2019-2020年高一物理 第七章 A 物體的內(nèi)能 (I)教案 滬科版.doc

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2019-2020年高一物理 第七章 A 物體的內(nèi)能 (I)教案 滬科版 一、教學任務分析 能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律是在學習了械能守恒定律、物體的內(nèi)能等知識后，對能的概念以及能量轉(zhuǎn)化和守恒做進一步的拓展和深化。能量守恒定律是自然界的一條普遍定律，它不僅是本章的學習重點，也是整個中學物理的重點。能量守恒的思想貫穿在整個物理學習的過程中，通過后續(xù)各章的學習，將不斷加深學生對能量守恒定律的認識和應用能力。能的轉(zhuǎn)化和守恒不僅是物理學的法則，而是一個跨越各門自然學科的統(tǒng)一法則。 學習本節(jié)內(nèi)容需要以動能、勢能、機械能、內(nèi)能以及機械能守恒定律知識為基礎。 以“天下第一爆”以及三峽電站的修建過程為切入口，使學生認識自然界物質(zhì)的運動有多種形式的能。 通過實驗、自主活動等，使學生明確各種形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。 通過課內(nèi)閱讀，介紹邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家為能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律所做的貢獻，得到能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，并使學生感悟其中的科學態(tài)度與科學精神。 通過從能量角度猜想“永動機”永動的秘密，加深對能量守恒定律的認識和理解，領略在科學發(fā)明與創(chuàng)新活動中，尊重事實、遵循科學規(guī)律的重要性。 二、教學目標 1．知識與技能 （1）知道能有各種形式，每一種形式的能對應于一種運動形式；知道各種形式的能之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。 （2）理解能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律。 （3）知道“永動機”是制造不出的。 2．過程與方法 （1）通過實驗、視頻錄象、圖片等觀察、分析，感受認識客觀世界的過程就是從現(xiàn)象到本質(zhì)的過程。 （2）通過閱讀資料和聯(lián)系實際，感受運用比較、分類、歸納和綜合等科學方法。 3．情感、態(tài)度價值觀 （1）通過學習“能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律” 的發(fā)現(xiàn)過程，體驗人類探索真理的艱難和這一發(fā)現(xiàn)過程在哲學和科學發(fā)展中的價值。 （2）通過從能量角度猜想“永動機”永動的秘密，感悟在科學發(fā)明與創(chuàng)新活動中，尊重事實、遵循科學規(guī)律的重要性。 三、教學重點與難點 重點：能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律。 難點：運用能量守恒定律對具體的自然現(xiàn)象進行分析，說明能是怎樣實現(xiàn)相互間的轉(zhuǎn)化的。 四、教學資源 1、器材 演示實驗： 小燈泡、伏打電池（燒杯內(nèi)裝硫酸溶液，銅片、鋅片插入其中）、干電池、電鍵、導線、小電動機、鉤碼、飲水鳥等。 2、視頻錄象 “天下第一爆”、過山車、風力發(fā)電。 3、圖片 五、教學設計思路 本設計內(nèi)容包括三個方面：一是能的形式；二是能在一定條件下可相互轉(zhuǎn)化；三是能的轉(zhuǎn)化和守恒定律三部分內(nèi)容。 本設計的基本思路是：從“天下第一爆”入手，以三峽電站修建過程引入多種形式的能，通過觀看演示實驗、錄象等活動得出能在一定形式下可以相互轉(zhuǎn)化的結(jié)論。從邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家的研究成果中歸納得出普遍的能量守恒定律，最后由歷史上關于“永動機”的爭論，說明“永動機”的不可能性，深化對能量守恒定律的理解和認識。 本設計要突破的重點是：能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律。方法是：通過三峽電站修建過程的情景，認識能的形式和能的轉(zhuǎn)化過程。通過對“永動機”中能量問題的討論，深化對能量守恒定律的理解。 本設計要突破的難點是：應用能的轉(zhuǎn)化和守恒定律分析實際問題。方法是：通過觀看演示實驗，錄象、圖片等活動，觀察、比較、分析、討論，知道能的轉(zhuǎn)化和守恒定律。通過“飲水鳥”的實例分析，進一步理解能的轉(zhuǎn)化和守恒定律。 本設計強調(diào)問題討論、自主探究、教師指導等多種教學策略的應用，強調(diào)學生的主動參與，重視概念、規(guī)律的形成過程以及伴隨這一過程的科學方法的教育。在合理考慮學生對能的認知基礎上，從簡單到復雜、從現(xiàn)象到規(guī)律，形成能的一般概念，建立能及能的轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)圖。強調(diào)通過學生主動參與，培養(yǎng)學生比較判斷、歸納概括的能力，從而加深對能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的理解、拓展思維的深廣度、強化理論聯(lián)系實際的意識與實踐能力。 完成本設計的內(nèi)容約需1課時。 六、教學流程 1、教學流程圖 情景 錄象1 能的形式 活動I 大家談 設問1 活動II 演示實驗 錄象 能可以相互 轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移 活動III 自主活動 設問2 活動Ⅳ 閱讀資料 能的轉(zhuǎn)化 和 能量守恒 定律 “永動機” 的神話 活動V 討論 “飲水鳥” 總 結(jié) 2、流程圖說明 情景 錄象1 播放“天下第一爆”的錄象。 設問1：三峽電站修建過程中利用到了哪些形式的能？ 該環(huán)節(jié)的目的是一方面激發(fā)學生強烈的民族自豪感，另一方面引出課題。 活動I 大家談 指出圖中所對應的能的形式，并談談你所知道的其他形式的能。 設問2：各種形式的能之間有什么樣的聯(lián)系？ 活動II 觀看演示實驗、錄象 演示實驗1：閉合電鍵，伏打電池使小燈泡發(fā)光。 演示實驗2：閉合電鍵，小電動機提升鉤碼。 錄象1：播放“過山車”的錄象。 錄象2：播放“風力發(fā)電”的錄象。 活動III 自主活動 根據(jù)錄象、實驗和生活經(jīng)驗，舉例說明各種能量之間是如何進行轉(zhuǎn)化的？ 設問3：各種形式的能之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律是什么？ 活動Ⅳ 閱讀資料 閱讀邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家發(fā)現(xiàn)能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律的歷程，從中歸納得出普遍的能量守恒定律。 活動V 學生討論 關于“飲水鳥”的秘密。 3、教學主要環(huán)節(jié) 本設計可分為三個主要的教學環(huán)節(jié)。 第一環(huán)節(jié)，通過觀看“天下第一爆”錄象，以三峽電站修建過程引入課題，使學生知道多種形式的能 第二環(huán)節(jié)，通過觀看演示實驗、錄象等活動得出能在一定形式下可以相互轉(zhuǎn)化的結(jié)論，再通過自主活動，討論各種形式的能之間的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移。 第三環(huán)節(jié)，通過閱讀 邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家的研究，得出普遍的能量守恒定律，由歷史上關于“永動機”的爭論，說明“永動機”的不可能性，最后通過對“飲水鳥”問題的討論，深化對能量守恒定律的理解和認識。 七、教案示例 （一）情景引入: 1、播放“天下第一爆”的錄象。 設問1：三峽電站修建過程中利用到了哪些形式的能？ 學生應可以從具體事例中識別出已知形式的能，如電能、內(nèi)能、化學能、機械能。若不能，老師則可將情景中的重點加以描述，進行啟發(fā)和更有針對性的提問。 小結(jié)：能以多種形式存在于自然界，每一種形式的能對應于一種運動形式。 提問：機械能與什么運動形式相對應？內(nèi)能？電能？化學能？…… 大家談：指出圖中所對應的能的形式，并談談你所知道的其他形式的能。 太陽 火山 能是對物質(zhì)運動形式的一種描述。隨著人們對物質(zhì)運動形式越來越全面、深刻的認識，也會認識到更多形式的能，如核能等。 2、導入新課 我們這節(jié)課學習能的知識。 （二）自主探究 設問2：各種形式的能之間有什么樣的聯(lián)系？ 學生觀看演示實驗和錄象，討論各種形式的能量之間的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移。 演示實驗1：閉合電鍵，伏打電池使小燈泡發(fā)光。 小燈泡發(fā)光 演示實驗2：閉合電鍵，小電動機提升鉤碼。 電動機提升鉤碼 錄象1：播放游樂場“過山車”的錄象。 過山車 錄象2：播放“風力發(fā)電”的錄象。 風力發(fā)電 自主活動：根據(jù)錄象、實驗和生活經(jīng)驗，舉例說明各種能量之間是如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)化的？ 小結(jié)：各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化，能量也可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體上。 設問3：各種形式的能之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律是什么？ （三）得出定律 閱讀資料：邁爾、焦耳、赫爾姆霍茨等科學家發(fā)現(xiàn)能的轉(zhuǎn)化和能量守恒定律的歷程。 1842年，恩格斯曾經(jīng)把它稱為自然科學發(fā)展史上“劃時代的一年”。因為在這一年，有三個不同種工作的人幾乎同時證明了機械能、熱能、光能、磁能和化學能等在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化，然而卻不發(fā)生任何消耗，并且確定了熱的機械當量。正是這些工作標志著能量守恒和轉(zhuǎn)化定律正式問世。與此同時，發(fā)現(xiàn)者們卻蒙受了巨大的精神創(chuàng)傷。盡管如此，他們?nèi)匀恍貞烟故?，一往無前，充分表現(xiàn)了科學家們探索真理的崇高獻身精神。 德國26歲的青年醫(yī)生邁爾（J．R．Mayer，1814－1878）于1840年隨船從荷蘭駛往東印度。當遠洋輪航至熱帶海域時，船醫(yī)邁爾發(fā)現(xiàn)海員患病者靜脈血液比在歐洲時紅亮。邁爾受拉瓦錫的氧化燃燒理論的啟示，認為這是由于血液含氧較多的緣故。因為在熱帶高溫條件下，人的機體只需要從食物中吸收較少的熱量就足夠了，所以人體中食物的氧化過程減弱了，靜脈血里留下的氧就比較多。由此，邁爾聯(lián)想到人體內(nèi)的食物所含的化學能就像機械能一樣，可以轉(zhuǎn)化為熱能?；貒螅~爾繼續(xù)進行研究。他進一步發(fā)展了倫福德的思想，在一家紙廠設計了一個實驗，大鍋里的紙漿用機械攪拌，靠繞著圈子的馬作為動力。他測出紙漿溫度的升高，就可得到馬做了一定量的機械功所產(chǎn)生的熱量的數(shù)據(jù)。邁爾還從空氣的定壓比熱Cp和定容比熱Cu的關系計算出一卡熱相當于365克．米，即3.58焦耳（現(xiàn)在精確有數(shù)值是4.184焦耳）。1842年，邁爾寫成了他的第一篇關于能量守恒和轉(zhuǎn)化定律論文：《論無機自然界的力》。論文發(fā)往當時德國主要物理學年鑒雜志，結(jié)果被主編波根多夫拒絕發(fā)表而退了回來。雖化學家李比希主編的化學年鑒雜志1842年5月號上發(fā)表了邁爾的論文，但并未引起人們的注意。而1845年的邁爾的第二篇論文，則是以自己的經(jīng)費才得以發(fā)表的。 在科學的征途上，迎接科學家的往往并不是什么鳥語花香，而可能是苛薄的冷嘲熱諷。作為第一個發(fā)表了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的邁爾，一次在海德爾堡遇見了約利，約利嘲諷邁爾說，如果你的理論是正確的話，水能夠被晃動而加熱。倉促發(fā)難，邁爾連一句話也沒回答便走了。幾周之后，邁爾回到了約利那里堅定地回答說，正是那樣，正是那樣！學術界偏見的打擊使邁爾的精神受到嚴重刺激。1849年5月28日，邁爾從二層樓窗口跳下自殺未遂。大致恢復健康以后，他又寫了一篇關于熱的機械當量的論文。1851年，他被關進精神病院，受到殘酷折磨。1853年恢復自由，可是精神卻從此再未恢復正常，以致在痛苦中度過了二十多年的余生。 焦耳（J．P．Joule，1818－1889）是英國的業(yè)余物理學家，是最先用科學實驗確立能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的人。和偏愛理論思維的德國人不同，焦耳具有英國人重視實驗的傳統(tǒng)。他先后用了四十多年時間，進行了大量實驗。1840年，22歲的焦耳首先測定了電流的熱效應，發(fā)現(xiàn)一定時間內(nèi)電流通過導線所產(chǎn)生的熱量，同導線的電阻和電流強度平方乘積成正比。這就是著名的焦耳定律。焦耳根據(jù)這一實驗設想電能因阻力而轉(zhuǎn)化為熱能了。這些思想集中體現(xiàn)在他的第一篇論文：論伏打電池產(chǎn)生的熱》。1843年，焦耳又做了一個實驗，他把盛有水的容器放進磁場中，然后讓一個線圈在水中旋轉(zhuǎn)，測量運動線圈中感生電流產(chǎn)生的熱和維持運動所消耗的能量。實驗說明消耗的能和產(chǎn)生的熱能與電流的平方成正比。因此，產(chǎn)生的熱和用來產(chǎn)生的機械動力之間存在恒定的比例。焦耳把這一實驗結(jié)果寫在他的第二篇論文：論電磁的熱量效應和熱的機械值》。 焦耳的研究并沒有立刻引起人們的注意。英國皇家學會拒絕發(fā)表他的兩篇論文。因為在皇家學會看來，作為釀酒商的年輕焦耳的發(fā)現(xiàn)不可能有多大學術價值。在朋友們勸告下，焦耳申請自然哲學教授的候選人，但因他的容貌缺陷而未獲準。焦耳繼續(xù)當一個釀酒商，并繼續(xù)他的科學研究。1847年4月，焦耳在曼徹斯特作了一次通俗的學術講演，介紹了他測定熱的機械當量的新實驗，即用銅制翼輪來攪動水，使水溫升高，而轉(zhuǎn)動翼輪的動力用砝碼下落來提供。地方報紙起初不予理睬，有一家報紙甚至拒絕報導這件事。經(jīng)過很長時間的爭論，《曼徹斯特信使報》才全文發(fā)表了焦耳的演說。在1847年6月，這個論題又提呈到牛津會議上，大會主席建議只由焦耳作簡要報告，而無須進行討論。當會議絲毫不考慮焦耳新思想而要立即轉(zhuǎn)入其他議程的時候，年輕的威廉．湯姆遜站起來發(fā)言，從而引起了人們對這個理論的新興趣。結(jié)果，焦耳的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的思想引起了很大的轟動，焦耳本人才成為科學界注意的人物。 1849年，焦耳在他的《熱的機械當量》論文中宣布了他的新實驗結(jié)果：要產(chǎn)生能使1磅水（在真空中稱量，溫度在55F－60F之間）提高1F的熱量，需要花費相當于772磅重物下降1英尺所作的機械功。此值相當于4.157焦耳／卡，很接近現(xiàn)在的4.184的數(shù)值。為了系統(tǒng)地測量各種能量形式轉(zhuǎn)化的當量關系，以最精確的實驗來證實能時守恒的論斷，焦耳從40年代開始，做了四百多次實驗，直到1878年獲得最后的數(shù)據(jù)。這時，一個二十多歲的年輕小伙子，已變成六十多歲的白發(fā)老頭子了。 1847年，當焦耳在英國報告他的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律時，26歲的德國物理學家赫爾姆霍茨（Helmholtz，1821－1894）在柏林物理學會上宣讀了他從研究動物熱的途徑中發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的論文：《活力的守恒》。這篇論文被權威們看成是異想天開的思辨，波根多夫主編的物理學年鑒雜志同樣拒絕發(fā)表它。赫爾姆霍茨在這種情況下，不得不掏腰包自費印刷，1847年以小冊子的表式散發(fā)，仍然很不受重視。1853年，它受到物理學家克勞胥斯的強烈抨擊。后來，杜林等還對赫爾姆霍茨進行了人身攻擊，辱罵他的發(fā)現(xiàn)是不誠實的，是從邁爾那里剽竊來的。其實，邁爾、焦耳和赫爾姆霍茨都各自獨立地發(fā)現(xiàn)了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。然而后來，焦耳和赫爾姆霍茨卻都愉快地承認了邁爾的優(yōu)先權。 恩格斯從辯證唯物主義的高度對能量守恒和轉(zhuǎn)化定律加以概括和總結(jié)，指出：“運動的不滅不能僅僅從數(shù)量上去把握，而且還必須從質(zhì)量上去理解”。所謂量的方面，指的是物質(zhì)的運動既不能創(chuàng)造，也不能消滅，只能轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化中有嚴格的當量關系；所謂質(zhì)的方面，指的是物質(zhì)運動形式是多種多樣的，這些運動形式的相互轉(zhuǎn)化的能力是永遠不會喪失的，而這種轉(zhuǎn)化的條件是物質(zhì)運動本身所具有的，這樣，能量守恒和轉(zhuǎn)化定律便成了一條普遍規(guī)律，正如恩格斯所指出：“任何運動形式都證明自己能夠而且不得不轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌魏芜\動形式。到了這種形式，規(guī)律便獲得了自己的最后的表達。由于有了新的發(fā)現(xiàn)，我們可以給它提供新的證據(jù)，提供新的更豐富的內(nèi)容。但是，對于如此表述的規(guī)律本身，我們是不能再增加什么了。在普遍性方面——其中形式和內(nèi)容都同樣普遍——這個規(guī)律是不可能再擴大了：它是絕對的自然規(guī)律。 小結(jié)：能量既不能產(chǎn)生，也不能消失；它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體；在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，其總量不變。 科學探究活動決不是一帆風順的，它的道路是曲折的。能量守恒和轉(zhuǎn)化定律問世時所遇到的種種阻力就是明證。真理是不可抗拒的。科學探索者們前赴后繼，終于取得了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律的最后表達形式，成為人類認識自然的偉績豐碑，而載入科學史冊。 提問：能否將能量守恒定律表述為“能量不變”？ “守恒”是變中的不變。能量定恒是指各種形式的能會相互轉(zhuǎn)化，即能的形式會發(fā)生變化，而各種形式的能的總量不變。 （1）能量守恒定律反映了自然現(xiàn)象的普遍聯(lián)系。 自然界中的物質(zhì)存在相互聯(lián)系、相互作用。能量守恒定律揭示和反映了這種普遍聯(lián)系，使自然科學工作者有了共同語言，取得了一系列重大成就。這一定律被恩格斯稱為“偉大的運動定律”，與細胞學說，進化論一起，被譽為十九世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)，也是物理學的理論支柱。 （2）能量守恒定律是人類認識自然的重要依據(jù)。 （3）能量守恒定律是人類利用自然的重要武器。 （四）定律應用 1、“永動輪” 介紹一類永動輪，強調(diào)重申能量守恒定律是人類認識自然的重要依據(jù)。它與自然界中任何已知的現(xiàn)象都不矛盾。 永動輪 2、“飲水鳥” 學生先討論，再揭示“飲水鳥”不停地飲水的秘密。 飲水鳥 （五）概括總結(jié)（略） （六）作業(yè)布置（略）