(讲义)第3章 3 能量守恒定律-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册(人教版2019)

3．能量守恒定律 1．知道人类对能量概念的逐步认识过程并理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。 2．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。 3．知道第一类永动机是不可能制成的。 　探索能量守恒的足迹 1．人类对能量的认识 人类对能量的认识是在生产实践和科学研究的长期探索中逐步形成的。科学家在认识自然的过程中，倡导用联系的观念去观察自然。例如，机械能的各种形式之间可以相互转化，电和磁可以相互转化，热和电也可以相互转化…… 1798年，伦福德的实验表明热的本质是运动； 1820年，奥斯特发现电流的磁效应； 1821年，塞贝克发现温差电现象； 1831年，法拉第发现电磁感应现象。 2．能量守恒观念的形成 从18世纪末到19世纪中叶，不同领域的科学家从不同角度都提出过能量守恒的思想。人类对能量守恒的认识经历了一个由浅入深、由含糊到清晰的过程。 1836年，盖斯发现了化学反应放出的热量与反应步骤无关； 1841年，焦耳发现电流的热效应； 1840年，迈尔表述能量守恒定律； 1843年，焦耳测定做功与传热的关系； 1847年，亥姆霍兹在理论上概括和总结能量守恒定律。 【典例1】　(多选)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是非常曲折的，下列说法正确的是(　　) A．奥斯特发现电流的热效应 B．亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律 C．迈尔发现化学反应放出的热量与反应步骤无关 D．塞贝克发现温差电现象 BD　[奥斯特发现电流的磁效应，A错误；亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律，B正确；盖斯发现化学反应放出的热量与反应步骤无关，C错误；塞贝克发现温差电现象，D正确。] 　能量守恒定律 1．内容：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．意义 (1)各种形式的能可以相互转化。 (2)各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 如图所示为人们在探索能量守恒的过程中设计的一种永动机。 【问题】 (1)图中所示的永动机能实现吗？ (2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？ 提示：(1)不能，违反了能量守恒定律和动量守恒定律。 (2)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程，总能量保持不变，它包括各个领域，范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他形式的能之间的相互转化或转移，是能量守恒定律的具体体现。 1．对能量守恒定律的理解 (1)不同力做功对应着不同的能量转化关系，能量的具体数值没有多大意义，多数情况下，能量的变化量才有实际意义，功是能量转化的量度，不同形式的能量的转化是通过做功实现的，根据功和能的关系可得W＝ΔE。 (2)热力学第一定律揭示了功和热量与物体内能的变化之间的定量关系，同时也体现了功、热量和物体内能的变化满足一种守恒关系，因此热力学第一定律也是能量守恒定律的一种具体情况。 2．能量守恒定律中的“转化”和“转移” (1)转化：某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量等于增加量。 (2)转移：某个物体的能量减少，一定有其他物体的能量增加，且减少量等于增加量。 3．能量守恒定律的重要意义 (1)应用能量守恒定律进行分析是解决问题的一个极为重要的方法，能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍。例如，物体在空中下落受到阻力时，物体的机械能不守恒，但包括内能在内的总能量是守恒的。 (2)能量守恒定律是19世纪自然科学中的三大发现之一，它宣告了第一类永动机的失败。 (3)能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然、科学和技术领域联系起来了，使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言。 【典例2】　如图所示的容器中，A、B管中各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡。在这个过程中(　　) A．大气压力对水做功，水的内能增加 B．重力对水做功，水的内能减少 C．大气压力对水不做功，水的内能不变 D．大气压力对水不做功，水的内能增加 D　[打开阀门K，由于水的重力作用，A中的水逐渐流向B中，运动一段时间后达到平衡状态，A和B中的水面静止在同一高度上。设A中水面下降hA，B中水面上升hB，相当于A端SAhA体积的水移到B端，这部分水的重心降低，重力对水做正功，水的重力势能减少。大气压力对A容器中的水做正功，对B容器中的水做负功。所以，大气压力对水做的总功为p0SAhA－p0SBhB，因为SAhA＝SBhB，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有水的重力做功，