第3章 3.能量守恒定律-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步课件(人教版)

第三章　热力学定律 3．能量守恒定律 2 学习任务 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。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 关键能力·情境探究达成 01 知识点一　探索能量守恒的足迹 知识点二　能量守恒定律 知识点三　永动机不可能制成 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 4 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。 知识点一　探索能量守恒的足迹 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 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。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 【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。] √ √ 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 1．内容：能量既不会凭空_____，也不会凭空_____，它只能从一种形式_____为其他形式，或者从一个物体_____到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的_____保持不变。 2．意义 (1)各种形式的能可以相互_____。 (2)各种互不相关的物理现象可以用_________定律联系在一起。 知识点二　能量守恒定律 产生 消失 转化 转移 总量 转化 能量守恒 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 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。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 【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。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 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。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 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。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 (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。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 【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 √ 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 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，水的重力势能转化为内能，D正确。] 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 [跟进训练] 1．如图所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定的高度，则下列有关能量的转化的说法正确的是(　　) A．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的内能 B．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的热能 C．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能 D．子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能，另一部分转变成沙箱和子弹的机械能 √ 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 D　[子弹在射入沙箱的过程中要克服摩擦阻力做功，一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，因为子弹和沙箱合为一体共同摆动，所以另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能，D正确。] 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 1．永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地_________的机器。 2．永动机不可能制成的原因：违背了_________定律。 3．意义：正是历史上设计永动机的_____，才使后人的思考走上了正确的道路。 知识点三　永动机不可能制成 对外做功 能量守恒 失败 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 有一种所谓的“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。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 【问题】 (1)这是不是一种永动机？ (2)如果不是，你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗？ 提示：(1)不是永动机。 (2)手表戴在手上，手运动的能量的一部分转化为手表的能量(指针动能)。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 1．第一类永动机 人们把设想中的不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机械叫作第一类永动机，第一类永动机是不可能制成的。 2．第一类永动机失败的原因分析 如果没有外界供给能量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下，是不可能的。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 【典例3】　文艺复兴时期，意大利的达·芬奇曾设计过一种转轮，利用隔板的特殊形状，使一边重球滚到另一边距离轮心远些的地方，并认为这样可以使轮子不停地转动，如图所示。下列说法正确的是(　　) A．该设计可以使转轮在无外力作用下顺时针转动变快 B．该设计可以使转轮在无外力作用下逆时针转动变快 C．该设计可以在不消耗能源的情况下不断地对外做功 D．该设计中使转轮成为永动机的设想是不可能实现的 √ 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 D　[由杠杆平衡原理可知，重球滚到另一边距离轮心远些的地方，右边每个重物施加于轮子的力矩虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用(力矩)恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。不管转轮是顺时针转动还是逆时针转动，在无外力作用下，只能是转动变慢，最终停下来，A、B错误；由选项A、B分析结合能量守恒定律可知，该设计在不消耗能源的情况下不断地对外做功是不可能的，这种设想不可能实现，C错误，D正确。] 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 [跟进训练] 2．(2022·上海交大附中高二期中)如图所示是玩具饮水鸟。在鸟的面前放上一杯水，用手把鸟嘴浸到水里，鸟“喝”了一口后，又直立起来。之后，无需人的干预，小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水，然后又会直立起来。就这样周而复始，小鸟不停地点头“喝”水，成为一台神奇的永动机。 根据所学物理知识，试分析饮水鸟上下运 动的能量来源是________。当饮水鸟的嘴 不能再“喝”到水后，小鸟还能上下运动 吗？________(选填“能”或“不能”)。 内能 不能 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 [解析]　饮水鸟的结构如图所示，其大致原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发吸热使得头部气压小于肚子的气压，从而使肚子中的部分液体被压入头部，使鸟的重心上移，鸟的身体变得不稳定，开始倾斜，倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面，从而使头部的液体又回流到肚子中，使鸟身体再回到开始时的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，之后鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸 发，重复刚才的过程。综上所述，饮水鸟上下运动 的能量来源是周围空气的内能；当饮水鸟的嘴不能 再“喝”到水后，由于不能造成头部和肚子的压强 差，小鸟显然不能再上下运动了。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 学习效果·随堂评估自测 02 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 26 1．第一类永动机是不可能制成的，这是因为它(　　) A．不符合能量守恒定律 B．做功产生的热量太少 C．由于有摩擦、热损失等因素的存在 D．找不到合适的材料和合理的设计方案 A　[第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功的机器，故违背了能量守恒定律。] 1 2 3 4 √ 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 2．有关能量守恒定律，下列说法正确的是(　　) A．只适用于机械能与内能的相互转化 B．只适用于能量转化过程 C．“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律 D．根据能量守恒定律可知，宇宙中的能量总和不变 D　[能量守恒定律是自然界普遍遵循的一个规律，适用于一切能量和一切物理过程，D正确，A、B、C错误。] √ 1 2 3 4 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 3．(多选)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．在低速运动时，宏观物体的运动服从牛顿运动定律 C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量的转化和守恒定律，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 √ 1 2 3 4 √ 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 BC　[永动机违反能量守恒定律，即使科技发展，永动机也是不可以制成的，A错误；牛顿运动定律适用于宏观低速的物体运动，B正确；“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，C正确；由能量守恒定律可知，能量是不能凭空产生的，D错误。] 1 2 3 4 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 4．如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一15 kg的物体，稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少。(g取10 m/s2，不考虑活塞受到的大气压力及摩擦阻力) [解析]　由能量守恒定律可知，内能的增加量等于活塞和物体重力势能的减少量，则ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10-2 J＝20 J。 [答案]　20 J 1 2 3 4 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．可以说热力学第一定律就是能量守恒定律吗？ 提示：不可以。热力学第一定律是能量守恒定律的一种具体表现，热力学第一定律常用于热力学系统中的能量转化和转移问题，而能量守恒定律则适用于一切能量转化过程。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 2．如图所示是17～18世纪人们发明的各种不同形式的“永动机”，为什么不可能制造成功？ 提示：违背了能量守恒定律。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 阅读材料·拓展物理视野 03 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 34 “第一类永动机”梦想的破灭 在历史上，有人曾梦想制造出一种不需要任何燃料和动力，一旦启动后就能不停地运转并对外做功的机器，这种机器叫作“第一类永动机”。 如图所示的是17世纪英国人马尔基斯设计的“永动机”。这是一个转轮，直径达4.3 m，用了40个重球，它们可沿转轮的辐条运动。马尔基斯设想，当一个辐条间隔在这一侧要转动到下方时，这个间隔中的重球就会向转轮边缘滚动；而当一个间隔在另一侧要转动到上方时，间隔中的 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 重球就会向转轮的轴心滚动。这样，只要给转轮一个初始的转动速度，这个转轮就会永远地转动下去。当然，这种“永动机”是不会成功的。 “第一类永动机”不能成功，最根本的原因是它不符合热力学第一定律，因此热力学第一定律也可表达为：“第一类永动机是不可能制成的。” 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 问题　什么是“第一类永动机”？热力学第一定律的第二种表述是什么？ 提示：不需要任何燃料和动力，一旦启动就能不停地运转并对外做功的机器，叫作“第一类永动机”。热力学第一定律的第二种表述为：第一类永动机是不可能制成的。 3．能量守恒定律 关键能力·情境探究达成 学习效果·随堂评估自测 课时分层作业 阅读材料·拓展物理视野 $$