3.3能量守恒定律 课件 —2020-2021学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册（18张PPT）

3.3 能量守恒定律
让“饮水小鸭”“喝”完一口水后，直立起来。直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“喝”一口，然后又会直立起来。如此循环往复。
这种“饮水小鸭”玩具是一架永动机吗?
一、探索能量守恒的足迹
人类对能量的认识
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}时间
科学家
研究成果
1798 年
伦福德
热的本质是运动
1820 年
奥斯特
电流的磁效应
1821 年
赛贝克
温差电现象
1831 年
法拉第
电磁感应现象
人类对能量的认识
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}时间
科学家
研究成果
1836 年
盖斯
化学反应放出的热量与反应步骤无关
1841 年
焦耳
电流的热效应
1842 年
迈尔
表述了能量守恒定律
1843 年
焦耳
测定做功与传热的关系
1847 年
亥姆霍兹
在理论上概括和总结能量守恒定律
能量守恒观念的形成
能量守恒不是由某一个人通过某一项的研究而得到的。
从18世纪末到19世纪40年代，不同领域的科学家从不同角度都提出了能量守恒的思想，人类对于能量守恒的认识经历了一个由浅入深，由含糊到清晰的过程。
① 俄国化学家盖斯的研究发现，任何一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，放出的总热量相同。这表明一个系统存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。
② 焦耳的实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系，从而为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，也为能量守恒的定量描述迈出了重要的一步。
③ 德国医生迈尔通过对比不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象，猜想热与机械运动的等效性。他在1841年和1842年连续写出“论‘自然力’（指能量）”的论文，并推算了多少热与多少功相当。因此，迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。
④ 德国科学家亥姆霍兹在不了解迈尔和焦耳研究的情况下，从永动机不可能制成这一事实出发，考察了自然界不同的“力”（指能量）之间的相互关系，提出了“张力”（即势能）与“活力”（即动能）的转化。他还分析了在电磁现象和生物机体中能量的守恒问题。
复习回顾：你还记得机械能守恒定律吗？
二、能量守恒定律
在力学中，当系统只有重力和弹力做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是机械能守恒定律。
在热力学领域内，做功和热传递可以改变系统的内能，即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。
内容：
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
意义：
能量守恒定律的发现是科学史上的重大事件。恩格斯、把它与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现。它是自然科学长期发展和进步的结果，是普遍、和谐、可靠的自然规律之一。
对能量守恒定律的理解
能量的存在形式及相互转化
①各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等。
②各种形式的能，通过做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
对能量守恒定律的理解
守恒条件
与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的，例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然现象都遵守的基本规律。
讨论：17?18世纪，许多人致力于制造一种机器，它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，史称“第一类永动机”。然而，为此目的的任何尝试都失败了。这是为什么呢？
历史上一种永动机的设计
三、永动机不可能制成
违背了能量守恒定律。
① 如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2 ② 层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的。
讨论：回顾开始时的问题饮水小鸭是永动机吗？
不是
小鸭头部的毛毡“饮水”后，水蒸发吸热，导致头部温度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸气被液化，压强减小，液柱上升，小鸭重心上移，直到小鸭倾倒。处于倾倒位置的小鸭，头部再次被浸湿，上下玻璃球内的气体相通，压强相等，乙醚流回下玻璃球内，重心下移，小鸭站立。如此循环往复。
可见，小鸭头部“饮水”后水不断蒸发，吸收了察觉不到的空气的热量，才使小鸭能够继续工作下去。
能量守恒定律
探索能量守恒的足迹
能量守恒定律
永动机不可能制成
再见