14.3 能量的转化和守恒 学习任务单（无答案）

课题 能量的转化和守恒
学习目标
1 ． 了解能量及其存在的多种形式。 2 ． 知道能量的转移和转化， 能解释一些常见现象中的能量转化过程。 3 ． 理解能量守恒定律， 有用能量守恒定律的观点分析物理现象的意识，体会能量守恒定 律的普适性。
课前学习任务
复习： 1. 改变内能的两种方式； 2. 热机的效率。
课上学习任务
【学习任务一】 写出不同形式的能量在一定条件下相互转化的实例。
【学习任务二】 1. 知道能量守恒定律的内容： 大量事实表明，能量既不会 ，也不会 ，它只会从一种 形式 为其他形式，或者从一个物体 到其他物体，而在转化 和转移的过程中，能量的总量 。 2. 理解能量守恒定律， 学会用能量守恒定律分析物理现象。
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物理史话——各种自然现象之间相互转化的发现 18 世纪末到 19 世纪前半叶， 自然科学上的一系列重大发现，广泛地揭示出各种自 然现象之间的普遍联系和转化。 古代早已发现的摩擦生热现象， 直接表明了机械运动向热的转化。伦福德和戴维的 实验进一步证实了这种转化。 17、18 世纪蒸汽机的发明和改进，为热向机械运动的转化 作出了令人信服的证明。 19 世纪中期，蒸汽机得到了进一步的改进，高压蒸汽机也被制 造出来，其功率达到 3 万马力[1 马力（hp）=745.6999W]以上。无数烟囱的黑烟，宣告 了蒸汽时代的来临， 为能量守恒定律的诞生创造了条件。在理论方面， 1824 年卡诺关于 热机效率的研究已经触及到了“热功当量”的问题。 关于热和电之间的转化， 首先是由德国物理学家塞贝克于 1821 年实现的。他将铜导 线与秘导线连成一个闭合回路， 用手握住一个结点使两个结点间出现温差， 发现导线上 出现了电流;用冷却一个结点的方法可以产生同样的效应， 这就是“温差电 ”现象。 1834 年，法国的珀耳帖发现了它的逆效应，即当有电流通过时，结点处可以发生温度变化。 1840 年和 1842 年， 焦耳和楞次分别发现了电流转化为热的著名定律。
古人早已发现的摩擦生电现象， 是机械运动转化为电的过程。 17 世纪以来，人们根 据这一现象制造了摩擦起电机以获得大量的电荷。 1821 年，法拉第制成的“ 电磁旋转 器 ”则是电流产生机械运动的过程。这样，机械运动和电运动之间的转化完成了循环。 19 世纪前半叶物理学上最重大的成就之一是电与磁之间的联系和转化的发现。1820 年奥斯特关于电流的磁效应的发现和 1831 年法拉第关于电磁感应现象的发现，使电与磁 之间的相互转化完成了循环。 继意大利学者伽伐尼关于“动物电 ”的发现之后， 伏打于 1800 年制成了“伏打电 堆 ”，这是化学运动向电的转化，人们很快就利用伏打电流进行电解， 又实现了电运动 向化学运动的转化. 拉瓦锡在 18 世纪就已经了解化学反应中的热现象的重要性，德国化学家李比希通过 对发酵和腐烂过程中热的来源的进一步探讨， 得出了它们可能来自化学变化的结论。 1840 年， 彼得堡科学院的黑斯提出了关于化学反应中释放热量的重要定律。这个定律指 出，在一组物质转变为另一组物质的过程中， 不管反应是通过哪些步骤完成的，释放的 总热量是恒定的，这个定律已经接触到化学反应中的能量守恒定律。 此外关于紫外线的化学作用的发现（1801）， 用光照金属极板的办法改变电池的电 动势的发现（1839），光的偏振面的磁致偏转现象的发现（1845），都从不同侧面揭示 出各种自然现象之间的联系和转化。 自然科学上的这类发现， 在哲学上也得到了反映。德国哲学家黑格尔提出了各种自 然现象之间联系和转化的思想。谢林进一步断言， 磁、电、化学、甚至有机现象都会被 编织成一个综合体系；他还指出，光、电等现象都不过是同一种力的不同形式。这种观 点，为发现能量守恒定律提供了有利的哲学环境 总之， 到了 19 世纪 40 年代前后，欧洲科学界已经普遍蕴涵着一种思想气氛，以一 种联系的观点去观察自然现象。正是在这种情况下，以西欧为中心，从事七八种专业的 十多位科学家， 分别通过不同的途径，各自独立地发现了能量守恒定律。 物理史话——永动机
人们在长期的生活和生产中认识到， 人类的生存和发展离不开能源。人们是多么渴 望制造一种不需要耗用任何能量而能水远不停工作的机器——永动机。 (
图
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)如图 1 所示是一种永动机的设计方案：轮子中央有一 个转动轴， 轮子边缘安装着 12 个可活动的短杆， 每个短杆 的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左 边的球离轴远些，因此， 右边的球产生的转动力矩要比左 边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着 箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。但期望的 不停息的转动并未实现。仔细分析一下就会发现， 虽然右 边每个球产生的力矩大， 但是球的个数少；左边每个球产 生的力矩虽小、但是球的个数多，于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动 几下便停下来了。 17 世纪至 18 世纪， 永动机最为流行，人们曾提出各种永动机设计方案，有采用 “螺旋汲水器 ”的， 有利用轮子的惯性、水的浮力或毛细作用的， 也有利用同性磁极之 间排斥作用的。 18 世纪末，不少科学家开始怀疑制造永动机的可能性。 1775 年，法国科 学院决议不得受理永动机的设计方案。这些事实， 使人们逐渐悟出一个道理：永动机不 可能实现是由于某一普遍定律的限制，而这条定律至今还未被发现。因此， 它启示人们 不再为设计永动机而煞费苦心，转而致力于这一未发现定律的挖掘工作。 17 世纪至 18 世纪， 经典力学中已蕴含着机械能的转化和守恒的初步思想。伦福德 等人对摩擦生热的研究， 否定了热质说， 揭示了机械能与物体内能变化的关系：1800 年 发明了电池，不久又发现了电流的热效应、磁效应、化学效应及电磁感应等，科学家们 进一步展示出了自然界不同现象相互联系、相互转化的图景。在其他方面， 如生物学发 现了动物的体温和进行机械活动的能量跟它摄取的食物的化学能有关。这一切，都为能 量守恒定律的发现做了必要的准备。 19 世纪 40 年代，不同国家的十几位科学家以不同 的方式，各自独立地提出了能量守恒定律。人们认识到：能量既不会凭空消灭，也不会 凭空产生， 能量有各种不同的形式， 可从一种形式转化为另一种形式， 从一个物体转移 到另一个物体。在转化和转移的过程中能量的总量保持不变。能量守恒定律使永动机幻 梦被彻底地打破。
在制造上面所说的第一类永动机的一切尝试失败之后、 一些人又梦想着制造另一种 永动机（第二类永动机），希望它不违反能量守恒定律， 而且既经济又方便。比如，这 种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械能。由于海洋和大气的能量是 取之不尽的，因而这种热机可以永不停息地运转做功，这也是一种永动机。然而，在大 量实践经验的基础上，英国物理学家开尔文于 1851 年提出了一条新的普遍原理：物质不 可能从单一的热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其他影响。看来永动机只 是人们的美好愿望， 永远也不可能实现了。