【高中物理】能量守恒定律（教學課件） 高中物理同步備課（人教版2019選擇性必修第三冊）

第3節(jié)能量守恒定律第三章

人教版

選擇性必修第三冊探索能量守恒的足跡01能量守恒定律02熱與內能的改變03典例分析04新課導入讓“飲水小鴨”“喝”完一口水后，直立起來。直立一會兒，又會慢慢俯下身去，再“喝”一口，然后又會直立起來。如此循環(huán)往復......這種“飲水小鴨”玩具是一架永動機嗎？探索能量守恒的足跡PART01

能量的概念是人類在對物質運動規(guī)律進行長期探索中建立起來的。所有自然現象都涉及能量，人類的任何活動都離不開能量。⑴能量具有不同的形式描述熱運動的內能描述機械運動的機械能描述光輻射的光能描述電現象的電能不同形式的運動都可以用能量來描述可以用能量的觀念把熱、電、光、磁等都統一起來描述內能機械能光能1、人類對能量的認識⑵各種形式的能量之間可以相互轉化機械能的各種形式之間可以相互轉化電和磁可以相互轉化熱和電也可以相互轉化在認識自然的進程中，科學家慢慢知道了要用聯系的觀點去觀察自然。機械能轉化電磁轉化熱電轉化⑶能量轉化的研究成果機械能轉化為內能電場能轉化為磁場能內能轉化為電能磁場能轉化為電能俄國化學家蓋斯：任何一個化學反應，不論是一步完成，還是分幾步完成，放出的總熱量相同。表明一個系統（即參加化學反應的幾種物質）存在著一個與熱量相關的物理量，在一個確定的化學反應中這個量是不變的。德國醫(yī)生邁爾通過比對不同地區(qū)人血顏色的差異，認識到食物中化學能與內能的等效性，即生物體內能量的輸入和輸出是平衡的。另外，他還通過海水在暴風雨中較熱的現象，猜想熱與機械運動的等效性。他在1841年和1842年連續(xù)寫出“論‘自然力’（指能量）守恒”的論文，并推算了多少熱與多少功相當。因此，邁爾是公認的第一個提出能量守恒思想的人。2、能量守恒觀念的形成人類對能量的認識過程，體現了科學前輩們對“守恒”這一科學思想的追尋。焦耳的實驗精確地測量了做功與傳熱之間的等價關系，從而為能量守恒定律奠定了牢固的實驗基礎，也為能量守恒的定量描述邁出了重要的一步。德國科學家亥姆霍茲在不了解邁爾和焦耳研究的情況下，從永動機不可能制成這一事實出發(fā)，考察了自然界不同的“力”（指能量）之間的相互關系，提出了“張力”（即勢能）與“活力”（即動能）的轉化。他還分析了在電磁現象和生物機體中能量的守恒問題。能量守恒觀念的形成蓋斯邁爾焦耳亥姆霍茲化學反應放出的熱量與反應步驟無關功熱等價提出能量守恒的思想概括和總結能量守恒定律能量守恒不是由某一個人通過某一項的研究而得到的。能量守恒定律PART021、內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變．例如：自由落體運動：勢能→動能摩擦生熱：機械能→內能熱機中的氣體推動活塞做功：內能→機械能電流通過電阻絲：電能→內能電流通過白熾燈：電能→內能→光能燃料燃燒：化學能→內能2、能量守恒定律的歷史意義：能的轉化和守恒定律是19世紀自然科學中三大發(fā)現之一（能量守恒定律與電子的發(fā)現、達爾文的進化論并稱19世紀自然科學中三大發(fā)現），也莊嚴宣告了永動機幻想的徹底破滅.能量守恒定律是認識自然、改造自然的有力武器，這個定律將廣泛的自然科學技術領域聯系起來，使不同領域的科學工作者有一系列的共同語言.1、內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變．例如：自由落體運動：勢能→動能電流通過電阻絲：電能→內能燃料燃燒：化學能→內能摩擦生熱：機械能→內能熱機中的氣體推動活塞做功：內能→機械能電流通過白熾燈：電能→內能→光能4、能量守恒定律的特例機械能守恒定律能量守恒在機械能范圍內的表現熱力學第一定律能量守恒在熱力學范圍內的表現區(qū)別：熱力學第一定律和機械能守恒定律能夠給出具體的定量形式，而能量守恒定律卻給不出。力學中：機械能守恒定律電學中：閉合電路歐姆定律電磁感應中：楞次定律熱學中：熱力學第一定律能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。

能量守恒的觀點也在不斷地發(fā)展，相對論建立以后，基本粒子的研究使我們認識到，能量其實是與質量相關聯的一個物理量。在20世紀30年代初，奧地利物理學家泡利根據能量守恒定律預言了中微子。6、能量是與質量相關聯的一個物理量5、能量守恒是自然界的普遍規(guī)律1．(多選)下列對能量守恒定律的認識正確的是(

)A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加B．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器——永動機是可能制成的D．石子從空中落下，最后靜止在地面上，說明能量消失了小試牛刀AB2．在陽光的照射下太陽能小風扇快速轉動．這說明(

)A．動能可以憑空產生B．可以制造出不消耗能量的永動機C．太陽能可以轉化為其他形式的能D．太陽可以提供無窮無盡的能量，不需要節(jié)約能源小試牛刀C永動機不可能制成PART03

如此循環(huán)往復?？梢?，正是因為小鴨頭部“飲水”后水不斷蒸發(fā)，吸收了察覺不到的空氣的熱量，才使小鴨能夠持續(xù)工作下去?！皢栴}”欄目中的飲水小鴨不是永動機。

小鴨的頭和身由兩個玻璃球構成，并通過細玻璃管相連。下球盛有一些乙醚，上球連同尖嘴被吸水毛氈包起來。1、飲水小鴨的結造2、飲水小鴨的工作原理⑵小鴨頭部的毛氈“飲水”后，水蒸發(fā)吸熱，導致頭部溫度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸氣被液化，壓強減小，液柱上升，小鴨重心上移，直到小鴨傾倒。頭部被浸濕；⑴外力使小鴨處于傾倒位置后立即撤去外力①頭部被浸濕；②上下玻璃球內的氣體相通，壓強相等，乙醚流回下玻璃球內，重心下移，小鴨站立。想一想17?18世紀，許多人致力于制造一種機器，它不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功，史稱“第一類永動機”。圖展示了其中的一種設計。然而，為此目的的任何嘗試都失敗了。這是為什么呢？

任何動力機械的作用都是把其他形式的能轉化為機械能。內燃機把燃料的化學能轉化為燃氣的內能然后再轉化為機械能，電動機把電能轉化為機械能......如果沒有燃料、電流或其他動力的輸入，能量從哪里來呢！永動機的思想違背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。思考與討論2、永動機給我們的啟示

人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律.1、第一類永動機概念：不需要任何動力或燃料，卻能源源不斷地對外做功.結果：無一例外地歸于失敗.原因：違背了能量守恒定律.3、熱力學第一定律的另一種表達：第一類永動機是不可能造成的。任何動力機械的作用都是把其他形式的能轉化為機械能。化學能→內能→機械能電能→機械能永動機的思想違背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。小試牛刀1、永動機是不可能制成的，這是因為（

）A.不符合機械能守恒定律B.做功產生的熱量不符合熱功當量C.違背了熱力學第一定律D.找不到合適的材料和合理的設計方案C小試牛刀2．第一類永動機違反了什么而不能制成(

)A．違反了熱力學第一定律B．違反了機械能守恒定律C．違反了能量守恒定律D．以上說法都不對C典例分析PART041.是水,上面為空氣,大氣壓恒定。A、B底部由帶有閥門K的管道相連,整個裝置與外界絕熱。原先A中的水面比B中高,打開閥門,使A中的水逐漸向B中流,最后達到平衡。在這個過程中(

)A.大氣壓力對水做功,水的內能增加B.水克服大氣壓力做功,水的內能減少C.大氣壓力對水不做功,水的內能不變D.大氣壓力對水不做功,水的內能增加D小試牛刀小試牛刀2．如圖所示，一演示用的“永動機”轉輪由5根輕桿和轉軸構成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片。輕推轉輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉輪轉動。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復，轉輪因此能較長時間轉動。下列說法正確的是(

)A．轉輪依靠自身慣性轉動，不需要消耗外界能量B．轉輪轉動所需能量來自形狀記憶合金自身C．轉動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高D．葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量D3、下列有關能量的描述正確的是 (

)A.“又要馬兒跑得快,又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律B.工作中的電風扇,消耗的電能大于輸出的機械能,該過程能量不守恒C.滑塊在粗糙的水平面上減速滑行,最終停了下來,動能消失,能量不守恒D.同時做自由落體運動的物體,質量越大,勢能減少越快,機械能減少也越快A小試牛刀4、(多選)約翰·維爾金斯設計了一種磁力“永動機”,如圖所示,在斜坡頂上放一塊強有力的磁鐵,斜坡上端有一個小孔,斜面下有一個連接小孔直至底端的彎曲軌道。維爾金斯認為:如果在斜坡底端放一個小鐵球,那么由于磁鐵的吸引,小鐵球就會向上運動,當小球運動到小孔P處時,它就要掉下,再沿著斜面下的彎曲軌道返回斜坡底端Q,由于有速度而可以對外做功,然后又被磁鐵吸引回到上端,到小孔P處又掉下。關于維爾金斯“永動機”,正確的認識應該是(

)

A.一定不可能實現B.如果忽略斜面的摩擦,維爾金斯“永動機”一定可以實現C.如果忽略斜面的摩擦,鐵球質量較小,磁鐵磁性又較強,則維爾金斯“永動機”可以實現D.違背能量守恒定律AD小試牛刀5、如圖所示,有人設計了這樣一臺“永動機”:距地面一定高度架設一個水槽,水從槽底的管中流出,沖擊一個水輪機,水輪機的軸上安裝一個抽水機和一個砂輪。他指望抽水機把地面水槽里的水抽上去,這樣循環(huán)不已,機器不停地轉動,就可以永久地用砂輪磨制工件做功了。請你分析一下,高處水槽中水的勢能轉變成哪幾種形式的能,說明這個機器是否能夠永遠運動下去。小試牛刀解析：取頂部水槽中流出的水為研究對象,在其從頂部水槽中流出至底部水槽的過程中,它的重力勢能一部分轉化為自身的動能,一部分轉化為水輪機、抽水機、砂輪的動能,一部分轉化為砂輪和工件的內能,還有一部分轉化為抽水機抽上的水的重力勢能。由能的轉化和守恒定律知,抽水機抽上的水的重力勢能必然小于流下的水的重力勢能,如果上抽的水管的橫截面積大于或等于下流的水管的橫截面積,則根本不可能將底部水槽中的水抽至頂部水槽,即使上抽水管的橫截面積小于下流水管的橫截面積也不一定能將水抽上去,如果上抽水管比下流水管細很多且能夠將底部水槽中的水抽至頂部水槽,則相等時間里抽上去的水也要比流下的水的質量小得多,最后頂部水槽中的水很快就會流光。小試牛刀6、如圖所示，直立的絕熱容器內部有被隔板隔開的A和B兩部分氣體，A的密度較小，B的密度較大，抽去隔板，加熱氣體，使兩部分氣體均勻混合，設在此過程中氣體吸收的熱量為Q，氣體內能增量為ΔU，則 (

)A.ΔU=Q

B.ΔU<Q

C.ΔU>Q

D.無法比較B小試牛刀7、在一個標準大氣壓下，水在沸騰時，1g的水由液態(tài)變成同溫度的水蒸氣，其體積由1.043cm3變?yōu)?676cm3。在物理學中，單位質量的物質在一定溫度下從液態(tài)變成氣態(tài)時，所吸收的熱量叫作汽化熱。已知水的汽化熱為2263.8J/g。一個標準大氣壓p＝1.013×105Pa。求1g水在沸騰汽化的過程中：(1)體積膨脹時對外界做的功W；(2)吸收的熱量Q；(3)增加的內能ΔU。小試牛刀小試牛刀解析