能量守恒定律+高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

第三章熱力學(xué)定律3.3能量守恒定律該“飲水小鴨”不是永動(dòng)機(jī),小鴨的頭和身由兩個(gè)玻璃球構(gòu)成,并通過(guò)細(xì)玻璃管相連.下球盛有一些乙醚,上球連同尖嘴被吸水毛氈包起來(lái).小鴨頭部的毛氈“飲水”后,水蒸發(fā)導(dǎo)致頭部溫度降低,上段玻璃管中的乙醚蒸氣被液化，壓強(qiáng)減小,液柱上升(圖甲),小鴨重心上移,直到小鴨傾倒,處于傾倒位置的小鴨,頭部再次被浸濕,同時(shí)上下玻璃球內(nèi)的氣體相通,壓強(qiáng)相等,乙醚流回下玻璃球內(nèi)(圖乙),重心下移,小鴨站立,如此循環(huán)往復(fù),實(shí)際上,小鴨在此過(guò)程中從周圍環(huán)境中吸收了熱量，才得以持續(xù)工作下去,?探索能量守恒的足跡人類對(duì)能量的認(rèn)識(shí)能量的概念是人類在對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行長(zhǎng)期探索中建立起來(lái)的。所有自然現(xiàn)象都涉及能量，人類的任何活動(dòng)都離不開能量。能量具有不同的形式，有描述熱運(yùn)動(dòng)的內(nèi)能、描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能、描述光輻射的光能，等等。不同形式的運(yùn)動(dòng)都可以用能量來(lái)描述也就是說(shuō)，我們可以用能量的觀念把熱、電、光、磁等都統(tǒng)一起來(lái)描述。但是，在科學(xué)史上人們真正以“能量”的觀念來(lái)探索各種運(yùn)動(dòng)形式本質(zhì)的過(guò)程卻是非常曲折的。不同形式的能內(nèi)能機(jī)械能光能電能在認(rèn)識(shí)自然的進(jìn)程中，科學(xué)家慢慢知道了要用聯(lián)系的觀點(diǎn)去觀察自然。例如，機(jī)械能的各種形式之間可以相互轉(zhuǎn)化，電和磁可以相互轉(zhuǎn)化，熱和電也可以相互轉(zhuǎn)化……下表列出了自18世紀(jì)末至19世紀(jì)中葉來(lái)自不同國(guó)家和地區(qū)、不同領(lǐng)域的科學(xué)家，以不同的方式，完成了關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的研究成果。能量之間的轉(zhuǎn)化風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能能量守恒觀念的形成能量守恒觀念的形成由于能量既抽象又以各種不同的形式廣泛存在，所以能量守恒思想的萌芽及產(chǎn)生并不是一蹴而就的。從各種實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，再到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的被質(zhì)疑科學(xué)家們付出了大量的努力。應(yīng)該說(shuō)，人類對(duì)能量的認(rèn)識(shí)過(guò)程，體現(xiàn)了科學(xué)前輩們對(duì)“守恒”這一科學(xué)思想的追尋。從18世紀(jì)末到19世紀(jì)中葉，不同領(lǐng)域的科學(xué)家從不同角度都提出過(guò)能量守恒的思想。人類對(duì)能量守恒的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)由淺人深、由含糊到清晰的過(guò)程。俄國(guó)化學(xué)家蓋斯的研究發(fā)現(xiàn)，任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，不論是一步完成，還是分幾步完成，放出的總熱量相同。這表明一個(gè)系統(tǒng)(即參加化學(xué)反應(yīng)的幾種物質(zhì))存在著一個(gè)與熱量相關(guān)的物理量，在一個(gè)確定的化學(xué)反應(yīng)中這個(gè)量是不變的。焦耳的實(shí)驗(yàn)精確地測(cè)量了做功與傳熱之間的等價(jià)關(guān)系從而為能量守恒定律奠定了牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也為能量守恒的定量描述邁出了重要的一步。德國(guó)醫(yī)生邁爾通過(guò)比對(duì)不同地區(qū)人血顏色的差異，認(rèn)識(shí)到食物中化學(xué)能與內(nèi)能的等效性，即生物體內(nèi)能量的輸入和輸出是平衡的。另外，他還通過(guò)海水在暴風(fēng)雨中較熱的現(xiàn)象，猜想熱與機(jī)械運(yùn)動(dòng)的等效性。他在1841年和1842年連續(xù)寫出“論‘自然力’(指能量)守恒”的論文，并算了多少熱與多少功相當(dāng)。因此，邁爾是公認(rèn)的第一個(gè)提出能量守恒思想的人。俄國(guó)化學(xué)家蓋斯的研究發(fā)現(xiàn)，任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，不論是一步完成，還是分幾步完成，放出的總熱量相同。這表明一個(gè)系統(tǒng)(即參加化學(xué)反應(yīng)的幾種物質(zhì))存在著一個(gè)與熱量相關(guān)的物理量，在一個(gè)確定的化學(xué)反應(yīng)中這個(gè)量是不變的。半個(gè)多世紀(jì)人類對(duì)能量以及能量守恒研究的歷史，預(yù)示著人們把各分立的領(lǐng)域連成一體的時(shí)刻已經(jīng)到來(lái)，也就是到了建立能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的時(shí)候了。?

能量守恒定律在力學(xué)中，當(dāng)系統(tǒng)只有重力和彈力做功時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)能與勢(shì)能會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，而動(dòng)能與勢(shì)能的總量保持不變，這就是機(jī)械能守恒定律。在熱力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，做功和傳熱可以改變系統(tǒng)的內(nèi)能即系統(tǒng)內(nèi)能與系統(tǒng)外的能量會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，但能的總量不會(huì)改變。熱力學(xué)第一定律，實(shí)際上就是內(nèi)能與其他能量發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)的能量守恒定律。能量守恒定律可以表述為：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變。能量守恒是自然界的普遍規(guī)律。根據(jù)能量守恒定律物理學(xué)發(fā)現(xiàn)和解釋了很多科學(xué)現(xiàn)象。但是在能量守恒定律發(fā)現(xiàn)之后，曾有人懷疑某種過(guò)程'能量不守恒”。但是，進(jìn)一步研究又發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是漏掉了人類尚不認(rèn)識(shí)的一種能量。如果把這種能量計(jì)算在內(nèi)，總能量依然守恒。在20世紀(jì)30年代初，奧地利物理學(xué)家泡利根據(jù)能量守恒定律預(yù)言了中微子。這個(gè)預(yù)言后來(lái)得到了證實(shí)。能量守恒定律經(jīng)受住了新的檢驗(yàn)。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)史上的重大事件。恩格斯把它與細(xì)胞學(xué)說(shuō)、生物進(jìn)化論一起列為19世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)。它是自然科學(xué)長(zhǎng)期發(fā)展和進(jìn)步的結(jié)果，是普遍、和諧可靠的自然規(guī)律之一。1.能量守恒定律同生物進(jìn)化論、細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)被恩格斯譽(yù)為19世紀(jì)的三個(gè)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。2.能量守恒定律是在無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，是自然科學(xué)的普遍規(guī)律之一。3.自然界一切已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的過(guò)程都是不可能實(shí)現(xiàn)的，例如“永動(dòng)機(jī)”只能以失敗而告終。4.機(jī)械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。能量守恒定律的意義?

永動(dòng)機(jī)不可能制成“問(wèn)題”欄目中的飲水小鴨不是永動(dòng)機(jī)。小鴨的頭和身由兩個(gè)玻璃球構(gòu)成，并通過(guò)細(xì)玻璃管相連。下球感有一些乙醚，上球連同尖嘴被吸水毛氈包起來(lái)。那么，它是靠什么來(lái)維持工作的呢?原來(lái)小鴨頭部的毛氈“飲水”后，水蒸發(fā)導(dǎo)致頭部溫度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸氣被液化，壓強(qiáng)減小，液柱上升(圖3.3-1甲)，小鴨重心上移直到小鴨傾倒。處于傾倒位置的小鴨，頭部再次被浸濕，同時(shí)上下玻璃球內(nèi)的氣體相通，壓強(qiáng)相等，乙醚流回下玻璃球內(nèi)(圖3.3-1乙)，重心下移，小鴨站立。如此循環(huán)往復(fù)。實(shí)際上，小鴨在此過(guò)程中從周圍環(huán)境中吸收了熱量，才得以持續(xù)工作下去。這種永動(dòng)機(jī)是在一個(gè)輪子的邊緣等距離地安裝12根活動(dòng)短桿，桿端分別套上一個(gè)重球，無(wú)論輪子轉(zhuǎn)到什么位置，右邊的各個(gè)重球總比左邊的各個(gè)重球離軸心更遠(yuǎn)一些.設(shè)想，右邊甩過(guò)去的重球作用在離軸較遠(yuǎn)的距離上，就會(huì)迫使輪子按照箭頭所示的方向永不停息地旋轉(zhuǎn)下去，至少轉(zhuǎn)到輪軸磨壞時(shí)為止，但是，實(shí)際上輪子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)不可避免地受到空氣阻力、轉(zhuǎn)軸摩擦力等阻力，使轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后就停了下來(lái)，在這種永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，我們總可以找到一個(gè)平衡位置，在這個(gè)位置上，各個(gè)力恰好相互抵消，不再有任何推動(dòng)力使它運(yùn)動(dòng)，永動(dòng)機(jī)必然會(huì)在這個(gè)平衡位置上靜止下來(lái)，變成不動(dòng)機(jī).任何動(dòng)力機(jī)械的作用都是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。內(nèi)燃機(jī)把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾膬?nèi)能然后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能……如果沒(méi)有燃料電流或其他動(dòng)力的輸入，能量從哪里來(lái)呢!永動(dòng)機(jī)的思想違背了能量守恒定律，所以是不可能制成的。永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對(duì)外做功，這種機(jī)器叫永動(dòng)機(jī)。(人們把這種不消耗能量的永動(dòng)機(jī)叫第一類永動(dòng)機(jī))。應(yīng)該指出的是，制造永動(dòng)機(jī)的千萬(wàn)次失敗使人們的頭腦冷靜下來(lái)，開始在更深層次尋找失敗的原因。1775年法國(guó)科學(xué)院宣布“不再審查有關(guān)永動(dòng)機(jī)的一切設(shè)計(jì)”。這使得人們走出迷夢(mèng)，去研究各種能量形式相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律，促成了能量守恒定律的建立。曾任中國(guó)物理學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)的馮端教授指出：除了要為焦耳、亥姆霍茲和邁爾這些作出杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)家樹碑立傳外，還應(yīng)建立一個(gè)無(wú)名英雄紀(jì)念碑，其上最合適的銘文將是“紀(jì)念為實(shí)現(xiàn)永動(dòng)機(jī)奮斗而失敗的人們”。這是因?yàn)槿祟愒谔剿髯匀灰?guī)律的過(guò)程中必然有各種假設(shè)，雖然后來(lái)發(fā)現(xiàn)某些假設(shè)是錯(cuò)誤的，但正是前人的失敗才使后人的思考走上了正確的道路。課外拓展著名科學(xué)家達(dá)·芬奇早在15世紀(jì)就提出過(guò)永動(dòng)機(jī)不可能的思想，他曾設(shè)計(jì)過(guò)一種轉(zhuǎn)輪。在轉(zhuǎn)輪邊沿安裝一系列的容器，容器中充了一些水銀，他想水銀在容器中移動(dòng)有可能使轉(zhuǎn)輪永遠(yuǎn)地轉(zhuǎn)動(dòng)，但是經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究之后，得出了否定的結(jié)論。他從許多類似的設(shè)計(jì)方案中認(rèn)識(shí)到永動(dòng)機(jī)的嘗試是注定要失敗的.他寫道：“永恒運(yùn)動(dòng)的幻想家們！你們的探索何等徒勞無(wú)功！還是去做淘金者吧！”螺旋永動(dòng)機(jī)17世紀(jì)，英國(guó)有一個(gè)被關(guān)在倫敦塔下叫馬爾基斯的犯人，他做了一臺(tái)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的“永動(dòng)機(jī)”，轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)4.3米，有40個(gè)各重23千克的鋼球沿轉(zhuǎn)輪輻翼外側(cè)運(yùn)動(dòng)，使力矩加大，待轉(zhuǎn)到高處時(shí)，鋼球會(huì)自動(dòng)地滾向中心。據(jù)說(shuō)，他曾向英國(guó)國(guó)王查理一世表演過(guò)這一裝置。國(guó)王看了很是高興，就特赦了他。其實(shí)這臺(tái)機(jī)器是靠慣性來(lái)維持短時(shí)運(yùn)動(dòng)的。滾球永動(dòng)機(jī)19世紀(jì)有人設(shè)計(jì)了一種特殊機(jī)構(gòu)，它的臂可以彎曲。臂上有槽，小球沿凹槽滾向伸長(zhǎng)的臂端，使力矩增大。轉(zhuǎn)到另一側(cè)，軟臂開始彎曲，向軸心靠攏。設(shè)計(jì)者認(rèn)為這樣可以使機(jī)器獲得轉(zhuǎn)矩。然而，他沒(méi)有想到力臂雖然縮短了，阻力卻增大了，轉(zhuǎn)輪只能停止在原地。軟臂永動(dòng)機(jī)1681年，英國(guó)有一位著名的醫(yī)生弗拉德提出一個(gè)建議，利用阿基米得螺旋把水池的水提到高處，再讓升高的水推動(dòng)水輪機(jī)，水輪機(jī)除了帶動(dòng)水磨做功以外，還可使阿基米得螺旋轉(zhuǎn)不斷提水，如此周而復(fù)始，不就可以無(wú)需擔(dān)心天旱水枯了嗎？一時(shí)間，響應(yīng)他的人大有人在，形形色色的自動(dòng)水輪機(jī)陸續(xù)提出，竟出現(xiàn)了熱潮。螺旋永動(dòng)機(jī)大約在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實(shí)現(xiàn)永動(dòng)機(jī)。A是一個(gè)磁石，鐵球G受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的E處，從小洞B落下，經(jīng)曲面BFC返回，復(fù)又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。大概他那時(shí)還沒(méi)有建立庫(kù)侖定律，不知道磁力大小是與距離的平方成反比變化的，只要認(rèn)真想一想，其荒謬處就一目了然了。磁力永動(dòng)機(jī)練習(xí)與應(yīng)用1.下面的設(shè)想符合能量守恒定律嗎?請(qǐng)簡(jiǎn)述理由。(1)利用永久磁鐵間的作用力，造一臺(tái)永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械。解：不符合能量守恒定律，永久磁鐵間的作用力可以使機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，但不能使這臺(tái)機(jī)械永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，這是因?yàn)?，永久磁鐵間的作用力可以使磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但要獲得持續(xù)的動(dòng)能，仍需要從外界補(bǔ)充能量.(2)造一條沒(méi)有動(dòng)力系統(tǒng)的船在水面上行駛。解：不符合能量守恒定律.如果船沒(méi)有提供動(dòng)力的系統(tǒng)(例如利用風(fēng)力或人力)，那么它無(wú)法獲得動(dòng)能，將不能在水面上行駛.(3)通過(guò)太陽(yáng)照射飛機(jī)，使飛機(jī)不帶燃料也能飛行。解：符合能量守恒定律，可以在飛機(jī)上安裝光能發(fā)電機(jī)，先將光能轉(zhuǎn)化為電能，再利用電能使飛機(jī)飛起來(lái)，目前這個(gè)方案已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)了.2.有一個(gè)500mL的飲料罐，其標(biāo)簽上注有“