高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 能量守恒定律优秀教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 能量守恒定律优秀教学设计，共11页。教案主要包含了探索能量守恒的足迹，能量守恒定律，永动机不可能制成，典例分析等内容，欢迎下载使用。
备课人
学科
物理
课题
3.3能量守恒定律
教学内容分析
本节是对热力学知识内容的总结和扩展。能量就是从千差万别的各种自然现象中抽象出来的概念。学生学习到这里，已经可以从内转化和守恒扩展到自然界各种能量的转化和守恒了。能量从更深的层次上反映了物质运动和相互作用的本质。能量守恒定律是人们认识自然的重要工具。学习本节使学生建立起能量的观点，学会用能量的观点看问题。
学情分析
对的是高中年级的学生，他们已经具备了抽象逻辑思维，认知方式上与成人差别不大。并且在生活当中已经接触过各种各样的能量转化问题，有了一定的认知基础，学生在前面已经学习过功与内能的关系、热与内能的关系。因此我会充分利用学生已有的知识经验展开教学，多给学生举一些生活当中通俗易懂的例子来降低学生学习的难度。
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执着。
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
1.学会用能量转化和守恒的观点分析物理现象。
2.综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。
难点
如何用能量转化和守恒的观点分析物理现象，如何综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课导入
让“饮水小鸭”“喝” 完一口水后，直立起来。直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，然后又会直立起来。如此循环往复
这种“饮水小鸭”玩具是一架永动机吗?
PPT课件展示。
观察“饮水小鸭”玩具的应用。
观察“饮水小鸭”玩具的应用。
讲授新课
一、探索能量守恒的足迹
一、探索能量守恒的足迹
人类对能量的认识
能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。所有自然现象都涉及能量，人类的任何活动都离不开能量。
内能 机械能 光能
能量具有不同的形式
描述热运动的内能
描述机械运动的机械能
描述电现象的电能
描述光辐射的光能
不同形式的运动都可以用能量来描述
可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述

各种形式的能量之间可以相互转化
机械能的各种形式之间可以相互转化
电和磁可以相互转化
热和电也可以相互转化
在认识自然的进程中，科学家慢慢知道了要用联系的观点去观察自然。


机械能转化 电磁转化
热电转化
能量转化的研究成果
机械能转化为内能
电场能转化为磁场能
磁场能转化为电能
内能转化为电能
2、能量守恒观念的形成
俄国化学家盖斯：任何一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，放出的总热量相同。
表明一个系统（即参加化学反应的几种物质）存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。
德国医生迈尔通过比对不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象，猜想热与机械运动的等效性。他在1841年和1842年连续写出“论‘自然力’（指能量）守恒”的论文，并推算了多少热与多少功相当。因此，迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。
人类对能量的认识过程，体现了科学前辈们对“守恒”这一科学思想的追寻。
焦耳的实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系，从而为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，也为能量守恒的定量描述迈出了重要的一步。
德国科学家亥姆霍兹在不了解迈尔和焦耳研究的情况下，从永动机不可能制成这一事实出发，考察了自然界不同的“力”（指能量）之间的相互关系，提出了“张力”（即势能）与“活力”（即动能）的转化。他还分析了在电磁现象和生物机体中能量的守恒问题。
能量守恒观念的形成

盖斯 焦耳 迈尔 亥姆霍兹
能量守恒不是由某一个人通过某一项的研究而得到的。
二、能量守恒定律
1、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。
例如：
自由落体运动：势能→动能
摩擦生热：机械能→内能
电流通过电阻丝：电能→内能
热机中的气体推动活塞做功：内能→机械能
燃料燃烧：化学能→内能
电流通过白炽灯：电能→内能→光能
2、能量守恒定律的历史意义：能的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一（能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现），也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭.
能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不同领域的科学工作者有一系列的共同语言.
1、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．
4、能量守恒定律的特例
机械能守恒定律 能量守恒在机械能范围内的表现
热力学第一定律 能量守恒在热力学范围内的表现
区别：热力学第一定律和机械能守恒定律能够给出具体的定量形式，而能量守恒定律却给不出。
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。
热学中：热力学第一定律
力学中：机械能守恒定律
电学中：闭合电路欧姆定律
电磁感应中：楞次定律
5、能量守恒是自然界的普遍规律

6、能量是与质量相关联的一个物理量
能量守恒的观点也在不断地发展，相对论建立以后，基本粒子的研究使我们认识到，能量其实是与质量相关联的一个物理量。在20世纪30年代初，奥地利物理学家泡利根据能量守恒定律预言了中微子。
小试牛刀
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——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
三、永动机不可能制成
想一想
“问题”栏目中的饮水小鸭不是永动机。
1、饮水小鸭的结造
小鸭的头和身由两个玻璃球构成，并通过细玻璃管相连。下球盛有一些乙醚，上球连同尖嘴被吸水毛毡包起来。
2、饮水小鸭的工作原理
⑴外力使小鸭处于倾倒位置后立即撤去外力
①头部被浸湿；
②上下玻璃球内的气体相通，压强相等，乙醚流回下玻璃球内，重心下移，小鸭站立。
⑵小鸭头部的毛毡“饮水”后，水蒸发吸热，导致头部温度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸气被液化，压强减小，液柱上升，小鸭重心上移，直到小鸭倾倒。头部被浸湿；
如此循环往复。可见，正是因为小鸭头部“饮水”后水不断蒸发，吸收了察觉不到的空气的热量，才使小鸭能够持续工作下去。
思考与讨论
17〜18世纪，许多人致力于制造一种机器，它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，史称“第一类永动机”。图展示了其中的一种设计。然而，为此目的的任何尝试都失败了。这是为什么呢？
任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。内燃机把燃料的化学能转化为燃气的内能然后再转化为机械能，电动机把电能转化为机械能如果没有燃料、电流或其他动力的输入，能量从哪里来呢！
永动机的思想违背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。
第一类永动机
概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功.
结果：无一例外地归于失败.
原因：违背了能量守恒定律.
2、永动机给我们的启示
人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律
3、热力学第一定律的另一种表达：第一类永动机是不可能造成的。
任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。
化学能→内能→机械能 电能→机械能
永动机的思想违背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。
小试牛刀
1、永动机是不可能制成的，这是因为（ C ）
A.不符合机械能守恒定律
B.做功产生的热量不符合热功当量
C.违背了热力学第一定律
D. 找不到合适的材料和合理的设计方案
2．第一类永动机违反了什么而不能制成( C )
A．违反了热力学第一定律
B．违反了机械能守恒定律
C．违反了能量守恒定律
D．以上说法都不对
四、典例分析
1.是水,上面为空气,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中的水面比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 ( )
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
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
3、下列有关能量的描述正确的是( )
A.“又要马儿跑得快,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律
B.工作中的电风扇,消耗的电能大于输出的机械能,该过程能量不守恒
C.滑块在粗糙的水平面上减速滑行,最终停了下来,动能消失,能量不守恒
D.同时做自由落体运动的物体,质量越大,势能减少越快,机械能减少也越快
4、(多选)约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”,如图所示,在斜坡顶上放一块强有力的磁铁,斜坡上端有一个小孔,斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为:如果在斜坡底端放一个小铁球,那么由于磁铁的吸引,小铁球就会向上运动,当小球运动到小孔P处时,它就要掉下,再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q,由于有速度而可以对外做功,然后又被磁铁吸引回到上端,到小孔P处又掉下。关于维尔金斯“永动机”,正确的认识应该是( )
A.一定不可能实现
B.如果忽略斜面的摩擦,维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦,铁球质量较小,磁铁磁性又较强,则维
尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律
5、如图所示,有人设计了这样一台“永动机”:距地面一定高度架设一个水槽,水从槽底的管中流出,冲击一个水轮机,水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮。他指望抽水机把地面水槽里的水抽上去,这样循环不已,机器不停地转动,就可以永久地用砂轮磨制工件做功了。请你分析一下,高处水槽中水的势能转变成哪几种形式的能,说明这个机器是否能够永远运动下去。
解析：取顶部水槽中流出的水为研究对象,在其从顶部水槽中流出至底部水槽的过程中,它的重力势能一部分转化为自身的动能,一部分转化为水轮机、抽水机、砂轮的动能,一部分转化为砂轮和工件的内能,还有一部分转化为抽水机抽上的水的重力势能。由能的转化和守恒定律知,抽水机抽上的水的重力势能必然小于流下的水的重力势能,如果上抽的水管的横截面积大于或等于下流的水管的横截面积,则根本不可能将底部水槽中的水抽至顶部水槽,即使上抽水管的横截面积小于下流水管的横截面积也不一定能将水抽上去,如果上抽水管比下流水管细很多且能够将底部水槽中的水抽至顶部水槽,则相等时间里抽上去的水也要比流下的水的质量小得多,最后顶部水槽中的水很快就会流光。
6、如图所示，直立的绝热容器内部有被隔板隔开的A和B两部分气体，A的密度较小，B的密度较大，抽去隔板，加热气体，使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸收的热量为Q，气体内能增量为ΔU，则( )
A.ΔU=Q
B.ΔUQ
D.无法比较
7、在一个标准大气压下，水在沸腾时，1 g的水由液态变成同温度的水蒸气，其体积由1.043 cm3变为1676 cm3。在物理学中，单位质量的物质在一定温度下从液态变成气态时，所吸收的热量叫作汽化热。已知水的汽化热为2263.8 J/g。一个标准大气压p＝1.013×105 Pa。求1 g水在沸腾汽化的过程中：
(1)体积膨胀时对外界做的功W；
(2)吸收的热量Q；
(3)增加的内能ΔU。
解析 取1 g水为研究系统，把大气视为外界。
(1)等压(大气压)膨胀时对外界做的功：
W＝p(V2－V1)＝1.013×105×(1676－1.043)×10－6 J≈169.7 J。
(2)吸收的热量：Q＝mL＝1×2263.8 J＝2263.8 J。
(3)根据热力学第一定律，增加的内能：
ΔU＝Q＋(－W)＝2263.8 J＋(－169.7 J)＝2094.1 J。
了解人类对能量探索的历史过程，体验科学改进认知的过程。
阅读能量守恒如何形成的内容。


了解能量守恒观念如何形成。
了解人类对永动机的探索，明白不同永动机失败的原因。
完成课堂练习。
让学生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。
将课本知识结合生活实际，提高知识的实用性，激起学生对学习知识的兴趣。
通过学习人类对永动机的探索过程，学习科学家执着探索的科学精神。
拓展提高
1、“第一类永动机”是不可能制成的,这是因为它( )
A.不符合热力学第一定律
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
解析：第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功的机器,故违背了热力学第一定律。
答案：A
2、(多选)下列关于能量转化现象的说法中,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.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
解析：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
3、汽车关闭发动机后,沿斜面匀速下滑的过程中( )
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
解析：汽车能匀速下滑,一定受阻力作用,克服阻力做功,机械能转化为内能,一部分内能散发出去,汽车的总能量减少。
答案：C
完成拓展提高。
巩固基础知识。
课堂总结
能量守恒定律
1、内容
2、意义
3、永动机不可制成
板书设计
3.3能量守恒定律
1.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。
①自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。
②不同形式的能量之间可以相互转化。
③能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。
2.永动机不可能制成，违背了能量守恒定律。
作业设计
作业分为两块，一是课堂练习，旨在对本堂课学习中基础知识进行检测，二是分层练习，分层次的训练学生对知识的掌握情况。
教学反思与评价
本课的内容较为简单，在前面的必修教材里已经学习过。那么我们要注意的就是能量守恒定在热力学中的具体体现，做好解析。能量守恒定律是最普遍、最基本的自然规律，但是学生疑惑的是它没有公式，解题的时候不知道怎么用，所以增加了一道练习题，以便加强学生的能量观。如果能够融会贯通的使用能量守恒定律，那么在解决问题的时候必然得心应手，看待自然现象也能够形成自己独特的见解。