是光能转化为内能 B.风车发电是风的动能转化为电能 C.核电站发电是电能转化为内能 D.将生石灰放入盛有凉水的烧杯里,水温升高是动能转化为内能 例题解答:C选项中是核能转化为电能,D选项中是化学能转化为内能,A、B选项正确。 答案:AB 本知识点设计说明:理解能量的转化和转移,并解决实际问题。 【例题2】“第一类永动机”是不可能制成的,这是因为它(　　) A.不符合能量守恒定律 B.做功产生的热量太少 C.由于有摩擦、热损失等因素的存在 D.找不到合适的材料和合理的设计方案 例题解答:“第一类永动机”是指不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器,其违背了能量守恒定律。 答案:A 本知识点设计说明:理解“第一类永动机”无法制成的原因,与后续第二类永动机的学习相区分。 评价反馈 1.(多选)下列对能量守恒定律的认识,正确的是(　　) A.某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加 B.某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是可能制成的 D.石子从空中落下,最后静止在地面上,说明能量消失了 答案:AB 2.如图所示,一演示用的“永动机”转轮由5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(　　) A.转轮依靠自身的惯性转动,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.转轮的叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量 答案:D 3.如图所示容器中,A、B各有一个可以自由移动的轻活塞,活塞下是水,上是空气,大气压恒定。A、B底部由带有阀门K的管道相连,整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中高,打开阀门,使A中的水逐渐向B中流,最后达到平衡。在这个过程中,下列说法正确的是(　　 ) A.大气压力对水做功,水的内能增加 B.水克服大气压力做功,水的内能减少 C.大气压力对水不做功,水的内能不变 D.大气压力对水不做功,水的内能增加 答案:D [反馈深化] 题号 1 2 3 考查点 理解能量守恒定律 能量的转移和转化以及能量守恒定律 能量守恒定律和做功的求解方法 典型共 性错误 概念不清 对能量转化认识不清 对大气压力是否做功认识不清 教师讲 解要点 建立清晰的概念 分析能量转化过程 明确大气压力不做功 课堂小结 [教师引导]请同学们回顾本节课的学习,总结能量守恒定律得出的过程。 [学生总结]本节课运用实验法、讨论法,回顾先贤们对能量守恒漫长而曲折的探索过程,总结得出能量守恒定律。 [教师引导]结合本堂课的学习,同学们能否解释“饮水小鸭”的工作原理。 [学生总结]通过小组讨论,结合教材的学习,得出“饮水小鸭”持续工作的原理是从周围环境中吸收热量,而非永动机。 布置作业 1.[掌握巩固]完成教材课后习题和学案。 2.[情境融合]查阅资料,深入体会科学家们为研究能量守恒定律做出的努力。 教学反思 本节内容是在电能、内能、机械能和一些常见的能量基础上学习能量的转化和能量守恒定律,主要让学生认识同一种形式的能量在不同物体之间的转移和不同形式的能量之间的转化。一种形式的能量减少,必定有另一种形式的能量增加,能量的总量保持不变。让学生体会和认识能量的转化和守恒是自然界最普遍的规律,从而对自然界各种现象的普遍联系形成基本的认识。 针对本节课的教学内容,主要采取探究式教法,并以讨论法和合作交流贯穿于教学的始终,让学生亲身参与课堂学习,成为学习的主体,且从生活实例出发,让学生对知识由感性认识上升到理性认识。依据教学目标,学生在体会科学家们追寻能量守恒定律的过程中,对知识由生疑到释疑,从而提高其对知识的认知能力,增强其学习物理的兴趣和自信心。 板书设计 第3节　能量守恒定律 1.探索能量守恒的足迹 2.能量守恒定律 内容: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。 意义:能量守恒定律是普遍、和谐、可靠的自然规律之一。 3.永动机不可能制成 概念:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。 结果:无法制成。 原因:违背了能量守恒定律。 备课资源 “能量守恒定律”相关实验 (1)伦福德发现热的本质 “热”是什么?为什么会产生热?很早以前人类就提出了这个问题。18世纪, 错误的热质说被提出来以后,一直雄踞物理界,直至18世纪末,英国物理学家伦福德揭开了热的本质这一谜题。 很久以前,人们只能根据摩擦生热、冷暖转化等表面现象和外部联系直观地对热的本质作出一些朴素的猜测。在古代,人们对热就有两种不同的看法:一种把热看成是一种特殊物质,一种认为热是物质的某种运动形式。 17世纪以后,多数人根据摩擦生热的现象,认为热是一种特殊的运动形式,不少物理学家都相信这一点。到了18世纪,英国物理学家布莱克提出了系统的“热质说”,认为热就是一种没有重量,不可称量,不生不变,存在于一切物体之中的可以自由流动的特殊物质,物体的冷热是由热质的多少决定的。对于摩擦生热,热质说的解释是:摩擦并没有改变热质的总量,但物质在摩擦时比热降低了,因此摩擦可以使物体的温度升高。 由于热质说能够解释某些实验结果,因而在当时获得了公认。之后,虽然热质说露出许多破绽,但它总能对新的热学现象自圆其说,因而在科学史上,这种观点称雄达百年之久,甚至在1789年,拉瓦锡仍把热摆在化学元素表中,属气体元素。 18世纪末,热质说遇到了很大的挑战,物理学家本杰明·汤普森第一个公开反对热质说。本杰明·汤普森原来是美国人,他从小就对烟花、火药很感兴趣。年轻时他参加过独立战争,后来又加入了英国国籍,当上了殖民事务大臣,之后他又去德国巴伐利亚当了陆军部部长,因为重组德国军队而获“伦福德”伯爵的爵位,所以人们就称他为“伦福德”。 1798年,伦福德在兵工厂监制大炮时,发现钻孔钻下的金属屑具有极高的温度,用水来冷却时,甚至可以使水沸腾。他怀疑金属屑具有极高的温度不是由比热容降低造成的。 于是,他设计并做了一系列实验,发现钻下的金属屑的比热在摩擦时并没有降低。根据实验结果,伦福德断言热质说不足为信,应当把热看成是一种运动形式。就这样,热质说的统治地位开始动摇了。 后来,为了推翻热质说,伦福德进行了一次公开实验,他邀请了许多人到现场观看。实验的结果使越来越多的人相信了热质说是一个极为荒唐的错误学说。 虽然伦福德的实验还不足以改变人们的传统看法,但他的成功激励了更多的科学家进行关于热的来源和本质的探索。 (2)塞贝克 塞贝克的父亲是一个具有瑞典血统的德国人,因此他鼓励儿子在他曾经学习过的柏林大学和哥廷根大学学习医学。1802年,塞贝克获得医学学位。由于他所选择的方向是实验医学中的物理学,而且一生中多半时间从事物理学方面的教育和研究工作,所以人们通常认为他是一个物理学家。 毕业后,塞贝克进入耶拿大学,他的研究重点是太阳光谱。他在1806年揭示了热量和化学对太阳光谱中不同颜色的影响,1808年首次获得了氨与氧化汞的化合物。1818年前后,塞贝克返回柏林大学,独立开展研究活动,主要内容是电流通过导体时对钢铁的磁化。当时,阿雷格和大卫才发现电流对钢铁的磁化效应,塞贝克对不同金属做了大量的实验,发现了磁化的炽热的铁的不规则反应,也就是所谓的磁滞现象。在此期间,塞贝克还曾研究过光致发光、太阳光谱不同波段的热效应、化学效应、偏振,以及电流的磁特性等。 19世纪20年代初期,塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系。1821年,塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起,构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成一个结点,他突然发现,如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话,电路周围存在磁场。他实在不敢相信,热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生,这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现。在接下来的两年的时间里,塞贝克将他的观察持续报告给普鲁士科学学会,把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。塞贝克后来发明了温差电池,温差电池可以提供稳定的电流。 塞贝克当时发现了热电效应,但他却给出了错误的解释:导线周围产生磁场的原因,是温度梯度导致金属在一定方向上被磁化,而非形成了电流。科学学会认为,这种现象是因为温度梯度导致了电流,继而在导线周围产生了磁场。对于这样的解释,塞贝克十分恼火,他反驳说,科学家们的眼睛让奥斯特的经验给蒙住了,所以他们只会用磁场是由电流产生的理论去解释,而想不到还有别的解释。但是,塞贝克自己却难以解释这样一个事实:如果将电路切断,温度梯度并未在导线周围产生磁场。所以,多数人都认可热电效应的观点,这个物理现象也被称为“塞贝克效应”。 第 8 页 共 8 页 学科网（北京）股份有限公司 $