3.3 能量守恒定律（教案） 高二物理人教版（2019）选择性必修第三册

第三章 热力学定律
第3节 能量守恒定律
教学设计
问题与目标
1.掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义，会用能量守恒的观点分析物理现象。
2.了解第一类永动机不可能制成的原因。
重点与难点
重点
1.学会用能量转化和守恒的观点分析物理现象。
2.综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。
难点
如何用能量转化和守恒的观点分析物理现象，如何综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。
教学准备
教师要求
多媒体课件。
学生要求
复习热力学第一定律、机械能守恒定律和动能定理。
教学过程
一、导入新课
做功的过程就是能量转化的过程，做功的数值就是能
量转化的数值。
力学领域中的功能关系的主要形式有：
(1)合力做的功等于动能的增量，即W合=ΔEk。
(2)重力做的功等于重力势能增量的负值，即WG=-ΔEp
(3)弹簧的弹力做的功等于弹性势能增量的负值，即WF=-ΔEp。
(4）除系统内重力和弹力以外，其他力做的总功等于系统机械能的增量，即W其=ΔEk。
电学领域中的功能关系的主要形式有：安培力做了多少功，会消耗相应的电能；克服安培力做了多少功，会产生相应的电能。
热学领域中的功能关系的主要形式有：一个热力学系统的内能变化量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和，即ΔU=Q+W。
二、新课教学
1.探索能量守恒的足迹
(1)不同形式的能
展示图片，让学生说出下图中分别是什么形式的能。
(2)能量之间的转化
让学生判断下图中分别是哪几种能量之间的相互
(3)能量守恒观念的形成
2.能量守恒定律
大量事实都可以证明，能量之间可以相互转化，如机械能可以转化为内能，内能也可以转化为机械能，而在能量转化的过程中，能的总量是守恒的。
(1)能量守恒定律的表述
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，能量的总量保持不变。
(2)能量守恒定律的意义
①能量守恒定律与生物进化论、细胞学说被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
②能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
③自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。
凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”是不可能制成的。
④机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。
3.永动机不可能制成
(1)永动机
不需要输入能量就可以一直运动的机器。
(2)人类对永动机的追求
螺旋永动机：著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试注定是失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”
滚球永动机：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3m，有40个各重23kg的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实，这台机器是靠惯性来维持短时运动的。
软臂永动机：19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。
磁力永动机：大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A处是一个磁石，铁球受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的B处，从B处的小洞落下，经曲面返回，复又被磁石吸引，铁球就可以连续运动下去。大概那时还没有发现库仑定律，他不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。
(3)第一类永动机
①概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。
②结果：无一例外地归于失败。
③原因：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地制造能量，因此第一类永动机违背了能量守恒定律。第一类永动机是不可能制成的。
(4)永动机给我们的启示
人类利用自然就必须遵循自然规律，而不是去研制永远无法实现的永动机。
三、课堂小结
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。这就是能量守恒定律。
四、作业设计
完成课本第58页练习题
课堂练习
1.热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是( )
A.能量耗散说明能量不守恒
B.能量耗散不符合热力学第二定律
C.能量耗散过程中能量不守恒
D.能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中的宏观过程具有方向性
2.关于能量和能源，下列说法中正确的是( )
A.能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加
B.能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少
C.能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要
D.能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源
3.下列说法中正确的是（ ）
A.第一类永动机违背能量守恒定律
B.热量不能从低温物体传到高温物体
C.单晶体和多晶体都表现为各向异性，非晶体则表现为各向同性
D.一定质量的10 ℃的水变成10 ℃的水蒸气，系统的内能保持不变
4.下列说法正确的是( )
A.随着科技的发展,永动机是可以制成的
B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间的能量都消失了
C.“既让马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的
D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量可以凭空产生
答案以及解析
1.答案：D
解析：能量耗散是指能量在转化的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来加以利用，其满足能量守恒定律，也符合热力学第二定律。能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了。能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，所以A、B、C错误，D正确。
2.答案：D
解析：能量在转化和转移过程中，总量是守恒的，故选项A、B错误；虽然能量在转化和转移过程中总量保持不变，但品质会下降，能源会逐步减少，故必须节约能源。
3.答案：A
解析：第一类永动机违背了热力学第一定律，即能量守恒定律，故A正确；热量不能自发地从低温物体传到高温物体，但引起其他变化时可以，故B错误；单晶体有规则的形状，在物理性质上表现为各向异性，多晶体没有规则的形状，在物理性质上表现为各向同性，非晶体在物理性质上表现为各向同性，故C错误；一定质量的10 ℃的水变为10 ℃的水蒸气，需要吸热，内能增加，故D错误。
4.答案：C
解析：永动机是指不消耗或少消耗能量，而可以对外做大量的功的装置，历史上曾出现过各式各样的所谓的永动机的发明，结果都以失败告终，原因就是违背了能量的转化和守恒定律，所以永动机是永远不可能制成的，A错。太阳辐射到宇宙空间的能量没有消失，而是转化成了别的能量，B错,马和其他动物，包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源是食物中储存的生物能，C对。所谓的“全自动”手表内部还是有能量转化装置的，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，使摆锤不停摆动，给游丝弹簧补充能量，才会维持手表的走动，D错。
板书设计
第3节 能量守恒定律
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，能量的总量保持不变。
2.能量守恒定律的意义
(1)能量守恒定律与生物进化论、细胞学说被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
(2)能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
(3)自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”是不可能制成的。
(4)机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例
2