第 3 节  能量守恒定律  教学建议

1．教学目标

（1）知道人类对能量概念的逐步认识过程，并理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。

（2）理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律。

（3）知道第一类永动机是不可能实现的。

2．教材分析与教学建议

本节内容分为三个部分：一是探索能量守恒的足迹；二是能量守恒定律；三是永动机不可能制成。本节的主要任务是认识能量和能量守恒观念的发展历史，理解能量守恒定律。能量守恒定律的探索历史，内容非常丰富，因此，教科书对这些探索历史的内容进行了归类：第一部分是人类对能量的认识；第二部分是能量守恒观念的形成。教学重点应该突出两个方面：一是科学家对能量概念的逐步认识过程；二是对能量的守恒思想的探索认识过程。而对永动机的教学要重视科学与技术之间的关系，并能让学生根据能量守恒定律理解永动机不可能制成的原因。

（1）问题引入

本节用“饮水小鸭”这一趣味玩具作为问题引入，主要是让学生对这只“饮水小鸭”为什么不会停下来产生探究的好奇心。难道这个“饮水小鸭”真的不需要其他条件，而会永远“喝”到水吗？通过这个疑问来引入能量守恒定律的研究课题。

（2）探索能量守恒的足迹

①人类对能量的认识

在科学史上，人们经过了漫长而曲折的探索过程，才真正认识到可用“能量”的观念来探索各种运动形式。人类对能量的认识是在生产实践和科学研究的长期探索中逐步形成的。科学家在认识自然的进程中，倡导用联系的观点去观察自然。在教学中，要引导学生初步了解关于能量转化与概念统一的历史进程，可以围绕教科书提供的来自不同国家和地区、不同领域的科学家以不同方式完成的关于能量转化的研究成果展开分析，让学生感受人类对能量概念的认识历史。

②能量守恒观念的形成

人类对能量守恒的认识过程也是逐步由浅入深、由含糊到清晰的。教学中可以引导学生阅读教科书中“能量守恒观念的形成”标题下的内容，还可以增加一些相关的背景资料，目的是让学生感悟人类近半个世纪对能量以及能量守恒研究的历史过程。人们不但建立起各种形式的能量概念，而且还确定了它们的定量表达式等。

 

教学片段

能量守恒观念的形成

任务  根据教科书呈现的轴向列表“科学家们一直关注自然现象之间的普遍联系”，分析科学史上人类对能量和能量守恒观念的认识所经历的几个关键事件，体会和感悟能量守恒定律的探索历史。

问题解释  引导学生从相关科学发现所涉及的各种运动形式中寻找共同的量，即能量；另外，还要认识在各种运动形式转化过程中的守恒量。

分析与解决  通过分析完成下列表格，体会各种运动之间统一的能量观念。

发现	解释	能量（运动）认识
1798 年伦福德实验（把实验中被激发出来的热看作“运动”）	“热质”并不存在，热的本质是运动，或者可以由机械运动转化而来	内能与机械能的联系
1820 年奥斯特实验（电流的磁效应）	电运动可以转化成磁运动	电能与磁能的联系
1821 年塞贝克温差电研究（温差发电现象）	热运动可以转化成电运动	内能与电能的联系
1831 年法拉第电磁感应实验（电磁感应现象）	磁运动可以转化成电运动	磁能与电能的联系
1836 年盖斯化学反应热的研究（化学反应放出的热量与反应步骤无关）	化学运动转化成热运动具有规律性	化学能与内能的联系
1840 年焦耳发现电流的热效应（电流做功可使物体加热）	“热质说”没有依据；电运动可以转化成热运动	热是运动；电能与内能的联系
1843 年焦耳测定做功与传热关系的系列实验研究（机械功、电功可以转化成热运动）	做功（机械运动或电运动）与传热具有当量关系	机械能、电能与内能之间的联系

（3）能量守恒定律

自然界存在着不同形式的能量。对应于不同的运动形式，能量也有不同的形式，如机械运动中有动能和势能，热运动中有内能等，它们分别以各种运动形式特定的状态参量来表示。能量可以从一种形式转化为另一种形式，或从一个系统转移给另一个系统，在转化和转移的过程中能量的总量保持不变。

①能量守恒定律确立的理论意义

能量守恒定律的确立，具有重大的理论意义。一方面找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用定量规律联系了起来。另一方面这个定律的确立，突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种物质运动形式之间相互转化的可能性。这样，能量转化规律就第一次在极其广阔的领域里把自然界的各种物质运动联系了起来。焦耳用实验测定的做功与传热之间的定量关系，对于能量守恒定律的发现起着至关重要的作用。

②热力学第一定律与能量守恒定律

热力学第一定律是能量守恒定律在热现象范围内的具体体现。如果不仅仅涉及系统的内能，ΔU 所表示的就是系统所含的一切形式的能量，如机械能、内能、电磁能、化学能等；W 也表示各种形式的功，如机械的、电磁的、化学的功，那么就可以将热力学第一定律理解为普遍的能量守恒定律。事实上，在历史的进程中热力学第一定律和能量守恒定律差不多是同时被发现的。

③自然规律的多样性和统一性

能量守恒定律说明了不同运动形式在相互转化中有量的对应关系，从而把各种自然现象用定量的规律联系了起来，揭示了自然规律的多样性和统一性。在物理学中，多样性对于学生来说比较熟悉。比如，能量守恒定律在热运动中可以表现为热力学第一定律；在机械运动中可以表现为机械能守恒定律，等等。而统一性在电磁学的学习中，已经有所涉及。比如，奥斯特发现“电生磁”现象后，法拉第就是在“自然规律具有统一性”的哲学思想指导下去探索“磁生电”的方法，从而发现了电磁感应现象。

（4）永动机不可能制成

能量守恒定律的确立，还有其重大的实践意义。它指出，如果没有外界热源供给热量，则有 U₂ – U₁ = W。就是说，如果系统的内能减少，即 U₂ < U₁，则 W < 0，说明系统对外界做功。所以，对外界做功是以内能的减少为代价的，而不是无中生有创生出来的。但是，若想使系统源源不断地对外界做功，就必须使系统回到初始状态，以便在循环中周而复始地不断工作。这样，就会有 U₂ = U₁，而 W = 0。这就表明，在无外界能量供给的情况下，要使系统不断地对外界做功是不可能的。这个结论彻底粉碎了制造永动机的幻想。热力学第一定律是能量守恒定律在热现象中的表现。热力学第一定律告诉人们在热力学过程中能量不会无中生有或者凭空消失，从而否定了第一类永动机。为了使学生理解永动机不可能制成的道理，教学中可以结合教科书“问题”栏目中的“饮水小鸭”和“思考与讨论”栏目中图 3.3–2 所示的永动机方案进行分析。

 

教学片段

分析某个永动机设计者的设计

问题提出  观察教科书图 3.3–2，弄清图中所示永动机的各部件及其相互联系。尝试分析它是不是永动机？

结构说明  从图中可以看出，在一个轮子的边缘上，装了一些可以活动的短杆，每根杆的末端装了一个铁球。

设计意图  设计者认为，无论轮子处在什么位置，右边的铁球总比左边的铁球距离轮轴远一些。根据杠杆平衡原理，右边的铁球总要向下压轮子，使它沿着顺时针的方向永远旋转不息。

质疑提问  你认为设计者的设想是否合理？为什么？

分析论证  该设想的问题在于，轮子右边的铁球距离轮轴虽然总是比较远，但是它们的总数却总比左边的少，结果左右两边旋转轮子的作用刚好相等，互相平衡。于是轮子不会持续转动下去，只会摆动几下就停下来了。所以设计者的想法不会实现。这种想法是不科学的，因为它违反了能量守恒定律。

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教学中还要让学生认识到，人们对永动机的研究尽管都失败了，但这促使人们在更深层次上思考问题，促进了能量守恒定律的建立。终止永动机的研究是科学认识进步的结果。

3．“练习与应用”参考答案与提示

本节共 3 道习题。第 1 题要求简述 3 种情境下的能量是否守恒。第 2、3 题为估算题，都与实际生活紧密联系。第 2 题要求估算一瓶饮料的能量相当于一个成年人爬多少层楼所做的功，具有很强的趣味性。第 3 题是以太阳能的利用为情境，通过估算能让学生意识到太阳能的可观价值。

 

1．（1）不符合能量守恒定律。永久磁铁间的作用力可以使机械转动起来，但不能使这台机械永远转动下去。这是因为，永久磁铁间的作用力可以使磁场能转化为动能，但要获得持续的动能，仍然需要从外界补充能量。因此，利用永久磁铁间的作用力，造一台永动机是不可能的。

（2）不符合能量守恒定律。如果船没有外界或自身提供的动力系统（例如利用风力或人力），那么它无法获得动能，将不能在水面上行驶。

（3）符合能量守恒定律。可以在飞机上安装光能发电机，先将光能转化为电能，再利用电能使飞机飞起来，目前这个方案已经成为现实了。

 

2．500 层

提示：这瓶 500 mL 的饮料能提供的总能量 E = ×500 J = 9×10⁵ J。

一个成年人的体重约 60 kg，每层楼高约 3 m，若这瓶饮料的能量相当于该成年人爬 n 层楼所做的功，则应有 E = mgnh = Gnh。故 n = = = 500，即相当于成年人爬 500 层楼所做的功。

 

3．4.2×10⁴ J

提示：圆筒内的水经过 2 min 增加的内能为 ΔU = Q = cmΔt = 4.2×10³×0.6×1 J = 2.52×10³ J。圆筒的面积为 S = 300 cm² = 3×10⁻² m²，则地面上每平方米每分钟接收到的太阳能量 E = = J = 4.2×10⁴ J。