Конспект урока «Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах»
план-конспект урока по физике (8 класс) на тему

«Сведение множества к единому –

в этом первооснова Красоты»

Пифагор

«Примеры при обучении полезнее правил»  

И. Ньютон

Тема урока:  «Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах»

Тип урока:  комбинированный урок с привлечением межпредметных связей

 Цели урока:  

• рассмотреть и систематизировать примеры превращений энергии в механических и тепловых процессах;
•  показать  универсальность ЗСЭ на примерах механических,  тепловых процессов и процессов происходящих в живой и неживой природе, опираясь на уже имеющиеся знания и межпредметные связи;
• выяснить физическое содержание ЗСЭ;
• показать практическое применение ЗСЭ при решении задач.

Оборудование:

Мяч, заводная игрушка, математический маятник и маятник Максвелла, модели ДВС и паровой турбины, пробирка с водой, закрытая пробкой, спиртовка, компьютер, проектор, экран, презентация к уроку (приложение 4)

На каждом столе у учащихся – подготовленная для заполнения таблица (приложение 1),  лист с вопросами (приложение 2),лист с задачами для урока (приложение 3).

Ход урока.

1. Актуализация знаний (фронтальный опрос, см приложение 2)

1. Какие превращения энергии происходят при движении камня, брошенного вверх?
2. Резиновый мяч упал на пол и отскочил вверх. Какие превращения механической энергии произошли при этом?
3. Груз, подвешенный на нити совершает колебания. Какие превращения энергии происходят при этом?
4. Автомобиль движется равномерно и прямолинейно по горизонтальной дороге. На что расходуется энергия топлива?
5. Какие превращения энергии происходят при выстреле из пружинного пистолета?
6. Какие превращения энергии происходят при торможении автомобиля?
7. На каком физическом явлении основан способ получения огня трением?
8. Опишите превращения энергии, которые происходят при падении на пол пластилинового шарика?
9. Какие превращения энергии происходят при вылете пробки из пробирки с кипящей водой?
10.  Сжатую металлическую пружину поместили в сосуд с кислотой и растворили её. Куда исчезла потенциальная энергия сжатой пружины?

2. Объяснение нового материала.

Сегодня мы будем говорить об энергии, энергетических превращениях и о самом фундаментальном законе природы – законе сохранения энергии. Мы будем наблюдать , рассуждать, анализировать энергетические превращения в живой и неживой природе во всём, что нас окружает. Этот анализ будет служить основой нашего вывода. Мы заново откроем ЗСЭ на основе наблюдений и обобщений опытных фактов.

 Как сказал философ (Хевеши) «Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые». Надеюсь, что к концу урока будет нам и  счастье и глубокая убеждённость в красоте и гармонии природы.

Итак, «энергия»… Это слово рождает в сознании образы бушующих волн, мчащихся автомобилей, нефтяных пластов, перегороженных плотинами водохранилищ, любую интенсивную деятельность. С этим понятием связана вся наша повседневная жизнь – она обогревает дома, приводит в движение и заставляет работать бытовые приборы. Все живые существа в буквальном смысле поедают энергию, чтобы поддержать жизнь. Завтракая, вы получаете «заряд энергии», чтобы начать трудовой день.

Слайд 2:   Какие  2 вида механической энергии   вы знаете?        

   ( потенциальная и кинетическая) . Приведите примеры перехода кинетической энергии в потенциальную и наоборот. ( вам поможет лист с вопросами и демонстрации на столе. Заполните самостоятельно первую колонку в таблице. (см. приложение 1, приложение 2)

 Слайд 3:  Кроме механической какой ещё энергией могут обладать тела? (внутренней). Приведите примеры перехода внутренней энергии в механическую и наоборот. Заполните самостоятельно вторую колонку в таблице.

Слайд 4: Что общего между заряженной мышеловкой, куском сливочного масла и движущимся автомобилем?

Всё это обладает запасом энергии. Это теперь мы знаем, что энергия проявляется во множестве различных форм.

А вот какое представление было об энергии в 18 веке, задолго до открытия ЗСЭ

Слайд 5:  «Энергия – слово греческого происхождения . Означает могущество, достоинство или действенность чего-либо» (из статьи «Энергия в первом издании Британской энциклопедии 1771год)

Поэтому неудивительно, что ЗСЭ был сформулирован на основе наблюдений и обобщений опытных фактов только в середине 19 века…..

Слайд 6: 

немецким учёным, врачом Робертом Майером,

английским учёным и промышленником Джеймсом Джоулем,

немецким учёным, физиологом Германом Гельмгольцем

Почему ни Ньютон, ни Галилей с их умом и талантом этого не сделали? Почему фундаментальный закон природы был сформулирован врачом, физиологом и владельцем пивоваренного завода?

Надо было выйти за пределы механики, обладать общефилософским

подходом.    

Проверим работу по заполнению колонок 1 и2  таблицы  (слайды 7-8)

Попробуем пойти по тому же пути и сделать анализ энергетических превращений. Вы спросите «а что же писать в третей колонке?». Всё очень просто : мы живём, дышим, думаем, едим, светит Солнце, идёт дождь, дует ветер и т д.А ведь все эти явления связаны с превращениями энергии. И здесь нам понадобятся не только знания по физике.

- Что происходит с энергией при теплообмене? (слайд 9)

• теплообмен

в теплоизолированной системе если между телами происходит теплообмен, то энергия передаётся от более нагретых тел к менее нагретым, причём при отсутствии потерь тепла Q получ =Qотд

- почему во время процесса плавления температура остаётся постоянной?

• (слайд 10)энергетические превращения, связанные с изменением агрегатных состояний

в процессе плавления кристаллического вещества вся поступающая энергия расходуется на разрушение кристаллической решётки. При этом температура остаётся постоянной, но внутренняя энергия вещества увеличивается. При кристаллизации энергия выделяется, так как частицы занимают такие положения, при которых их энергия минимальна.

- что происходит при сгорании топлива? (слайд 11)

• сгорание топлива (тепловые эффекты химических реакций)

из курса физики 8 класса вы узнали, что при сжигании топлива каждый атом углерода соединяется с двумя атомами кислорода (атомы соединяются в молекулы) при этом выделяется энергия. Вообще всякая перестройка химических связей сопровождается изменением энергии. Можно сказать, что при горении химическая энергия топлива переходит во внутреннюю энергию образовавшихся газов. Из курса химии вам предстоит узнать, что химические реакции могут идти как с выделением теплоты – экзотермические (соединения и замещения), так и с поглощением теплоты – эндотермические (реакции разложения). При экзотермических реакциях внутренняя энергия реагирующих веществ уменьшается настолько, насколько увеличивается внутренняя энергия окружающей среды( При эндотермических реакциях наоборот). Реакции окисления – соединение с кислородом – экзотермичны, то есть  сопровождаются выделением энергии. Если реакция идёт достаточно быстро, а энергия выделяется в виде тепла и света, процесс называют горением. (опыт – пробирка с водой и оксид бария или кальция)

• процесс фотосинтеза (слайд 12)

из курса биологии вы уже знаете, что фотосинтез - синтез органических веществ из неорганических под действием солнечного света. На свету в хлоропластах клеток зелёного листа из воды и углекислого газа образуются органические вещества (крахмал), из воздуха поглощается углекислый газ и выделяется кислород. Другими словами происходит превращение солнечной энергии в энергию химических связей.

• обмен и превращение энергии в живых организмах  (слайд 13)

- Какой неведомый источник энергии приводит в движение наши мышцы, сердце, заставляет думать голову? Задумаемся, почему все едят? Почему пища так важна для жизни? Пища даёт живым существам строительный материал и энергию. Конфеты и котлеты, колбаса и мороженое согревают и приводят в движение организм. В процессе пищеварения происходит расщепление белков, жиров, углеводов. В клетках  нашего организма энергия запасается в молекулах АТФ. В процессе жизнедеятельности клетки, молекулы АТФ расщепляются и  за счёт выделившейся при этом энергии и происходят все процессы в клетке.  

• пищевые цепочки  (слайд 14)

Посмотрим на энергетические процессы в живых организмах более глобально. Ведь все живые организмы связаны между собой энергетическими отношениями, так как являются объектами питания других организмов. Травоядные животные поедают растения, мелкие хищники поедают травоядных, их поедают крупные хищники и т.д. Перенос энергии от её источника (растений) через ряд организмов называют пищевой цепью.

- кто может доказать, что ветряные мельницы работают за счёт энергии солнечного излучения?

• ветры, ураганы, круговорот воды в природе  (слайд 15)

круговорот воды в природе происходит, как вы знаете из природоведения и географии за счёт энергии Солнца. Ветры – это гигантские конвективные потоки. Поверхность планеты прогревается неравномерно (сказывается наклон земной оси  22,5 ⁰ и то, что поверхность суши составляет лишь 30% поверхности планеты, а вода имеет большую удельную теплоёмкость), следовательно возникающая разность температур создаёт разность давлений и воздушные массы перемещаются из области высокого давления в область низкого давления. Самые мощные по своей энергетике природные явления – тропические ураганы , также происходят за счёт энергии Солнца.

- А за счёт какой энергии светит Солнце?  Солнце получает энергию от ядерного «сгорания» водорода, который переходит при этом в гелий. Источником энергии Солнца являются реакции термоядерного синтеза.

А сколько примеров превращения энергии у нас дома! Взять хотя бы бытовую технику! (вентилятор и миксер, электрический чайник, утюг и стиральная машина)

И сам процесс производства электрической энергии тоже связан с превращениями энергии.    (слйд16)

Проверяем заполнение третьей колонки в таблице. (слайд 17)

Теперь можно сказать, что энергия не может появиться у тела, если оно не получило её у другого тела.

Делаем вывод на основе анализа энергетических превращений:

Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется.

Сейчас, в 21 веке, идея сохранения и превращения энергии, привычна для учеников 7-8 класса, а 160 лет назад, когда их впервые высказал Майер, эти идеи не только не были оценены по достоинству, но даже отвергались как вздорные и чуждые физике. В своих работах Майер привёл в доказательство 25 различных примеров превращения и сохранения энергии ( а мы на уроке сколько?), Джоуль в течении почти 40 лет проводил самые разнообразные опыты, в которых за счёт механической работы происходило выделение тепла, и на основе измерений подсчитывал механический эквивалент теплоты.

Слайд  19 - формулировка Джоуля  «Теплота, живая сила и притяжение на расстоянии (потенциальная энергия) взаимно превратимы друг в друга, причём, в этом превращении ничего не теряется»

Как выглядит математическое выражение всеобщего закона сохранения и превращения энергии? (слайд 20)

3. Решение задач (см. приложение 3) слайды 21-23

4. Подведём итоги урока:

• мы увидели, что энергия существует во множестве различных форм (механическая, тепловая, химическая, электрическая, ядерная и даже энергия массы – оказывается, любой объект обладает энергией уже потому, что существует);
• мы убедились, на примерах, что все явления природы взаимосвязаны: одно явление порождает другое. Может быть, Ньютону и Галилею и не хватило такого общефилософскогоподхода, надо было выйти за пределы механики;
• мы сформулировали ЗСЭ, опираясь на множество наблюдений , опытных фактов, при этом опирались и на имеющиеся знания по физике и на знания из других наук (напомню, что именно биология помогла физике открыть ЗСЭ: Майер установил этот закон при изучении количества тепла, выделяемого и поглощаемого живым организмом);
• обратимся к эпиграфам нашего урока:  согласимся и с Ньютоном и с Пифагором – множество примеров и опытных фактов подвели нас к пониманию единства и красоты Природы.

V. Домашнее задание

А.В. Пёрышкин «Физика 8» § 11, упр 6

Задача №1.

Вода падает с высоты 1200 метров. Насколько повысится температура воды, если на её нагревание идёт 60% работы силы тяжести?

Решение :

0,6Еп = Q

0,6mgh = mc∆t

∆t = 0,6gh/c

Ответ: 1.7⁰С

Задача№2.

Двигатель мощностью 50 Вт в течение 10 минут вращает лопасти вентилятора внутри калориметра с водой. Насколько повысится за это время температура воды, если её масса 2 кг? Потерями тепла пренебречь.

Решение:

А = Q

NΤ = mc∆t

∆t = NΤ/mc

Ответ: 3,6⁰С

Задача №3.

При выстреле из ствола винтовки пуля массой 9г приобретает скорость 800 м/с. Определить массу порохового заряда, если КПД выстрела 24%.

(qпороха = 3,8×106 Дж/кг )

Решение:

0,24Q = Ек

0,24m1q = m2v2/2

m1 = m2v2/0,48q

Ответ: 4 г.

1. Какие превращения энергии происходят при движении камня, брошенного вверх?
2. Резиновый мяч упал на пол и отскочил вверх. Какие превращения механической энергии произошли при этом?
3. Груз, подвешенный на нити, совершает колебания. Какие превращения энергии происходят при этом?
4. Автомобиль движется равномерно и прямолинейно по горизонтальной дороге. На что расходуется энергия топлива?
5. Какие превращения энергии происходят при выстреле из пружинного пистолета?
6. Какие превращения энергии происходят при торможении автомобиля?
7. На каком физическом явлении основан способ получения огня трением?
8. Опишите превращения энергии, которые происходят при падении на пол пластилинового шарика.
9. Какие превращения энергии происходят при вылете пробки из пробирки с кипящей водой?
10. Сжатую металлическую пружину поместили в сосуд с кислотой и растворили её. Куда исчезла потенциальная энергия сжатой пружины?

1.Какие превращения энергии происходят при движении камня, брошенного вверх?

2.Резиновый мяч упал на пол и отскочил вверх. Какие превращения механической энергии произошли при этом?

3.Груз, подвешенный на нити, совершает колебания. Какие превращения энергии происходят при этом?

4.Автомобиль движется равномерно и прямолинейно по горизонтальной дороге. На что расходуется энергия топлива?

5.Какие превращения энергии происходят при выстреле из пружинного пистолета?

6.Какие превращения энергии происходят при торможении автомобиля?

7.На каком физическом явлении основан способ получения огня трением?

8.Опишите превращения энергии, которые происходят при падении на пол пластилинового шарика.

9.Какие превращения энергии происходят при вылете пробки из пробирки с кипящей водой?

10.Сжатую металлическую пружину поместили в сосуд с кислотой и растворили её. Куда исчезла потенциальная энергия сжатой пружины?

Примеры превращений энергии

Вывод:

Фронтальный опрос

1. Какие превращения энергии происходят при движении камня, брошенного вверх?
2. Резиновый мяч упал на пол и отскочил вверх. Какие превращения механической энергии произошли при этом?
3. Груз, подвешенный на нити совершает колебания. Какие превращения энергии происходят при этом?
4. Автомобиль движется равномерно и прямолинейно по горизонтальной дороге. На что расходуется энергия топлива?
5. Какие превращения энергии происходят при выстреле из пружинного пистолета?
6. Какие превращения энергии происходят при торможении автомобиля?
7. На каком физическом явлении основан способ получения огня трением?
8. Опишите превращения энергии, которые происходят при падении на пол пластилинового шарика?
9. Какие превращения энергии происходят при вылете пробки из пробирки с кипящей водой?
10.  Сжатую металлическую пружину поместили в сосуд с кислотой и растворили её. Куда исчезла потенциальная энергия сжатой пружины?

Задача №1.

Вода падает с высоты 1200 метров. Насколько повысится температура воды, если на её нагревание идёт 60% работы силы тяжести?

Решение :

Ответ:

Задача№2.

Двигатель мощностью 50 Вт в течение 10 минут вращает лопасти вентилятора внутри калориметра с водой. Насколько повысится за это время температура воды, если её масса 2 кг? Потерями тепла пренебречь.

Решение:

Ответ:

Задача №3.

При выстреле из ствола винтовки пуля массой 9г приобретает скорость 800 м/с. Определить массу порохового заряда, если КПД выстрела 24%.

(qпороха = 3,8×106 Дж/кг )

Решение:

Ответ:

Задача №4.

Стальной шарик массой 50 г падает с высоты 1,5 м на каменную плиту и, отскакивая от неё, поднимается на высоту

1,2 м. Почему шарик не поднялся на прежнюю высоту? Сколько механической энергии превратилось во внутреннюю? На сколько градусов нагрелся шарик? (удельная теплоёмкость стали 460 Дж/кг ⁰С)

Решение:

Ответ:

Задача №5.

Кусок свинца испытывает абсолютно неупругое столкновение с препятствием, двигаясь со скоростью 350 м/с . Какая часть свинца расплавилась, если всё количество теплоты, выделившееся при ударе, поглощается свинцом? Температура свинца перед ударом 27⁰С, удельная теплоёмкость свинца 130 Дж/кг ⁰С , удельная теплота плавления свинца 25кДж/кг, температура плавления свинца 327⁰С

Решение:

Ответ: