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六年级上科学教参(能量)

发表时间:2015-1-5  浏览次数:6659  
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能量
一、单元概述
我们身边发生的每一件事情,都和能量有着密切的关系。树枝摇曳、溪水潺潺是能量在“工作”,我们用火做饭、开灯照明是在进行能量转化。我们必须从食物中获取能量才能维持生命和进行活动,植物必须从阳光中获取能量才能进行光合作用,动物要靠吃植物或其他动物来取得能量维持生命,一切生物都依赖能量才能生存。
儿童从生活中,从科学课学习中,对能量已经有了一定的感性认识,已经在使用“能量”这个词。他们知道太阳的光和热是太阳能,知道食物能供给我们身体需要的能量,甚至知道电能、水能、风能。但是在儿童的头脑里还没有一个关于能量更一般意义的概念。
能量概念是抽象的,我们能观察到的只是具体能量所产生的某种效应。本单元不是从抽象的定义出发来演绎各种能量形式及其相互转化,而是选择了学生最熟悉的电和磁为切入口逐步展开对能量的认识。先认识电可以转化成磁,制作电磁铁,观察玩具小电动机怎样转动起来,把电能变成机械能。然后以电能与其他能量的相互转化为中心,认识各种不同形式的能量及其相互转化。最后认识太阳能,了解我们现在使用的绝大部分能量都是来自太阳能的转化与储存。
本单元可分为三部分。
第一部分(第1~5课),认识电流能够产生磁性,制作电磁铁并研究电磁铁的磁极和磁力大小,研究玩具小电动机是怎样转动起来的,感受电能转化成动能的奇妙。
第二部分(第6~7课),通过寻找电的用途,研究电的来源,认识电能和其他能量形式及其相互间的转化。
第三部分(第8课)探究煤、石油、天然气能源矿产与太阳能之间的关系,认识我们使用的能量几乎都源于太阳能的转化与储存。
这是一个从具体到抽象、从个别到一般逐步上升发展的结构。在这个过程中,学生会把过去学习过的声、光、电、热多种能量形式都联系在一起,在大量、具体的现象基础上逐步形成比较抽象的能量概念。
本单元安排两节课进行的探究电磁铁磁力大小并制作“强力电磁铁”的活动,为学生提供了一个过程充分展开、全班合作探究的活动。通过这个探究活动能够培养学生更加自主、合作探究的能力。
二、单元教学目标
科学概念
●电流可以产生磁性。
●电磁铁具有接通电流产生磁性、断开电流磁性消失的性质。
●改变电池正负极接法,改变线圈绕线的方向会改变电磁铁的南北极。
●电磁铁磁力大小与线圈圈数、电池数量等有关。
●能量有多种形式,能相互转化,储存在一些物质中。
过程与方法
●制作简单电磁铁,合作设计制作强力电磁铁。
●做通电导线能生磁的实验,改变电磁铁南北极的实验,研究小电动机转动原理的实验。
●经历一个完整的较深入的探究过程,研究电磁铁磁力大小与哪些因素有关系。
●用分部分观察和整体观察的方法研究小电动机的构造。
●用已有知识和经验作出假设性解释。
●体会到探究中证据、逻辑推理及运用想象的重要性,将自己的分析结果与已有的科学结论作比较。
情感、态度、价值观
●发展想象和解释的能力,意识到要尊重数据,用严谨的态度得出结论,体会到合作的必要性和重要性。
●体验科学史上发现电产生磁的过程,意识到留意观察、善于思考的重要。
●体验科学技术对社会进步的贡献。认同珍惜能源、节约能源的观点。
三、分课时教学建议
 第1课 电和磁
(一)背景和目标
本课将“重演”科学史上著名的发现电磁现象的过程,让学生“发现”通电导线能使小磁针偏转,从而认识电可以产生磁。增强学生学习活动的探究性、趣味性。本课有两个活动。
第一,指导学生做科学家奥斯特做过的实验——通电导线使指南针偏转,经历对新现象进行分析、解释的思维过程。
第二,做通电线圈使指南针偏转的实验。用线圈代替直导线做电生磁实验,为理解电磁铁原理打下基础也为研究玩具小电动机埋下伏笔。
科学概念
●电流可以产生磁性。
过程与方法
●做通电直导线和通电线圈使指南针偏转的实验,能够通过分析建立解释。
情感、态度、价值观
●体验科学史上发现电产生磁的过程,意识到留意观察、善于思考品质的重要。
(二)教学准备
为小组准备:电池、电池盒、小灯泡、灯座、导线(其中一根较长)、指南针、长约两米的多股绝缘导线。
(三)教科书说明
本课先用一段话告诉学生,科学家奥斯特在1820年做了一个很有意义的实验。他发现了什么呢?书中没有说出来,这是为引起学生兴趣,自己来做实验发现。
第一部分:通电导线和指南针
学生学过的磁铁的知识、简单电路的知识是本课和本单元学习的基础,所以这部分开始让学生组装电路,回忆电流在电路中流过的路线、指南针指南北的性质。
通电导线使指南针磁针偏转的实验,教科书分为两个步骤进行。先用小灯泡电路中的长导线做实验,再用去掉了小灯泡的电路(短路状态)中的长导线做实验。第一步是正常的电路,实验现象不会很显著,但可以让学生自主地多探索一会儿。第二步用的是短路大电流,现象非常明显,但只能在老师带领下做一两次。这样安排注重的不是只让学生看到现象而是经历探究的过程。学生在第一步探究中有机会发现更多相关的现象,把前后两种不同的实验方法作比较,能初步意识到电流大小对磁力大小的影响。把非正常短路电路作为特例处理也是恰当的。
把导线拉直放在指南针上方与磁针指向一致,接通电流,磁针偏转,电流越大,偏转的角度越大,最大是90度。断开电流,磁针复位。
教科书要求分析观察到的现象。要引导学生从多角度来思考,最后归纳出只能是电流产生了磁性。
第二部分:通电线圈和指南针
教科书插图呈现了做线圈的方法。在三根手指上绕线圈,线圈大小能套在一般大小的指南针盒上,大约要绕10圈,用一节电池效果已经不错。让学生在实验中试一试,会发现把线圈立着放,指南针尽量靠近线圈的中心,指南针偏转的角度最大。
学生可能没有想过“用完了”的废电池还会有一点电。教科书最后引导学生知道线圈套在指南针上能检测出导线
中的微弱电流。这已经是对电生磁的应用了,这种方法在第7课中还要应用到。
本课电生磁的实验,先用小灯泡电路做,再用短路电路做,最后绕线圈做,三个实验形成了一个活动结构——增大电流、增加圈数可以增加磁力的结构。
(四)教学建议
在100多年前,电与人类的生活是完全无关的,电只用于实验中。直到1820年,丹麦科学家奥斯特做了一个有名的实验才为人类使用电打开了大门。奥斯特做了什么实验?他有什么发现?我们也来做一做这个实验好吗?
教师可以用上面的谈话引入本课的学习。
1.通电直导线使指南针磁针偏转的实验。
(1)让学生先组装一个点亮小灯泡的电路,说说电流在电路中是怎样流动的(从电池的正极开始,依次流过电路再流回电池的负极)。
拿出指南针。问,指南针指向什么方向?回忆指南针有指示南北方向的性质。
(2)简述奥斯特做的实验。要求学生用小灯泡电路中的导线来做这个实验,并示范实验方法。要求学生观察:接通电流,有什么现象;断开电流,有什么现象。
(把拉直的导线靠近小磁针上方,接通电流,看到小磁针转动了,指的方向偏离了南北方向,我们说小磁针偏转了。断开电流,小磁针回复到南北方向位置。)
(3)让学生多做一会儿实验,学生可能有更多的发现。如通电导线离磁针远近不同,磁针的偏转程度会不同;导线在磁针下方磁针也会偏转,但方向相反;把导线顺着磁针移动,各处都一样……如果希望学生能有些新的发现,教师可以做一些启发提示。
(4)提出问题,用什么办法使磁针偏转得多些呢?
拿掉小灯泡,保留开关,安装短路的电路。提示把一切准备好以后再通电,看到现象后马上断开电路。这一点,教学中特别要提醒学生注意。
(5)分析观察到的现象时要注重培养学生作出解释的能力。不要简单地就得出“电生磁”的结论,而要学生把新现象和已有知识联系起来说出理由。教师要反复追问,怎么就认定是电流产生了磁性,而不是其他什么原因呢?此时可以引导学生,根据过去的经验,怎样做才能使小磁针发生偏转。
通过研讨,要启发学生明确认识到,只有铁或磁铁才能使小磁针发生偏转,而导线是铜的,磁针偏转不可能是导线的原因。接通电流,磁针偏转;断开电流,磁针复位,应该是电流产生了磁性。
2.通电线圈使指南针磁针偏转的实验。
(1)用导线在手指上绕线圈,简单方便。也可以用导线在1号电池上绕10圈左右做线圈,那样会大小统一而且更整齐。
(2)通电线圈产生的磁力比直导线强多了,用线圈靠近指南针,多数情况下指针都会明显偏转。教学中无须指导学生怎么放线圈,而让学生自己去试,线圈怎么放指针偏转角度最大。实验中,学生说不定会在头脑中把通电线圈与磁铁建立某种联系。
通过实验,学生自己会发现:线圈立着放,用线圈的平面靠近指南针,或者把线圈套在指南针上,指针偏转角度最大。
(3)在检测一节废电池有没有电之前,必须用小灯泡测试废电池确实不能点亮小灯泡了。
(4)本课最后,可以提问学生,对于“电与磁”你们还知道些什么?还想知道什么? 
第2课电磁铁
(一)背景和目标
电磁铁是利用电流的磁效应使铁芯磁化而产生磁力的装置。电磁铁是电生磁的最直接应用,之后电磁铁又广泛应用在各种用电器中。电磁铁结构简单、制作容易、呈现的现象有趣,可以开展适合学生水平的多种研究。本课有两个活动。
第一,制作铁钉电磁铁。学生自己在铁钉上绕线圈做铁钉电磁铁,自然就很容易理解什么叫电磁铁了。反复几次接通电流、断开电流,学生会发现电磁铁的基本性质。通过测试自己做的电磁铁能吸起多少根大头针,学生会产生新的问题:是什么在影响我的电磁铁的磁力?我的电磁铁磁力能够大一些吗?这将留待下一节课研究。
第二,研究铁钉电磁铁的南北极。铁钉有没有南北极?学生用原来学过的磁铁的性质能够解决这个问题。但是在解决这个问题的过程中会发现新的问题,那就是各小组钉尖、钉头的南北极不是都一样。这就引出了研究电磁铁南北极与哪些因素有关的问题。通过在教师指导下的探究,这个问题也会圆满解决。
科学概念
●电磁铁具有接通电流产生磁性、断开电流磁性消失的基本性质。
●改变电池正负极接法或改变线圈绕线的方向会改变电磁铁的南北极。
过程与方法
●制作铁钉电磁铁。
●做研究电磁铁的南北极的实验。
情感、态度、价值观
●养成认真细致、合作进行探究的品质。
(二)教学准备
为小组准备:多股绝缘胶线、大铁钉、小块砂纸、胶带、大头针、指南针。
(三)教科书说明
教科书第一句话是让学生回忆上一课的知识,加强通电线圈能够产生磁性的认识。根据磁铁能够
磁化小铁钉的经验,学生容易联想到把线圈绕在大铁钉上,铁钉可能被磁化。这就引入了在铁钉上绕线圈的操作。
第一部分:制作铁钉电磁铁
这部分分为两个步骤,第一步做电磁铁,第二步测试电磁铁。
教科书插图详细表现出了绕制的方法和步骤。中图表现了压住线头线尾的方法。做电磁铁的导线要用带绝缘胶皮的导线,多股、较细,便于缠绕拆开多次使用。线长够绕50~80圈为好。圈数太少磁力太小;圈数太多,磁力虽强但需要的导线很长。注意用砂纸把线头磨光。
测试铁钉电磁铁。教科书要求接通电流,断开电流做几次吸大头针的实验,是要学生感知电磁铁最重要的性质:接通电流产生磁性,断开电流磁性消失。要求测试一下电磁铁能吸起多少根大头针,是要学生关注电磁铁磁力的大小。
教科书再次强调了电磁铁不能长时间接在电池上,教学中要提醒学生注意。
第二部分:铁钉电磁铁的南北极
这部分也分为两个步骤,第一步研究电磁铁有没有南北极,第二步研究电磁铁的南北极与什么有关。
第一步,研究铁钉电磁铁有没有南北极,铁钉哪端是北极,哪端是南极。让学生用已有的知识自己想办法研究。简单的方法是用指南针检验:在通电情况下,铁钉的一端与小磁针的南极相吸,而与小磁针的北极相斥,或者现象相反,说明电磁铁也有南北极。运用的道理是异极相吸,同极相斥。这样做的同时,也就测试出了钉尖、钉头各是什么极了。测试后学生会发现各组电磁铁钉尖、钉头的南北极不都是相同的,自然产生出为什么会不相同的问题。
第二步,研究电磁铁的南北极与哪
些因素有关。教科书插图提示了线圈有两种不同的绕法,启发学生想到是否与绕线的方向有关。学生通过实验会发现当调换电池正负极连接时,或线圈缠绕的方向改变时,铁钉电磁铁南北极会改变(两种方法都是线圈中电流方向改变了)。
(四)教学建议
1.制作铁钉电磁铁。
(1)在本课和下两课的教学中,学生要多次绕制电磁铁的线圈,所以用来绕线圈的导线选用较细的多股胶线(市场出售的“引线”类)较好。本课用的导线长约1.2米为宜。
(2)制电磁铁的铁钉最好用长8厘米以上的大铁钉,又短又细的小铁钉效果不佳。
电磁铁的铁芯都是软铁,断电后磁性完全消失。我们使用的铁钉不是很软的铁,做电磁铁断电后有明显的剩余磁性。解决的办法是先作退火处理,即把铁钉放在火上烧红,再让它慢慢冷却。还可以用细长的螺丝杆来做铁芯,螺丝杆一般比钉子软些。
(3)讲制作方法时只说要沿着一个方向绕就可以了,不必要规定沿什么方向绕,钉子怎么拿。这样各组制作的电磁铁绕线的方向很可能就不同,有利于他们在后面的研究中发现电磁铁的南北极不同的问题。
(4)用小号的大头针来测试电磁铁有无磁性,磁力大小比用回形针好。如果学生做的电磁铁仍有一点剩磁,教师要给予解释,并告诉他们只要轻轻敲一下铁钉剩磁就没有了。
还需提醒学生不要把电磁铁长时间接在电路中。
2.研究铁钉电磁铁的南北极。
(1)可以提问,磁铁有南北极,电磁铁有南北极吗?怎么知道呢?
这个问题是要启发学生自己设计实验检验。学生如果想到的是把电磁铁悬挂起来或设法使它浮在水上,看它是否指南北。可告诉学生这种思路是对的,只是做起来比较难。再启发学生思考更简便的方法(用指南针测试)。
当学生用指南针检测铁钉电磁铁南北极时,可能要适时提出问题,钉尖吸引了指南针的北极就能说明钉尖是南极了吗?(不能,因为铁钉本身就可以与指南针北极相吸引)怎么办呢?(再靠近指南针南极试试,如果排斥就可以得到证实)
时间允许的话,还可以让小组同学换人再测几次,并记下结果。这样有可能引出“矛盾”,不同的同学检测出来的南北极不同。
(2)当各小组都检测完后,提问:你们的钉尖是南极还是北极?为什么各组会不同呢?自然转入研究电磁铁的南北极与什么有关的问题。
(3)提问,电磁铁的南北极可能和什么因素有关?你们打算怎么研究?引导学生先建立猜想,然后再检验自己的猜想。
电磁铁两端南北极不同,电池接法不同是容易想到的,线圈的绕向就不一定能想到了,必要时要给予提示。
指导学生以不同方向绕制线圈,要提示学生注意拿钉子的方向不变,拿钉子的左右手不变,只是绕的方向相反。
3.总结梳理。
启发学生比较磁铁和电磁铁性质有哪些不同的地方,以加深学生对电磁铁的认识(不同的地方:电磁铁通电才有磁性,南北极是可以改变的)。
第3课电磁铁的磁力(一)
(一) 背景和目标
学生都希望做一个磁力很大的电磁铁。电磁铁的磁力大小与其结构有明显的联系,所以做实验寻找影响磁力大小的因素,适合学生心理需要和认知水平。本单元设计用两课时间让学生经历一个完整的过程,比较深入地探究哪些因素影响电磁铁磁力的大小,并制作一个强磁力电磁铁。本课有两个活动。
第一,作出我们的假设。在这一步骤中,要学生寻找所有影响电磁铁磁力大小的可能因素。在全班列出一张假设因素表,推测什么因素可能是影响最大的因素。
第二,设计实验,检验假设。本节课安排全班共同检验一个假设:磁力大小与线圈圈数有关。过程分为制订计划、交流计划、实施计划,重点思考如何在对比实验中控制条件的问题。扎扎实实地经历这个过程不但是检验这个假设的需要,也为下节课学生更独立地检验其他假设打下基础。
科学概念
●电磁铁的磁力是可以改变的。
●电磁铁的磁力大小与线圈圈数有关:圈数少磁力小,圈数多磁力大。
过程与方法
●有一定根据地进行假设,找出认为可能影响电磁铁磁力的因素。
●在教师指导下,会识别变量设计对比实验,会控制变量检验线圈圈数对磁力大小的影响。
●能对本小组实验方案作介绍说明,体会到交流与讨论能引发新的想法。
情感、态度、价值观
●能够大胆想象,又有根据地假设。
●能够以严谨的科学态度做检验假设的实验。
(二)教学准备
为小组准备:电池、电池盒、长约3米的多股绝缘导线、大铁钉、大头针。
(三)教科书说明
教科书首先描述了电磁起重机是怎样工作的,然后引出了电磁铁磁力大小与哪些因素有关的问题。
第一部分:作出我们的假设
教科书让学生讨论并写出自己对这个问题的假设和作这样假设的理由。为了帮助学生更好地作出假设,教科书从电磁铁组成、磁力产生条件两方面作了思考方向的指导。电磁铁由线圈、铁芯组成,要产生磁性必须通电,所以电磁铁磁力大小应该与这三个方面有关。第一,与线圈有关。可能与线圈圈数有关,与线圈粗细、长短有关,与绕线圈的导线粗细有关等。第二,与铁芯有关。可能与铁芯粗细、长短、形状等有关。第三,与电流有关。简单说就是与电池的多少有关。教科书中的假设记录表给出了填表方法的示范。
学生找出的因素可能有:①电池数量;②绕线多少;③铁芯粗细;④铁芯长短;⑤电线粗细;⑥线圈的粗细(直径);⑦线圈的形状;⑧铁芯的形状(条形或马蹄形);⑨线的类型(漆包线或胶皮线),等等。这些都是有道理的。其中,①和②是影响最大的因素,但在这里教师不作肯定和否定。
全班交流假设,汇总所有的假设,推测哪些是影响最大的因素,这是一个整理假设的过程。它能够让学生相互启发,提高作出假设的能力,也便于下面有序地检验假设。
第二部分:设计实验,检验假设
线圈圈数是影响电磁铁磁力的主要因素之一,操作也相对比较复杂,所以教科书选它来让全班共同检验。检验过程分为三个步骤。
第一,制订小组研究计划。怎样设计这个对比实验?教科书提出的两个问题是做好这个实验的关键所在,要让学生讨论清楚。
我们要改变的条件是线圈圈数,三个电磁铁的线圈圈数差别要较大,这是为了使实验现象的差别较大,便于观察。教科书插图中的线圈圈数差别是较大的。教科书中的研究计划表也是做好对比实验的很好的指导材料,要让学生认真填写,“怎样改变这个条件”栏要填出计划各绕多少圈。
控制不变的因素应当是其他所有因素。
第二,交流小组研究计划。教科书提出两个问题引导学生能认真倾听、认真思考,给别人提建议,自己作修改。
第三,实施小组研究计划。教科书提供的实验记录表中格数较多,不是一定要用完。比较圈数多少和磁力大小排序,学生不难发现其中的规律。
(四)教学建议
出示电磁起重机正在吸废钢铁的图片,简单介绍电磁起重机的用途、优点。然后提出问题,这个电磁铁的磁力真够大的,你们想制造一个大磁力电磁铁吗?那就要知道电磁铁磁力大小与哪些因素有关。今天,我们就来共同研究这个问题。
1.作出我们的假设。
(1)老师要清楚影响电磁铁磁力的因素,才能自如地指导学生假设、实验和汇报。经研究,影响电磁铁磁力大小的因素主要有四个,一是缠绕在铁芯上线圈的圈数,二是线圈中电流的强度,三是缠绕的线圈与铁芯的距离,四是铁芯的大小形状。
线圈的圈数多,电流的强度强,线圈与铁芯的距离近,电磁铁的磁力就强,反之,线圈的圈数少,电流的强度弱,线圈与铁芯的距离远,电磁铁的磁力就弱。
铁芯的情况复杂一些,铁芯的长短粗细要与线圈多少、电流大小相匹配,在线圈多少、电流大小与铁芯基本相匹配的情况下,铁芯细一点粗一点没有多大影响。这时只靠加大铁芯提高电磁铁的磁力是不可能的。也就是说,不是铁芯越粗越好,也不是铁芯越细越好。另外,马蹄形铁芯比条形铁芯磁力强,因为它把南北极的磁力集中在一起了。
(2)电磁铁由线圈、铁芯组成,产生磁性必须通电,所以电磁铁的磁力大小应该与这三个方面有关。在学生作假设时,教师要适时地引导他们从电磁铁的组成和产生磁力的条件上去想,这是一个有根据、有顺序的思路,应启发学生按这种思路去作假设,或者把已作出的假设整理成这样的思路。
教科书说明中已经列出9种学生可能找出的因素,实际教学中学生不一定说得出这些,也可能还会有其他假设。我们的教学目标不是找得越多就越好,而是学生是否充分动脑了,假设是否有一定的理由。
(3)汇报交流假设和假设的理由,是一个整理假设的过程。要把学生的假设都简要板书出来,然后汇总成全班的假设,全班汇总的假设只简要写出因素名称就可以了。
(4)推测找出影响最大的因素,学生不同的看法都要认可。
(5)教科书上的假设表,一般是小组讨论时填写,也可以根据学生实际在全班汇总后填写。
2.设计实验,检验假设。
(1)在分组制订研究计划前,要先强调明确思考的两个问题,需要改变的条件是哪一个?应当控制不变的条件是哪些?怎样改变或者不改变它们?
可以对教科书上的研究计划表进行一些说明。比如怎样确定计划绕的圈数,而绕多少圈不是随便写的,要考虑一些因素。比如我们希望圈数差别大一点,但限制的因素是导线有多长。然后分组讨论和填写研究计划表。
(2)交流小组研究计划时,教师要因势利导,提示绕制三个电磁铁,导线长度不要变,只是绕在铁钉上的线圈圈数改变就行了,这样保持了导线长度,便于下次使用。同时也能够保持电流大小始终不变,因为导线短,电流大些,导线长了电流会小些。线圈圈数变化可以全班商量,统一定个数,比如20圈、60圈、100圈。
(3)实施小组研究计划。为了节约材料,可以用一根长导线先后绕制三个不同圈数的电磁铁。为了节约时间,可以先绕制好这样的三个电磁铁,用的导线都一样长。
测量磁力大小可以用小号的大头针。这样,磁力大小容易从吸起大头针个数上区别开。
(4)研究电磁铁磁力大小的内容,教科书安排了两课时,课时和内容是可以调整的。可以第一课时作假设,第二课时做实验。也可以安排成三课时,把实验后的汇报小结,制作强力电磁铁安排在第三课时。
第4课电磁铁的磁力(二)
(一)背景和目标
本课是上一课的继续,有三个活动。
第一,小组检验所选择的假设。这个活动由教师给学生准备几组不同的材料,让小组选择不同的材料设计实验进行检验。过程与上一课相同,也要求填写研究计划表和实验记录表。最后,学生准备发言汇报。完成了这个活动,小组检验了两个假设,全班检验了3~5个假设,就基本上包括了学生所提到的那些假设。
第二,汇报交流,共享研究成果。这部分通过小组汇报,总结出全班合作研究的成果。教师再补充讲解,给学生一个更完整的认识。为下一个活动“做强力电磁铁”打下基础。
第三,设计制作一个强磁力电磁铁。用自己的研究成果来做一个强磁力电磁铁,肯定是每一个学生的心愿。探究活动以学生成功制作出强力电磁铁、体验到成功的喜悦而结束。
科学概念
●电磁铁的磁力大小与使用的电池数量有关:电池少则磁力小,电池多则磁力大。
●电磁铁的磁力大小与线圈粗细长短、铁芯粗细长短等因素有一定关系。
过程与方法
●经历一个完整的较深入的科学研究过程:提出问题,作出假设,设计实验,进行检验,汇报交流,共享成果。
●用数据展示说明本小组的研究成果,锻炼表达交流能力。
●能通过倾听、提问共享其他小组的研究成果。体会到交流与讨论能引发新的想法。
●能用全班合作研究的成果设计制作强力电磁铁。
情感、态度、价值观
●培养严谨的科学态度,体会到开展合作的必要性和重要性。
(二)教学准备
为小组准备:
组一:3节电池和电池盒、多股绝缘导线、大铁钉。
组二:直径不同的3个线圈管、电池、电池盒、多股绝缘导线、大铁钉。
组三:长短不同、粗细相同的3个铁螺栓,电池、电池盒、多股绝缘导线。
组四:长短相同、粗细不同的3个铁螺栓,电池、电池盒、多股绝缘导线。
为全班准备:较大铁螺栓、螺帽、垫圈,4米以上多股绝缘导线(做强力电磁铁用)。
教师自己准备:演示用的磁力很强的大磁铁。
(三)教科书说明
本课内容是上一课的继续。课的开始让学生回忆上一节课作出的假设和检验假设的实验。接着列举性地用插图呈现了四组材料:分别是个数不同的电池;长短相同、粗细不同的塑料管;粗细相同、长短不同的螺栓;长短相同、粗细不同的螺栓。用它们设计实验可以分别检验电磁铁磁力大小与电池个数、线圈粗细、铁芯粗细、铁芯长短之间的关系。教学中,教师可以根据实际灵活更换、增减材料。
第一部分:小组检验所选择的假设
教科书要求一个小组选择一个假设来检验,教师可以根据材料情况进行调整。检验假设的过程和方法与上一课相同。根据难易的不同,教师对学生的实验设计和实验过程要给予指导。对于一些因素,比如铁芯粗细与磁力大小的关系,实验数据表明二者关系并不明显,学生会感到困惑,教师在此要强调尊重数据,依据数据得出结论的科学态度。电磁铁磁力大小与铁芯粗细有关系,但不是铁芯越粗越好,也不是铁芯越细越好,这样“不单纯”“不典型”的研究学生过去很少遇到。其实,这种类型的关系在实际中是很多的,这正是培养学生科学素养的好机会。
检验完毕后,整理分析数据,准备交流汇报。对教科书中“数据能说明什么或不能说明什么”,要引导学生知道数据不能说明什么也是我们研究的成果。
第二部分:汇报交流,共享研究成果
教科书对这部分的过程、方法作了明确的说明。对还没有进行实验检验的假设,教师要给予必要的讲解,以求对所有的假设都有个交代,学生对影响电磁铁磁力大小的因素有个全面的了解。教科书上“认真听取老师的补充讲解”的意思是教师在这时候可以进行必要的讲解了。
第三部分:设计制作一个强磁力电磁铁
教科书不但要学生思考从哪几方面可以增强电磁铁磁力,还提示方法应该是容易做到的。这点很重要,否则设计就成了纸上谈兵了。教科书插图中材料是长导线,两节电池,一根较长、较粗的螺栓,带着螺丝帽和两片垫圈。这些材料会给学生一些启示,用图中的材料能做出磁力相当强的电磁铁。
最后教科书插图中能吊起一个孩子的电磁铁一定会给学生们无限的遐想。由特写图可见,它的铁芯大而形状特殊,把线圈包在铁芯中,中间圆柱和外圆环是电磁铁的两极,处在同一个平面上。线圈用较粗的漆包线绕制,圈数多。这样的电磁铁对铁板的吸引力当然就非常大了。
(四)教学建议
1.实验材料的准备。
(1)这一课的教学可以根据学校和学生的实际,准备材料指导学生做2~4种检验假设的对比实验。
(2)建议要重点检验电池多少这一因素,它是影响磁力大小的主要因素。不检验导线粗细这一因素,因为导线太粗了绕制困难,成本也高。材料难于准备,制作费时太多的因素也可以不检验,如马蹄形铁芯。铁心粗细、长短和线圈粗细、长短因素的检验则根据实际条件可多可少,灵活安排。
2.小组检验所选择的假设。
(1)本节课制订计划、交流计划、实施计划都可以参照上一课的方法进行。
(2)这节课对不变的量要确定一个班级的值,比如线圈圈数各组都绕60圈。各组检验的因素即变化的量也要确定出具体变化的值。
(3)提醒学生做实验时,小组要考虑好成员怎样分工,怎样轮流着做。要做好数据记录,依据数据得出结论,并准备小组的汇报发言。
(4)因为各组做的实验不同,有易有难,教师要有重点地进行实验观察和指导。
3.汇报交流,共享研究成果。
(1)汇报时可以按研究的课题进行汇报,研究相同课题的组的汇报,只进行不同内容的补充即可。
(2)在分组汇报时,要求大家记录下别人的研究成果。
(3)当检验的结果与最初的假设不一致时,要明确指出:这有两种可能。一是数据不能说明什么也是研究的成果。二是实验的操作可能有问题,如果时间允许可再做一次,或几个小组同时做这个实验。
(4)学生汇报完后,教师引导总结:我们对几种假设进行了实验检验,现在我们知道了哪些因素影响电磁铁磁力大小,是怎样影响的。
(5)简要补充讲解没有实验检验的其他因素对电磁铁磁力的影响。
(6)这两课教科书详细展示了探究电磁铁磁力大小的全过程,有利于学生学习与回顾。教学中根据学生实际有的环节可以简化一些,有的环节可以突出一些。
4.设计制作一个强磁力电磁铁。
(1)活动重点放在培养学生应用知识解决问题的能力和激发兴趣上。可以分小组制作,也可以全班制作一个。
(2)如果用教科书插图中的螺栓做强力电磁铁,方法是:螺丝帽刚好完全旋进螺杆,螺杆不伸出螺帽。在两片垫圈间密绕线圈200~300圈。用两节电池做电源。这样的电磁铁磁力已经相当大了。如果用漆包线绕线圈效果更好。
(3)简单介绍能吊起孩子的电磁铁。如果能找到类似的电磁铁在课堂上演示,那会令学生们兴奋不已。 
第5课神奇的小电动机
(一)背景和目标
学生应用磁铁和电磁铁的性质研究最简单的直流小电动机,是一项很有兴趣的过程与方法活动。在活动中,电磁铁的知识可以得到应用,探究能力得到锻炼。研究内容也开始转到对电能的研究上。本课有两个活动。
第一,观察小电动机里面有什么。这部分通过观察知道小电动机的主要构造,通过检测知道转子实际上是电磁铁,为研究小电动机转动的秘密打下基础。
第二,研究小电动机转动的秘密。这部分先根据小电动机的构造推测通了电它为什么会转动,然后在教师指导下用实验检验推测。这是本课的重点,也是难点。
科学概念
●玩具小电动机的功能是把电变成了动力。
过程与方法
●用分部分观察、整体观察的方法了解小电动机的构造。
●根据小电动机的构造推想通了电它为什么会转动。
●在教师指导下按步骤做探究小电动机工作原理的实验。
情感、态度、价值观
●产生探究小电动机的兴趣。
(二)教学准备
为小组准备:锁片已经撬开(容易拆开)的玩具小电动机、塑料杯或纸杯、橡皮筋、铜质单股粗导线做的V字形“电刷”、铁丝支架、电池、电池座、开关、导线、磁铁、大头针。
教师自己准备:有关玩具小电动机构造的图片或影像。
(三)教科书说明
本课第一幅插图是学生们熟悉的玩具小车,车盖已拿掉,可见电池和电动机。给这个小电动机通上电流,它就转动起来了。在这种情景中,教科书提出了“小电动机里面有什么,为什么通上电会转动”的问题。
第一部分:小电动机里面有什么
观察研究分为三个步骤。
首先观察小电动机的三个部分,看看各有什么部件。教科书画出了这三个部分并标注了名称。外壳内有一对永久磁铁,转子上有铁芯、线圈、换向器,后盖上有电刷。其次,研究转子为什么是这样的构造,想办法检验一下转子是不是一个电磁铁。从换向器向线圈通电,可以看到转子铁芯能吸起大头针,转子就是三个电磁铁。最后,观察电流是沿着怎样的线路流过线圈的。实际观察可见电流流过的线路是:电池→后盖接线→电刷→换向器→线圈→换向器→电刷→后盖接线→电池。学生通过阅读资料可了解换向器的作用。
第二部分:研究小电动机转动的秘密
探究小电动机转动的秘密分为三个步骤。
第一,猜想。了解了小电动机的构造,很自然地就会猜想它为什么会转动起来。教科书引导学生把小电动机的三个部分联系在一起思考,想到力的作用,想到磁铁与电磁铁(转子)会相互吸引或排斥。学生会猜想到是磁铁与电磁铁的相互作用推动了转子转动。
第二,检验猜想。教科书分成四步用叙述和插图形式指导了检验的方法,学生照方法步骤做,到第三步已经能直观了解小电动机的工作原理了。第四步是拓展性的,按教科书指引去操作会不断有惊喜的发现。磁铁距线圈的远近、磁铁数量和电池数量可以改变转子转动的快慢;对着转子的磁铁的磁极性质,以及电池正负极的不同接法都可以改变转子转动的方向。这一步可以激起学生的极大兴趣。课堂时间不够,可以延伸到课外去继续研究。
第三,提出“我们怎样向其他人解释小电动机为什么会转动?”启发学生通过表述来整理自己刚获得的认识,因为这个认识可能还是模糊的。本课最后也给出了最简单的解释,以保证所有的学生在科学概念上都有明确的收获。
(四)教学建议
本课总的教学思路是:观察、猜想、验证、表达。
先让小四驱车在桌上运动起来,一下子就会吸引学生。再拆开看里面有电池和电动机,再看看电动机的转动,引出问题:“小电动机里面有什么?为什么通上电会转动?”
1.小电动机里面有什么。
(1)小电动机外壳和后盖之间是用两个锁片扣住的,在上课前,先用工具把锁片撬直,拆开外壳和后盖后再轻松装回去。
(2)让学生拆开小电动机前,先猜测里面应该有什么,激起观察的兴趣。告诉学生拆开小电动机只要轻轻拉开就行了,拆的时候要记住各部分是怎么连接的,等一会儿还要装配还原。
(3)按教科书步骤一部分一部分观察。验证转子是否是电磁铁,最简单的方法是给转子通电,看它是否能吸起大头针。换向器的作用可以通过阅读课文中的小资料了解。
2.研究小电动机转动的秘密。
(1)课前要为学生作好实验材料的准备,从教科书插图中已经可以清楚看到这些材料应当怎样制作。需要注意的是,“V”形叉子是关键的部件,它起的是电刷的作用,要用较粗的铜导线制作。张开的角度要先试验一下,避免把换向器卡死,线头要用砂纸磨光。最好把转子的换向器也磨光一下。
实验用的磁铁磁力强,效果好。如果实验室磁铁磁力小,可以用柜子门上磁力锁中的方块磁铁和环形磁铁。
(2)在猜想小电动机为什么会转动之前,可以先让学生试着把小电动机装配还原,观察各部分是如何连接在一起的。装后盖时要轻轻转动转子,使换向器插入电刷中。
(3)提出问题:“小电动机为什么通上电就能不停地转动?”在这个过程中当学生需要时,要给予启发指导:小电动机转子转动,肯定受到了力的作用,它受到什么力的作用了呢?小电动机里面有磁铁又有电磁铁,距离那么近,通上电后,它们之间会怎样作用呢?
通过观察和思考,学生会猜想到是磁铁与电磁铁的相互作用推动了转子转动。
还可以问问学生,他们认为小电动机各部分发挥着什么作用,可以省掉什么吗?这样,学生会更好地理解我们在下一步检验猜想的实验时,为什么要做那些支架,使用磁铁等。
(4)检验猜想的实验,实际上就是让转子在可见的状态下转动,并且可以改变磁铁的远近、个数、南北极位置等因素。检验按照教科书上的操作方法和过程来做。
指导学生调节支架,一是要使转子放水平,二是支架和“电刷”距离要合适,转子不被卡住,能灵活转动又不滑落。
如果通了电,磁铁靠近了转子,小电动机没有转动,可以让学生动一动转子。这实际上是帮助转子克服静摩擦力。如果转动比较困难,可以换用磁力大的磁铁或增加一节电池。
教师准备一个带导线的小灯泡是很有用的,它可以很快检测出学生组装的电路有无故障,电流是否顺利到达了“V”形叉子处。
(5)到了第三步,用一块磁铁使通电的转子转动起来后,建议中断一下操作,问一问,这个现象能说明什么?为什么不用磁铁靠近转子,转子就不动呢?(没有磁极间的吸引作用和排斥作用)我们使用的这块磁铁就相当于外壳里的磁铁。然后接着进行第四步。
(6)根据时间,第四步内容可以作弹性处理。但是,如果能多留一点时间让学生自主地继续探索,那是很有意义的。
用两块磁铁使转子转动的指导方法是,让两块磁铁自然吸在一起,然后拉开,相对着慢慢靠近转子,距离一样,转子会平衡地转动,靠得越近,转得越快。同时翻转两块磁铁的面(改变对着转子的南北极极性),转子一下子就反转了。
(7)活动结束时,要求学生把材料归位。仔细地把小电动机装配还原,还要试一试通电是否能转动起来。
第6课电能和能量
(一)背景和目标
学生对能量、能量转换的事实知道得并不少。本课指导学生用能量和能量转换的观点来重组自己原有的知识,初步建立能量和能量转换的概念。本课有两个活动。
第一,认识电能和其他能量。电可以做很多的事情,这是学生熟悉的,教科书就用电可以进行各种“工作”来帮助学生建立电能的概念。然后反过来找其他一些能量可以做什么“工作”,从而肯定这些也确实是能量,因为它们也像电能一样可以“工作”。接着引导学生认识食物、汽油储存着能量,是化学能。
第二,认识电能和其他能量的转化。首先,认识电能可以转化为其他形式的能。电可以做很多事情,也就是电能可以转化成很多形式的能量。学生通过分析熟悉的家用电器,把认识从可以做什么工作上升到把电能变成了什么能量。然后,认识其他能量之间的转化。
第一个活动重点是建立电能和其他能量的概念,第二个活动重点是认识电能和其他能量的转化,但两个活动密不可分,因为能量和能量转化本来就是密不可分的。
科学概念
●能量有电、热、声、光等多种形式,能量还储存在食物、燃料中。
●电能可以转化成其他形式的能量,其他不同形式的能量间也能够转化。
过程与方法
●通过观察、小实验和阅读资料,研讨认识能量和能量转化。
●分析常见能量转化的例子。
情感、态度、价值观
●产生研究能量的兴趣。
(二)教学准备
为小组准备:容易弯折的铁丝。
教师自己准备:相关能量和能量转化的影像资料。
(三)教科书说明
本课从电的用途非常广泛直接引入对电能的认识。
第一部分:电能和其他能量
教科书首先以电风扇、电视机和电水壶为例,说明用电器有了电可以做不同的事情,也就是可以进行各种“工作”,电所具有的这种能力叫电能,是能量的一种。
接着认识其他能量形式。教科书直接告诉了热能、光能和声能这些能量形式。可是学生会对热、光、声音怎么也是能量产生疑问,所以教科书引导学生找一找它们能做什么“工作”。插图表现了煤产生的热能可以推动蒸汽机车,风能可以转动风车,声能可以控制开关,光能可以加工零件。
教科书通过找“悄悄”地储存着的能量和我们身体能量的来源,认识食物、汽油中储存着能量,释放出来可以工作。
本课最后用一段文字归纳介绍了各种常见的能量,揭示了能量的重要性。
第二部分:电能的转化
以学生熟悉的家用电器为对象,通过调查、研讨把认识从可以做什么工作上升到把电能变成了什么能量。要求填写“输出的能量形式”是为了促进学生思考电能转化成了什么能量,与能做什么工作有所区别。
表中列举的电灯输出的能量形式是光和热两种。热能不是我们需要的,产生热也不是电灯的“工作”,但电灯在“工作”时电能确实有一部分转化成了热能。学生参照电灯的例子对其他家用电器进行分析讨论,对电能转化成其他形式的能量会有一个较明确的认识。
教科书再进一步使学生知道各种用电器都是一种能量的转化器,可以把输入的电能转化成光能、热能、声能等其他形式的能量。
本部分还从电能转化延伸开来,引导学生认识其他能量之间的转化。两手互相摩擦,反复弯折铁丝是我们人的能量(机械能)变成了热能。插图中的篝火是化学能转化成热能,放鞭炮是化学能转化成机械能、声能等。
最后的漫画表现的能量转化过程是:太阳能——植物果实储存的化学能(生物能)——人体储存的化学能(生物能)——自行车的机械能(动能)——发电机的电能——电炉的热能——水蒸气的热能。
(四)教学建议
1.电能和其他能量。
(1)能量是抽象的,我们怎么引导学生认识能量?我们是利用学生熟悉的电的用途,引导他们一步步体会什么是能量的。教学中可以分为三个层次:认识电能——认识其他能量——认识含有能量的物质。
教学中先举出一些用电器,认识它们能做什么事情,建立“电是可以做一些事情的”的认识。然后把发光、发声、发热、运动等“事情”用“工作”来概括,建立“电可以做各种工作”的认识。再后把做这些工作的能力上升到电能概念。
推广开来,用“可以做些什么工作呢”作标准,来衡量热、光、声等确实也是能量。再进一步认识有些看来“静悄悄”什么工作也没有做的物质含有化学能,它们具有工作的潜在能力。
(2)教学这部分,可以按照上面的顺序,多举些例子,用研讨的方法进行。
(3)教学中不必介意出现了多少能量的名称,也不必局限于教科书中的内容,让它在师生的互动中自然出现就可以了。注意生活中常说的风能、水能、太阳能不是按能量的性质来说的,是用具有能量的物体来取名的。
2.认识电能的转化。
(1)学生在前面认识电能时,已经举了一些家用电器能做什么工作的例子来说明。这里要明确提出新要求:尽量把家用电器都举出来,还要把能量输入、输出形式找出来。以电灯为例说明“可以做的工作”和“输出的能量形式”是不同的。然后分组调查、填表。
(2)汇报时,要逐步通过具体用电器的例子,让学生认识到用电器往往不只是输出一种形式的能量,我们也并没有利用输出的所有形式的能量。
(3)可以把电能转化扩展到家庭以外的用电设备上,如电车、电影、电动门的能量是怎样转化的。在大量例子的基础上,自然引导学生认识到是电能与其他能量之间巧妙的转化使我们的生产、生活变得越来越方便。
(4)在这一部分教学中,穿插一点生动的事例是比较好的。比如,出示一张电子生日卡,一打开,又放生日快乐的乐曲又闪闪发光,甚至还有转轮旋转,让学生说说这其中能量是怎样转化的。
(5)在认识了电能转化后,可以认识其他能量间也可以互相转化。两手互相摩擦,体会手的感觉,反复弯折一段铁丝,摸摸弯折处的温度来认识人体的能量转化成了热能。在教学中可以再补充一些不涉及电的能量转化的例子。最后分析漫画中表现的能量转化。
第7课电能从哪里来
(一)背景和目标
电不是自然存在的能源,而是由其他能源(风能、水能、热能等)转换来的二次能源。上一课认识了电能转化成其他形式的能,这一课认识其他形式的能转化成电能,这就使学生更深入地认识电能与其他能量的相互转化,同时更进一步认识科学技术对人类的巨大贡献。本课有三个活动。
第一,了解各种各样的电池。这部分引导学生认识了解各类电池,了解它们的相同之处和不同之处。了解它们把哪些能量转化成了电能。
第二,我们来发电。我们使用的电主要来自发电厂。所有的发电厂都是用发电机发电的,不同的只是推动发电机的方法。怎样让学生体验发电呢?教科书安排了用小电动机模拟发电机来发电的活动。
第三,了解发电站的电能是从哪里来的。这部分引导学生了解不同的发电厂把哪些不同的能量转化成了电能。
科学概念
●电池是把化学能或光能转化成了电能。发电有多种方法。
●电能都是其他形式的能量转化来的。
过程与方法
●通过观察、实验和阅读资料认识电能的来源。
情感、态度、价值观
●体验科学技术对社会进步的贡献。
(二)教学准备
为小组准备:导线圈、指南针、玩具小电动机、小灯泡、粗线。
教师自己准备:导线、各种电池或电池图片、手摇发电机、小灯泡。
(三)教科书说明
本课开始问:“我们使用的电是从哪里来的?”我们用的电有的从电池里来,有的是发电厂用电线输送来的。本课从这两方面引导学生来认识电的来源。
第一部分:各种各样的电池
课本中第一幅插图是普通电池、纽扣电池,第二幅插图是光电池,第三幅插图是蓄电池。普通电池是一次性把化学能转化成了电能,光电池是把光能转化成了电能,蓄电池是放电时把化学能变成电能,充电时把电能转化成化学能,也可以理解成它用化学能的形式把电能储存起来,需要时再输出来。电池移动使用方便,但一般电容量较小。光电池不能储存电能,只能即时使用。
第二部分:我们来发电
用手摇发电机发电直观、有趣,学生能清楚地观察到机械能转化成了电能,并点亮了小灯泡,同时也能观察到手摇发电机的构造与小电动机是相似的。
用小电动机能发电吗?像插图中那样连接小灯泡,用手使劲搓小电机的轴使小电动机转动,但是点不亮小灯泡。怎样知道小电动机是不是发出了电呢?像第一课那样绕线圈,绕在指南针盒上,转动指南针盒使磁针方向与线圈绕线方向一致。再用手搓小电动机的轴,可以看见指南针偏转了。证明我们发出电来了。转快一点能多发点电吗?怎样使小电动机转得快一点呢……插图是用线绕在电动机轴上拉动。学生尽管可能最终也未能点亮小灯泡,但是他们取得了“发电机”发电的直接感受和对发电这件事的兴趣。
第三部分:发电站的电是从哪里来的
这部分让学生在查阅资料的基础上讨论可以用哪些方法发电,能量是怎样转化的,并填写“电能的来源和转化”表。“电能的来源”栏填水电站、热电厂、风力发电站等,“转化的能量形式”填水能、热能(化学能)、风能等。在这个过程中,学生会发现有很多不同的能量都可以转化成电能,随着科学技术的发展,把其他能量形式转化成电能的办法越来越多了。
学生对用煤或用原子能发电的具体方法不需要知道,只要能了解是什么能变成了电能就可以了。
(四)教学建议
1.认识各种各样的电池。
(1)应尽量用各种电池实物进行教学,通过教学使学生实际认识各种各样的电池。
(2)除了光电池外,电池都是把化学能转化成电能的装置,都能把电能储备起来供人们使用,但都不能持续提供大电流。不同的电池有不同特点,有不同的适用对象。认识电池的不同主要认识一次性电池和充电电池、蓄电池的不同。教师可以参照后面资料“各种各样的电池”进行指导介绍。
(3)可以解剖一个一号电池,让学生看到电池里面的化学药品。同时说明电池为什么不能乱扔的道理。
(4)学生对电池能产生电始终都存在神秘感。可以在教学中补充一个小实验:将铜片和锌片(废电池外壳)插入盛有浓盐水的杯中,用引线连在“电流检测器”(线圈绕在指南针盒上的装置)上,可见产生了电流。将铜片和锌片插入水果中也可以检测出电流。
2.我们来发电。
(1)首先,演示用手摇发电机发电点亮小灯泡,最好让学生也感受一下用手摇发电机发电的过程。然后,让学生看看手摇发电机的构造,但是不需要介绍发电机的构造,可以问一问它像什么(像小电动机的构造)。
提问,发电机是把什么能量转化成电能了?(把机械能转化成电能了)
(2)各组用小电动机发电。用自制的“电流检测器”检验是不是发出电来了。想办法使小电动机转快一点,能点亮小灯泡吗?怎样才可能点亮小灯泡呢?学生的这个活动,可能最后也没有点亮小灯泡,但他们都能看到确实发出电来了,取得了实际的感受。
(3)用漆包线在指南针盒上绕20圈以上,就可以做成很灵敏的电流检测器。用手指捻小电动机的轴,磁针会发生很大偏转。
3.发电站的电是从哪里来的。
(1)简述我们使用的电绝大部分来自发电厂(发电站),发电厂都是用发电机发电的。
提问,发电机用什么力量推动呢?
(2)用查资料的方法、讨论的方法认识发电站可以把风能、水能或煤储存的能量转化成电能。可以展示很有特点的风力发电站、水力发电站的图片,它们的发电机是靠风力、水力来推动的。
(3)可以简单介绍一下热电厂发电的过程。用煤烧锅炉,化学能变成热能并把热量传给水,高温、高压的水蒸气带动蒸汽轮机转动,热能变成动能(机械能),蒸汽轮机带动发电机发电,动能变成电能。
(4)最后用三峡电站发电、输电、用电的过程结束本课,让学生体会科学技术给我们带来的好处。 
第8课能量与太阳
(一)背景和目标
学生们对太阳能已经有了一些了解,本课引导他们更进一步认识太阳是怎样赠与我们巨大的能量的,我们应该怎样珍惜使用能源。本课有三个活动。
第一,分析煤带给我们的信息。煤的形成经过了漫长年代复杂的变化,这个过程是无法直接观察,也无法用实验重现的。这里探究煤成因的活动,是让学生经历类似科学家研究煤成因的过程,一个利用证据逻辑推理及想象作出合理解释的过程。有了这个基础,进行下一个活动就容易了。
第二,认识存储了亿万年的太阳能。通过阅读资料和研讨认识煤、石油和天然气的成因,认识它们与太阳能的联系。从而了解我们使用的能量大多最终来自太阳。
第三,节约能源,寻找新能源。使学生了解节约能源的重要性,怎样节约能源,了解一些新能源的知识。
科学概念
●煤、石油、天然气所具有的能量是存储了亿万年的太阳能。
●能源和我们的生活关系密切。人类已开发出了一些新的能源。
过程与方法
●体验探究中证据、逻辑推理及运用想象的重要性。能将自己的分析结果与已有的科学结论作比较。
情感、态度、价值观
●认同珍惜能源、节约能源的观点。
(二)教学准备
教师自己准备:煤的形成过程、煤层中植物化石的图片或影像资料,有关各种能源的图片或影像资料。
(三)教科书说明
教科书首先指出煤、石油、天然气是重要的能源,提出它们是怎么形成的这个问题。
第一部分:煤带给我们的信息
教科书举出了三点煤带给我们的信息。第一点信息可以启发学生想到煤可能是由植物变成的。第二、三点信息可以启发学生想到煤是在泥沙沉积过程中形成的。接下来的远古森林图画及其中的文字又为“煤可能是由植物变成的”提供了进一步的证据。
这个活动既要充分利用证据,又要充分发挥想象,并在证据与想象之间建立起必然的逻辑联系,从而对煤的成因作出合理解释。
第二部分:存储了亿万年的太阳能
在推理、想象后,教科书给出了煤形成过程示意图和文字说明。学生可以将自己的推测与此相对照。在说明了石油、天然气的成因后,要求讨论煤、石油、天然气的能量是从哪里来的,与太阳能有什么关系。教科书中的三幅小插图分别代表了太阳能,古代动植物的能量,煤、石油、天然气的能量。插图可以帮助学生进行形象思维,教学时可以让学生在图上用箭头表示出三者的转化和传递关系。通过研讨,学生会认识到煤、石油、天然气的能量实际上是储存了亿万年的太阳能。
研讨我们使用的能量还有哪些与太阳能有联系,是希望学生了解水能、风能、所有的生物能源也是来源于太阳能,大多数能源最终都来自太阳。
第三部分:节约能源,寻找新能源
新能源概念,一般是指除了草木燃料、煤、石油、天然气之外的其他能源。地热、风能、海水的动能、原子能、直接利用的太阳能等都算作新能源。教科书插图中的卡通讨论还涉及了新能源——沼气,这能启发学生想到更多的新能源。
(四)教学建议
1.分析煤带给我们的信息。
(1)从煤、石油、天然气是我们使用的重要能源引入。提问,我们可以从哪里得到它们?它们为什么埋藏在地下,是怎么形成的呢?
(2)提供信息,进行猜测。
叙述:在研究煤的过程中,人们获得了一些重要信息,现在老师把这些信息提供给同学们:
①常常能在煤块上看到植物枝、叶的痕迹,甚至还发现了具有完整树干形状的煤。
②煤大多夹在古代沉积的泥沙变成的岩层中。
③煤在岩层中是一层一层分布的。
④亿万年前地球上气候温暖,雨量充足,植物生长非常繁茂。
充分利用这些证据,加上我们的想象,猜测一下煤是怎样形成的。
(小组讨论猜测)
(3)汇报时,对学生的每一项猜测都要追问一个“证据是什么”,“这样想象的依据是什么”。让学生经历这个过程是很有必要的。
2.存储了亿万年的太阳能。
(1)告诉学生,科学家也研究了煤的成因,这是他们的推测。
(出示煤形成过程的示意图和教科书上的文字资料,学生阅读和议论)
说说科学家的推测和我们的推测有什么相同和不同。
(2)简单讲解,根据不少证据推测,石油、天然气是几亿年前大量的低等动植物,主要是繁殖量最大的浮游生物经过复杂变化形成的。
(3)目前,煤、石油、天然气已成为我们使用的主要能源。它们具有的能量是从哪里来的呢?
适时呈现“太阳能”“动植物体具有的能量”“煤、石油、天然气的能量”三幅图。让学生用箭头表示出三者的转化、存储关系。
在研讨的过程中,引导学生认识:植物进行光合作用,把太阳能转化成生物能储存在自己的身体里,而动物的食物归根到底是植物,所以古代动植物体具有的能量都是来源于太阳能。远古的动植物埋藏在地下变成了煤、石油和天然气,所以煤、石油和天然气具有的能量最终还是来自于太阳。现在我们使用的是亿万年前储存下来的太阳能。
3.节约能源,寻找新能源。
(1)节约能源。学生能说出很多节约能源的方法,可以引导学生认识节约电、节约水、节约纸张等资源都是在节约能源。
(2)认识新能源。先让学生说他们知道的新能源,然后再补充一些。要引导学生认识到人们寻找的新能源都是污染小、可再生的一些能源。
四、评价建议
1.评价学生是否认识电流产生磁性的现象,电磁铁的基本性质,能量的多种形式,能量的相互转化。是否了解玩具小电动机的构造,初步了解其转动的原理。
2.评价学生在制作简单电磁铁、研究电磁铁磁力大小过程中的能力和表现。
3.评价学生在研究小电动机原理时表现的积极性和自主性。
4.评价积极参与研究活动,能倾听、提问、共享研究成果的表现。
5.利用学生记录表,评价学生观察、实验、收集数据达到的水平。

五、参考资料
安培定则
丹麦科学家奥斯特,在1820年发现了通电导线在它的周围能产生磁场,这个磁场对磁针有力的作用。接着,法国科学家安培在1822年通过实验总结出了用来判定电流磁场方向的安培定则(右手螺旋定则),内容是:
对于直导线电流,判定磁场的方法是:右手握住导线,让伸直的大拇指指向导线中的电流方向,那么,弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向(在奥斯特的实验中,指南针偏转的方向就是电流产生的磁感线环绕的方向)。
直导线产生的磁感线环绕方向(缺图片)
对于通电螺线管,判定磁场的方法是:用右手握住螺线管线圈,让弯曲的四指所指的方向跟螺线管中电流的方向一致,那么大拇指所指的那端就是螺线管的北极。安培还指出螺线管线圈中环形电流产生的磁场相当于一个条形磁体。
螺线管的南极和北极(缺图片)
能量及能量守恒定律
能量简称“能”,是物质运动的一般量度。任何物质都在运动着,如机械运动、分子热运动、电磁运动、化学运动、原子与基本粒子运动等。各种运动形式能够相互转化,而且转化时存在一定的数量关系,能量就是这种数量关系的量度。如摩擦生热,就是一定的机械运动转化为一定的分子热运动,这个“一定”就可以用能量来量度。相对应于不同形式的运动,就有不同形式的能量,能量形式分为机械能、分子内能(热能)、电能、化学能、原子能,等等。
能量可以在物质之间传递转移,这种过程就是做功或热传递。如水轮机推动发电机,机械能转化为电能,水轮机所做的功就是这种转化量的量度。又如,烧热的铁块放入水中,结果铁块温度降低,内能减少,而将热量传给水,使水的温度上升,内能增加。传递的热量就是这种能量传递的量度。物体要对外作功,就必须消耗本身的能量或从别处得到能量的补充。因此,一个物体的能量愈大,它对外界就可以作更多的功。所以,能量更简单的说法是“物体做功的本领”。
科学家们经过长期探索,发现用能量的概念可以反映不同的物质运动形式之间的联系,并发现了自然界的最普遍的定律之一——能量守恒定律。即各种不同形式的能量可以相互转化,这种转化是等量的。能量既不会消灭,也不会创生,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,而在转化的过程中,能量的总和保持不变。例如,火力发电厂用煤燃烧发电,消耗煤的化学能多,得到的电能少,但把得到的电能和烟囱排放废气、热辐射、热传导、摩擦生热、电阻生热这些消耗掉的能量加起来,其总量仍然是相等的。能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器。
家用电器的类别
科学技术为我们创造了大大小小、用途各异的家用电器,使我们的生活变得舒适和便利。面对形形色色的家用电器,我们能给它们分类吗?
家用电器可以分为四类:靠发光来工作的电器;靠发热来工作的电器;以电动机为动力的电器和以电子为主要工作形式的电器。
第一类的电器指电灯和各种各样的照明设备。照明是电最早的用途之一。
第二类的电器有电热锅、电水壶、电熨斗、电热毯、电烤箱等。所有这些电器都是利用同一个原理,即电流经过电路时会发出热量。电路中发热的部分是发热体,用电的不良导体制成,它把电能转化为热能。这一类电器统称为“电热器”。电磁炉、微波炉发热原理与前面不同,但也是把电能转换成热能,也属于第二类电器。
第三类的电器有洗衣机、冰箱、风扇、搅拌器、空调等。这些设备都配备有电动机,它们靠电动机的动力工作。
第四类的电器包括收音机、电视机、录像机、电脑等。这些电器是利用电子学原理来工作的。这类电器往往要把电能转化成好几种形式的能,满足人们对声音、影像、信息各方面的需要。
在第一三四类电器中,用电器工作仍然要发热,这种发热不仅无益,而且常常有害。我们要避免这三类电器工作时发热过多。
各种各样的电池
锰锌电池
人们用得最多的一种电池,俗称“干电池”,电压1.5伏。锰锌电池外壳是锌板压成的圆筒,中央是碳棒,碳棒周围是浸透了氯化铵溶液的碳粉和二氧化锰,四周还充满了糨糊状的氯化铵和氯化锌。为了防止电池内液体的蒸发,筒口密封。锰锌电池里的氯化铵能与锌发生化学反应,生成氯化锌和氢气,同时产生电能。锰锌电池里二氧化锰的作用是将氢气氧化成水,使氯与锌之间的化学反应能均匀持续地进行。
铅蓄电池
蓄电池也是应用很广泛的电池,在塑料槽里装满硫酸,里面有很多相隔开的铅板,外壳封闭。给它充了电后,它就可以放电了。蓄电池的好处是可以反复使用。铅蓄电池体积较大,不便携带,但汽车却离不开它。
充电电池
镍镉充电电池外观和锰锌电池一样,但是是用镍镉材料制成的。它可以反复充电使用,电压只有1.2伏。只要电压满足用电器需要,可以在任何使用干电池的地方使用。
纽扣电池
纽扣电池的体积和重量都很小,适用于电子手表、电子计算器等用电量小、要求体积小的用电器使用。纽扣电池按不同需要,也制成大小不同的规格,最小的比纽扣还小很多。电压有两种:3伏和1.5伏。纽扣电池是一次性电池,不能充电。
锂电池
有一种白色的粗短的电池,那是一次性的锂电池,主要用于自动照相机。它的供电量较大,内阻又小,能满足大电流使用。还有一种是可充电的锂电池,用于手机和摄像机等,它的性能优越,但目前制造成本还较高。
太阳能电池
又叫硅光电池,是用硅材料制成的。它不像前面的电池把化学能转化为电能,而是利用硅材料的光电效应把光能转化为电能的。是一种有广阔发展前景的电池。
自制手摇发电机
玩具电动机是直流电动机,具有可逆性,向电动机的线圈输入直流电,它会转动起来,把电能转化为动能;如果让电动机的线圈转动起来线圈中会产生电流输出,把动能转化为电能。所以,它既是电动机,又可以作为发电机。只要想办法使玩具电动机高速转动起来,玩具电动机就成了发电机。
找两个周边有槽的轮子,一大一小,大小比例为10∶1左右,将两个轮子用支架固定在一块木板底座上,轮子之间用橡皮带传动。取一个玩具电动机,也将它固定在木底板座上,并使电动机的轴与小轮的轴对直,中间再用塑料软管连接起来。这样转动大轮,就会带动小轮快速转动,用导线把小电动机两个接线端与小灯泡连接起来,小灯泡就会亮。
可以用木板来做周边有槽的大小圆轮。
煤的形成
煤是古代植物遗体堆积在湖泊、海湾、浅海等地方,经过复杂的生物化学和物理化学作用转化而成的一种具有可燃性能的沉积岩。煤的化学成分主要为碳、氢、氧、氮、硫等元素。在显微镜下可以发现煤中有植物细胞组成的孢子、花粉等,在煤层中还可以发现植物化石。所有这些都可以证明煤是由植物遗体堆积而成。科学家们在地质考察研究中发现,在地球上曾经有过气候潮湿、植物茂盛的时代,如石炭纪、二叠纪(距今约3亿年)、侏罗纪(距今约1.3亿~1.8亿年)等。当时大量繁生的植物在封闭的湖泊、沼泽或海湾等地堆积下来,并迅速被泥沙覆盖,经过亿万年以后,植物变成了煤,泥沙变成了沙岩或页岩。由于有节奏的地壳运动和反复堆积,在同一地区往往具有很多煤层,每层煤都被岩石分开。
由植物变为煤的过程可以分为三个阶段:
1.菌解阶段。即泥炭化阶段。当植物堆积在水下被泥沙覆盖起来的时候,便逐渐与氧气隔绝,由嫌气细菌参与作用,促使有机质分解而生成泥炭。通过这种作用,植物遗体中氢、氧成分逐渐减少,而碳的成分逐渐增加。泥炭质地疏松、褐色、无光泽、比重小,可以看出有机质的残体,用火柴可以引燃,烟浓灰多。
2.煤化作用阶段,即褐煤阶段。当泥炭被沉积物覆盖形成顶板后,便成了完全封闭的环境,细菌作用进一步增加,过渡成为褐煤,这称为煤化作用。褐煤颜色为褐色近于黑色。颜色暗淡,基本上不见有机物残体,质地致密,用火柴可以引燃,有烟。
3.变质阶段。即烟煤及无烟煤阶段。褐煤是在低温低压下形成的。如果褐煤埋藏在地下较深位置时,就会受到高温高压的作用。使褐煤的化学成分发生变化,主要是水分和挥发成分减少,含碳量相对增加;在物理性质上也发生改变,主要是密度、光泽和硬度增加,而成为烟煤。这种作用是煤的变质作用。烟煤颜色为黑色,有光泽,致密状,用蜡烛可以引燃,火焰明亮,有烟。烟煤进一步变质,成为无烟煤。无烟煤颜色为黑色,质地坚硬、有光泽,用蜡烛不能引燃,燃烧无烟。
石油和天然气的形成
关于石油的成因,目前大多数人主张有机生成说。古代低等动植物(其中以繁殖量最大的浮游生物为主),同泥沙一起在低洼的浅海、海湾或湖泊中沉积下来,首先形成有机淤泥。这种有机淤泥被新的沉积物所覆盖,造成与空气隔绝的环境。随着低洼地区泥沙的不断沉降,沉积物不断加厚,有机淤泥承受的压力和温度也不断加大,在嫌气细菌、温度、压力等因素的作用下。逐渐变成分散的油滴,这些油滴在压力作用下逐渐移到多孔隙的储油岩层(沙岩和砾岩)中,并聚集在一定的地质构造(如穹隆构造)之中,这就形成了油田。
天然气是储存于地下多孔岩石或石油中的可燃气体,它的成因与石油的成因相似。由于它比石油轻,所以常位于石油的上部。
新能源
我们已知的能源大体有三类:来自地球以外天体的能源,主要是太阳能;地球本身蕴藏的,如海洋和地壳中储存的原子核能和地热;地球和其他天体相互作用产生的能,如潮汐能。
人类利用能源的历史表明,随着科学技术和社会生产的发展,旧的能源总要被新的能源逐步代替。在18世纪60年代以前,草木燃料、畜力、风力、水力是人们的主要能源。工业革命以后,煤、石油、天然气逐渐成为主要的能源。然而这些矿产能源总有消耗完的一天。随着社会生产和科学技术的进一步发展,新的能源必然要取代煤、石油和天然气。
近期目标中的新能源主要是利用地热、海洋潮汐、核燃料、太阳能。
利用地热的方法主要有地热发电和地热采暖两种。地热发电的基本原理和一般火力发电一样,是利用热能通过机械能的中间转换产生电能。
潮汐蕴藏的能量很大。潮汐发电的原理和一般水力发电的原理大同小异,是利用海水潮涨潮落的水位差来推动水轮机发电的。
核能过去常叫原子能,是原子核发生变化时释放出来的能量。获得核能有两种途径,一种是原子核的裂变,指的是一个原子分裂成两个以上的其他原子。一种是原子核的聚变,指的是两个以上原子熔合成一个较大的原子。核能就是裂变或聚变反应中释放出来的能量。原子弹是根据裂变的原理制成的,氢弹是根据聚变的原理制成的。现在,和平利用核能的前景非常广泛,核电站、原子能破冰船等都利用了核能。使用核能的最大优点是所耗燃料的量极少。一艘装有小型原子炉的船,可以环绕地球航行而不用添加燃料;和每年耗煤三四百万吨的火电站发同样多电的核电站,每年仅需铀燃料三四十吨。而在地壳中、海洋中蕴藏着极丰富的核燃料。
太阳能是一种巨大的能源。太阳能热水器、太阳能发电站、太阳能电池是直接把太阳能转换成热能、电能加以利用的设备。地球上的绿色植物每年吸收的太阳能比人类每年使用的能量要多几十倍,所以开发和利用植物储存的太阳能也是扩大能源的重要途径,如用玉米造乙醇(酒精),有机物发酵生产沼气都是对植物储存的太阳能的利用。
沼气
沼气是农村一种比较理想的能源。它是利用有机物经过发酵后而产生的一种可以燃烧的气体,主要成分是甲烷。农村中的有机原料非常丰富,如农作物的秸秆、杂草、树叶、人畜粪便都是生产沼气的好原料。修建发酵的沼气池投资少,建设快,容易管理,容易推广,是一种很有前途的新能源。
沼气是一种清洁能源,不会污染环境,沼气池中的液体和残渣都是很好的有机肥料。
利用农业生产本身产生的生物物质制取沼气,不但可以合理、经济、有效地利用生物能,提高燃料热能的利用率,解决农村生活燃料的不足,而且还有很多其他好处。例如,可以缓和燃料同饲料、肥料相争的矛盾;可以实现秸秆还田,增加土壤肥力,促进农业增产;减少对森林的砍伐,保护林木生长。这些都对保护植被,减少水土流失,使农业生态系统向良性循环方面发展,起到重要作用。
我国南方农村推广使用新型沼气,已经取得了很大成绩。不但有了大量分散的农家沼气池,而且还建设了集中管理的大型沼气池,还有了利用沼气发电的沼气发电站。
太阳的能量
太阳是一个巨大的星体,它放射出的能量也相当巨大,这些能量到达地球的只有几十亿分之一,但是,就是这部分太阳的能量已经相当可观。太阳照射地球一年所发出的能量,按现在人类一年所需要的能量计算,大约能用两万年。换句话说,太阳只要照射地球20多分钟,就足够我们一年需要的能量了。
这么多能量哪去了?这些能量大部分被地球反射到宇宙中去了,就像月球反射阳光一样。其余的被地球表面、空气、水、植物等吸收而变成了自然界的能量。
我们最熟悉的是植物的光合作用。植物进行光合作用,把太阳能储存在身体中,太阳能转化成了植物体的能量。动物吃植物,植物的能量又转化成动物体的能量。
远古时代生物体在地下长期被掩埋,慢慢变成了煤、石油和天然气。
空气被太阳照射温度上升,冷热不均就形成了风。风所拥有的能量是太阳能转化的。
海洋、地面的水被阳光加热蒸发,先变成云,再变成雨、雪,雨雪又落回到地面,流向海洋,形成水的循环。我们利用的水力资源,最终还是太阳能转化而来的。
人类使用的能量几乎都来自太阳。
太阳是地球能源的母亲,她给了地球光和热,创造了地球上的生命,创造了地球上蓬勃壮丽的景象。