3.3 能量守恒定律 课件-2026-2027学年高二下学期物理人教版选择性必修第三册

该高中物理课件围绕能量守恒定律和热力学第二定律展开，以“饮水小鸭”循环饮水现象导入，引导学生思考其是否为永动机，通过分析头部水蒸发吸热的能量来源，建立从能量守恒到热力学方向性的知识支架。 其亮点在于结合“饮水小鸭”情境和永动机设计案例，通过科学探究和科学论证，深化能量观念和热力学方向性理解。如利用热机能流图分析效率，结合熵增原理解释系统无序度，既激发学生探究兴趣，又为教师提供逻辑清晰的教学素材。

3.3 能量守恒定律 饮水小鸭 让 “饮水小鸭”“喝” 完一口水后，直立起来。直立一会儿，它又会慢慢俯下身去，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？ 饮水小鸭 小鸭头部“饮水”后头部的水不断蒸发，吸收了空气的热量，才使小鸭能够持续工作下去。 能量守恒定律 能量守恒定律可以表述为： 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。 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，是能量守恒的一种具体表现。 第一类永动机 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”。图 3.3−2 展示了历史上一种永动机的设计。然而，为此目的的任何尝试都失败了。这是为什么呢？ 第一类永动机： 不消耗任何能量，而源源不断对外做功。违背能量守恒定律，不可制成！ 第一类永动机 热力学第二定律 克劳修斯表述： 热量不能自发地从低温物体传到高温物体。阐述的是传热的方向性。 开尔文表述： 不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响。 热力学第二定律 热力学第二定律 典例：热机效率（ ）不可能达到100％ 开尔文表述阐述了机械能与内能转化的方向性。机械能可以全部转化为内能，而内能无法全部用来做功以转换成机械能！ 在热力学第一定律问世后，人们认识到能量是不能被凭空制造出来的，于是有人提出，设计一类装置，从海洋、大气乃至宇宙中吸取热能，并将这些热能作为驱动永动机转动和功输出的源头，这就是第二类永动机。 地球上海水的总质量达1.4×1018吨，如果制造一种机器，把这些海水温度降低1℃,放出的热量足够全世界使用4000年。这个设想不违背能量守恒定律，但是违背了热力学第二定律。 第二类永动机 能源是有限的 能源的使用过程中虽然能量的总量保持守恒，但能量的品质下降了。虽然能量总量不会减少，但能源会逐步减少，因此能源是有限的资源。 熵与熵增加原理 一滴红色颜料滴进一杯清水中扩散，整杯水将均匀地变红。从系统的角度来看，扩散之前是一种状态，扩散后是另一种状态。那么，水中扩散后的颜料能否自发地重新聚集在一起，而其余部分又变成清水？ 1850年，克劳修斯首次提出熵的概念，熵可用来表达一个系统的无序程度，系统从有序向无序的发展过程中熵在增加。在物理学中，不与外界进行物质和能量交换的系统叫作孤立系统。在自发过程中，系统总是自发地向无序方向发展，即一个孤立系统的熵值总是不减少的，这就是熵增加原理。 从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律：一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展。 熵与熵增加原理 下 课 Lavf61.7.100 $这是一只玩具小鸟，在他的面前放一杯水，然后把小鸟的头部按进水里，松手后等待一段时间。在此过程中我们能看到小鸟肚子里的液体会不断上升。直到重心超过临界点，小鸟就会再次弯腰戏水，同时管道的两侧实现连通。液体又从高处流回了鸟肚子里，接下来小鸟便开启了循环模式，不厌其烦的喝水。看到此情此景你会想到什么？肚子里的水为什么会自动上升？它的能量来源是哪儿？这是一个永动机吗？