高中物理 《能量守恒定律與能源》文字素材1 新人教版必修2

1、能量守恒定律與能源一、能量守恒定律建立的過程：能量守恒定律是建立在自然科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上的，從16世紀(jì)到18世紀(jì)，經(jīng)過伽利略、牛頓、惠更斯、萊布尼茲以及伯努利等許多物理學(xué)家的認(rèn)真研究，使動(dòng)力學(xué)得到了較大的發(fā)展，機(jī)械能的轉(zhuǎn)化和守恒的初步思想，在這一時(shí)期已經(jīng)萌發(fā)。      18世紀(jì)末和19世紀(jì)初，各種自然現(xiàn)象之間的聯(lián)系相繼被發(fā)現(xiàn)。倫福德和戴維的摩擦生熱實(shí)驗(yàn)否定了熱質(zhì)說，把物體內(nèi)能的變化與機(jī)械運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來。1800年發(fā)明伏打電池之后不久，又發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)，磁效應(yīng)和其它的一些電磁現(xiàn)象。這一時(shí)期，電流的化學(xué)效應(yīng)也被發(fā)現(xiàn)，并被用來進(jìn)行電鍍。在生物學(xué)界，證明了動(dòng)物

2、維持體溫和進(jìn)行機(jī)械活動(dòng)的能量跟它所攝取的食物的化學(xué)能有關(guān)，自然科學(xué)的這些成就，為建立能量守恒定律做了必要的準(zhǔn)備。      能量守恒定律的最后確定，是在19世紀(jì)中葉由邁爾，焦耳和亥姆霍茲等人完成。      德國醫(yī)生邁爾是從生理學(xué)的角度開始對能量進(jìn)行研究的。1842年，他從“無不生有，有不變無”的哲學(xué)觀念出發(fā)，表達(dá)了對能量轉(zhuǎn)化和守恒思想，他分析了25種能量的轉(zhuǎn)化和守恒現(xiàn)象，成為世界上最先闡述能量守恒思想的人。      英國物理學(xué)家焦耳從1840年到1878年將近40年的時(shí)間

3、里，研究了電流的熱效應(yīng)，壓縮空氣的溫度升高以及電，化學(xué)和機(jī)械作用之間的聯(lián)系，做了400多次實(shí)驗(yàn)，用各種方法測定了熱和功之間的當(dāng)量關(guān)系，為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。       在1847年，當(dāng)焦耳宣布他的能量觀點(diǎn)的時(shí)候，德國學(xué)者亥姆霍茲在柏林也宣讀了同樣課題的論文。在這篇論文里，他分析了化學(xué)能，機(jī)械能，電磁能，光能等不同形式的能的轉(zhuǎn)化和守恒，并且把結(jié)果跟永動(dòng)機(jī)不可能制造成功的聯(lián)系起來，他認(rèn)為不可能無中生有的創(chuàng)造一個(gè)永久的推動(dòng)力，機(jī)器只能轉(zhuǎn)化能量，不能創(chuàng)造和消滅能量。亥姆霍茲在論文里對能量守恒定律作了一個(gè)清晰，全面而且概括

4、的論述，使這一定律為人們廣泛接受。        在19世紀(jì)中葉，還有一些人也致力于能量守恒的研究。他們從不同的角度出發(fā)，彼此獨(dú)立的研究，卻幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了這一偉大的定律。因此，能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。此時(shí)，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律得到了科學(xué)界的普遍承認(rèn)。這一原理指出：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，對應(yīng)于不同的運(yùn)動(dòng)形式，能量也有不同的形式，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢能，熱運(yùn)動(dòng)的內(nèi)能，電磁運(yùn)動(dòng)的電磁能，化學(xué)運(yùn)動(dòng)的化學(xué)能等，他們分別以各種運(yùn)動(dòng)形式特定的狀態(tài)參量來表示。當(dāng)運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生變化或運(yùn)動(dòng)量發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，能量也從一種形式轉(zhuǎn)化為另

5、一種形式，從一個(gè)系統(tǒng)傳遞給另一個(gè)系統(tǒng)；在轉(zhuǎn)化和傳遞中總能量始終不變。     在19世紀(jì)中葉，還有一些人也致力于能量守恒的研究他們從不同的角度出發(fā)，彼此獨(dú)立地研究，卻幾乎同樣發(fā)現(xiàn)了這一偉大的定律因此，能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果此時(shí)，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律得到了科學(xué)界的普遍承認(rèn)這一原理指出：自然界的一切物質(zhì)都具有能量，對應(yīng)于不同的運(yùn)動(dòng)形式，能量也有不同的形式，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和勢能，熱運(yùn)動(dòng)的內(nèi)能，電磁運(yùn)動(dòng)的電磁能，化學(xué)運(yùn)動(dòng)的化學(xué)能等，他們分別以各種運(yùn)動(dòng)形式特定的狀態(tài)參量來表示當(dāng)運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生變化或運(yùn)動(dòng)量發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，能量也從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個(gè)系統(tǒng)傳

6、遞給另一個(gè)系統(tǒng)；在轉(zhuǎn)化和傳遞中總能量始終不變恩格斯曾經(jīng)把能量轉(zhuǎn)化和守恒定律稱為“偉大的運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律”，認(rèn)為它的發(fā)現(xiàn)是l9世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一(另兩個(gè)發(fā)現(xiàn)是細(xì)胞學(xué)說，迭爾文的生物進(jìn)化論) 二、高空的氣溫為什么低 研究大氣現(xiàn)象時(shí)常常用到熱力學(xué)第一定律通常把溫度、壓強(qiáng)相同的一部分空氣作為研究的對象，叫做氣團(tuán)，直徑上千米由于氣團(tuán)很大，邊緣部分和外界的熱交換對整個(gè)氣團(tuán)沒有明顯的影響，所以氣目的內(nèi)能的增減只等于外界對它做功或它對外界做功的多少 陽光烤暖了大地，地面又使得下層的氣團(tuán)溫度升高，密度減小，因而上升上升時(shí)氣團(tuán)膨脹，推擠周圍的空氣，對外做功，因此內(nèi)能減小，溫度降低所以越高的地方，空氣的溫度越低

7、對于干燥的空氣，大約每升高1 km溫度降低7 飛機(jī)在萬米高空飛行的時(shí)候，艙外氣溫往往在一50以下由于機(jī)上有空調(diào)設(shè)備，艙內(nèi)總是溫暖如春不過這時(shí)空調(diào)的作用不是使空氣升溫，而是降溫高空的大氣壓比艙內(nèi)氣壓低，要使艙內(nèi)獲得新鮮空氣越須使用空氣壓縮機(jī)把空氣從艙外壓進(jìn)來在這個(gè)過程中，空氣壓縮機(jī)對氣體做功，使氣體的內(nèi)能增加，溫度上升如果不用空調(diào)，機(jī)艙內(nèi)的溫度可能迭到50以上 三、人類將優(yōu)先開發(fā)的五種新能源 ； 20世紀(jì)人類使用的能源主要有三種：原油、天然氣和煤炭根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，假使按目前的勢頭發(fā)展下去，不加節(jié)制，那么，地球上這三種能源供人類開采的年限，分別只有40年、50年和240年了 1 所以開發(fā)新

8、能源，替代上述三種傳統(tǒng)能源，迅速地遙年降低它們的消耗量，已經(jīng)成為人類發(fā)展中的緊迫課題核能在今后一段時(shí)期內(nèi)還將有所發(fā)展，但是核電站的最大使用期只有25年30年，核電站的建造、拆除和安全防護(hù)費(fèi)用也不低，過多地建設(shè)核電站是否明智可取，還有待今后實(shí)踐和歷史來檢驗(yàn)?zāi)敲矗祟悓⑾蚝翁帉ふ倚履茉茨?先進(jìn)國家的能源專 家認(rèn)為，太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、波浪能和氫能這五種新能源，在今后將肯定會(huì)優(yōu)先獲得開發(fā)利用 太陽能 太陽能利用的形式很多，例如：太陽能集熟為建筑供暖、供熱水，用太陽能電池驅(qū)動(dòng)變通工具和其他動(dòng)力裝置等等，這些都屬于太陽能小型、分散的利用形式太陽能大型、集中的利 用形式，則是太空發(fā)電在距離地面三萬多千米高空的同步衛(wèi)星上，太陽能電池每天24小時(shí)均可以發(fā)電，而且效率高迭地面的10倍太空電能可以通過對人體無害的微波向地面輸送風(fēng)能 風(fēng)能利用技術(shù)的不斷革新，使這種豐富的無污染能源正重放異彩，據(jù)估計(jì)，二三十年內(nèi)， 風(fēng)力發(fā)電量將要占?xì)W盟總電量的30左右 地?zé)崮?； 目前世界上已有近二百座地?zé)岚l(fā)電站投入了運(yùn)行裝機(jī)容量數(shù)百萬千瓦研究表明，地?zé)崮艿奶N(yùn)藏量相當(dāng)于地球煤炭儲(chǔ)存熱能的l7億倍，可供人類消耗幾百億年，真可謂取之不 盡、用之不竭，今后將優(yōu)先利用開發(fā) 波浪能 主要的開發(fā)形式是海洋潮汐發(fā)電80年代挪威成功地建成一座小型潮汐發(fā)電站，讓漲潮的海水沖進(jìn)有一定高度的貯水池，池