人教版 (2019)选择性必修 第三册3 能量守恒定律教学设计

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第三册3 能量守恒定律教学设计，共7页。教案主要包含了新课引入，新知探究，课堂小结，随堂演练，教学反思等内容，欢迎下载使用。

物理观念∶通过学习物理学史，感受建立能量的观点的过程，树立能量守恒的世界观。
科学思维∶了解永动机模型，理解永动机不可制成的原因。
科学探究：通过学习能量概念的建立过程，体验科学家探究规律的艰辛与执着。学习他们坚韧不拔的精神。
科学态度与责任∶理解能量守恒定律，能用能量守恒的观点解释自然现象，指导实践活动。体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。
教学重难点
教学重点：能量守恒定律及其应用。
教学难点：能量守恒定律及其应用。
教学过程
【新课引入】
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?
【新知探究】
一、探索能量守恒的足迹
1．不同形式的能
能量具有不同的形式，有描述热运动的内能、描述机械运动的机械能、描述光辐射的光能，等等。不同形式的运动都可以用能量来描述。也就是说，我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述。
展示各种形式的能量，让学生描述主要描写的是什么形式的能。
2．能量之间的转化
初中我们已经学习了，不同形式的能量之间是可以相互转化的。
展示图片，让学生判断是哪几种能量之间的相互转化。
3．能量守恒观念的形成
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。例如，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……
展示关于能量转化的研究成果，体会探索能量守恒的艰辛。
二、能量守恒定律
在力学中，当系统只有重力和弹力做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是机械能守恒定律。
在热力学领域内，做功和热传递可以改变系统的内能，即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。热力学第一定律，实际上就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。
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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移过程中，能量的总量保持不变。
2．能量守恒定律的意义：
（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。
（4）机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。
教师展示小鸭饮水让学生思考：小鸭为什么可以持续饮水？存在永动机械吗？
揭秘小鸭饮水：
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汽被液化，压强减小，液柱上升，小鸭重心上移，直到小鸭倾倒。处于倾倒位置的小鸭，头部再次被浸湿，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。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。
三、永动机不可能制成
1．永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。（人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机）。
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。
2．人类对永动机的追求
螺旋永动机：著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”
滚球永动机：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。
软臂永动机：19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。
磁力永动机：大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。
3．对第一类永动机失败的认识
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。
永动机的失败给我们启示：人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。
【例1】关于热学现象和热学规律，下列说法中正确的是（ ）
A．布朗运动就是液体分子的热运动
B．用油膜法测分子直径的实验中，应使用纯油酸滴到水面上
C．第一类永动机不可能制成是因为它违背了能量守恒定律
D．用活塞压缩汽缸里的空气，对空气做功3.0×105J，同时空气的内能增加2.2×105 J，则空气从外界吸热5.2×105 J
解析：
A．布朗运动是小颗粒的运动，只是间接反映了液体分子的无规则运动，故A错误；
B．用油膜法测分子直径的实验中，应使用油酸溶液滴到水面上，便于稀释后紧密排列在水面上，故B错误；
C．第一类永动机违背了能量守恒定律，故C正确；
D．由热力学第一定律△U=W+Q可知，空气向外界散出0.8×105J的热量，故D错误；
故选C。
【例2】高空形成的冰雹加速下落，并有部分熔化，以下说法中不正确的是（ ）
A．只有重力做功，冰雹下落时机械能守恒
B．冰雹的势能转化为冰雹的动能
C．冰雹的内能增大
D．冰雹的机械能不守恒
解析：
AD．除了重力做功，还有阻力做功，所以冰雹下落时机械能不守恒，则A错误，符合题意；D正确，不符合题意；
BC．冰雹的势能转化为冰雹的动能与内能，所以BC正确，不符合题意；故选A。
【例3】风力发电是一种环保的电能获取方式.图为某风力发电站外观图．假设当地水平风速约为10m/s，该风力发电站利用风的动能转化为电能的效率约为20％，风力发电机的叶片长度为10m，空气的密度是1.29kg/m³，某一工厂用电的功率为320kW，则大约需要多少台这样风力发电机同时为该工厂供电（ ）
A．6 B．8 C．10 D．12
答案: B
【课堂小结】
【随堂演练】
1．判断
（1）各种能量之间可以转移或转化，但总量保持不变。（√）
（2）第一类永动机因违背能量守恒定律，所以不可能制成。（√）
（3）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。（√）
2．第一类永动机违反了什么而不能制成（ ）
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
答案：C
3．如图所示容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，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，下面说法正确的是（ ）
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
4．重1000kg的气锤从2.5m高处落下，打在质量为20kg的铁块上，要使铁块的温度升高40℃以上，气锤至少应落下多少次？（设气锤撞击铁块时做的功有60%用来升高铁块的温度，g取10m/s2，铁的比热容c＝4.62×102J/（kg•℃））
答案：25次
【教学反思】
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。