第三章：第3節能量守恒定律高中物理選擇性必修第三冊制作：陳慶威目錄CONTENT高中物理選擇性必修第三冊探尋能量守恒的足跡能量守恒定律永動機不可能制成總結提升問題？00.高中物理選擇性必修第三冊

讓“

飲水小鴨”

“

喝”完一口水后，直立起來。直立一會兒，又會慢慢俯下身去，再“

喝”一口，然后又會直立起來。如此循環往復......

這種“飲水小鴨”玩具是一架永動機嗎？探尋能量守恒的足跡第一部分人類對能量的認識01.高中物理選擇性必修第三冊能量的概念是人類在對物質運動規律進行長期探索中建立起來的。在科學史上人們真正以“能量”的觀念來探索各種運動形式本質的過程卻是非常曲折的。高中物理選擇性必修第三冊能量具有不同的形式，有描述熱運動的內能、描述機械運動的機械能、描述光輻射的光能，等等。不同形式的運動都可以用能量來描述。也就是說，我們可以用能量的觀念把熱、電、光、磁等都統一起來描述。能量之間的轉化02.高中物理選擇性必修第三冊能量守恒觀念的形成03.1.俄國化學家蓋斯：任何一個化學反應，不論是一步完成，還是分幾步完成，放出的總熱量相同。這表明一個系統（即參加化學反應的幾種物質）存在著一個與熱量相關的物理量，在一個確定的化學反應中這個量是不變的。高中物理選擇性必修第三冊能量守恒觀念的形成04.2.焦耳：他的實驗精確地測量了做功與傳熱之間的等價關系，從而為能量守恒定律奠定了牢固的實驗基礎，也為能量守恒的定量描述邁出了重要的一步。高中物理選擇性必修第三冊能量守恒觀念的形成05.3.德國醫生邁爾：通過比對不同地區人血顏色的差異，認識到食物中化學能與內能的等效性，即生物體內能量的輸入和輸出是平衡的。另外，他還通過海水在暴風雨中較熱的現象，猜想熱與機械運動的等效性。他在1841年和1842年連續寫出“論‘自然力’（指能量）守恒”的論文，并推算了多少熱與多少功相當。因此，邁爾是公認的第一個提出能量守恒思想的人。高中物理選擇性必修第三冊能量守恒觀念的形成06.4.德國科學家亥姆霍茲：在不了解邁爾和焦耳研究的情況下，從永動機不可能制成這一事實出發，考察了自然界不同的“力”（指能量）之間的相互關系，提出了“張力”（即勢能）與“活力”（即動能）的轉化。他還分析了在電磁現象和生物機體中能量的守恒問題。能量守恒觀念的形成07.高中物理選擇性必修第三冊1836年蓋斯發現化學反應放出的熱量與反應步驟無關1842年邁爾表述了能量守恒定律1841年焦耳發現電流的熱效應1831年法拉第發現電磁感應現象1820年奧斯特發現電流的磁效應1843年焦耳測定做功與傳熱的關系1798年倫福德的實驗表明熱的本質是運動1821年塞貝克發現溫差電現象1847年亥姆霍茲在理論上概括和總結能量守恒定律能量守恒定律第二部分能量守恒定律01.高中物理選擇性必修第三冊1.內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為別的形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中其總量不變。2.意義：能量守恒定律不僅是一條物理規則，更是人類理解自然秩序的重要基石。它揭示了宇宙運行的內在一致性，限制了可能性的邊界，同時也為科技創新提供了根本原則。從蒸汽機到量子計算機，其意義始終貫穿于人類探索和改造世界的過程中。高中物理選擇性必修第三冊1.熱力學領域：ΔU=Q+W能量守恒定律的具體體現02.2.在力學中：機械能守恒定律3.在電學中：閉合電路歐姆定律4.在電磁學中：楞次定律高中物理選擇性必修第三冊1.自然界存在著多種不同形式的運動，每種運動對應著一種形式的能量。如：機械能、內能、電能、化學能、生物能、原子能等

2.不同形式的能量之間可以相互轉化。3.能量守恒定律適用于任何物理現象和物理過程。能量守恒定律的說明03.永動機不可能制成第三部分飲水小鴨不是永動機01.高中物理選擇性必修第三冊“問題”欄目中的飲水小鴨不是永動機。小鴨的頭和身由兩個玻璃球構成，并通過細玻璃管相連。下球盛有一些乙醚，上球連同尖嘴被吸水毛氈包起來。那么，它是靠什么來維持工作的呢？原來小鴨頭部的毛氈“飲水”后，水蒸發吸熱，導致頭部溫度降低。高中物理選擇性必修第三冊上段玻璃管中的乙醚蒸氣被液化，壓強減小，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，上下玻璃球內的氣體相通，壓強相等，乙醚流回下玻璃球內（圖乙），重心下移，小鴨站立。如此循環往復。可見，正是因為小鴨頭部“飲水”后水不斷蒸發，吸收了察覺不到的空氣的熱量，才使小鴨能夠持續工作下去。飲水小鴨不是永動機02.思考與討論03.高中物理選擇性必修第三冊17?18世紀，許多人致力于制造一種機器，它不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功，史稱“第一類永動機”。然而，為此目的的任何嘗試都失敗了。這是為什么呢？歷史上一種永動機的設計歷史上的永動機04.高中物理選擇性必修第三冊問題與思考05.高中物理選擇性必修第三冊

圖中為一種所謂“全自動”的機械手表，既不需要上發條，也不用任何電源，卻能不停地走下去.這是不是一種永動機？如果不是，維持表針走動的能量是從哪兒來的？【分析】這不是永動機.手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表指針走動.若將此手表長時間放置不動，它就會停下來.總結與啟示06.高中物理選擇性必修第三冊1.如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統內能減少，即U2<U1，則W<0，系統對外做功是要以內能減少為代價的，若想源源不斷地做功，就必須使系統不斷回到初始狀態，在無外界能量供給的情況下，是不可能的。2.層出不窮的永動機設計方案，由于違背了能量守恒定律，無一例外地宣布失敗，人類制造永動機的企圖是沒有任何成功希望的。總結提升第四部分高中物理選擇性必修第三冊課堂小結例題1例題精選01.【參考答案】BC高中物理選擇性必修第三冊

（多選）下面設想符合能量守恒定律的是（）A．利用永久磁鐵間的作用力可以制造一臺永遠轉動的機器B．做一條利用風能逆水航行的船C．通過太陽照射使飛機起飛D．不用任何燃料，河水就一定不能升溫解析例題解析02.高中物理選擇性必修第三冊【解析】A．利用磁場能可能使磁鐵所具有的磁場能轉化為動能，但由于摩擦力不可避免，動能最終轉化為內能，使轉動停止，故A錯誤；BC．讓船先靜止在水中，設計一臺風力發電機使船獲得足夠電能，然后把電能轉化為船的動能使船逆水航行；另外帆船就是利用風能轉化成船的動能使船逆水航行；同理可利用太陽能電池板將光能轉化成電能，電能可儲存，電能轉化為飛機的動能，實現飛機起飛，故BC正確；D．設計水壩利用河水的重力勢能發電，一部分重力勢能通過水輪機轉化為水的內能、另外電能也可轉化為內能使水升溫，故D錯誤。故選BC。例題2例題精選03.【參考答案】A高中物理選擇性必修第三冊

下列關于能量守恒定律的認識，不正確的是（）A．石子從空中落下，最后停止在地面上，說明石子的能量消失了B．對物體做功，物體的內能可能減小C．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加D．某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加解析例題解析04.高中物理選擇性必修第三冊【解析】A．根據能量守恒定律可知，石子從空中落下，最后停止在地面上，石子的能量并沒有消失，石子的機械能轉化成了內能，故A錯誤；B．做功與熱傳遞可以改變物體的內能，對物體做功的同時，如果物體向外釋放熱，則物體的內能可能減小，故B正確；C．根據能量守恒定律可知，某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加，故C正確；D．根據能量守恒定律可知，某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加，故D正確。本題選不正確的，故選A。例題3例題精選05.【參考答案】A高中物理選擇性必修第三冊

如圖所示，這是中國傳統玩具飲水鳥。在鳥的面前放上一杯水，用手把鳥嘴浸到水里，小鳥“喝”了一口后，又直立起來。之后，無需人的干預，小鳥直立一會兒就會自己俯下身去使鳥嘴浸入水中“喝”水，然后又會直立起（）

A．飲水鳥上下運動的能量來源于周圍空氣的內能B．水杯中的水干了之后，小鳥還能點頭“喝”水C．這種玩具飲水鳥是一架永動機D．此現象違背了熱力學第一定律解析例題解析06.高中物理選擇性必修第三冊【解析】A．玩具飲水鳥的內部結構如圖所示，其原理是先在鳥嘴上滴一些水，水分蒸發過程中吸熱，溫度降低，壓強減小，使得頭部氣壓小于肚子中的氣壓，從而使肚子中的部分液體壓入頭部，使重心上移，鳥的身體變得不穩定而發生傾斜，傾斜的過程中肚子中的玻璃管口脫離液面，從而使頭部的液體又回流到肚子中，使鳥的身體再回到開始的豎直狀態，而剛才傾斜的過程中鳥嘴剛好又沾到了水，之后鳥回到豎直狀態后，鳥嘴的水分蒸發，重復前面的運動過程，即飲水鳥上下運動的能量來源于周圍空氣的內能，A正確；B．根據上述分析可知，當水杯中的水干了之后，不能蒸發制冷，不能形成頭部和肚子內空氣的壓強差，小鳥不能再上下運動，即小鳥不能點頭“喝”水，B錯誤；CD．這種玩具飲水鳥仍然遵循能量守恒定律，此現象沒有違背熱力學第一定律，不是一架永動機，CD錯誤。故選A。例題