能量守恒定律与能源

７．１０能量守恒定律与能源——234——衣食住行，关系到国家的兴旺发达，能源的开发和利用，是关系人类生存和发展的一个重大的社会问题．这一节教学目标的落脚点应放在使学生树立科学的世界观、形成可持续发展的意识上．本节课为物理规律与实际生活的结合课程，重点为物理规律与实际问题的辩证关系，课堂教学要大量引用其他相关学科的知识，比如地理、历史等．教学重点能量守恒定律的内容．教学难点理解能量守恒定律的确切含义，知道既然能量守恒为什么还要节约能源．课时安排1课时三维目标知识与技能1．了解什么是常规能源，什么是新型能源．2．知道能量转化和转移的方向性以及第二类永动机不可能实现．3．通过能量转化和转移的方向性，认识提高效率的重要性．4．了解能源与人类生存和社会发展的关系，使学生认识能源的合理利用与环境保护对可持续发展的重要意义．过程与方法1．通过指导学生分析事例，培养学生分析问题和理论联系实际的能力．2．通过指导学生阅读教材，培养学生的自学能力．情感态度与价值观1．了解大量的能源消耗带来的全球性环境问题，树立环保意识．2．感知我们周围能源的耗散，树立节能意识．新课导入情景导入在20世纪的最后几分钟里，一项新的多米诺骨牌吉尼斯世界纪录，在北京颐和园体育健康城综合馆和网球馆诞生．中国、日本和韩国的62名青年学生成功推倒340多万张骨牌，一举打破了此前由荷兰人保持的297万张的世界纪录．这就是“多米诺骨牌效应”，该效应产生的能量是十分巨大的．大不列颠哥伦比亚大学物理学家A．怀特海德曾经制作了一组骨牌，共13张，第1张最小，长9．53mm，宽4．76mm，厚l．19mm，还不如小手指甲大．以后每张体积扩大1．5倍，这个数据是按照一张骨牌倒下的时候能推倒一张I．5倍体积的骨牌而选定的．最大的第l3张长61mm，宽30．5mm，厚7．6mm，把这套骨牌按适当间距排好，轻轻推倒第1张，必然会波及到第l3张，第l3张骨牌倒下时释放的能量比第1张牌倒下时整整要扩大20多亿倍．而按同样比例制作的第32张骨牌倒下时释放的能量将高达l．24×1510J，又扩大了20多亿倍．不过A．怀特海德毕竟未能制作第32张骨牌，因为它将高达415m，两倍于纽约帝国大厦．如果真有人制作了这样一套骨牌，那摩天大厦就会在一指之力下被轰然推倒!这种巨大的能量从何而来?能量之间又是如何转化的?故事导入在2004年，某杂志报道，一位家住“河南郑州二七区齐扎阎乡”，自称是“新加坡籍华人”“博士、院士、专家委员”名为“梁星人”的一个人，成了当时的网上名人，其原因是他声称建成了“宇宙引力能永动机”，并获得了中国专利(实际上只是申请了专利，还未获得批准)，而且还有一家“海南星人永动机发电厂有限公司”正在生产改永动机装备的车辆，你分析一下制造这种永动机的可行性．问题导入我国人均能源占有量只有世界平均值的1／4，解决我国的能源问题的基本方针是：能源开发与节约并重．但有人认为“能量是守恒的”，不需要节约，谈一下你对此的看法，并观察周围可利用的能源哪些是“绿色的”．新闻导入2003年12月8日国内某媒体报道了下面的这则消息：这个冬天，对于湖南长沙市的150多万市民来说，将格外漫长，因为从今年ll月30日起，可能一直要持续到明年三月份，这里的市民，将分区分片“享受”每连续供电三天后，停电24小时的“待遇”．《某某晚报11月27日的报道中，已经赫然出现了商店秉烛营业的景观．长沙并不是唯一的例子，从今年春天就开始逐渐浮出水面的电力危机，在盛夏季节达到一个短暂的高峰，至今这个阴影仍然挥之不去，影响范围先后涉及到全国几乎三分之二的省份，有人戏称，中国电力市场又退回到了20世纪80年代．仅仅是电力吗?似乎没有这么简单，入秋之后，柴油的紧张状况，从珠江三角洲到长江三角洲，从福建到浙江，已经形成了一种新的“流行病”，即使在北京地区，限量供应的情况也再次出现，就差没有“凭票供应”了．同学们思考。为什么会出现能源危机?如何应对?推进新课一、能量守恒定律问题：在验证机械能守恒定律的实验中，重物带着纸带下落时，计算结果发现，减少的重力势能的值大于增加的动能的值，即机械能的总量在减少．原因就是纸带和打点计时器之间的摩擦力和空气的阻力等．是不是考虑了各种摩擦和阻力后这部分能量就消失了呢?学生根据所学知识总结归纳：没有．它转化成为除机械能外的其他的能量了．教师引导：它转化成了机械能外的其他形式的能量，除重力、弹力之类的力外，其他任何力对物体做功使物体的机械能增加或减少的过程，实质上都是其他形式的能与机械能相互转化的过程，在转化的过程中，能的总量是不变的．这是大自然的一条普遍的规律，而机械能守恒定律只是这一条普遍规律的一种特殊情况．问题：验证机械能守恒定律中，减少的机械能转化为内能．生活中还有很多这样能量转化或转移的例子，同学们能否举出几例，并说明其中的能量转化或转移过程?参考案例：1．风吹动柳枝摆动一空气的机械能转移到柳枝上．2．放在火炉旁的冰融化变热一内能由火炉转移到冰3．电流通过灯泡，灯泡发光一电能转化为光能．4．植物进行光合作用一光能转化为化学能．思维拓展课件展示各种图片，让学生认真观察，并说明各种装置能量的转化情况．通过图片展示，让学生更加形象地感受能量的转化或转移过程，为能量守恒定律的提出作准备．学生通过认真观察图片并回顾相关知识，归纳总结：图1：太阳能电站：太阳能转化为电能图2：内燃机车：内能转化为机械能图3：水电站：机械能转化为电能图4：水果电池：化学能转化为电能从上面的例子我们可以看出，能量之间是可以相互转化或转移的．引导学生阅读教材，说出能量守恒定律的内容，并引用教材上的话，说明能量守恒定律的建立有何重大意义．师生总结：1．能量守恒定律的内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的总量保持不变．2．定律的表达式：E=E初终E=E增减3．发现能量守恒定律的意义：能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃，是哲学和自然科学长期发展和进步的结果，它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式．重点说明：该定律是贯穿整个物理学的基本规律之一，是学习物理学的一条主线．在应用中，要分清系统中有多少种形式的能，发生了哪些转化和转移．例1一小滑块放在凹形斜面上，用力F沿斜面向下拉小滑块，小滑块沿斜面运动了一段距离．若已知在这过程中，拉力F所做的功的大小(绝对值)为A，斜面对滑块的作用力所做的功的大小为B，重力做功的大小为c，空气阻力做功的大小为D，当用这些量表达时，小滑块的动能的改变(指末态动能减去初态动能)等于多少?滑块的重力势能的改变等于多少?滑块机械能(指动能与重力势能之和)的改变等于多少?解答：根据动能定理，动能的改变等于外力做功的代数和，其中做负功的有空气阻力、斜面对滑块的作用力的功(因弹力不做功，实际上为摩擦阻力的功)，因此△E＝A—B+Ｃ—D；根据重力做功与重力势能的关系，重力势能的减少等于重力做的功，因此Eｐ=－Ｃ滑块机械能的改变等于重力之外的其他力做的功，因此△E=A—B—D．二、能源和能量耗散问题：既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源?情景引导：有些事可以倒过来进行，但有些事情却是不可能倒过来进行的．你可以向前走路，也可以倒退着走路，但是，打碎的镜子不可能自动复原成原来完好的样子，冒起的煤烟和散开的炭灰不可能重新组合成一堆煤炭．类似的，自然界中自发的能量的转化和转移也具有某种方向性．问题：根据上面的提示，能否举出生活中关于这种方向性的例子，并说明其中能量的变化?参考案例：1．草地上滚动的足球，逐渐慢下来，最后静止，足球不能主动从静止开始运动．足球的机械能减少，转化成内能，内能不能自发地转化为机械能．2．同学们围着火炉取暖，热量从高温的火炉转移到同学们身上，同学们却不能利用比自身温度低的物体取暖．热能够自动地从高温的火炉向人体传输却不能从低温物体自发地向高温物体传输．师生总结：与热现象有关的能量转化过程是具有方向性的．例如：摩擦力做功的过程，要损耗机械能而生热，产生的热不可能全部转化为机械能．在其他的宏观过程中也是如此，例如：两种气体放到一个容器内，总会均匀地混合到一起，但不会再自发地分离开来．通过实例说明，在能量的转化和转移过程中，能的量是守恒的，但能量的品质却降低了。可被人直接利用的能在逐渐减少，这是能量耗散现象．所以，能量虽然守恒，但疆们还要节约能源．阅读课本，举例说明自然界能量转化过程的方向性，如：冰箱制冷、瀑布中水的机械能转化、喷出的香水、松弛后的发条等．学生交流：自然现象的变化也具有类似的不可逆性，例如沙漠化的土地不会自发地再变为绿洲．因此人类不仅要珍惜能源和资源，还要自觉地保护自然．总结：能量耗散1·能量耗散：流散的内能无法重新收集起来加以利用的现象叫做能量耗散．2·能量耗散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．例1下列判断正确的是……………………………………………………………（）A．电流的能不可能全部变为内能B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部变为电能C．热机中，燃气内能不可能全部变为机械能D．在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体解析：凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的能可全部变为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部变成电流的能．机械能可全部变为内能，而内能不可能全部变成机械能．在热传导中，热量只能白发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项Ｂ、C、D正确．答案：BCD阅读材料：课件展示阅读材料，让学生了解能源和环境是两个全球所关注的问题，能源是现代社会生活的重要物质基础，而常规能源的有限储藏量与人类的需求存在矛盾，同时大量消耗常规能源带来了环境问题，正确地协调和解决这一矛盾和问题是生活在地球上每一个人的职责．(一)常规能源1．能源：凡是能够提供可利用能量的物质统称为能源．2·常规能源：人们把煤、石油、天然气叫做常规能源，人类消耗的能量主要是常规能源．3．常规能源的储藏是有限的．4．常规能源的大量消耗带来了环境问题．(1)温室效应：温室效应是由于大气里温室气体(二氧化碳、甲烷等)含量增大而形成的．石油和煤炭燃烧时产生二氧化碳．(2)酸雨：大气中酸性污染物质，如二氧化硫、二氧化碳、氢氧化物等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨．煤炭中含有较多的硫，燃烧时产生二氧化硫等物质．(3)光化学烟雾：氮氧化合物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强烈的紫外线熙射后产生的二次污染物质——光化学烟雾，主要成分是臭氧．另外常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染．常规能源的大量消耗所带来的环境污染既损害人体健康，又影响动植物的生长，损坏建筑物及文物古迹，严重时可改变大气的性质，使生态受到破坏．(二)绿色能源的开发和利用常规能源的短缺和利用常规能源带来的环境污染，使得新能源的开发成为当务之急．绿色能源：在释放能量或能量转化过程中对环境不造成污染的能源叶绿色能源．人类可开发和利用的绿色能源主要有下列几种：1．风能．2．水流(河流、潮汐)能．风能和水流能是可再生能源．而石油、煤炭是不可再生能源．3．太阳能．4．氢能源．5．反物质能．大自然赐给人类的绿色能源储量丰富，只要我们科学开发、合理利用，盐将对人类作出前所未有的贡献．课堂小结新课程更多地与社会实际相联系，鼓励学生提出问题．本节“思考与讨论”对能源问题做了讨论，这是一个质疑的范例，它引导我们考虑能量转化和转移的方向性．从物理学的角度研究宏观过程的方向性，在现阶段只需用一些简单的实例，让学生初步地体会一下就可以了．例如：摩擦力做功的过程，要损耗机械能而生热，产生的热不可能全部转化为机械功．在其他的宏观过程中也是如此，例如：两种气体放到一个容器内，总会均匀地混合到一起，但不会再自发地分离开来．通过实例说明，在能量的转化和转移过程中，能量是守恒的，但能量的品质却降低了，可被人直接利用的能在逐渐减少，这是能量耗散现象．所以，能量虽然守恒，但