資源簡介

第二十章　能源、材料與社會
能量的轉化與守恒
知識與技能：
1．了解能量及其存在的不同形式。
2．通過實驗，認識能量可以從一個物體轉移到另一個物體，不同形式的能量可以相互轉化。
3．知道能量守恒定律，有用能量轉化與守恒觀點分析問題的意識。
4．知道能量轉移與轉化的方向性。
過程與方法：
通過探究能量的轉移與轉化、能量守恒定律，初步認識科學研究方法的重要性；通過對能量的轉化與守恒的學習，能書面或口頭表述自己的觀點，有初步的信息交流能力。
情感、態度與價值觀：
1．通過了解多種形式的能量及能量的轉化與守恒，養成實事求是、尊重自然規律的科學態度。
2．通過探究能量守恒定律，增強對科學探究的興趣，培養學生的合作與交流能力，感悟物理與生活的和諧關系。
重點：知道能量守恒定律，解釋一些常見現象中能量轉化的問題。
難點：理解能量轉移與轉化的方向性。
多媒體課件、皮球。
一、情景導入
達·芬奇是意大利著名的畫家、科學家，他曾經設計了一個“永動機”，如圖所示。達·芬奇認為，右邊的鋼球比左邊的鋼球離輪心更遠些，致使兩邊受力不均衡，輪子會沿箭頭方向轉動不息。
你認為這種“永動機”能夠實現嗎？學完本節內容，你就能明白了。
二、合作探究
　多種形式的能量
前面我們已經學過機械能、電能和內能，你還知道哪些其他形式的能量？請舉例說明。
多媒體展示圖片：各種形式的能量。
同學們交流討論上面圖片中各種物體所具有的能量并歸納自然界中能量的類別。
(1)自然界中能量的類別：機械能、電能、內能、化學能、核能等。
(2)化學能：由于化學反應而產生的能量。木材燃燒時產生的光和熱就來源于木材里儲存的化學能。人體運動所消耗的能量都來源于食物里儲存的化學能。
(3)核能：由于核反應，物質的原子核結構發生變化而產生的能量。
核能的發展進程
第一代核電站。核電站的開發與建設開始于20世紀50年代。1954年，前蘇聯建成發電功率為5兆瓦的實驗性核電站；1957年，美國建成發電功率為9萬千瓦的Ship Ping Port原型核電站。這些成就證明了利用核能發電的技術可行性。國際上把上述實驗性的原型核電機組稱為第一代核電機組。
第二代核電站。20世紀60年代后期，在實驗性和原型核電機組基礎上，陸續建成發電功率30萬千瓦的壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核電機組，他們在進一步證明核能發電技術可行性的同時，使核電的經濟性也得以證明。目前，世界上商業運行的400多座核電機組絕大部分是在這一時期建成的，習慣上稱之為第二代核電機組。
第三代核電站。20世紀90年代，為了消除三里島和切爾諾貝利核電廠爆發事故的負面影響，世紀核電業界集中力量對嚴重事故的預防和緩解進行了研究和攻關，美國和歐洲先后出臺了《先進輕水堆用戶要求文件》(URD文件)和《歐洲輕水堆用戶要求文件》(EUR文件)，進一步明確了預防與緩解嚴重事故，提高安全可靠性等方面的要求。國際上通常把滿足URD文件或EUR文件的核電機組稱為第三代核電機組。對第三代核電機組要求是能在2010年前進行商用建造。
第四代核電站。2000年1月，在美國能源部的倡議下，美國、英國、瑞士、南非、日本、法國、加拿大、巴西、韓國和阿根廷共10個有意發展核能的國家，聯合組成了“第四代國際核能論壇”，與2001年7月簽署了合約，約定共同合作研究開發第四代核能技術。
　能量的轉移與轉化
自然界中，能量不但可以從一個物體轉移到另一個物體，而且可以從一種形式轉化為另一種形式。那么它們是如何轉移與轉化的呢？
同學們分組交流討論下列過程中能量轉化或轉移的情況：(1)火箭點燃后騰空而起(化學能轉化為內能，內能再轉化為機械能)；(2)電燈通電后發光、發熱(電能轉化為光能和內能)；(3)冬天用暖水袋捂手，手變熱(內能從暖水袋轉移到手上)；(4)植物的光合作用(太陽能轉化為化學能)。
(1)各種形式的能量在一定條件下都可以相互轉化，地球上的能量主要來源于太陽。
(2)能量轉移與轉化的區別：能量的轉化過程中，能量的形式發生改變；而轉移過程中，能量的形式不變。
　 能量守恒定律
多媒體播放視頻：單擺擺動實驗。(視頻詳見教學課件)
(1)同學們觀察單擺的擺動有什么特點。
(2)單擺在擺動過程中能量是怎么變化的，總能量守恒嗎？
取出課前準備的皮球，將它從某一高度由靜止釋放，觀察皮球每次反彈高度的變化。(皮球反彈高度越來越低)
皮球反彈過程中為什么反彈的高度越來越低，其中損失的機械能到哪里去了？
同學們交流討論后回答：(1)單擺中的小球在擺動過程中，勢能與動能不斷地相互轉化，其機械能應該是守恒的，但在實際運動過程中，一部分機械能轉化為內能，總的能量還是守恒的；(2)皮球反彈的高度越來越低，損失的機械能轉化為內能散失在空氣中。
能量守恒定律：能量既不會消滅，也不會創生，它只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到其他物體，而能的總量保持不變。
永動機是不可能造成的
很早以前，人類就開始利用自然力為人類服務，大約到了十三世紀，開始萌發了制造永動機的愿望。到了十五世紀，偉大的藝術家、科學家和工程師達·芬奇(Leonardo da Vinci 1452～1519)，也投入了永動機的研究工作。他曾設計過一臺非常巧妙的永動機，但造出來后它并沒永動下去。1475年，達·芬奇認真總結了歷史上的和自己的失敗教訓，得出了一個重要結論：“永動機是不可能造成的”。在工作中他還認識到，機器之所以不能永動下去，應與摩擦有關。于是，他對摩擦進行了深入而有成效的研究。但是，達·芬奇始終沒有也不可能對摩擦為什么會阻礙機器運動作出科學解釋，即他不可能意識到摩擦(機械運動)與熱現象之間轉化的本質聯系。
此后，雖然人們還是致力于永動機的研制，但也有一部分科學工作者相繼得出了“永動機是不可能造成的”結論，并把它作為一條重要原理用于科學研究之中。荷蘭的數學家、力學家斯臺文(Simon Stevin 1548～1620)，于1586年運用這一原理通過對“斯臺文鏈”的分析，率先引出了力的平行四邊形定則。伽俐略在論證慣性定律時也應用過這一原理。
盡管原理的運用已取得了如此顯著的成績，但人們研制永動機的熱情不減。
惠更斯(Christiaan Huygens 1629～1695)，在他1673年出版的《擺式時鐘》一書中就反映了這種觀點。書中，他把伽俐略關于斜面運動的研究成果運用于曲線運動，從而得出結論：在重力作用下，物體繞水平軸轉動時，其重心不會上升到它下落時的高度之上。因而，他得出用力學方法不可能制成永動機的結論；但他卻認為用磁石大概還是能造出永動機來的。針對這種情況，1775年，巴黎科學院不得不宣布：不再受理關于永動機的發明。
歷史上，運用“永動機是不可能制成的”這一原理在科研上取得最輝煌成就的是法國青年科學家卡諾(Sadi Carnot 1796～1832)。1824年，他將該原理與熱質說結合推出了著名的“卡諾定理”。定理為提高熱機效率指明了方向，也為熱力學第二定律的提出奠定了基礎。但這里要特別強調的是，卡諾雖然將永動機不能造成的原理運用于熱機，但他的思想方法還是“機械的”。他在論證時將熱從高溫熱源向低溫熱源的流動同水從高處向低處流動類比，認為熱推動熱機做功就像水推動水輪機做功一樣，水和熱在流動中并無任何損失。
可見，從1475年達·芬奇提出“永動機是不可能造成的”起，到1824年卡諾推出“卡諾定理”為止，原理只能在機械運動和“熱質”流動中運用，它遠不是現代意義上的能量的轉化和守恒定律，它只能是機械運動中的能量守恒的經驗總結，是定律的原始形態。
1891年，亥姆霍茲(Hermannvon Helmholtz 1821～1894)，在回顧他研究力的守恒定律的起因時說：“如果永動機是不可能的話，那么在自然條件下的不同的力之間應該存在什么樣的關系呢？而且，這些關系實際上是否真正存在呢？”可見，“永動機是不能造成的”還很膚淺，要認識它的深刻的內涵，還須人們付出艱苦的勞動。
　能量轉移與轉化的方向性
汽車剎車時，由于摩擦，機械能轉化為地面和空氣的內能；當汽車再次啟動時，這些內能還能轉化為機械能重新利用嗎？冬天，暖氣片把熱水的內能傳遞給房間里的空氣，供人取暖；還能把這些內能重新收集起來，供明年冬天再次利用嗎？
同學們交流討論上述問題，并列舉出其他生活實例說明能量轉移與轉化的方向性。
能量的總量雖然不變，但是能量的轉化和轉移具有方向性。在利用能量的過程中，會有一部分成為“無用的能量”(能量耗散)。
第一節　能量的轉化與守恒
完成本課時對應練習。
本節課運用了新的課程概念，在教學過程中，我盡量地舉出身邊的實例，并播放一些相關視頻，將枯燥的說教變成動態影像呈現給學生，激發學生的學習興趣，這樣會給學生以直觀的視覺效果，留下深刻的印象，使他們更能理解和學習本節課的相關內容。在教學過程中，鼓勵學生敢于發表自己的見解，培養學生主動與他人合作的能力，鼓勵學生勇于放棄或修正自己的錯誤觀點，有利于提高學生的表達能力，使科學的規律得以突顯，幫助學生加深對科學規律的認識，任何科學規律都來源于科學實踐。

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