11.2 能量守恒定律 课件 -2025-2026学年教科版物理九年级下册

自然界中能量的表现形式是多种多样的，除了机械能之外，还有内能、电能、光能、化学能等。这一些能量之间可以互相转化。例如，电能发光时，电能转化为了光能和内能。两个物体摩擦时，机械能转化为了内能。汽车的内燃机工作时，燃料的化学能转化为内能，内能又转化为机械能，这些转化有什么特点呢？大量事实说明，在能量转化过程中，能量的总量保持不变。小胖子不太相信这个结论之前，在验证机械能守恒定律的实验时计算发现，重力势能的减少量往往大于动能的增加量，也就是机械能的总量在减少。这些能量是不是消失了呢？并没有。系统的机械能不再守恒，实际由于摩擦阻力和空气阻力的作用，他们做工使系统的机械能转化成了内能。如果把这部分内能也考虑进来，就会发现系统的机械能和内能之和还是守恒的，能量的总量依然保持不变。在历史上，能量的转化和守恒思想不是一个人的研究结果。早在18世纪，由于动力学的发展，机械能守恒的初步思想在这一时期已经萌发。18世纪末到19世纪初期，各种自然现象之间的联系相继被发现，比如热学方面，摩擦生热实验把物体内能的变化与机械运动联系起来。电学方面，陆续发现了电流的化学效应、磁效应、热效应等现象，说明电能可以和其他能量互相转化。在生物学方面，动物维持体温和进行机械活动的能量其实是来自它所摄取的食物的化学能。自然科学的这些成就为建立能量守恒定律做了必要的准备。能量守恒定律的最后确立是在19世纪中叶，由麦尔、乔尔和亥姆霍兹等人完成的。德国医生迈尔首先发表论文，表达了能量转化和守恒思想，成为世界上最先阐述能量守恒思想的人。这之后，英国的物理学家焦耳研究了电化学和机械作用之间的联系，他做了四百多次实验，用各种方法测量了热功当量，为能量守恒定律的发现奠定了坚实的实验基础。最后，德国学者亥姆霍兹在理论上概括和总结出了能量守恒定律，并由此论证了永动机不可能制造成功，机器只能转化能量，不能创造和消灭能量、永动机的不可能性与各种自然现象的相互联系这两类重要事实，最终导致了能量守恒定律的确立。现在，这个定律被表述为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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变，这就是著名的能量守恒定律。恩格斯曾经把能量守恒定律的发现称为19世纪自然科学的三大发现之一。能量守恒定律是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。你一定要好好体会它。好了，我就说这么多，现在你快去刷题。 null几个世纪以来，永动机的概念一直吸引着无数人的想象力。人们渴望创造出一种机器，它能够永远运转，无需任何外部能源输入。这一梦想背后蕴含着人类对无限能源和永恒运动的追求。然而，从科学的角度来看，永动机只是一个遥不可及的幻想，这背后有着坚实的物理学理论依据。第一类永动机是一种不需要消耗任何能量，却能源源不断对外做工的机器。它的设想听起来十分诱人，仿佛找到了打开无限能源宝库的钥匙，但这种设想从根本上违背了能量守恒定律。能量守恒定律是自然界的基本定律之一。他明确指出，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。在任何物理过程中，能量的总量始终保持不变。以常见的机械运动为例，当一个物体在运动时，它具有动能，如果要让这个物体持续运动，就需要克服各种阻力，如摩擦力、空气阻力等。在这个过程中，物体的动能会逐渐转化为其他形式的能量，如热能。如果没有外部能量的补充，物体最终会因为能量的耗尽而停止运动。第一类永动机试图在不输入能量的情况下持续对外做功，这显然与能量守恒定律相悖。例如，一个没有动力来源的轮子，即使在初始时给予它一定的转动能量，由于轮子在转动过程中会受到轴的摩擦力以及空气阻力的作用，这些阻力会不断消耗轮子的动能，使其转动速度逐渐减慢，最终停止转动。无论设计多么巧妙的第一类永动机，都无法逃脱能量守恒定律的制约。第二类永动机的设想相对第一类永动机来说更加微妙，它并不试图违反能量守恒定律，而是试图从单一热源吸取热量，并将这些热量全部转化为有用功，同时不产生其他任何影响。从表面上看，这种永动机似乎是可行的，因为它没有违背能量的总量不变这一原则，但实际上它违反了热力学第二定律。热力学第二定律有多种表述方式，其中一种常见的表述是不可能从单一热源吸取热量并将这热量完全变为功而不产生其他影响。这意味着，在自然界中，能量的转化是具有方向性的，机械能可以完全转化为内能。例如通过摩擦，机械能会转化为热能，但内能却不可能在不引起其他变化的情况下全部转化为机械能。例如，汽车发动机工作时，燃料燃烧产生的内能只有一部分能够转化为机械能推动汽车前进，而另一部分内能则会通过尾气排放、发动机散热等方式散失到周围环境中。即使我们试图设计一个理想的热机，让它从高温热源吸收热量并将其全部转化为机械能也无法实现。因为在这个过程中，必然会有一部分热量传递到低温热源，这是由热力学第二定律所决定的。第二类永动机的设想就如同试图让热量自发的从低温物体流向高温物体一样，违背了自然规律。在现实世界中，任何热机的效率都不可能达到100%，这是热力学第二定律的一个重要体现。无论我们如何改进技术，都无法突破这一理论极限。因此，第二类动机同样只是一个美好的幻想，无法在现实中实现。1905年，爱因斯坦用概率的概念和分子运动论的观点创立了布朗运动理论。他指出布朗运动是由于液体分子不停地做无规则运动，不断的随机撞击悬浮微粒。当悬浮的微粒足够小的时候，受到的来自各个方向的液体分子的撞击作用是不平衡的。在某一瞬间，微粒在某个方向受到的撞击作用较强，就会致使微粒向该方向运动，这样就引起了微粒的无规则运动。爱因斯坦的理论为布朗运动提供了坚实的理论基础，使得人们对这一现象有了更深入的理解。分子间的相互作用与分子的无规则运动密切相关，共同决定了物质的状态和性质。分子间存在着间隙、引力和斥力，这些相互作用在不同状态下表现出不同的特点，进而影响着分子的运动方式。分子之所以能够持续进行无规则运动，根源在于分子本身具有能量。从物理学的角度来看，分子所具有的能量主要表现为机械能，其中包括动能和势能。动能同时由于分子的运动而具有的能量，势能则与分子间的相互作用有关，分子的运动速度和方向不断变化，这使得它们具有不同的动能，而分子间的引力和斥力作用则决定了分子间势能的大小。对于单个分子而言，其运动规律遵循经典力学的基本原理，当分子受到其他分子的作用力时会根据牛顿运动定律产生相应的加速度，从而改变其运动状态。例如在一个密闭的容器中，气体分子会在容器内不断的碰撞容器壁以及其他分子，每次碰撞都会使分子的运动方向和速度发生改变。这种运动看似杂乱无章，但实际上每一次碰撞和运动的变化都严格遵循力学规律。然而，当我们考虑大量分子的集体行为时，情况就变得更加复杂了。由于分子数量极其庞大，且它们之间的相互作用错综复杂，很难对每个分子的运动进行精确的描述和预测。在这种情况下，统计学的方法就发挥了重要作用，大量分子的运动呈现出一种统计规律性。虽然单个分子的运动是随机的，从整体上看，分子的分布和运动表现出一定的统计特征。例如，在一定温度下，气体分子的速度分布遵循麦克斯韦玻尔兹曼分布，即处于不同速度区间的分子数量具有一定的比例关系。这种统计规律使得我们能够从宏观上描述和理解分子的无规则运动，尽管每个分子的具体运动轨迹仍然是不确定的。从微观角度来看，即使在极低的温度下，分子也不可能完全静止。根据量子力学的不确定性原理，微观粒子的位置和动量是不能同时被精确确定的这意味着即使分子的动能趋近于0，它们仍然具有一定的不确定性，即存在所谓的零点运动。这种零点运动使得分子在任何温度下都保持着一定的运动状态，无法达到绝对静止。总结，永动机的设想尽管充满了迷人的魅力，但在现实世界中，他始终无法逃脱物理定律的制约。无论是第一类永动机对能量守恒定律的违背，还是第二类永动机对热力学第二定律的挑战，都注定了永动机只能是一个无法实现的梦想。而分子的无规则运动则是微观世界中一种真实而普遍存在的现象。这种运动源于分子所具有的能量以及微观世界的不确定性和量子特性。分子运动虽然看似无序，但却蕴含着深刻的物理原理和统计规律，它与物质的状态、性质以及各种物理和化学过程密切相关、相关。 第11章 能源与可持续发展 第2节 能量守恒定律 讲课人： 时间：202X. 教科版物理九年级下册 1 导入新课 能量可以互相转化。但在转化过程中能量是否守恒呢？ 2 探究新知 知识板块一　能量守恒定律 观看下面两个视频，说说机械能减少了，是不是能量丢失了？ 能量没有丢失，实际上是通过摩擦，把机械能转化为内能。 情境 ________________________ 上抛的皮球最终会静止于地面 、】 __ ___ _______________________ 摆球的摆动不会永远维持下去 ___ _______________________ 停止施力后秋千会越摆越低 分析 皮球在运动时, 会和空气摩擦、和地面碰撞；摆球和秋千在摆动时, 也会和空气摩擦。在这些过程中, 物体的机械能不断转化为内能, 总能量依然不变。 能量守恒观念的形成 由浅入深、由含糊到清晰 能量守恒定律 定 义 能量既不能创造，也不会消灭；当能量从一个物体转移到其他物体或从一种形式转化为其他形式时，总量不变。这称为能量守恒定律。 能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。 从宏观天体到微观粒子，从化学变化、生命活动到物质循环，所有的过程都遵守能量守恒定律。 辨 析 比 较 能量守恒 机械能守恒 能量守恒不需要条件：在能量转化的过程中，一种形式的能量减少，其他形式的能量必然增加，而能量的总量保持不变 机械能守恒有条件：若只存在动能和势能的转化，机械能总量保持不变；若存在机械能与其他形式能量的转化，机械能总量改变 知识板块二　永动机是不可能实现的 历史上曾有人妄想，不用消耗能量就能使机器运转，或用很少的能量就能使机器永不停息地运转，并为此设计、制作了各种各样的“永动机”，结果都失败了。 如图所示是历史上两种“永动机”的模型示意图。 如图所示是一位“发明家”设计的一种永动机。他的设想是：利用上水池的水向下的冲力使水轮发电机发电，然后，利用发电机发出的电能驱动抽水机把下水池的水再抽回上水池。这样不断循环下去，就可以制成一个永动机。在此过程中， 水轮发电机还可以抽出一部分电 能供用电器使用。真是一种美妙 的设想！遗憾的是，这个永动机 不能持续运转。 你能分析一下这种永动机失败的原因吗？ 永动机不可能实现，因为抽水机在此过程中，机械存在摩擦,有部分机械能会转化为内能，即机械能会逐渐减少，所以机械能总量不守恒，永动机装置不能实现。 永动机的失败，从反面证明了能量守恒定律的正确性。 知识板块三　能量转化的效率 用燃气灶烧水，目的是把水烧热或者烧开，我们希望燃烧每一升天然气产生的热量都完全传递给壶中的水，使之升温、沸腾。你觉得这可能是实现吗？ 骑自行车上学时，我们希望消耗的每一分体能能全部转化为自行车和人的动能，这可能吗？ 生活经验告诉我们，这些理想情况都不可能发生。在所有的能量利用过程中，能量损耗不可避免。 如果把天然气完全燃烧释放的化学能称为输入能量，而把水吸收的那部分能量称为输出有效能量，把散发到大气中的那部分能量称为输出无效能量，则根据能量守恒定律，有如下关系： 输入能量 = 输出有效能量 + 输出无效能量 能量转化的效率是什么？为什么能量转化效率总小于1? 因为一般情况下，能量转化需要一定的设备，由于设备本身的限制，能量不可能全部转化为人们需要的能量，所以η总小于1。 能量转化效率η= 在“机械与功”一章中，我们研究了机械效率，即有用功在总功中所占的比例；在“改变世界的热机”一章中，我们又知道了热机的效率，即内能转化为有用机械能的效率。这些效率，跟我们今天学习的“能量转化效率”是一回事吗？为什么？ 讨论交流：各种“效率” 机械效率：有用功在总功中所占的百分比，叫机械效率，机械效率总小于1。 它们都可表示为：能量转化效率 = 热机效率：热机所做有用功(有效利用的能量)与燃料完全燃烧释放的热量之比叫作热机效率。热机工作时总是有能量的损失，所以热机效率始终小于1。 提高能量转化效率的方法: （1）使燃料尽可能充分燃烧，如将煤研磨成粉、加大进风量等. （2）减少热传递过程中能量的损耗，如加大有效受热面积、避免热源与空气接触等. （3）减少做功过程中能量的损耗，如减小有害摩擦等. （4）采用先进技术设计和制造能量利用率更高的设备. 教材拓展 太阳能的转化效率 1.光热转换：光热转换的基本原理是使太阳能聚集，用它来加热某种物质。如太阳灶、太阳能热水器等.太阳灶的热效率约为<m></m>，指的是接收到的太阳能有<m></m>转化为内能，即<m></m> 2.光电转换：利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，太阳能电池的转换效率约为 ，指的是接收到的太阳能有转化为电能，即 。#5.6.1.2 随堂检测 1.有关能量的转化和守恒定律，下列说法正确的是（　　） Ａ.能量守恒定律只适用于机械能与内能的相互转化 Ｂ.能量守恒定律只适用能量转化过程 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，宇宙中的能量总和不变 Ｄ 26 2.下列说法正确的是( ) A.任何能量都可以无条件地被人类利用 B.内能也可以从低温物体转移到高温物体 C.能量的转移和转化都具有方向性 D.在能量的转移和转化过程中，能量的总量可能会减少 C 3.下列说法正确的是（ ） A．根据能量守恒定律，能源的利用率应该是 100% B．由于能量既不会消失，也不会产生，总是守恒的，所以 节约能源意义不大 C．节约能源只要提高节能意识就行，与科技进步无关 D．在能源的利用中，总会有一部分能源未被利用而损失 D 4.某校初三年级的学生参观了学校锅炉房后，提出了以下几种提高炉子效率的建议，其中不应采纳的是（　　） A．用鼓风机向炉膛内吹风，把煤粒吹起来燃烧 B．把煤磨成粉，用空气吹进炉膛 C．向炉内多加些煤，加大火力 D．用各种办法增大受热面积 C 5.提高能量的利用效率，除了不随便浪费能源外，主要还需改进应用能源的技术常采用的措施有 （ ） A．让燃料充分燃烧 B．采用保温隔热措施，减少热量的散失 C．充分利用余热和减少有害摩擦 D．增加能量的转化环节 ABC 6.图为某轿车输出的能量与输入能量之间的关系图，图中损失的化学能可以使质量为8kg的水温度升高__________ ℃[水的比热容为4.2×103 J/（kg⋅℃）]。轿车刹车时， 由于摩擦，轿车损失的机 械能不能自动地集起来再 次开动轿车，这说明能量的转化和转移具有_________。 0.5 方向性 板书设计 能量守恒定律 能量守恒定律 永动机是不可能实现的 能量转化的效率 η= 32 Lavf59.27.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf59.27.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $null