6. 能源的开发与利用教学设计(第一课时)

4.6能源的开发与利用

三台中学实验学校物理组

潘强

【教学目标】

1．知识与技能

知道各种形式的能是可以相互转化的。

知道在转化的过程中，能量的总量是保持不变的。

列举出日常生活中能量守恒的实例。

有用能量守恒的观点分析物理现象并解决物理问题。

了解常规能源的使用与环境污染的关系. 知道未来能源的开发.

2．过程与方法

通过学生讨论各种现象的内在联系，体会各种形式能量之间的相互转化。

通过讨论体会能量不会凭空消失，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。

3．情感态度与价值观

激发学生的学习兴趣，对物理规律有一个感性的认识。

通过学生讨论锻炼学生分析问题的能力。

【重点、难点分析】

重点：能的转化和守恒定律，强调能的转化和守恒定律是自然科学中最基本定律。

难点：运用能的转化和守恒原理计算一些物理习题；运用能的转化和守恒定律对具体的自然现象进行分析，说明能是怎样转化的。

【教具准备】

单摆

【教学过程】

引入新课

问题：刀具在砂轮上磨削时，为什么会刀具发热？

学生回答：原因是通过摩擦力做功，机械能转化为内能。

问题：在暖气片上放有一瓶冷水，过一段时间后水会出现什么现象？出现这一现象的原因？

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学生回答：变热，这是通过热量传递使这瓶水内能增加。

老师引导：这些实例中，物体的内能增加了，是由其他形式能转化来的或是从其他物体转移来的，今天要学习能的转化和转移过程中数量之间有什么关系？

新课教授

一、能量守恒定律

1．什么是能量，做功的本领，功是能量转化的量度。

例题：用恒力F竖直向上拉一物体，使其由地面处开始加速上升到某一高度。若该过程空气阻力不能忽略，则下列说法中正确的是(

) A．力F做的功和阻力做的功之和等于物体动能的增加量

B．重力所做的功等于物体重力势能的增加量

C．力F做的功和阻力做的功之和等于物体与地球系统机械能的增加量

D．力F、重力、阻力三者的合力所做的功等于物体机械能的增加量

2．不同形式的能之间，在一定条件下可以相互转化

设疑：

①太阳能发电：太阳能→电能；

②水电站：机械能→电能；

③水果电池：化学能→电能；

④光合作用：光能→化学能。

归纳：在一定条件下，各种形式的能量可以相互转化和转移。

3．能量再转移和转化过程中遵循什么样的规律呢？

⑴机械能在转化过程中守恒

演示牛顿摆摆摆动过程：

①回忆机械能之间是如何转化的：重力势能→动能→重力势能。

②解释每次达到最高点很接近的原因：如果没有摩擦时机械能守恒。

③得到结论：最初具有的机械能=最末物体具有的机械能+转化为其他形式的能即总能量守恒。

归纳：能量在转移过程中是守恒的。

结论：大量事实证明，在普遍存在的能量的转化和转移过程中，消耗多少某种形式的能量，

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就得到多少其他形式的能量。如在热传递过程中，高温物体放出多少热量（减少多少内能），低温物体就吸收多少热量（增加多少内能）；克服摩擦力做了多少功，就有多少机械能转化为内能，但能量的总量不变。

以上规律是人类经过长期的实践探索，直到19世纪，才确立了这个自然界最普遍的定律枣能量的转化守恒定律。通常把它表述为：

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，在转化或转移的过程中其总量保持不变。

【小结】

能量的转化和守恒定律是自然界最普遍的、最重要的定律之一。

（1）能量守恒定律普遍适用。在形形色色的自然现象中，只要有能量的转化，就一定服从能量守恒规律。从物理的、化学的现象到地质的、生物的现象，大到宇宙天体的演变，小到原子核内部粒子的运动，都服从能量守恒的规律。

（2）能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系。自然界的各种现象都不是孤立的，而是相互联系的。电灯发光跟电流有联系，电能转化为光能反映了这种联系。植物生长更不是孤立的，要靠阳光进行光合作用才能生长，光能转化为化学能反映了这种联系。

（3）能量守恒定律是人类认识自然的重要依据。人类认识自然，就要根据种种自然现象，总结规律，能量守恒定律就是人类总结出的规律之一，而且人类认识的其他规律也必定符合能量守恒定律。1933年意大利科学家费米，在研究β衰变的过程中发现，能量不守恒。于是他根据能量守恒定律大胆预言了还有一种未发现的粒子，这就是现在已被科学界公认的中微子。这一事例说明了能明守恒定律，已成为人类认识自然的重要依据。

（4）能量守恒定律是人类利用自然的重要武器。纵观人类科学技术进步的历史，也是一部认识能量、利用能量、实现能量转化的历史。从原始人钻木取火，到水能利用；从蒸汽机发明，到电能的利用；从太阳能，到核能的利用。人类总是在认识、利用能源，逐步实现能量的转化。

二、能量守恒定律的理解与应用

1．适用范围：能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律．

2．对能量守恒定律的理解

某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．

某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．

3

3．能量守恒定律的表达式

从能的转化角度看，ΔE增＝ΔE减．

4．能量守恒定律应用的关键步骤

(1)明确研究对象和研究过程．

(2)找全参与转化或转移的能量，明确哪些能量增加，哪些能量减少．

(3)列出增加量和减少量之间的守恒式．

【考点】能量守恒定律的理解与基本应用

【题点】摩擦生热及内能的理解与计算

针对训练1

一弹珠弹射玩具模型如图3所示，水平粗糙管AB内装有一轻弹簧，左端固定．竖直放置光滑管道BCD，其中CD为半径R＝0.1 m的四分之一圆周，C点与地面间的高度H＝0.1 m，用质量m1＝0.2 kg的弹珠(可看成质点)将弹簧缓慢压缩到某一确定位置M，弹珠与弹簧不固连．由静止释放后弹珠恰能停在D点．用同种材料、质量m2＝0.1 kg的弹珠仍将弹簧缓慢压缩到M点再由静止释放，弹珠由D点飞出后落在与D点正下方D′点相距x＝0.8 m处．g取10 m/s2.求：弹簧被缓慢压缩到M点时储存的弹性势能；

解析

弹珠m2由D点飞出后做平抛运动，有

1H＋R＝gt2

2得t＝0.2 s xm2从D点飞出时的速度大小vD＝＝4 m/s t研究弹珠从释放到D点的过程，由能量守恒定律得：

释放m1的过程，有Ep＝μm1gxMB＋m1g(H＋R) 1释放m2的过程，有Ep＝μm2gxMB＋m2g(H＋R)＋m2vD2

2解得Ep＝1.6 J 练习1．(能源的利用)关于能源的开发和应用，下列说法中正确的是(

) A．能源应用的过程就是内能转化为机械能的过程

B．化石能源的能量归根结底来自于太阳能，因此化石能源永远不会枯竭

C．在广大的农村推广沼气意义重大，既变废为宝，减少污染，又大量节约能源

D．随着科学技术的发展，煤炭资源将取之不尽、用之不竭

答案

C 解析

能源应用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程，各种转化形式均可为人类服

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务，A错误；化石能源的能量虽然来自太阳能，但要经过数亿年的地质演变才能形成，且储量有限，为不可再生能源，B错误；在广大农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大，功在当代，利在千秋，C正确；无论技术先进与否，煤炭资源不可能取之不尽、用之不竭，D错误．

练习2．(能量守恒定律)如图所示，质量为m的小铁块A(A的长度可忽略)以水平速度v0从左侧冲上质量为m1、长为l、置于光滑水平面C上的木板B，刚好不从木板上掉下，已知A、B间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g，此时木板对地位移为x1，求这一过程中：

(1)木板增加的动能；

(2)小铁块减少的动能；

(3)系统机械能的减少量；

(4)系统产生的热量．

答案

(1)μmgx1

(2)μmg(x1＋l)

(3)μmgl

(4)μmgl

1解析

(1)对木板B，根据动能定理得μmgx1＝m1v2－0 2所以木板增加的动能ΔEkB＝μmgx1. (2)滑动摩擦力对小铁块A做负功，根据能量关系可知

11ΔEkA＝mv2－mv02＝－μmg(x1＋l) 22即小铁块的动能减少了μmg(x1＋l) (3)系统机械能的减少量为

ΔE减＝－ΔEkA－ΔEkB＝μmgl. (4)根据能量守恒定律，系统减少的机械能全部转化为内能，

则Q＝ΔE减＝μmgl. 三、能源的利用与新能源的开发

能源指的是能够提供某种形式能量的物质资源。这里可利用能量包括机械能、热能、电能、化学能、原子能等．

能源与人类的关系十分密切，能源利用方式的改进极大地提高了劳动生产效率，给人类的生活带来了极大的改善。

能源危机是世界性问题，在我国，这一问题更为突出．教学中，可列举大量的事实是学生认识到节约能源的重要性．学生对诸如酸雨、温室效应、城市热岛效应不会陌生，但这些现象是怎样产生的呢?教师可要求学生查找有关资料，写一篇如《谁污染了我们的环境?》等类的

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文章，弄清环境污染的主要来源，最好经过调查提出解决的办法或建议．

我国的能源问题非常的饿严峻，大家考虑一下有什么办法可以缓解或更好的办法来解决我国的能源问题？解决能源问题的主要出路再何方？

我们把化石燃料、水流能、风能等人类早就应用的能源叫做常规能源。

把核能、太阳能、地热能、潮汐能等新近才开始利用的能源叫做新能源。

解决能源问题的主要出路（所有数据老师把握，整个新能源的得出由学生分组讨论得到）

教师：开发和利用新能源是人类解决能源问题的主要出路。我国虽然蕴藏着丰富的煤炭资源，新油田也在不断被发现，但是我国人口众多，能耗巨大，节约常规能源的消耗，开发和利用新能源仍是我国的一项重要任务。

（1）.核能

核能是康价的清洁能源，核电占世界电能的17％，已建核电装置400余座。但是由于核电站的安全与废料处理问题，目前核电发展缓慢。尽管如此，核电装置的改进仍在不断地进行，其中有不少材料问题，现仅就正在开发的两类核电装置分述如下。

快中子增殖堆：现行裂变反应堆所用燃料都是235U，而铀矿中235U含量只有0.7％，98％以上是238U。快中子增殖堆就是将238U吸收一个中子转变为239Pu，以此为燃料可使铀的利用率达70％。1200MW的快堆在法国己运行多年，但这种堆型存在一个严重的材料问题，即液体钠的腐蚀，以致造成了多次泄漏事故。同时，半衰期很长的239Pu，也可造成严重污染。最近提出的“加速器驱动的核反应堆”设想，就是利用擅变原理使239Pu，自循环，从而解决污染问题，我国在这方面正开展基础研究工作。

可视为永久能源的聚变堆：两个轻原子融合成重原子叫核聚变，它比核裂变产生的能量更大。氖和氟是氢的同位素，它们在一定条件下发生聚变反应，释放能量。海水中氛含量为0.034ｇ/kg，全球海水中氖含量多达ｌ0Uｔ，而每克氖相当100Ｌ汽油，所以说一旦聚变堆开发成功，将成为永久能源.聚变反应的点火温度高达5×108℃，在2×10-10秒内注入100万Ｊ的能量。目前欧美都己点火成功，但距商业化很远，要在2050年或更长的时间才有可能。我国也有两台实验装置，用以探索物理原理，也可做一些材料研究。核聚变装置对材料要求十分苛刻，如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等。因此，材料是聚变堆能否实用化的关键因素。

（2）.太阳能（在有太阳光的地方展示太阳能电池板收集太阳能可以带动小电风扇旋转）

太阳照射到地面的能量相当于全球能耗（1.1×1010kW）的1.6万倍，既无污染，又是永久性能源。可惜太阳辐射到地球的能量密度太低，只有1kW/m2，，还受气候影响。太阳能的利

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用形式主要有两种:－是热能的直接利用，如利用镜面或反射槽将太阳光聚焦在收集器上，由中间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电，美国单台容量己达80MW；另一种形式是利用小型太阳能装置为房屋采暖供热，现己大量应用。

（3）.风力发电

太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。风能与风速密切相关，我国沿海与西北地区的风力资源丰富，大有作为，但风车材料是关键。－个2.5MW的风车，转子叶片直径要80ｍ，包括传动箱的总重达30t；风车高近百米，用材几百吨。风车叶片耍有足够的强度和抗疲劳性能（全寿命转数要求109以上），目前主要采用玻璃钢或碳纤维增强塑料，正向增强木材发展。虽然风能发电装置造价较高（1000美元／kW），但电价可与常规能源相比具有较强的可操作性。

（4）.氢能

氢被认为是理想能源，热值高、无污染。但是氢作为能源，存在两个问题，一是氢的来源，只能通过电解水，太阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制氢，这就需要消耗能源；二是氢在存储、运输及应用过程中容易发生爆炸，加」氢对材料产生氢脆、氢腐蚀，以及氢渗漏等，所以近年来对储氢材料的研究很多。－种储氢方式是将材料与氢结禽成为氢化物，需要时加热放氢，放完后还可继续充氢。同时储氢材料又是高能蓄电池的负极。储氢材料都是金属间化合物。这些金属间化合物比重大，并有中毒问题，限制了其应用并且成本很高。目前正在研究的纳米碳管，其储氢能力数倍于LaNi5受到广泛关注。国内外一些厂家利用上述储氢合金制造氢能汽车，但由于有些技术问题有待解决，价格又无竞争能力，离产业化尚远。

四、经典力学的成就与局限性

1、经典力学的成就

重 大 成 就

阿基米德发现浮力定律

开普勒发现行星运动定律

伽利略阐明运动的相对性原理

伽利略发现自由落体运动规律、惯性原理

时 间

公元前三世纪

1609，1619

1632

1638

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帕斯卡发现帕斯卡原理

马德堡半球实验验证大气压力

发现胡克定律——弹簧弹力和形变的关系

牛顿发表《自然哲学的数学原理》，阐明了运动定律和万有引力定律

2、经典力学的局限性

⑴

经典力学只适用于处理物体的低速运动（v <

1653

1663

1678

1687

⑵

经典力学只适用于宏观世界，不适用于微观领域中物质结构和能量不连续的现象；

⑶

经典力学规律只在惯性参考系中成立。

经典力学规律只能用于宏观（>10-10m)、低速（与光速相比）、弱场强（例如地球附近）的情形，且只在惯性参考系中成立。

五、课堂小结

一、能量守恒定律

表达式：

E初＝E终；△E增＝△E减

二、能源的利用

1.人类利用能源大致经历了三个时期，即:柴草时期，煤炭时期，石油时期。

2.开发新能源：风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能和核能等

二、经典力学的成就与局限性

宏观、低速、弱场、惯性系

【板书设计】

总结反思

整个这节课的要求资料准备充分。课型本人主张开放性教学。在随意、自由的课堂讨论中学习物理知识，达到教学目的。教学但不感觉到课堂的局限，寓教于乐，寓教于无形。学生的大胆发言是老师首要提倡的。物理口头表达能力的培养也是这一节课的训练重点。着重改变学生有水倒不出的难题，提高他们的思维表达能力在这堂课的教学中尤为重要。不拘泥于备课资料，随堂应变，充分调动学生的积极性活跃课堂。主题是培养学生的忧患意识、节能意识、环保意识和对社会发展的主人翁精神。

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