第十二章《电能 能量守恒定律》学习过程

　　（一）本单元的概念结构图如下

　　在掌握电路基本特征的基础上,本单元从能量的角度进一步解读电路,深化电能的概念。学习电路中能量转化的一般规律,从能量转化的角度得到闭合电路的欧姆定律,明确闭合电路的欧姆定律不仅是一个数学公式,应该是能量守恒定律在电路中的具体表现。电路中的能量转化除了体现了能量守恒之外,还体现了能量转化的方向性。本单元在能量观念深化、科学论证、逻辑推理、实验探究等思维能力与核心素养方面都实现了进阶。

　　依据学习内容、学情分析和教学目标，设计的学习过程进阶图如下。

　　（二）学习过程设计的说明

　　学习进阶层级设计及解读：

　　L1层级是在初中对电路的认识基础上建立电功、电功率两个科学概念，强调电路中电功概念的特殊性，明确电功（率）和电热（功率）的联系和区别，利用电功的概念进行科学推理，得到电路中电功和电功率的公式。由内容分析和学情分析可知，学生在学习本层级之前还不能区分电功和电热这两个概念,学生不能理解在初中已经接触的焦耳定律的来龙去脉，用严密的逻辑推理得到焦耳定律，让学生体会到数学推理在物理理论探究中的重要作用和地位，对学生科学思维素养的养成具有重要意义。在本单元的教学设计中，还可以利用物理实验进行探究，通过对照实验，学生对焦耳定律的理解更加深刻。

　　L2层级是通过列举大量的实例进行分析，让学生充分意识到不同的用电器电能的转化是有区别的，有的电路仅把电能转化为电热，而有的电路则是把电能转化为电热和机械能（或其他能量形式），建构纯电阻电路和非纯电阻电路不同的物理模型，能通过功与能的相互关系从能量转化和守恒定律角度分析电路中的能量转化，认清电路中电能与其他形式能转化的科学本质，明确这是能量守恒定律在电学的具体应用。本层级对电能的描述十分具体，为闭合电路欧姆定律和能量守恒定律以及能量转化的方向性奠定了基础。

　　L3层级是在明确了电路中能量转化并掌握电动势概念的基础上，推导得出闭合电路的欧姆定律。根据学情分析，学生对于电动势这个非常抽象的概念理解比较困难。以抽水机类比电源，以抽水力（压力差）类比电源中的非静电力，以水的重力势能类比电荷的电势能，通过类比迁移帮助学生理解，经历这一科学思维的过程，构建物理模型，突破电动势这一难点之后，为学习闭合电路的欧姆定律做好知识准备。从电路中的能量转化入手，引领学生经历闭合电路欧姆定律的科学探究过程，再次体验能量转化和守恒定律在电路中的应用，能够通过类比的方法，建构闭合电路中电势变化模型，尝试从做功与能量转化的角度解释电势的变化，初步了解能量转化的方向性。从理论和实验两条路径探究路端电压与负载的关系，是深化理解闭合电路欧姆定律的重要手段，借助图像法获取路端电压U-I的定量关系，能定性的交流、解释路端电压与负载电阻的关系，体会数学方法在物理学习中的作用，并体会物理实验在物理学科中的重要地位，培养学生的实验探究能力，发展逻辑推理与抽象思维能力。经历“测量电源电动势和内阻”实验，设计最佳实验方案，完成实验操作，尝试分析测量误差，了解减小误差的方法，养成严谨的科学态度。

　　L4层级是在电路实际情境中体会能量守恒定律，理解能量守恒定律的普适性，对能量观念的形成具有重要意义。明确了能量守恒定律，知道能量不能凭空产生，也不能凭空消失，通过大量实例，意识到能量转化具有方向性，了解能量耗散，知道能量耗散并不违背能量守恒定律，准确理解节约能源、保护环境的重要性和必要性，感受物理与生活的关系，认识能源开发可能引起的环境污染，思考科学·技术·社会·环境的协调发展关系，培养环境保护意识，增强科学态度和社会责任感。

　　（三）跨越层级的活动设计

　　【活动一】研究迷你手持小电风扇在不同状态下的工作电流和电压

　　任务情境：夏天，几位同学随身携带一个小手持电风扇，小明同学就有一个，我们可以借来研究。

　　任务一：在不损坏电路的情况下，将电风扇后盖打开，观察电路结构。

　　任务二：在电风扇电路中接入电流表和电压表，接通开关，电风扇扇叶正常工作时，读出电流表和电压表的示数。

　　任务三：在电风扇电路中接入电流表和电压表，将电风扇扇叶短时间按住，接通开关，读出电流表和电压表的示数。

　　活动目的：通过观察读数，让学生意识到电风扇扇叶处于不同状态时，电路的电流、电压均有不同，实现从L1层级到L2层级的跨越，而且为进入第三层级做准备。

　　【活动二】研究不同用电器的电能转化

　　任务情境：小明同学带来一个手持迷你电风扇，小聪同学带来一个小电珠，两个同学所在的小组分别连通电路，用滑动变阻器调节，使得电风扇和小电珠的电压和电流数值分别相同。同学们就此展开了热烈的讨论。

　　任务一：既然两个用电器的电压和电流数值都相同，判断它们的电功率是否相同。

　　任务二: 既然两个用电器的电压和电流数值都相同，判断它们的电热功率是否相同。

　　提示：可以用触摸的办法判断二者的温度是否相同。

　　任务三：请讨论两种情况下的电功、电热有什么区别？两种电路中的电流做功最终各自转化成哪种（哪些）能量形式？

　　活动目的：通过该任务帮助学生区分电功和电热，明确电流做功可以转化为多种能量形式，在转化过程中能量是守恒的。一方面为闭合电路的欧姆定律做准备，一方面为能量守恒定律的深化做准备，并渗透能量转化的方向性，有助于向L4层级的跨越。

　　【活动三】测量不同状态下小电风扇的路端电压、电流的关系

　　任务情境：小明同学学习了闭合电路的欧姆定律，研究了自己的小电风扇，却发现并不总是成立，于是陷入了思索中。

　　任务一：以两节干电池为电源，小电风扇在扇叶正常工作状态时进行测量，研究电压、电流、电动势、内阻是否满足闭合电路欧姆定律的公式。

　　任务二：仍以两节干电池为电源，小电风扇在按住扇叶不动状态进行测量，研究电压、电流、电动势、内阻是否满足闭合电路欧姆定律的公式。

　　任务三：思考和讨论，同一件用电器、同一件电源为什么两次测量的结果迥然不同？说出你的理由？

　　活动目的：通过对不同状态下小电风扇的参数测量，让学生明确闭合电路欧姆定律公式的适用范围，进一步了解纯电阻电路和非纯电阻电路的区分，并实现从L3层级向L4层级的跨越。

　　【活动四】测量不同状态下小电风扇的电动势和内阻

　　任务情境：小刚同学带来了一个小的太阳能电池，可以不用干电池让小电风扇工作，于是同学们又开始了探究。

　　任务一：仍用两节干电池为电源，利用课本上的实验方法，测量其电动势和内阻。

　　任务二：换用太阳能电池为电源，利用课本上的实验方法，测量其电动势和内阻。

　　任务三：思考和讨论，使用干电池和太阳能电池对小电风扇有哪些影响？讨论两种电源的优劣。

　　活动目的：通过对不同电源的测量和讨论比较，再次经历测量电源电动势和内阻的实验操作，加深了对闭合电路欧姆定律的理解，并强化了学生的环保意识，增强学生的社会责任感，有助于从L3层级向L4层级的跨越。