3. 能量守恒定律（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第三章 热力学定律 选择性必修三•人教版 3.能量守恒定律 冷热变化是最早引起人们关注的自然现象之一。春夏秋冬，温暑凉寒，何时何处不与冷热相关？人类不但掌握了精确的测温控温方法，还可以人工产生高热和深冷，在高热和深冷的“世界”里不断发现新的科学奇迹。可以说，现代科技的每一项成功——不论是试管婴儿的诞生，还是探索原子世界的奥秘；不论是杂交水稻的培育，还是驾驶“神舟”遨游太空，都离不开“冷热”的学问。 导入新课 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？ 物理观念 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。 科学思维 理解能量守恒定律，知道能量守恒是自然界普遍遵从的基本规律。 科学探究 知道第一类永动机是不可能实现的。 科学态度 与责任 联系生活应用，体会理论指导实践的思想，增强社会责任感，树立可持续发展意识。 学习目标 重点难点 重点 1.能量守恒定律的内容、数学表达及其物理意义 2.运用能量守恒定律分析实际物理过程问题 难点 准确理解能量转化与转移过程中的定量关系及物理含义 一、探索能量守恒的足迹 3.能量守恒定律 一、探索能量守恒的足迹 1.不同形式的能：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。所有自然现象都涉及能量，不同形式的运动都可以用能量来描述。 内能 机械能 光能 电能 一、探索能量守恒的足迹 2.能量之间的转化：要用联系的观点去观察自然，我们可以用能量的观念把热、电、光、磁等都统一起来描述。各种能量之间是可以相互转化的。 风能转化为电能 电能转化为内能 太阳能转化为电能 化学能转化为电能 一、探索能量守恒的足迹 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 二、能量守恒定律 3.能量守恒定律 二、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。 二、能量守恒定律 1.热力学领域：ΔU=Q+W 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 二、能量守恒定律 能量守恒的两种表达： (1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。 (2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 二、能量守恒定律 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。 ③能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程。 机械运动———机械能 热运动———内能 化学运动——化学能 电荷运动——电能 生物运动——生物能 原子核内部的运动——原子能 ②不同形式的能量之间可以相互转化。 三、永动机不可制成 3.能量守恒定律 三、永动机不可能制成 1、 永动机 概念：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。 （人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机） 结果：无一例外地归于失败. 原因：违背了能量守恒定律. 2、 永动机模型 三、永动机不可能制成 （2）永动机给我们的启示 人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。 （1）第一类永动机 概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。 结果：无一例外地归于失败。 原因：违背了能量守恒定律。 1.永动机 三、永动机不可能制成 三、永动机不可能制成 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。 四、课堂总结 3.能量守恒定律 转化或转移过程中，能量的总量保持不变 能量守恒定律 第一类永动机违背了能量守恒定律 五、练习与应用 5.液体 3.能量守恒定律 五、练习与应用 1.下列对能量转化和守恒定律的认识错误的是(　　) A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加 C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的 D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了 五、练习与应用 【答案】D 【解析】根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增加；某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，A、B正确，不符合题意；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，C正确，不符合题意；石子在运动和碰撞中机械能转化为石子本身及周围物体的内能，能量并没有消失，D错误，符合题意． 五、练习与应用 2.如图所示，是中国古代玩具饮水鸟，它的神奇之处是，在鸟的面前放上一杯水，鸟就会俯下身去，把嘴浸到水里，“喝”了一口水后，鸟将绕着O点不停摆动，一会儿它又会俯下身去，再“喝”一口水．A、B是鸟上两点，说法正确的是(　　)   A．A、B两点的向心加速度大小相同 B．A、B两点的线速度大小不同，角速度大小相同 C．此过程虽然不违反能量守恒定律，但不可能发生 D．此过程违反能量守恒定律，但可能发生，说明第一类永动机可以制成 五、练习与应用 【答案】BC 【解析】根据同轴转动角速度相等知，A、B两点的角速度大小相同，根据v＝ωr知A点半径大，线速度较大，B正确；根据a＝ω2r知A点半径大，加速度较大，A错误；饮水鸟的头和躯体分别为两个薄壁玻璃球，其间以一个玻璃管连接，内部装有易挥发的液体．其原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发会吸收头部空气中的热量，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，即饮水鸟上下运动的能量来源于周围空气的内能，此过程不违反能量守恒定律，可能发生，C、D错误． 五、练习与应用 3.　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 五、练习与应用 【答案】D 解析 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。 六、提升训练 3.能量守恒定律 六、提升训练 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中正确的是(　　) 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 六、提升训练 答案 D　 解析 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。 六、提升训练 2.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 六、提升训练 答案 D　 解析 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。 六、提升训练 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 六、提升训练 答案BC　 解析 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。 Lavf58.12.100 Lavf58.12.100 $