3.2能量守恒定律及其应用课件-2021-2022学年高二下学期物理粤教版（2019）选择性必修第三册（共38张ppt）

(共38张PPT)
第二节 能量守恒定律及其应用
高二年级—粤教版—物理—选择性必修三第三章热力学定律
学习目标
（1）理解能量守恒定律及其重要意义，知道第一类永动机不可能成功的原因。
（2）了解能量守恒定律的发现过程，学习科学家坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度和科学精神。
（3）会用能量转化与守恒的观点分析解决有关问题。
热力学第一定律
做功和热传递是改变物体内能的两种方式，通过做功和热传递提供给一个物体多少能量，这个物体内能就改变多少，能量在转化和转移过程中守恒。
ΔU=Q+W
物理量 符号 意义 符号 意义
W + 外界对物体做正功 － 外界对物体做负功
Q + 物体吸收热量 － 物体放出热量
ΔU + 内能增加 － 内能减少
物体内能增加量ΔU等于物体吸收的热量Q和外界对物体做的功W之和，即：
物体对外界做功
遂明国不识四时昼夜，有火树名遂木，屈盘万顷。后世有圣人，游日月之外，至於其国，息此树下。有鸟若鸮，啄树则灿然火出。圣人感焉，因用小枝钻火，号燧人。
燧人钻木取火
遂明国不识四时昼夜，有火树名遂木，屈盘万顷。后世有圣人，游日月之外，至於其国，息此树下。有鸟若鸮，啄树则灿然火出。圣人感焉，因用小枝钻火，号燧人。
燧人钻木取火
钻木取火，摩擦生热，引燃火绒。
机械能
内能
做功
不同形式的能量可以相互转化
光能
机械能
内能
电能
化学能
机械能
内能
工作中的内燃机
不同形式的能量可以相互转化
光能
机械能
内能
电能
化学能
电热毯是一种接触式电暖器具，通电时即发出热量。
电能
内能
不同形式的能量可以相互转化
光能
机械能
内能
电能
化学能
太阳能发电站
光能
电能
不同形式的能量可以相互转化
光能
机械能
内能
电能
化学能
太阳灶烧水
光能
内能
不同形式的能量可以相互转化
光能
机械能
内能
电能
化学能
工作中的白炽灯泡
电能
内能
光能
不同形式的能量可以相互转化
光能
机械能
内能
电能
化学能
木材燃烧
化学能
内能
光能
不同形式的能量可以相互转化
光能
机械能
内能
电能
化学能
【实践与拓展】找出家里涉及能量转化的装置，用它们的照片或示意图做成一张海报，在上面标出涉及的能量转化情况。
能量在不同物体间转移
滚烫的鸡蛋放入凉水中冷却
帆船乘风航行
能量守恒定律
大量事实证明，各种形式的能量都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。
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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化或转移的过程中其总量不变。
说明：
(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
(2)某一物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
能量守恒定律
大量事实证明，各种形式的能量都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。
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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化或转移的过程中其总量不变。
热力学第一定律实际上就是内能与其他形式的能量发生转化时的能量守恒定律。
机械能守恒定律体现了特定条件下在机械能范畴的能量守恒。
能量守恒定律的发现
能量守恒定律是自然界中最为普遍的规律之一，把物理、化学、生物、地质等学科广泛地联系起来，使从事不同性质工作的科学工作者具有共同的语言。能量守恒思想不是一蹴而就的，在科学史上，人们真正以“能量”的观念来探索各种运动形式本质的过程却是非常曲折的。
能量守恒定律的发现
能量守恒定律的奠基人：德国医生迈耶(J.R.Mayer，1814-1978)、英国物理学家焦耳和德国科学家亥姆霍兹(H.Helmholtz,1821-1894)。
能量守恒定律的发现
德国医生迈耶通过比对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）守恒”的论文，并推算了多少热与多少功相当。因此，迈耶是公认的第一个提出能量守恒思想的人。
能量守恒定律的发现
焦耳通过实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系，在焦耳研究功与热等效性的许多实验中，有两个最具代表性。一个是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水，引起水温上升；另一个是通过电流的热效应给水加热。
焦耳的实验装置
与焦耳实验原理相同的实验装置示意图
能量守恒定律的发现
【实验一】用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。
多次实验测量表明，尽管各次悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。
焦耳的实验装置
能量守恒定律的发现
【实验二】让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。
多次实验结果表明，对于同一个绝热的系统，不管通过电阻丝的电流或大或小、通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态就发生了同样的变化。
与焦耳实验原理相同的实验装置示意图
能量守恒定律的发现
焦耳的这些实验表明，在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1 变为状态2，所需外界做功的数量是相同的。做功的数量只由过程始末两个状态1、2 决定，而与做功的方式无关。
焦耳的实验装置
与焦耳实验原理相同的实验装置示意图
能量守恒定律的发现
德国科学家亥姆霍兹在不了解迈耶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。
能量守恒定律的发现
能量守恒定律于1860年前后得到了科学界的普遍承认。
1.全部自然科学和工程技术的基础；
2.它是自然界的一条普遍规律；
3.一切违背能量守恒定律的观点，都被实践证明是错误的；
恩格斯把这一定律称为伟大的运动基本定律，并把它与细胞学说、生物进化论一起列为19世纪的三大发现。
第一类永动机不可能制成
历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。
如图所示是一台“永动机”的构想图，其设计思想如下：在水轮上方的水箱内装入一定量的水，水流下时冲动水轮转动，水轮通过皮带带动抽水机不断地把水从下方的水池中抽到上方水箱中，这样，水不停的循环，水轮机将永久地转动下去，可能吗
不可能永久地转动下去! 更不可能有额外的能量永久地对外做功。
停止转动时，水都在下方的水池中。
第一类永动机不可能制成
历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。
这表明，物体对外做功(W<0)是必须以减少内能(ΔU<0)为代价！
由热力学第一定律可知，
ΔU=Q+W
如果物体不与外界进行热传递， Q=0，
则有
ΔU=W
第一类永动机不可能制成
历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。
由热力学第一定律可知，
ΔU=Q+W
如果不消耗内能， ΔU=0，
则有
Q=-W
这表明，物体必须从外界吸收热量(Q>0)，才能对外做功(W<0) 。
第一类永动机不可能制成
历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。
第一类永动机不可能制成!
物体可能对外做功的条件：
1.减少自身内能
2.从外界吸收热量
【思考与讨论】有一种所谓“全自动”机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去．这是不是一种永动机 如果不是，维持表针走动的能量是从哪里来的 你能设法验证吗
结论：这不是永动机；
能量来源：手表戴在手腕上，通过手臂的运动，手表获得能量，供手表指针走动；
验证方法：若将此手表长时间放置不动，会观察到表针停止转动。
摇表器
形形色色的永动机
均以失败告终
无一例外
第一类永动机不可能制成
第一类永动机不可能制成
历史上，人们曾幻想制造一种机器，它不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。
制造永动机的千万次失败使人们的头脑冷静下来，开始在更深层次寻找失败的原因。1775 年法国科学院宣布“不再审查有关永动机的一切设计”。这使得人们走出迷梦，去研究各种能量形式相互转化的规律，促成了能量守恒定律的建立。
【例题1】一天，小程浏览到一则关于“节能电热水器”的广告，对于广告中提到的“用一小时热水仅耗一度电”的宣传产生了怀疑，如何验证这则广告的真实性 你能够利用所学知识进行判断吗 [水的比热容c约为4.2kJ/(kg·0C)]
分析：根据能量守恒定律，如果单位时间内热水器提供的热量不足以提升水的温度至有热感，则可判断广告是虚假广告。
解：根据广告，热水器一小时耗一度电，则电热水器功率P=1kW。
每秒提供的电功W=1kJ。
以一般热水器出水量为0.1L/s、水温提升100C计算，
则每秒流出的水所需吸收的热量为Q=cm Δt=4.2 ×0.1 ×10kJ=4.2kJ。
∵Q>W, ∴该广告为虚假广告。
【例题2】试说明下列现象中能量是怎样转化的。
(1)在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，汽车速度越来越慢，最后停下来。
(2)火药爆炸产生燃气，子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，射穿一钢板后速度迅速减慢。
(3)用柴油机带动发电机发电，供给电动水泵抽水，把水从低处抽到高处。
(4)一个球掉到地上后又弹起来，球弹起的高度一次比一次低，最后静止在地面上。
机械能→内能
化学能→内能
内能→机械能
机械能→内能
化学能→内能→机械能→电能
电能→机械能
重力势能→动能→重力势能
机械能→内能
课堂小结
1.能量守恒定律：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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化或转移的过程中其总量不变。
2.第一类永动机违背能量守恒定律，不可能制成。
问题一：有人说，第一类永动机不能制成，是因为找不到合适的材料和合理的设计方案。你怎么看待这种说法
答：这种说法是错误的。第一类永动机是指不需要消耗任何能量就能对外做功的机器，因此第一类永动机不可能制成不是找不到合适的材料和合理的设计方案的问题，而是它不符合自然界中的能量守恒定律。
第一类永动机
概念：不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器。
结果：无一例外地归于失败。
原因：违背了能量守恒定律。
问题二：有一物理研究小组计划通过实验和查阅资料估算太阳辐射的功率。通过实验测得，阳光直射时，地球表面每平方厘米每秒钟获得的能量为0.07J；通过查阅资料得知，射到大气顶层的太阳能只有45%到达地面，另外55%被大气吸收和反射而未到达地面。你认为该小组能估算出太阳辐射的功率吗 是否还需要其他数据。
答: 该小组能估算出太阳的辐射功率，但需要知道日地之间的距离r。
解析：太阳辐射面是以太阳为球心、日地距离r为半径的球面，如果知道日地距离r，则可估算太阳辐射的功率。
则太阳辐射的功率
查阅资料可知r=1.5 ×1013cm
r
令太阳的辐射功率为P
问题三：设想在一间与外界绝热的房间里，仅有一台正在工作的电冰箱，如果电冰箱的门是开着的，那么室内的温度会降低吗
答：室内温度不但不会降低，还会升高。
解析：从能量守恒定律我们知道，某种形式的能减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。某一物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。电冰箱工作时需要消耗电能，消耗的电能最终转化为内能，释放在房间里，因为房间绝热，室内温度不但不会降低，还会升高。
利用能量守恒定律解题必须认真分析能量的转化方向，理清能量转化前后的数量关系。
问题四：有人说，从能量守恒定律的角度可判定“能源危机”不存在，无需节约能源。你怎么看待这种说法
解析：能量守恒定律明确了能量的守恒性。我们在能量转化和转移过程中利用能量，并不会使能的总量减少。
在各种各样利用能量的活动中，机械能、电能、光能、声能、化学能、核能、生物能……最终都转化成内能，流散到周围的环境中。分散在环境中的内能再也不能驱动机器做功了。我们现在利用的主要能源是煤、石油、天然气，煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。煤、石油、天然气属于化石能源，是不可再生的，越用越少。
答：不认同这种说法，虽然能量不会减少但能源会越来越少，所以“能源危机”一直是人类生活中的警钟，我们要节约能源。