能量的轉(zhuǎn)化與守恒滬科必修

能量的轉(zhuǎn)化與守恒滬科必修新課引入能量是物理學(xué)中一個(gè)十分重要的物理量。我們已經(jīng)重點(diǎn)研究了機(jī)械能。除此而外能量還有內(nèi)能、電磁能、光能、化學(xué)能、核能、生物能等多種形式。能量概念的重要性，就表現(xiàn)在能量不僅可以相互轉(zhuǎn)化，而且在轉(zhuǎn)化過程中總是守恒的。今天我們來研究能量的轉(zhuǎn)化問題。我們從小汽車的能量轉(zhuǎn)化入手來研究。第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天小汽車的部分結(jié)構(gòu)示意圖小汽車行駛時(shí)的能量轉(zhuǎn)化車燈發(fā)動(dòng)機(jī)蓄電池發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)空調(diào)音響排氣管第3頁,共28頁，2024年2月25日，星期天探究小汽車的能量轉(zhuǎn)化情況部件相關(guān)的能量轉(zhuǎn)化/轉(zhuǎn)移車燈電能光能轉(zhuǎn)化蓄電池電能化學(xué)能轉(zhuǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)化學(xué)能機(jī)械能轉(zhuǎn)化發(fā)電機(jī)機(jī)械能電能轉(zhuǎn)化電動(dòng)機(jī)電能機(jī)械能轉(zhuǎn)化空調(diào)內(nèi)能內(nèi)能轉(zhuǎn)移音響電能聲能（機(jī)械能）轉(zhuǎn)化排氣管內(nèi)能內(nèi)能轉(zhuǎn)移第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1964年10月16日，我國(guó)的第一顆原子彈爆炸分析下面的各種現(xiàn)象中，能量是怎樣轉(zhuǎn)化的第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1967年6月17日，我國(guó)的第一顆氫彈爆炸第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天核爆炸核能光、熱輻射沖擊波第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天人類的食物動(dòng)植物體的生物質(zhì)能人體內(nèi)的生物質(zhì)能

生物質(zhì)能實(shí)際上是以化學(xué)能的形式存在的。第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天雷電電能光能聲能第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天太陽能熱電站的光反射板

塔式太陽能熱電站光能熱能能（內(nèi)能）電能第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天能量守恒定律的確立

古代中國(guó)和古希臘就提出了運(yùn)動(dòng)不滅的思想。近代科學(xué)誕生以來，笛卡爾、萊布尼茲等科學(xué)家提出運(yùn)動(dòng)量不滅的光輝思想。從十八世紀(jì)到十九世紀(jì)四十年代，許多科學(xué)家深入研究了各種形式能量的相互轉(zhuǎn)化，以及在轉(zhuǎn)化過程中的數(shù)量關(guān)系。目前科學(xué)界公認(rèn)，邁爾、焦耳、亥姆霍茲在這方面做出了卓有成效的貢獻(xiàn)，他們被譽(yù)為能量守恒定律的奠基者。第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天邁爾(1814－1878)1840到1841年初，邁爾在一艘海輪上當(dāng)了幾個(gè)月的隨船醫(yī)生。這段旅程成為了他在物理學(xué)上作出成就、從醫(yī)學(xué)的途徑得出能量守恒的結(jié)論的起點(diǎn)。邁爾的研究邁爾在1814年11月25日生于德國(guó)。他的父親是位藥劑師。少年時(shí)代的邁爾，經(jīng)常跟著父親去看制作各種藥品的試驗(yàn)。1838年，邁爾在蒂賓根大學(xué)獲得學(xué)位。25歲的邁爾正式在漢堡開業(yè)行醫(yī)。第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1840年2月22日，邁爾跟著船隊(duì)來到印度尼西亞，當(dāng)時(shí)很多船員患了肺炎，在醫(yī)治中邁爾發(fā)現(xiàn)他們的靜脈血不像生活在溫帶國(guó)家中的人的靜脈血那樣顏色暗淡，而是像動(dòng)脈血那樣新鮮。這一現(xiàn)象引起了邁爾的深思。邁爾認(rèn)為食物中含有化學(xué)能，被氧化時(shí)像機(jī)械能一樣可以轉(zhuǎn)化為熱，維持人的體溫。人的血液之所以是紅的是因?yàn)槔锩婧休^多的氧。第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天在熱帶高溫情況下，人要維持體溫，機(jī)體只需要吸收較少的熱量，所以機(jī)體中食物的燃燒過程減弱了，因此靜脈血中留下了較多的氧。邁爾分析了25種能量的轉(zhuǎn)化和守恒現(xiàn)象，認(rèn)為熱能、化學(xué)能、機(jī)械能都是等價(jià)的，而且是可以相互轉(zhuǎn)化的。1842年邁爾從“無不生有，有不變無”和“原因等于結(jié)果”的觀念出發(fā)，表述了物理、化學(xué)過程中各種力(能)的轉(zhuǎn)化和守恒的思想，成為歷史上第一個(gè)闡述能量守恒思想的人。第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

英國(guó)物理學(xué)家。1818年12月24日生于索爾福。他父親是釀酒廠的廠主。焦耳從小體弱不能上學(xué)，在家跟父親學(xué)釀酒，并利用空閑時(shí)間自學(xué)化學(xué)、物理。他很喜歡電學(xué)和磁學(xué)，對(duì)實(shí)驗(yàn)特別感興趣。他后來成為英國(guó)曼徹斯特的一位釀酒師和業(yè)余科學(xué)家。焦耳（1818－1889）焦耳的研究第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1840年，他發(fā)現(xiàn)將通電的金屬絲放入水中，水會(huì)發(fā)熱，通過精密的測(cè)試，焦耳發(fā)現(xiàn)了電熱之間的關(guān)系——焦耳定律。焦耳從1840－1878年近40年的時(shí)間里，研究了電流的熱效應(yīng)，研究了空氣壓縮時(shí)溫度的升高，以及化學(xué)，機(jī)械作用之間的聯(lián)系，他做了400多次實(shí)驗(yàn)，為能量守恒定律的確立奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天亥姆霍茲的研究（1821—1894）德國(guó)物理學(xué)家和生理學(xué)家。1821年10月31日生于柏林波茨坦的一個(gè)中學(xué)教師家庭。中學(xué)畢業(yè)后在軍隊(duì)服役8年，取得公費(fèi)進(jìn)入在柏林的皇家醫(yī)學(xué)科學(xué)院，并柏林大學(xué)旁聽。1842年獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位后，被任命為波茨坦駐軍軍醫(yī)。第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1847年亥姆霍茲在新成立的德國(guó)物理學(xué)會(huì)宣讀了他的論文《論力的守恒》。這篇文章中，他總結(jié)了許多人的工作，分析了化學(xué)、機(jī)械、電磁、光等不同形式的能的轉(zhuǎn)化和守恒。他堅(jiān)信“永動(dòng)機(jī)”是不可能實(shí)現(xiàn)的；任何機(jī)器都不可能提供多于能源供給的能量；當(dāng)能源用盡時(shí)機(jī)器就停止工作；機(jī)器只能轉(zhuǎn)化能量，不能創(chuàng)造和消滅能量。第20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天在論文中，他把能量概念從機(jī)械運(yùn)動(dòng)推廣到熱、電、磁、乃至生命過程，提出了普遍的能量守恒原理，對(duì)能量守恒做了清晰、全面的論述，為人們深入的理解自然界的統(tǒng)一性提供了有力武器。他的思想用現(xiàn)代的話來概括，就是：

能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。上面這段話后來被稱為能量守恒定律。第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天能量守恒定律第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天“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)。能量守恒定律是在無數(shù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上建立起來的，是自然科學(xué)的普遍規(guī)律之一。自然界一切已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的過程都遵守能量守恒定律。事實(shí)證明，一切違反能量守恒定律的過程都是不可能實(shí)現(xiàn)的?！皺C(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第23頁,共28頁，2024年2月25日，星期天案例分析

歷史上有很多人不相信能量守恒定律的人，挖空心思想發(fā)明一種不消耗能量，卻能不斷對(duì)外做功的機(jī)器——永動(dòng)機(jī)。右圖便是當(dāng)時(shí)人們?cè)O(shè)計(jì)的一種永動(dòng)機(jī)方案——沒有免費(fèi)的午餐閱讀教材，看看看看設(shè)計(jì)者是怎么想的。第24頁,共28頁，2024年2月25日，星期天你認(rèn)為右圖中的輪子一旦轉(zhuǎn)動(dòng)起來就能永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)起來嗎？閱讀教材，看看為什么不能實(shí)現(xiàn)。17～18世紀(jì)許多機(jī)械專家就已經(jīng)論證了永動(dòng)機(jī)是不可能的。

法國(guó)科學(xué)院在1775年就正式?jīng)Q定，不再研究和試驗(yàn)任何永動(dòng)機(jī)。第25頁,共28頁，2024年2月25日，星期天課堂練習(xí)

1、下圖是上世紀(jì)20年代德國(guó)的一張明信片,拿愛因斯坦開玩笑，思考并討論：這個(gè)永動(dòng)機(jī)為什么不行？第26頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2、指出下列現(xiàn)象中能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移情況：（1）人在跑步時(shí)，身體發(fā)熱（2）風(fēng)吹動(dòng)帆船前進(jìn)（3）放在火爐旁的冷水變熱（4）燈泡通電發(fā)光（5）植物進(jìn)行光合作用第27頁,共28頁，2024年2月25日，星期天信息瀏覽20世紀(jì)30年代，人們發(fā)現(xiàn)在某些原子核反應(yīng)中能量似乎不守恒，當(dāng)時(shí)有人提出能量守恒并不是普遍規(guī)律的觀點(diǎn)。1993年，奧地利物理學(xué)家泡利（W.Pauli，1900—1958）猜想，之所以觀察到能量“不守恒”，可能因?yàn)榇嬖谥环N極其微小的未知粒子，是它