3.3 能量守恒定律（课件）-2024-2025学年高二物理同步精讲练（人教版2019选择性必修第三册）

第三章：第3节 能量守恒定律 高中物理选择性必修第三册 制作：陈庆威 目录 CONTENT 高中物理选择性必修第三册 探寻能量守恒的足迹 能量守恒定律 永动机不可能制成 总结提升 问题？ 00. 高中物理选择性必修第三册 让“ 饮水小鸭” “ 喝”完一口水后，直立起来。直立一会儿，又会慢慢俯下身去，再“ 喝”一口，然后又会直立起来。如此循环往复...... 这种“饮水小鸭”玩具是一架永动机吗？ 探寻能量守恒 的足迹 第一部分 人类对能量的认识 01. 高中物理选择性必修第三册 能量的概念是人类在对物质运动规律进行长期探索中建立起来的。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却是非常曲折的。 高中物理选择性必修第三册 能量具有不同的形式，有描述热运动的内能、描述机械运动的机械能、描述光辐射的光能，等等。不同形式的运动都可以用能量来描述。也就是说，我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述。 能量之间的转化 02. 高中物理选择性必修第三册 能量守恒观念的形成 03. 1.俄国化学家盖斯：任何一个化学反应，不论是一步完成，还是分几步完成，放出的总热量相同。这表明一个系统（即参加化学反应的几种物质）存在着一个与热量相关的物理量，在一个确定的化学反应中这个量是不变的。 高中物理选择性必修第三册 能量守恒观念的形成 04. 2.焦耳：他的实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系，从而为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，也为能量守恒的定量描述迈出了重要的一步。 高中物理选择性必修第三册 能量守恒观念的形成 05. 3.德国医生迈尔：通过比对不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象，猜想热与机械运动的等效性。他在1841年和1842年连续写出“论‘自然力’（指能量）守恒”的论文，并推算了多少热与多少功相当。因此，迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。 高中物理选择性必修第三册 能量守恒观念的形成 06. 4.德国科学家亥姆霍兹：在不了解迈尔和焦耳研究的情况下，从永动机不可能制成这一事实出发，考察了自然界不同的“力”（指能量）之间的相互关系，提出了“张力”（即势能）与“活力”（即动能）的转化。他还分析了在电磁现象和生物机体中能量的守恒问题。 能量守恒观念的形成 07. 高中物理选择性必修第三册 1836年 盖斯发现化学反应放出的热量与反应步骤无关 1842年 迈尔表述了能量守恒定律 1841年 焦耳发现电流的热效应 1831年 法拉第发现电磁感应现象 1820年 奥斯特发现电流的磁效应 1843年 焦耳测定做功与传热的关系 1798年 伦福德的实验表明热的本质是运动 1821年 塞贝克发现温差电现象 1847年 亥姆霍兹在理论上概括和总结能量守恒定律 能量守恒定律 第二部分 能量守恒定律 01. 高中物理选择性必修第三册 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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。 2.意义：能量守恒定律不仅是一条物理规则，更是人类理解自然秩序的重要基石。它揭示了宇宙运行的内在一致性，限制了可能性的边界，同时也为科技创新提供了根本原则。从蒸汽机到量子计算机，其意义始终贯穿于人类探索和改造世界的过程中。 高中物理选择性必修第三册 1.热力学领域：ΔU=Q+W 能量守恒定律的具体体现 02. 2.在力学中：机械能守恒定律 3.在电学中：闭合电路欧姆定律 4.在电磁学中：楞次定律 高中物理选择性必修第三册 1.自然界存在着多种不同形式的运动，每种运动对应着一种形式的能量。 如：机械能、内能、电能、化学能、生物能、原子能等 2.不同形式的能量之间可以相互转化。 3.能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 能量守恒定律的说明 03. 永动机 不可能制成 第三部分 饮水小鸭不是永动机 01. 高中物理选择性必修第三册 “问题”栏目中的饮水小鸭不是永动机。小鸭的头和身由两个玻璃球构成，并通过细玻璃管相连。下球盛有一些乙醚，上球连同尖嘴被吸水毛毡包起来。那么，它是靠什么来维持工作的呢？ 原来小鸭头部的毛毡“饮水”后，水蒸发吸热， 导致头部温度降低。 高中物理选择性必修第三册 上段玻璃管中的乙醚蒸气被液化，压强减小，液柱上升（图 甲），小鸭重心上移，直到小鸭倾倒。处于倾倒位置的小鸭，头部再次被浸湿，上下玻璃球内的气体相通，压强相等，乙醚流回下玻璃球内（图乙），重心下移，小鸭站立。如此循环往复。可见，正是因为小鸭头部 “饮水”后水不断蒸发，吸收了察觉不到的空气的热量， 才使小鸭能够持续工作下去。 饮水小鸭不是永动机 02. 思考与讨论 03. 高中物理选择性必修第三册 17〜18世纪，许多人致力于制造一种机器，它不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功，史称“第一类永动机”。然而，为此目的的任何尝试都失败了。这是为什么呢？ 历史上一种永动机的设计 历史上的永动机 04. 高中物理选择性必修第三册 问题与思考 05. 高中物理选择性必修第三册 图中为一种所谓“全自动”的机械手表，既不需要上发条，也不用任何电源，却能不停地走下去.这是不是一种永动机？如果不是，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ 【分析】这不是永动机.手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动.若将此手表长时间放置不动，它就会停下来. 总结与启示 06. 高中物理选择性必修第三册 1.如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要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。 2.层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的。 总结提升 第四部分 高中物理选择性必修第三册 课堂小结 01探寻能量守恒的足迹 02 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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。 03永动机不可能制成 盖斯 焦耳 迈尔 亥姆霍兹 层出不穷的永动机设计方案，由于违背了能量 守恒定律，无一例外地宣布失败，人类制造永动机的企图是没有任何成功希望的。 例题1 例题精选 01. 【参考答案】BC 高中物理选择性必修第三册 （多选）下面设想符合能量守恒定律的是（　　） A．利用永久磁铁间的作用力可以制造一台永远转动的机器 B．做一条利用风能逆水航行的船 C．通过太阳照射使飞机起飞 D．不用任何燃料，河水就一定不能升温 解析 例题解析 02. 高中物理选择性必修第三册 【解析】A．利用磁场能可能使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力不可避免，动能最终转化为内能，使转动停止，故A错误； BC．让船先静止在水中，设计一台风力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；另外帆船就是利用风能转化成船的动能使船逆水航行；同理可利用太阳能电池板将光能转化成电能，电能可储存，电能转化为飞机的动能，实现飞机起飞，故BC正确； D．设计水坝利用河水的重力势能发电，一部分重力势能通过水轮机转化为水的内能、另外电能也可转化为内能使水升温，故D错误。故选BC。 例题2 例题精选 03. 【参考答案】A 高中物理选择性必修第三册 下列关于能量守恒定律的认识，不正确的是（　　） A．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明石子的能量消失了 B．对物体做功，物体的内能可能减小 C．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 D．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 解析 例题解析 04. 高中物理选择性必修第三册 【解析】A．根据能量守恒定律可知，石子从空中落下，最后停止在地面上，石子的能量并没有消失，石子的机械能转化成了内能，故A错误； B．做功与热传递可以改变物体的内能，对物体做功的同时，如果物体向外释放热，则物体的内能可能减小，故B正确； C．根据能量守恒定律可知，某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，故C正确； D．根据能量守恒定律可知，某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，故D正确。本题选不正确的，故选A。 例题3 例题精选 05. 【参考答案】A 高中物理选择性必修第三册 如图所示，这是中国传统玩具饮水鸟。在鸟的面前放上一杯水，用手把鸟嘴浸到水里，小鸟“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（ ） A．饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能 B．水杯中的水干了之后，小鸟还能点头“喝”水 C．这种玩具饮水鸟是一架永动机 D．此现象违背了热力学第一定律 解析 例题解析 06. 高中物理选择性必修第三册 【解析】A．玩具饮水鸟的内部结构如图所示，其原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发过程中吸热，温度降低，压强减小，使得头部气压小于肚子中的气压，从而使肚子中的部分液体压入头部，使重心上移，鸟的身体变得不稳定而发生倾斜，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，使鸟的身体再回到开始的竖直状态，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，重复前面的运动过程，即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能，A正确；B．根据上述分析可知，当水杯中的水干了之后，不能蒸发制冷，不能形成头部和肚子内空气的压强差， 小鸟不能再上下运动，即小鸟不能点头“喝”水，B错误；CD．这种玩具饮水鸟 仍然遵循能量守恒定律，此现象没有违背热力学第一定律，不是一架永动机， CD错误。故选A。 例题4 例题精选 07. 【参考答案】1.58×105kW 高中物理选择性必修第三册 瀑布从20m高处以103m3/s的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以2m/s的速度流出，水轮机再带动发电机发电。如果水的机械能转化为电能的效率是80%，那么发电机发出的电功率有多大？（瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10m/s2） 解析 例题解析 08. 高中物理选择性必修第三册 【解析】设t时间内流下的水的质量为m，以m为研究对象，竖直下落后减少的机械能为 转化为电能的功率为 代入数据可得 THANKS cqw (c) - Lavf58.12.100 $$