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第二十章　能源、材料与社会
能量的转化与守恒
知识与技能：
1．了解能量及其存在的不同形式。
2．通过实验，认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化。
3．知道能量守恒定律，有用能量转化与守恒观点分析问题的意识。
4．知道能量转移与转化的方向性。
过程与方法：
通过探究能量的转移与转化、能量守恒定律，初步认识科学研究方法的重要性；通过对能量的转化与守恒的学习，能书面或口头表述自己的观点，有初步的信息交流能力。
情感、态度与价值观：
1．通过了解多种形式的能量及能量的转化与守恒，养成实事求是、尊重自然规律的科学态度。
2．通过探究能量守恒定律，增强对科学探究的兴趣，培养学生的合作与交流能力，感悟物理与生活的和谐关系。
重点：知道能量守恒定律，解释一些常见现象中能量转化的问题。
难点：理解能量转移与转化的方向性。
多媒体课件、皮球。
一、情景导入
达·芬奇是意大利著名的画家、科学家，他曾经设计了一个“永动机”，如图所示。达·芬奇认为，右边的钢球比左边的钢球离轮心更远些，致使两边受力不均衡，轮子会沿箭头方向转动不息。
你认为这种“永动机”能够实现吗？学完本节内容，你就能明白了。
二、合作探究
　多种形式的能量
前面我们已经学过机械能、电能和内能，你还知道哪些其他形式的能量？请举例说明。
多媒体展示图片：各种形式的能量。
同学们交流讨论上面图片中各种物体所具有的能量并归纳自然界中能量的类别。
(1)自然界中能量的类别：机械能、电能、内能、化学能、核能等。
(2)化学能：由于化学反应而产生的能量。木材燃烧时产生的光和热就来源于木材里储存的化学能。人体运动所消耗的能量都来源于食物里储存的化学能。
(3)核能：由于核反应，物质的原子核结构发生变化而产生的能量。
核能的发展进程
第一代核电站。核电站的开发与建设开始于20世纪50年代。1954年，前苏联建成发电功率为5兆瓦的实验性核电站；1957年，美国建成发电功率为9万千瓦的Ship Ping Port原型核电站。这些成就证明了利用核能发电的技术可行性。国际上把上述实验性的原型核电机组称为第一代核电机组。
第二代核电站。20世纪60年代后期，在实验性和原型核电机组基础上，陆续建成发电功率30万千瓦的压水堆、沸水堆、重水堆、石墨水冷堆等核电机组，他们在进一步证明核能发电技术可行性的同时，使核电的经济性也得以证明。目前，世界上商业运行的400多座核电机组绝大部分是在这一时期建成的，习惯上称之为第二代核电机组。
第三代核电站。20世纪90年代，为了消除三里岛和切尔诺贝利核电厂爆发事故的负面影响，世纪核电业界集中力量对严重事故的预防和缓解进行了研究和攻关，美国和欧洲先后出台了《先进轻水堆用户要求文件》(URD文件)和《欧洲轻水堆用户要求文件》(EUR文件)，进一步明确了预防与缓解严重事故，提高安全可靠性等方面的要求。国际上通常把满足URD文件或EUR文件的核电机组称为第三代核电机组。对第三代核电机组要求是能在2010年前进行商用建造。
第四代核电站。2000年1月，在美国能源部的倡议下，美国、英国、瑞士、南非、日本、法国、加拿大、巴西、韩国和阿根廷共10个有意发展核能的国家，联合组成了“第四代国际核能论坛”，与2001年7月签署了合约，约定共同合作研究开发第四代核能技术。
　能量的转移与转化
自然界中，能量不但可以从一个物体转移到另一个物体，而且可以从一种形式转化为另一种形式。那么它们是如何转移与转化的呢？
同学们分组交流讨论下列过程中能量转化或转移的情况：(1)火箭点燃后腾空而起(化学能转化为内能，内能再转化为机械能)；(2)电灯通电后发光、发热(电能转化为光能和内能)；(3)冬天用暖水袋捂手，手变热(内能从暖水袋转移到手上)；(4)植物的光合作用(太阳能转化为化学能)。
(1)各种形式的能量在一定条件下都可以相互转化，地球上的能量主要来源于太阳。
(2)能量转移与转化的区别：能量的转化过程中，能量的形式发生改变；而转移过程中，能量的形式不变。
　 能量守恒定律
多媒体播放视频：单摆摆动实验。(视频详见教学课件)
(1)同学们观察单摆的摆动有什么特点。
(2)单摆在摆动过程中能量是怎么变化的，总能量守恒吗？
取出课前准备的皮球，将它从某一高度由静止释放，观察皮球每次反弹高度的变化。(皮球反弹高度越来越低)
皮球反弹过程中为什么反弹的高度越来越低，其中损失的机械能到哪里去了？
同学们交流讨论后回答：(1)单摆中的小球在摆动过程中，势能与动能不断地相互转化，其机械能应该是守恒的，但在实际运动过程中，一部分机械能转化为内能，总的能量还是守恒的；(2)皮球反弹的高度越来越低，损失的机械能转化为内能散失在空气中。
能量守恒定律：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其他物体，而能的总量保持不变。
永动机是不可能造成的
很早以前，人类就开始利用自然力为人类服务，大约到了十三世纪，开始萌发了制造永动机的愿望。到了十五世纪，伟大的艺术家、科学家和工程师达·芬奇(Leonardo da Vinci 1452～1519)，也投入了永动机的研究工作。他曾设计过一台非常巧妙的永动机，但造出来后它并没永动下去。1475年，达·芬奇认真总结了历史上的和自己的失败教训，得出了一个重要结论：“永动机是不可能造成的”。在工作中他还认识到，机器之所以不能永动下去，应与摩擦有关。于是，他对摩擦进行了深入而有成效的研究。但是，达·芬奇始终没有也不可能对摩擦为什么会阻碍机器运动作出科学解释，即他不可能意识到摩擦(机械运动)与热现象之间转化的本质联系。
此后，虽然人们还是致力于永动机的研制，但也有一部分科学工作者相继得出了“永动机是不可能造成的”结论，并把它作为一条重要原理用于科学研究之中。荷兰的数学家、力学家斯台文(Simon Stevin 1548～1620)，于1586年运用这一原理通过对“斯台文链”的分析，率先引出了力的平行四边形定则。伽俐略在论证惯性定律时也应用过这一原理。
尽管原理的运用已取得了如此显著的成绩，但人们研制永动机的热情不减。
惠更斯(Christiaan Huygens 1629～1695)，在他1673年出版的《摆式时钟》一书中就反映了这种观点。书中，他把伽俐略关于斜面运动的研究成果运用于曲线运动，从而得出结论：在重力作用下，物体绕水平轴转动时，其重心不会上升到它下落时的高度之上。因而，他得出用力学方法不可能制成永动机的结论；但他却认为用磁石大概还是能造出永动机来的。针对这种情况，1775年，巴黎科学院不得不宣布：不再受理关于永动机的发明。
历史上，运用“永动机是不可能制成的”这一原理在科研上取得最辉煌成就的是法国青年科学家卡诺(Sadi Carnot 1796～1832)。1824年，他将该原理与热质说结合推出了著名的“卡诺定理”。定理为提高热机效率指明了方向，也为热力学第二定律的提出奠定了基础。但这里要特别强调的是，卡诺虽然将永动机不能造成的原理运用于热机，但他的思想方法还是“机械的”。他在论证时将热从高温热源向低温热源的流动同水从高处向低处流动类比，认为热推动热机做功就像水推动水轮机做功一样，水和热在流动中并无任何损失。
可见，从1475年达·芬奇提出“永动机是不可能造成的”起，到1824年卡诺推出“卡诺定理”为止，原理只能在机械运动和“热质”流动中运用，它远不是现代意义上的能量的转化和守恒定律，它只能是机械运动中的能量守恒的经验总结，是定律的原始形态。
1891年，亥姆霍兹(Hermannvon Helmholtz 1821～1894)，在回顾他研究力的守恒定律的起因时说：“如果永动机是不可能的话，那么在自然条件下的不同的力之间应该存在什么样的关系呢？而且，这些关系实际上是否真正存在呢？”可见，“永动机是不能造成的”还很肤浅，要认识它的深刻的内涵，还须人们付出艰苦的劳动。
　能量转移与转化的方向性
汽车刹车时，由于摩擦，机械能转化为地面和空气的内能；当汽车再次启动时，这些内能还能转化为机械能重新利用吗？冬天，暖气片把热水的内能传递给房间里的空气，供人取暖；还能把这些内能重新收集起来，供明年冬天再次利用吗？
同学们交流讨论上述问题，并列举出其他生活实例说明能量转移与转化的方向性。
能量的总量虽然不变，但是能量的转化和转移具有方向性。在利用能量的过程中，会有一部分成为“无用的能量”(能量耗散)。
第一节　能量的转化与守恒
完成本课时对应练习。
本节课运用了新的课程概念，在教学过程中，我尽量地举出身边的实例，并播放一些相关视频，将枯燥的说教变成动态影像呈现给学生，激发学生的学习兴趣，这样会给学生以直观的视觉效果，留下深刻的印象，使他们更能理解和学习本节课的相关内容。在教学过程中，鼓励学生敢于发表自己的见解，培养学生主动与他人合作的能力，鼓励学生勇于放弃或修正自己的错误观点，有利于提高学生的表达能力，使科学的规律得以突显，帮助学生加深对科学规律的认识，任何科学规律都来源于科学实践。

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