高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 能量守恒定律教案

能量守恒定律

【教学目标】

1．掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义。会用能量守恒的观点分析物理现象。

2．能综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。

【教学重难点】

能量转化和守恒定律的理解及综合应用。

【教学过程】

一、探索能量守恒的足迹

1．不同形式的能

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。

展示各种形式的能量，让学生描述主要描写的是什么形式的能。

2．能量之间的转化

初中我们已经学习了，不同形式的能量之间是可以相互转化的。

展示图片，让学生判断是哪几种能量之间的相互转化。

3．能量守恒观念的形成

在认识自然的进程中，科学家慢慢知道了要用联系的观点去观察自然。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……

展示关于能量转化的研究成果，体会探索能量守恒的艰辛。

二、能量守恒定律

在力学中，当系统只有重力和弹力做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是机械能守恒定律。

在热力学领域内，做功和热传递可以改变系统的内能，即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。热力学第一定律，实际上就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。

1．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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移过程中，能量的总量保持不变。

2．能量守恒定律的意义：

（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。

（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。

（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。

（4）机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。

教师展示小鸭饮水让学生思考：小鸭为什么可以持续饮水？存在永动机械吗？

揭秘小鸭饮水：

小鸭头部的毛毡“饮水”后，水蒸发吸热，导致头部温度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸汽被液化，压强减小，液柱上升，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，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。

三、永动机不可能制成

1．永动机：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）。

任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能。内燃机把燃料的化学能转化为燃气的内能然后再转化为机械能，电动机把电能转化为机械能……如果没有燃料、电流或其他动力的输入，能量从哪里来呢！永动机的思想违背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。

2．人类对永动机的追求

螺旋永动机：著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”

滚球永动机：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。

软臂永动机：19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。

磁力永动机：大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。

演示实验：永动机（加深学生对永动机的认知）

3．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。

4．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。

【练习巩固】

1．判断

（1）各种能量之间可以转移或转化，但总量保持不变。（√）

（2）第一类永动机因违背能量守恒定律，所以不可能制成。（√）

（3）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。（√）

2．第一类永动机违反了什么而不能制成（     ）

A．违反了热力学第一定律

B．违反了机械能守恒定律

C．违反了能量守恒定律

D．以上说法都不对

答案：C

3．如图所示容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定。A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡。在这个过程中，下面说法正确的是（     ）

A．大气压力对水做功，水的内能增加

B．水克服大气压力做功，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

答案：D

4．重1000kg的气锤从2.5m高处落下，打在质量为20kg的铁块上，要使铁块的温度升高40℃以上，气锤至少应落下多少次？（设气锤撞击铁块时做的功有60%用来升高铁块的温度，g取10m/s2，铁的比热容c＝4.62×102J/（kg•℃））

答案：25次

5．一木箱静止于水平面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是（    ）

A．U＝200J，Ek＝600J

B．U＝600J，Ek＝200J

C．U＝600J，Ek＝800J

D．U＝800J，Ek＝200J

答案：B

6．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是（    ）

A．秋千的机械能守恒

B．秋千的能量正在消失

C．只有动能和重力势能的相互转化

D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒

答案：D

7．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它（    ）

A．不符合热力学第一定律

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

答案：A

8．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（    ）

A．物体克服阻力做功

B．物体的动能转化为其他形式的能量

C．物体的势能转化为其他形式的能量

D．物体的机械能转化为其他形式的能量

答案：AD