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触动开关时会发生什么?

物理 初中 高中 能源资源 安全健康

教学目标

在科学领域,能量是一种最基本和统一的概念。本篇文章呈现了一系列低成本、动手做的活动,适用于任何有关能量概念的中学科学课单元。这些活动能够带领学生探索什么是能量,并形成有关能源生产的大图景。
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中国科技教育杂志

进行活动一

提出问题:

能量是什么,它又是如何实现各种形式之间的转换的?


在科学教科书中,能量是指“做功的能力”,而“做功”是指“能量的转移,发生在当一个物体受力并发生位移时”。一些熟悉的例子和动手活动可以帮助学生们理解教科书里这些生涩难懂的定义。例如,运动是能量的一个显而易见的指示。让我们来设想一下用锤子敲击钉子。用锤子敲击其他东西(例如钉子)会造成其移动,并因此而产生能量。我们称因为物体运动而产生的能量为动能。


当我们在科学课上提到能量的时候,通常说的是能量从一种形式到另一种形式的转换。为演示这一概念,教师每只手各拿一个铁球(科学用品店可以提供),就像图1A中的学生那样,然后将它们互相撞击会发出一声巨响。


接着教师问学生发生了什么:

刚刚两个球都在动,而现在它们都处于静止状态,那么动能去哪儿了呢?难道就是消失了么?


这时,学生一般会根据能量守恒定律(例如,能量既不会凭空产生,也不会凭空消灭,它只能从一种形式转化为其它形式)回答,动能已经转化为其它形式的能量。


教师又会追问:“是什么形式呢?”


图1a.jpg


解释问题:


为了帮助学生回答问题,教师拿着一张纸的一角,让学生戴好防护镜,再把两个球隔着纸相互撞击(如图1B所示)。球碰撞时会发出巨响,学生们会惊讶的闻到烟味并发现纸上被烧出一个洞(如图1C所示)。他们发现尽管没有明火,球的动能已经被转化为热能。然后,教师让学生自愿报名来重复这个过程,学生们将在几分钟内继续将动能转化为热能。


图1b.jpg

图1c.jpg


大自然中存在很多这样的能量转换的例子。例如在秋天凉爽的早晨,我们会通过搓手来摩擦生热,这就是个将动能转化为热能的过程。学生们这样做之后能整合自己脑中关于能量及其转化的概念。但是反过来会怎样呢?我们能否将热能转化为物体的位移呢?


进行活动二

提出问题:如何将热能转化为动能?


科学、工程学、技术和文明本身都是建立在运动的物体之上:我们用拖拉机播种和收割庄稼,用洗衣机洗衣服再用烘干机烘干,用汽车和公交车接送孩子上下学,乘电梯上下楼,用搅拌机准备食物,坐飞机出国,驾驶卡车搬运货物。现在你就明白物体运动对我们有多重要了。


那我们又是如何完成这些动作的呢?这些大量的动能是从何转化而来的呢?


在18世纪,科学家们发现了如何从热空气的热能中提取大量动能的方法。这项工作是通过热力发动机(简称为“热机”)来完成的,其核心组成部分就是一个带活塞的气缸。如果气缸内的空气被加热,空气会膨胀并推动活塞运动,从而将空气的热能转化为活塞运动的动能。


可以通过图2所示的热机(大多数科学用品店可以提供)来帮助学生们理解这个概念。教师先让学生们互相传看热机从而了解热机的构造。这个带活塞的气缸有10cm宽,但仅有1cm高。学生们首先注意到的是连接活塞的大螺旋桨。他们用手指转动螺旋桨就会看到气缸中的活塞在上下运动。教师解释说他们用反了装置。热机是要输出动能而非输入。换句话说,应该通过热机来带动螺旋桨,而非反过来。


学生们看完热机后,教师把它放在一个600ml容量的烧杯上,烧杯中装了300ml用本生灯煮沸的水。水蒸气上升接触到热机底座并将气缸中的空气加热。大约5秒钟后,活塞开始上下运动,螺旋桨开始旋转。此时,学生们会看到热气的热能转化为活塞(以及相连的螺旋桨)的动能,可以让学生们举出身边每天会接触到的热机的例子。很快他们就会把这台热机以及它的气缸、活塞、螺旋桨与汽车、公交车和飞机上的内燃机联系起来。


热机带动了工业革命,将人类从多种形式的体力劳动中解放出来。但是当我们触动开关或是为智能手机插上电源时会用到电能,这些电能又是从何而来的呢?


进行活动三

如何将动能转化为电能?


在19世纪,科学家们做出了另一重大发现:如果把一根铜线放到磁铁附近,铜线内的电子会因此移动,铜线内就会产生电流!这样动能就会转化为电能。我们把将动能转化为电能的装置称为为发电机。在课堂上,可以通过展示一个能够点亮灯泡的发电机(如图3所示)来让学生们认识这个伟大的装置。学生们转动曲柄,就会让铜线处于磁铁附近,从而产生电流点亮灯泡。


教师提出问题:那么,触动开关会发生什么呢?


现在把刚刚做的活动加以整理,让学生能够完整地了解电能是如何产生的。首先,我们通过本生灯燃烧气体来煮沸烧杯中的水并产生水蒸气,水蒸气为搁置在烧杯上的热机提供能量输入。当螺旋桨转动时,热机的输出能量——动能就会为发电机提供能量输入。当转动发电机的曲柄,灯泡就会发光了。


在美国,大部分电能都是由此而来。我们燃烧化石燃料来煮沸水并产生水蒸气,然后我们用热机来将水蒸气的部分热能转化为动能,最后,我们用发电机把动能转化为电能并提供给住宅、学校、工厂和医院等使用。


我们使用的电能中约70%是通过燃烧煤炭或其他化石燃料而来。在20世纪40年代,人们找到了一种更为精密的方式来获得发电所需的沸水:核裂变。铀原子核分裂时会产生核能,核能会转化为沸水的热能。之后的过程就一样了:用核能煮沸水并产生水蒸气,水蒸气的热能通过热机和发电机最终转化为电能。矿物燃料电厂和核反应堆电厂的最大区别就是把水煮沸的方式不同!


事实上在美国90%的电能都是由上述方式转化而来:加热水至沸腾后产生水蒸气,然后通过热机和发电机将热能转化为电能。其余10%的电能多数是通过水和风推动发电机的曲柄而产生的,也就是所谓的水力发电和风力发电。


教学评估

本课的评估因教师和学科而异。可以通过随堂测试的方式,即开始上课时教师就会告知学生在快下课时会有测验,包括课堂上讲到的一些重点内容。事实证明这种方式能够有效吸引学生的注意力。教师们也会通过布置小论文来巩固课堂效果,在论文中学生们通常需要回答一些问题,例如:“触动开关会发生什么?这对你日常的能源使用有着怎样的影响?”


无论教师选择何种方式,在课堂学习之后都应该设置评估来检验学习效果。评估标准可以参考以下内容:


学习成果:

  1. 完成文中的活动后,学生们应该能够:

  2. 用日常生活中的例子来解释什么是能量;

  3. 描述能量守恒定律;

  4. 找到身边动能转化为热能的例子;

  5. 解释热机如何把热空气的热能转化为动能;

  6. 找到日常生活中的热机的例子;

  7. 描述电机如何把动能转化为电能;

  8. 解释能是如何产生的,或触动开关会发生什么。


教学总结

通过动手参与本文中提到的经济实惠的动手活动,学生们会学到什么是能量,较为全面地了解它是如何产生的。


在完成这些活动后,后续的学习可以往不同的方向发展。例如,地球科学和物理学的教师可以继续教授学生有关全球气候变化的知识以及我们如何更多地使用风能和大阳能从而构建可持续发展的能源未来。化学或物理教师可以进一步讲授热力学定律,因为热力学定律是由热机证明的。无论你要教什么,这些活动都会帮助学生们理解能量的概念。