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第10节能量守恒定律与能源
新课教学
一、能量守恒定律
问题：在验证机械能守恒定律的试验中，重物带着纸带下落时，计算结果发觉，削减的重力势能的值大于增加的动能的值，即机械能的总量在削减.缘由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逝了呢？
同学依据所学学问总结归纳：没有，它转化成为除机械能外的其他的能量了.
老师引导：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削减的过程，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状况.
问题：验证机械能守恒定律中，削减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.风吹动柳枝摇摆空气的机械能转移到柳枝上.
2.放在火炉旁的冰溶化变热内能由火炉转移到冰.
3.电流通过灯泡，灯泡发光电能转化为光能.
4.植物进行光合作用光能转化为化学能.
思维拓展
课件呈现各种图片，让同学认真观看，并说明各种装置能量的转化状况.通过图片呈现，让同学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预备.
同学通过认真观看图片并回顾相关学问，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.
引导同学阅读教材，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：能量既不会毁灭，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初=E终 ΔE增=ΔE减
3.发觉能量守恒定律的意义：能量守恒定律的建立，是人类生疏自然的一次重大飞跃，是哲学和自然科学长期进展和进步的结果，它是最普遍、最重要、最牢靠的自然规律之一，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沿斜面对下拉小滑块，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（确定值）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，小滑块的动能的转变（指末态动能减去初态动能）等于多少？滑块的重力势能的转变等于多少？滑块机械能（指动能与重力势能之和）的转变等于多少？
解答：依据动能定理，动能的转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ΔEk=A-B+C-D；
依据重力做功与重力势能的关系，重力势能的削减等于重力做的功，因此ΔEp=-C；
滑块机械能的转变等于重力之外的其他力做的功，因此ΔE=A-B-D.
二、能源和能量耗散
问题：既然能量是守恒的，不行能毁灭，为什么我们还要节省能源？
情景引导：有些事可以倒过来进行，但有些事情却是不行能倒过来进行的.你可以向前走路，也可以倒退着走路,但是，打碎的镜子不行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行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：依据上面的提示，能否举诞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，渐渐慢下来，最终静止,足球不能主动从静止开头运动.
足球的机械能削减，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，产生的热不行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，但不会再自发地分别开来.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渐渐削减，这是能量耗散现象.所以，能量虽然守恒，但我们还要节省能源.
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.
同学沟通：自然现象的变化也具有类似的不行逆性，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，还要自觉地爱护自然.
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2 下列推断正确的是（ ）
A.电流的能不行能全部变为内能
B.在火力发电机中，燃气的内能不行能全部变为电能
C.热机中，燃气内能不行能全部变为机械能
D.在热传导中，热量不行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），而内能不行能全部变成电流的能.机械能可全部变为内能，而内能不行能全部变成机械能.在热传导中，热量只能自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：课件呈现阅读材料，让同学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，而常规能源的有限贮存量与人类的需求存在冲突，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冲突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：凡是能够供应可利用能量的物质统称为能源.
2.常规能源：人们把煤、石油、自然 气叫做常规能源，人类消耗的能量主要是常规能源.
3.常规能源的贮存是有限的.
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猛烈的紫外线照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，严峻时可转变大气的性质,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叫绿色能源.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、煤炭是不行再生能源.
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，必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，鼓舞同学提出问题.本节“思考与争辩”对能源问题做了争辩，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.从物理学的角度争辩宏观过程的方向性，在现阶段只需用一些简洁的实例，让同学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，产生的热不行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，但不会再自发地分别开来.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渐渐削减，这是能量耗散现象.所以，能量虽然守恒，但我们还要节省能源.
布置作业
1.教材“问题与练习”第1、2题.
2.设想有一间房间，与外界没有热量交换，完全绝热.房间里有一台电冰箱在工作，假如电冰箱的门是开着的，那么，房间里的温度会变化吗？认真争辩一下，形成书面材料，与同学们沟通.
板书设计
10 能量守恒定律与能源
一、能量守恒定律
二、能量耗散
三、能源
活动与探究
课题：永动机
目的：通过具体的能量转化的分析，说明永动机不能制造的理由.
内容：有人设计了这样一台“永动机”：距地面肯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.他期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.分析这种装置的能量转化过程并推断能否制造.
习题详解
1.解答：家用电饭锅是把电能转化为内能；洗衣机是把电能转化为动能，等等.
2.解答：（1）依题意可知，三峡水库其次期蓄水后，用于发电的水流量为：
1.35×104m3/s-3 500 m3/s=10 000 m3/s，
每秒钟转化为电能的是：mgh×20％=ρVgh×20％=1.0×103×1.0×104×10×135×20％ J/s
=2.7×109J/s
发电功率最大是2.7×109 W=2.7×106 kW.
(2)设三口之家每户的家庭生活用电功率为1 kW，考虑到不是每家同时用1 kW的电，我们平均每家同时用电0.5 kW，则三峡发电站能供应=5.4×106户用电，人口数为3×5.4×106=16.2×106人，即可供16个百万人口城市的生活用电.
设计点评
本节重点是让同学体会能量守恒定律的发觉过程与能源危机，培育同学节省能源、爱护环境的环保意识.教学中通过大量的实例，实行开放式的教学形式，让同学通过预习查找资料，发表自己对能量的生疏.在能源和能量耗散方面，本教学设计从生活实际动身，让同学了解了自然界中热传导过程和能量转化、转移具有方向性，让同学了解了能源对人类文明的意义和由能源带来的环境问题，引入了可持续进展的概念.让同学了解了可持续进展的含义和意义，能够从自己做起，节省资源，爱护环境.
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