资源简介

5.3 《能量的转化与守恒》课时教案
学科 物理 年级册别 高二上册 共1课时
教材 粤教版高中物理必修第三册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于粤教版高中物理必修第三册第五章第三节，是能量观念形成的关键节点。教材从生活实例出发，引导学生认识能量在不同形式之间的转化，并通过实验和理论推导建立能量守恒定律的基本框架。本节内容承前启后，既是对功和能关系的深化，也为后续学习热力学第一定律、电磁感应中的能量问题打下基础。其核心价值在于帮助学生构建“能量不灭、形式可变”的科学图景。
学情分析
高二学生已具备一定的力学基础，掌握了动能、重力势能、弹性势能等基本概念，也理解了功是能量转化的量度。但对能量转化的普遍性认识尚浅，容易将能量守恒局限于机械能守恒情境。学生思维正由经验型向理论型过渡，具备一定抽象思维能力，但对宏观与微观能量转换的统一性理解存在困难。部分学生在面对复杂系统能量分析时缺乏系统思维，需通过情境化任务和合作探究突破认知障碍。
课时教学目标
物理观念
1. 能列举生活中能量转化的实例，理解能量可以在不同形式之间相互转化，如机械能转化为内能、电能转化为光能等。
2. 能准确表述能量守恒定律的内容，理解“总量保持不变”是自然界最普遍、最基本的规律之一。
科学思维
1. 能运用能量转化与守恒的观点分析实际问题，构建系统的能量流动图，提升模型建构能力。
2. 能通过对比分析机械能守恒与能量守恒的区别与联系，发展批判性思维和逻辑推理能力。
科学探究
1. 能设计并参与“单摆小球摩擦生热”实验，观察非保守力做功导致机械能减少的现象，提出能量去向的猜想。
2. 能基于实验现象和已有知识，进行小组合作探究，论证能量并未消失而是转化为其他形式。
科学态度与责任
1. 通过了解永动机失败的历史案例，体会科学规律的客观性，培养实事求是的科学态度。
2. 能结合能源危机现实，认识到节约能源的重要性，树立可持续发展的责任感。
教学重点、难点
重点
1. 理解能量可以在不同形式之间相互转化。
2. 掌握能量守恒定律的基本内容及其普适性。
难点
1. 理解“消失”的机械能实际上转化为了不易察觉的内能等其他形式。
2. 建立系统观，能在复杂情境中正确划分系统边界并分析能量流动。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法
教具准备
单摆装置（带温度传感器）、多媒体课件、永动机动画视频、能量转化卡片
教学环节 教师活动 学生活动
创设情境，激发疑问
【5分钟】 一、播放永动机幻想视频，引出核心矛盾。 （一）、展示历史上的永动机设计图：
教师在大屏幕上依次播放达·芬奇的“永动轮”、17世纪的“重力永动机”等经典失败设计动画，同时配以低沉而富有哲思的背景音乐。随后，教师缓缓说道：“人类曾无数次梦想制造出无需外界供能就能永远运转的机器——永动机。这些精巧的设计，承载着对无限能源的渴望。然而，三百年来，无数尝试都归于失败。为什么看似完美的构思，最终都停摆？这背后，是否隐藏着一条不可违背的自然铁律？”
（二）、提出驱动性问题，点燃探究欲望。
教师暂停视频，目光扫视全班，用充满悬念的语调提问：“如果能量真的可以凭空产生，那我们还需要发电厂吗？如果能量会无故消失，那太阳为何能持续燃烧数十亿年？今天，就让我们化身‘能量侦探’，穿越生活现象的迷雾，揭开‘能量转化与守恒’的终极密码。我们的破案线索，就藏在每一个看似平常的瞬间。”
（三）、引入主线任务：能量侦探破案记。
教师宣布本节课的学习将以“能量侦探破案记”为主线任务展开。每位同学都是能量侦探，任务是调查三个“能量失踪案”：单摆为何越摆越低？滑梯底部的孩子为何屁股发热？手机充电后为何能持续使用？侦探们需要收集证据、分析线索，最终提交一份《能量守恒定律结案报告》。这份报告将成为本节课的知识结晶。 1. 观看视频，感受永动机的奇妙与失败的必然。
2. 思考教师提出的哲学性问题，产生认知冲突。
3. 明确“能量侦探”的角色定位和学习任务。
4. 对“能量失踪案”产生强烈的好奇心和探究欲。
评价任务 观看专注：☆☆☆
问题思考：☆☆☆
任务理解：☆☆☆
设计意图 通过永动机这一极具历史深度和哲学意蕴的情境，制造强烈的认知冲突，激发学生深层思考。引用“时代的一粒尘，落到一个人身上那就是一座山”，类比“自然的一条律，落到一个系统就是不可逾越的边界”，暗示能量守恒的绝对性。主线任务“能量侦探破案记”赋予学习以游戏化和项目化特征，使抽象定律的探索过程变得生动有趣、目标明确。
实验探究，初识转化
【12分钟】 一、动手实验：单摆的能量去哪了？ （一）、演示并指导单摆实验操作流程。
教师取出一套改进型单摆装置：摆球为金属材质，悬挂在细线上，下方固定一个高精度红外温度传感器。教师先演示标准操作：将摆球拉至某一高度静止释放，使其在空气中自由摆动。同时，连接传感器的数据采集系统实时显示摆球表面温度变化曲线。“现在，请大家注意观察摆球的运动幅度和它表面的温度读数。”教师提醒道，“我们的第一个案件就是：摆动过程中，机械能似乎减少了，这部分能量究竟去了哪里？”
（二）、组织学生分组观察记录实验数据。
学生四人一组，每组一套实验装置。教师下达指令：“开始实验！请一名同学负责释放摆球，一名同学用慢镜头手机拍摄摆动过程，一名同学紧盯温度显示屏，最后一名同学负责记录：摆动次数与对应温度值。重复三次实验，取平均值。”教室里顿时忙碌起来，学生们屏息凝神，仔细捕捉每一次摆动的高度衰减和温度的细微上升。有学生惊呼：“老师！温度真的在升高！从23.1℃升到了23.4℃！”
（三）、引导分析数据，构建能量转化链条。
待各组完成实验，教师邀请一组代表上台展示他们的数据表和温度变化图。“你们发现了什么规律？”教师追问。“摆得越高，初始机械能越大；摆动次数越多，温度升高越明显。”学生回答。“那么，减少的机械能和升高的温度之间有什么关系？”教师继续引导。“空气阻力做了负功，消耗了机械能，这部分能量转化成了摆球和空气的内能！”学生恍然大悟。教师随即在黑板上画出能量流动箭头：机械能 → 内能，并强调：“能量没有消失，只是换了‘马甲’！” 二、拓展延伸：生活中的类似现象。 （一）、联系生活实例，强化感知。
教师趁热打铁：“其实，这样的‘能量改头换面’在生活中无处不在。当你用力搓手，手为什么会热？骑自行车急刹车时，刹车片为什么会发烫？流星进入大气层为何会燃烧？”学生们争相回答：“摩擦生热！动能转化成了内能！”教师点头赞许：“没错，这些都是机械能向内能转化的明证。能量侦探们，你们已经破解了第一个案件！” 1. 分组操作单摆实验，观察摆动衰减现象。
2. 记录摆动次数与摆球表面温度的变化数据。
3. 分析数据，发现机械能减少与内能增加的关联。
4. 口头陈述“机械能→内能”的转化结论。
评价任务 操作规范：☆☆☆
数据准确：☆☆☆
结论合理：☆☆☆
设计意图 通过亲手实验，学生直观感受到“消失”的机械能转化为了可测量的内能，突破“能量会凭空消失”的迷思。改进的单摆装置将不可见的内能变化可视化，极大增强了说服力。分组合作培养团队协作能力，数据分析过程锻炼科学探究素养。从实验到生活的迁移，使知识落地生根，真正实现“从物理走向社会”。
情境深化，全面认知
【10分钟】 一、案例研讨：滑梯上的能量之旅。 （一）、播放儿童滑滑梯慢动作视频。
教师播放一段高清慢动作视频：一个孩子从滑梯顶端滑下，到达底部时用手摸了摸臀部，做出“好烫”的表情。画面定格在此刻。“这是我们的第二个案件。”教师说，“孩子的重力势能转化为了动能，但他为什么觉得屁股发热？这中间发生了什么？”
（二）、组织小组绘制能量转化流程图。
学生再次分组，每组发放一张A3白纸和彩色笔。“请各位侦探绘制‘孩子滑滑梯’全过程的能量转化流程图。要包括起点、终点、所有中间环节及能量形式。”教师巡视指导，提示：“考虑孩子与滑梯的接触面、空气阻力、身体感受。”学生们热烈讨论，有的画出“重力势能→动能+内能（摩擦）+声能（吱呀声）”的分支图，有的还加上了“少量光能（火花）”。
（三）、展示交流，完善认知模型。
教师选取三组具有代表性的流程图投影展示，并邀请作者解说。“我们组认为，大部分能量用于克服摩擦做功，转化为内能，所以屁股热；还有部分转化为声音；极少数可能因静电产生微弱光能。”解说完毕，教师补充：“非常棒！你们不仅看到了主要路径，还关注到了次要通道。这说明能量转化往往是多路径、多形式的。” 二、跨领域链接：电能的千变万化。 （一）、展示日常电器能量转化卡片。
教师出示一套精心制作的卡片：电灯（电能→光能+内能）、电风扇（电能→机械能+内能）、手机充电（电能→化学能）、音响（电能→声能）。随机抽取几张，请学生快速说出转化路径。“这告诉我们，能量转化绝不仅限于力学领域，在电磁、化学等领域同样普适。”
（二）、揭示能量守恒的普遍意义。
教师总结：“无论是天体运行、生命活动，还是科技产品，背后都遵循着同一条规则——能量不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会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，而在转化和转移的过程中，总量保持不变。” 1. 观看视频，识别滑梯中的能量现象。
2. 小组合作绘制完整的能量转化流程图。
3. 展示并解说本组的能量转化模型。
4. 快速匹配电器与其对应的能量转化路径。
评价任务 流程完整：☆☆☆
形式多样：☆☆☆
表达清晰：☆☆☆
设计意图 滑梯案例贴近学生童年体验，极易引发共鸣。通过绘制流程图，学生主动建构知识网络，提升系统思维能力。电器卡片游戏化复习，拓宽能量转化的视野。教师适时点拨，将具体案例升华到普遍规律，帮助学生形成“能量守恒是自然界统一性基石”的深刻认识，实现从现象到本质的飞跃。
定律建构，形成共识
【8分钟】 一、归纳总结：能量守恒定律的诞生。 （一）、引导学生自主提炼定律表述。
教师提问：“综合以上所有案件，能量侦探们，你们能否用自己的语言，总结出这条贯穿始终的‘自然铁律’？”学生们纷纷举手。“能量总量是不会变的！”“能量只会变身，不会消失！”“一种少了，另一种就会多！”教师将关键词写在黑板上，然后整合为标准表述：“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别的物体，在转化和转移过程中其总量保持不变。”
（二）、讲解定律的发现史，致敬科学先驱。
教师深情讲述：“这条定律并非一人之功。19世纪，迈尔、焦耳、亥姆霍兹等科学家通过大量实验和哲学思辨，逐步确立了它。焦耳甚至花了十年时间，精确测量了热功当量，证明了机械能与内能的等价性。他们的坚持告诉我们：真理往往藏在细节之中，唯有严谨求实，方能窥见宇宙的秩序。”
（三）、辨析机械能守恒与能量守恒。
教师画出两个同心圆：“外圈是‘能量守恒’，适用于任何孤立系统；内圈是‘机械能守恒’，仅当只有重力或弹力做功时成立。前者是普遍真理，后者是特殊情形。就像‘哺乳动物’与‘人类’的关系。” 1. 基于证据尝试口头表述能量守恒思想。
2. 聆听科学史，感受科学家的探索精神。
3. 理解能量守恒与机械能守恒的包含关系。
4. 记录并朗读定律的标准表述。
评价任务 表述准确：☆☆☆
史实理解：☆☆☆
概念区分：☆☆☆
设计意图 让学生经历“现象→数据→规律→定律”的完整科学发现过程，而非被动接受结论。科学史的融入，使冰冷的定律有了温度，培养学生尊重科学、敬畏规律的情感。通过集合图对比，厘清易混淆概念，构建清晰的认知结构。此环节是思维的凝练与升华。
应用迁移，巩固提升
【7分钟】 一、解决第三个案件：手机的能量之谜。 （一）、呈现手机充放电全过程情境。
教师提问：“最后一个案件：晚上给手机充电，电能去了哪里？白天使用手机时，这些能量又如何释放？”学生迅速反应：“充电时，电能转化为电池里的化学能储存起来；使用时，化学能再转化为电能，驱动屏幕、芯片、扬声器，最终变成光、声、热等。”
（二）、计算能量利用效率，渗透节能意识。
教师补充：“但请注意，充电器本身会发热，手机运行时也会发热。这意味着并非所有输入的电能都有效利用。假设充电效率为80%，使用时又有10%的能量以热能散失，那么真正用于信息处理的有效能量占比是多少？”引导学生计算：80% × 90% = 72%。“可见，能量转化总有损耗。因此，随手关灯、合理充电，就是在尊重自然规律的基础上珍惜资源。” 二、回应开头：永动机为何不可能？ （一）、用能量守恒定律终结永动机幻想。
教师回到课堂伊始的永动机话题：“现在，谁能用我们刚刚发现的‘自然铁律’，彻底驳倒永动机？”学生自信回答：“任何机器运转都会因摩擦、电阻等原因损失能量，转化为内能散失。若无外界补充，总能量递减，终将停止。永动机违反了能量守恒定律，注定失败。”
（二）、升华主题：在规律中寻求创新。
教师总结：“虽然我们无法创造能量，但我们可以更高效地利用它。太阳能、风能的开发，正是人类在尊重规律的前提下，向自然‘借力’的智慧体现。真正的创新，不是挑战规律，而是驾驭规律。” 1. 分析手机充放电过程中的能量转化路径。
2. 计算简单情境下的能量利用效率。
3. 运用能量守恒原理解释永动机的不可能性。
4. 理解高效利用能源的现实意义。
评价任务 路径清晰：☆☆☆
计算正确：☆☆☆
解释有力：☆☆☆
设计意图 手机案例极具时代感，贴近学生生活，增强知识的实用性。通过计算效率，将抽象定律量化，培养学生的工程思维和节能意识。首尾呼应，用所学定律彻底解决导入问题，形成闭环，让学生体验“学以致用”的成就感。最后的升华，引导学生辩证看待科学规律与技术创新的关系。
课堂总结，情感升华
【3分钟】 一、结构化回顾核心知识点。 （一）、带领学生梳理本节课知识脉络。
教师用思维导图形式快速回顾：“今天我们侦破了三起能量失踪案，最终发现——能量从未失踪，它只是在不同形式间转化。我们确立了能量守恒定律这一自然界最伟大的法则之一，理解了其普适性与绝对性。它像一位沉默的守护者，默默维系着宇宙的平衡与秩序。”
二、激励性展望未来学习。 （一）、预告后续课程，埋下探索伏笔。
“但这还不是故事的全部。在热学中，我们将学习热力学第一定律——它是能量守恒在热现象中的具体体现；在电磁学中，LC振荡电路的能量交换将展现另一番奇妙图景。能量的故事，远未结束。”
（二）、以诗意语言结束本课。
“同学们，爱因斯坦曾说：‘宇宙最不可理解之处，就在于它是可以理解的。’能量守恒定律，正是我们理解宇宙的一把金钥匙。它告诉我们：世间万物，皆在流转；生生不息，唯守恒而已。愿你们今后无论面对何种难题，都能想起今天的探索——在纷繁变化中，寻找那不变的守恒之美。” 1. 跟随教师回顾本节课的主要知识框架。
2. 了解后续相关课程内容，产生期待感。
3. 聆听教师的诗意总结，获得情感共鸣。
4. 思考能量守恒的哲学与美学意义。
评价任务 知识梳理：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
未来期待：☆☆☆
设计意图 采用“结构化总结+激励性升华”相结合的方式。先系统回顾知识，强化记忆；再展望未来，激发持续学习兴趣；最后以名人名言和优美语言收束，将物理规律提升至哲学与美学高度，触动学生心灵，实现“教书”与“育人”的深度融合。
作业设计
一、基础巩固：能量转化连连看
请将下列左侧的能量转化过程与右侧的主要能量形式正确连线：
1. 电热水壶烧水　　　　A. 化学能 → 动能 + 内能
2. 人跑步　　　　　　　B. 光能 → 化学能
3. 植物光合作用　　　　C. 电能 → 内能
4. 鞭炮爆炸　　　　　　D. 化学能 → 动能 + 声能 + 光能 + 内能
5. 太阳能路灯夜间照明 E. 化学能 → 光能 + 内能
6. 萤火虫发光　　　　　F. 太阳能 → 电能 → 光能 + 内能
二、能力提升：家庭能耗小调查
选择家中一件常用电器（如电视机、空调、电饭煲），记录其工作时长与功率（可在铭牌上查找）。估算一天内该电器消耗的电能（单位：千瓦时）。思考：这些电能最终转化为了哪些形式的能量？其中有多少是有效利用的？有多少是“浪费”的（如发热）？你有哪些节能建议？请写成一份200字左右的小报告。
三、拓展挑战：永动机设计驳斥
网上流传一种“磁力永动机”设计：利用永磁体的排斥力推动转子持续旋转。请你运用能量守恒定律，从物理原理角度撰写一段150字以内的驳斥文，说明其为何不可能实现。
【答案解析】
一、基础巩固
1—C　2—A　3—B　4—D　5—F　6—E
二、能力提升
示例（以电饭煲为例）：功率800W，每天使用1小时，耗电0.8千瓦时。电能主要转化为内能加热食物（有效利用），部分通过外壳散热（浪费）。建议：避免反复开关保温功能，及时清洁内胆保证传热效率。
三、拓展挑战
磁体间的排斥力做功会使转子加速，但一旦越过平衡点，吸引力将阻碍其继续转动。且轴承摩擦、空气阻力会不断消耗机械能，转化为内能。若无外部能量输入，系统总能量递减，最终停止。永动机违反能量守恒定律，不可能实现。
板书设计
能量的转化与守恒
——能量侦探破案记
[中央大圆] 能量守恒定律
↓ 定义：总量不变，形式可变
↓ 关键词：转化、转移、总量守恒
[左分支] 案件一：单摆 → 机械能 → 内能（摩擦）
[中分支] 案件二：滑梯 → 势能 → 动能 + 内能 + 声能
[右分支] 案件三：手机 → 电能 化学能 → 光/声/热
[底部横线] 永动机？× 不可能！√ 尊重规律，高效利用
教学反思
成功之处
1. “能量侦探破案记”主线任务贯穿始终，极大提升了学生参与度和探究主动性，课堂氛围活跃。
2. 改进型单摆实验实现了内能变化的可视化，有效突破了“机械能去哪了”的认知难点。
3. 科学史与哲学语言的融入，使物理课堂兼具理性深度与人文温度，实现了多维目标融合。
不足之处
1. 实验环节时间稍显紧张，部分小组未能充分讨论数据误差来源。
2. 对“系统”概念的界定不够突出，个别学生仍存在能量归属混乱的问题。
3. 作业中“家庭能耗调查”依赖家长配合，实施效果可能存在差异。

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