能量守恒定律【教學(xué)目標(biāo)】1．掌握能量守恒定律，理解這個定律的重要意義。會用能量守恒的觀點分析物理現(xiàn)象。2．能綜合運用學(xué)過的知識，用能量守恒定律進行有關(guān)計算，分析、解決有關(guān)問題?！窘虒W(xué)重難點】能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的理解及綜合應(yīng)用?！窘虒W(xué)過程】一、探索能量守恒的足跡1．不同形式的能能量具有不同的形式，有描述熱運動的內(nèi)能、描述機械運動的機械能、描述光輻射的光能，等等。不同形式的運動都可以用能量來描述。也就是說，我們可以用能量的觀念把熱、電、光、磁等都統(tǒng)一起來描述。展示各種形式的能量，讓學(xué)生描述主要描寫的是什么形式的能。2．能量之間的轉(zhuǎn)化初中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了，不同形式的能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。展示圖片，讓學(xué)生判斷是哪幾種能量之間的相互轉(zhuǎn)化。3．能量守恒觀念的形成在認(rèn)識自然的進程中，科學(xué)家慢慢知道了要用聯(lián)系的觀點去觀察自然。例如，機械 能的各種形式之間可以相互轉(zhuǎn)化，電和磁可以相互轉(zhuǎn)化，熱和電也可以相互轉(zhuǎn)化……展示關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的研究成果，體會探索能量守恒的艱辛。二、能量守恒定律在力學(xué)中，當(dāng)系統(tǒng)只有重力和彈力做功時，系統(tǒng)的動能與勢能會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，而動能與勢能的總量保持不變，這就是機械能守恒定律。在熱力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，做功和熱傳遞可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能，即系統(tǒng)內(nèi)能與系統(tǒng)外的能量會發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，但能的總量不會改變。熱力學(xué)第一定律，實際上就是內(nèi)能與其他能量發(fā)生轉(zhuǎn)化時的能量守恒定律。1．能量守恒定律：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量保持不變。2．能量守恒定律的意義：（1）能量守恒定律同生物進化論、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)被恩格斯譽為19世紀(jì)的三個最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。（2）能量守恒定律是在無數(shù)實驗事實的基礎(chǔ)上建立起來的，是自然科學(xué)的普遍規(guī)律之一。（3）自然界一切已經(jīng)實現(xiàn)的過程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的過程都是不可能實現(xiàn)的，例如“永動機”只能以失敗而告終。（4）機械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。教師展示小鴨飲水讓學(xué)生思考：小鴨為什么可以持續(xù)飲水？存在永動機械嗎？揭秘小鴨飲水：小鴨頭部的毛氈“飲水”后，水蒸發(fā)吸熱，導(dǎo)致頭部溫度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸汽被液化，壓強減小，液柱上升，小鴨重心上移，直到小鴨傾倒。處于傾倒位置的小鴨，頭部再次被浸濕，上下玻璃球內(nèi)的氣體相通，壓強相等，乙醚流回下玻璃球內(nèi)，重心下移，小鴨站立。如此循環(huán)往復(fù)。可見，正是因為小鴨頭部“飲水”后水不斷蒸發(fā)，吸收了察覺不到的空氣的熱量，才使小鴨能夠持續(xù)工作下去。 三、永動機不可能制成1．永動機：不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功，這種機器叫永動機。（人們把這種不消耗能量的永動機叫第一類永動機）。任何動力機械的作用都是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為機械能。內(nèi)燃機把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾膬?nèi)能然后再轉(zhuǎn)化為機械能，電動機把電能轉(zhuǎn)化為機械能……如果沒有燃料、電流或其他動力的輸入，能量從哪里來呢！永動機的思想違背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。2．人類對永動機的追求螺旋永動機：著名科學(xué)家達·芬奇早在15世紀(jì)就提出過永動機不可能的思想，他曾設(shè)計過一種轉(zhuǎn)輪。在轉(zhuǎn)輪邊沿安裝一系列的容器，容器中充了一些水銀，他想水銀在容器中移動有可能使轉(zhuǎn)輪永遠地轉(zhuǎn)動，但是經(jīng)過仔細(xì)研究之后，得出了否定的結(jié)論。他從許多類似的設(shè)計方案中認(rèn)識到永動機的嘗試是注定要失敗的。他寫道：“永恒運動的幻想家們！你們的探索何等徒勞無功！還是去做淘金者吧！”滾球永動機：17世紀(jì)，英國有一個被關(guān)在倫敦塔下叫馬爾基斯的犯人，他做了一臺可以轉(zhuǎn)動的“永動機”，轉(zhuǎn)輪直徑達4.3米，有40個各重23千克的鋼球沿轉(zhuǎn)輪輻翼外側(cè)運動，使力矩加大，待轉(zhuǎn)到高處時，鋼球會自動地滾向中心。據(jù)說，他曾向英國國王查理一世表演過這一裝置。國王看了很是高興，就特赦了他。其實這臺機器是靠慣性來維持短時運動的。軟臂永動機：19世紀(jì)有人設(shè)計了一種特殊機構(gòu)，它的臂可以彎曲。臂上有槽，小球沿凹槽滾向伸長的臂端，使力矩增大。轉(zhuǎn)到另一側(cè)，軟臂開始彎曲，向軸心靠攏。設(shè)計者認(rèn)為這樣可以使機器獲得轉(zhuǎn)矩。然而，他沒有想到力臂雖然縮短了，阻力卻增大了，轉(zhuǎn)輪只能停止在原地。磁力永動機：大約在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實現(xiàn)永動機。A是一個磁石，鐵球G受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的E處，從小洞B落下，經(jīng)曲面BFC返回，復(fù)又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續(xù)運動下去。大概他那時還沒有建立庫侖定律，不知道磁力大小是與距離的平方成反比變化的，只要認(rèn)真想一想，其荒謬處就一目了然了。 演示實驗：永動機（加深學(xué)生對永動機的認(rèn)知）3．第一類永動機概念：不需要任何動力或燃料，卻能源源不斷地對外做功。結(jié)果：無一例外地歸于失敗。原因：違背了能量守恒定律。4．永動機給我們的啟示人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律。【練習(xí)鞏固】1．判斷（1）各種能量之間可以轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，但總量保持不變。（√）（2）第一類永動機因違背能量守恒定律，所以不可能制成。（√）（3）自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒。（√）2．第一類永動機違反了什么而不能制成（）A．違反了熱力學(xué)第一定律B．違反了機械能守恒定律C．違反了能量守恒定律D．以上說法都不對答案：C3．如圖所示容器中，A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活塞下是水，上為空氣，大氣壓恒定。A、B底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱。原先A中水面比B中高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡。在這個過程中，下面說法正確的是（）A．大氣壓力對水做功，水的內(nèi)能增加B．水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少C．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能不變D．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能增加答案：D4．重1000kg的氣錘從2.5m高處落下，打在質(zhì)量為20kg的鐵塊上，要使鐵塊的溫度升高40℃以上，氣錘至少應(yīng)落下多少次？（設(shè)氣錘撞擊鐵塊時做的功有60%用來升高鐵塊的溫度，g取10m/s2，鐵的比熱容c＝4.62×102J/（kg?℃）） 答案：25次5．一木箱靜止于水平面上，現(xiàn)在用一個80N的水平推力推動木箱前進10m，木箱受到的摩擦力為60N，則轉(zhuǎn)化為木箱與地面系統(tǒng)的內(nèi)能U和轉(zhuǎn)化為木箱的動能Ek分別是（）A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J答案：B6．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法中正確的是（）A．秋千的機械能守恒B．秋千的能量正在消失C．只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化D．減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒答案：D7．“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為它（）A．不符合熱力學(xué)第一定律B．做功產(chǎn)生的熱量太少C．由于有摩擦、熱損失等因素的存在D．找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案答案：A8．行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過程是（）A．物體克服阻力做功B．物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C．物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量D．物體的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量答案：AD