物理人教版（2019）选择性必修第三册3.3能量守恒定律（共22张ppt）

(共22张PPT)
能量守恒定律
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一、探索能量守恒的足迹
1.人类对能量的认识
能量具有不同的形式；
机械能、化学能、热能、电能、光能、磁场能、电场能……
不同形式的能量间可以发生转化
动能定理、机械能守恒、热力学第一定律……
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永动机
机械运动
(力学)
电磁学
化学、生物学
热学
哲学
达芬奇
(1500)
斯蒂芬
(1600)
法国科学院
(1775)
伽利略
(单摆,1600)
牛顿
(1681)
杨(能)
(1801)
彭斯勒(功)
(1829)
惠更斯(碰撞)(1678)
笛卡尔(动量守恒)(1640)
塞贝克
(温差电，1821)
法拉第
(电磁感应,1831)
(磁光效应,1845)
1840
电流热效应
拉瓦锡
(豚鼠,1794)
赫斯
(1836)
焦耳
热功当量
1843-1878
开尔文(1851)
伦福德
(镗孔,1798)
卡诺
蒸汽机
1824
迈尔
生物热
1842-45
赫姆霍兹
力的守恒
1847
克劳修斯 热力学第一定律1850
运动不灭思想
笛卡尔
康德 哲学
(1781)
黑格尔
(相互联系和转化)
戴维(磨冰1799)
2.能量守恒观念的形成
能量守恒思想的萌芽和产生经历复杂的探索过程，不同领域的科学家从不同角度均提出能量守恒的思想。
俄国化学家盖斯发现化学反应过程中的热量与反应过程无关；
焦耳的热功当量实验；
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迈尔的工作
1840年左右，迈尔作为随船医生前往印度尼西亚，在给生病船员放血治疗时，发现静脉血不像生活在温带国家的那样颜色暗淡，从当地医生那里了解到热带地区人的静脉血较新鲜。从海员处了解到暴风雨时海水比较热。
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迈尔认为食物中化学能可以转化为热。在热带高温情况下，机体只要吸收食物中较少的热量，机体食物的燃烧过程减弱，静脉血中留下较多的氧，血液较为新鲜。
J R Meyer 迈尔
（1814-1878）
迈尔1842年发表《热的力学的几点说明》中，宣布热和机械能的相当性和可转换性，得到“因此力(即能量)是不灭的、可转化的、不可称量的客体。” 迈尔关于能量转化与守恒的叙述是最早的完整表达。
1845年，迈尔发表《有机运动及其与新陈代谢的联系》，明确指出“无不能生有，有不能变无”，“在死的和活的自然界中，这个力(指能量)永远处于循环转化的过程之中，任何地方，没有一个过程不是力的形式变化！”
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迈尔主张“热是一种力，它可以转变为机械效应。”在论文中具体论述了热和功的联系，推出气体定压比热和定容比热的差值，现在称之为迈尔公式。
迈尔以起电机为例说明了“机械效应向电的转化”，认为“下落的力(即重力势能)可以用重量和下落高度的乘积来量度。”“与下落的力转变为运动或者运动转变为下落的力无关，这个力或机械效应始终是不变的常量。”
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迈尔虽然第一个完整提出了能量转化与守恒原理，但是他的著作没有得到重视，受到了一些著名物理学家的反对。他的思想不合当时流行的观念，遭到人们的诽谤和讥笑，使他在精神上受到很大刺激，自杀未遂摔断双腿，加上亲人的悲剧，曾一度关进精神病院，备受折磨。
1858年，德国科学家亥姆霍兹注意到迈尔和焦耳的工作，迈尔的贡献逐步得到承认，先后获得英国皇家学会科普利奖章、蒂宾根大学的荣誉哲学博士、巴伐利亚和意大利都令科学院院士的称号。
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亥姆霍兹的研究
亥姆霍兹早期研究“动物热”，深信所有生命现象都服从物理与化学规律。亥姆霍兹早年在数学经历良好的训练，熟悉力学的成就，读过牛顿、达朗贝尔、拉格朗日等人的著作。
亥姆霍兹接受前辈影响，成为康德哲学的信徒，把自然界大统一当作自己的信条。
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亥姆霍兹
1821-1894
物理学家、生理学家
1847年，发表《力的守恒》著名论文，指出目的是“建立基本原理，并由基本原理出发引出各种推论，再与物理学不同分支的各种经验进行比较。”
论文共分为六节：前两节回顾力学的发展，强调动能守恒和机械能守恒；第三节为守恒原理的应用；第四节为“热的力当量性”；第五节“电过程的力相当性”和第六节“磁和电磁现象的力相当性”讨论各种电磁现象和电化学过程。
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亥姆霍兹在结束语中写道：
“通过上面的叙述已证明了我们所讨论的定律没有和任何一个迄今所知的自然科学事实相矛盾，反而却引人注目地为大多数事实所证实。……这定律的完全验证，也许必须看成是物理学最近将来的主要课题之一。”
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二、能量守恒定律
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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.
能量守恒定律
20世纪的插曲——中微子
1914年，英国物理学家J.Chadwick
(1891-1974)在做β 衰变实验时，发现衰变时放射出的电子具有宽阔的连续能谱分布.
按照物理理论，电子应具有确定的能量.实验显示电子的能量在零到某一最大值之间连续分布，衰变后的总能量比衰变前的总能量少.能量“失窃”了。
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能量不守恒？！
丹麦物理学家玻尔(N.Bohr，1885-1962)为解决能量失窃，大胆提出：在 β 衰变中能量仅在统计意义下守恒，在单个反应中并不守恒.1930年，玻尔在一次演讲中指出：
“在β射线衰变中，为了维护能量守恒原理，导致了实验解释的困难.……原子核的存在及其稳定性，也许会迫使我们放弃能量守恒的观念.”
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可能存在未知新粒子
1930年12月，泡利(W.Pauli，1900-1958)受邀参加在德国图宾根召开的一次物理学会议。泡利无法前往，请一个物理学家带去一封公开信，信中泡利大胆提出可能存在一种新的中性粒子。
泡利对自己的中微子假设也信心不足：
“我承认，我的补救方法似乎可能性很小，因为真有中(微)子的话，也许它早就被发现了.但是，不入虎穴焉得虎子(However,only those who wager can win )”
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发现中微子
1956年6月15日，美国物理学家莱斯(F.Reines,1918-)和科万(C.L.Cowan,1919-1974)拍电报给泡利：“现谨奉告：通过观察质子的逆β 衰变，我们已经确定地从裂变碎片中观察到中微子……”.
泡利当晚回复：“得来电，甚感.知道如何等待的人会等到每一事物.泡利”
一场捍卫能量守恒定律持续四分之一世纪的戏剧终于落下帷幕.
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三、永动机不可能制成
永动机的概念发端于印度，在公元12世纪传入欧洲.13世纪时法国人亨内考(Villand de Honnecourt)设计了一个著名的永动机方案.
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亨内考永动机：
轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球.
文艺复兴时期意大利伟大学者达·芬奇(Leonardo da Vinci,1452-1519)曾花费不少精力研究永动机.达·芬奇得到永动机不可能的结论.意大利人卡丹(Jerome Cardan,1501-1576)与达·芬奇观点相同，认为永动机是不可能的.焦耳曾是永动机的痴迷者，大量失败引起焦耳的深思，并告诫说“不要永动机，要科学!”
1775年法国科学院宣布 “不再审查有关永动机的一切设计！”1917年，美国专利局决定不再受理永动机专利的申请。
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第一类永动机是不需要消耗任何燃料或动力，而能源源不断地对外作功的理想动力机械.第一类永动机违反能量守恒定律.
永动机的探求者们是想从虚无中得到些什么.(The seekers after perpetual motion are trying to get something from nothing.) ——牛顿
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我国物理学家冯端说：
“如果要对能量守恒定律的发现论功行赏的话，除了要为那些人所共知的有杰出贡献的科学家树碑立传外，还要建立一座无名英雄纪念碑，其上最合适的铭文将是‘纪念为实现永动机奋斗而失败的人们。’虽则他们的奋斗目标是荒谬的，但如果没有他们的彻底失败，就不能建立能量守恒定律。这样他们饱受冷嘲热讽的无效劳动才得到些许报偿。”
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思考与讨论：
物体所受合力为零，永远保持匀速直线运动.是一台永动机吗？
布朗粒子受到液体分子碰撞持续运动.分子的热运动永不停息，不断地对布朗粒子做功.液体就是一个永动机.这种说法是否正确？若不正确，错在哪里.
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课堂小结
探寻能量守恒的足迹
能量守恒定律
永动机不可能制成
第一类永动机：不需要消耗任何燃料或动力，而能源源不断地对外作功的理想动力机械.
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