能量守恒定律

【教學目標】

1．掌握能量守恒定律，理解這個定律的重要意義。會用能量守恒的觀點分析物理

現象。

2．能綜合運用學過的知識，用能量守恒定律進行有關計算，分析、解決有關問題。

【教學重難點】

能量轉化和守恒定律的理解及綜合應用。

【教學過程】

一、探索能量守恒的足跡

1．不同形式的能

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。

展示各種形式的能量，讓學生描述主要描寫的是什么形式的能。

2．能量之間的轉化

初中我們已經學習了，不同形式的能量之間是可以相互轉化的。

展示圖片，讓學生判斷是哪幾種能量之間的相互轉化。

3．能量守恒觀念的形成

在認識自然的進程中，科學家慢慢知道了要用聯系的觀點去觀察自然。例如，機械

能的各種形式之間可以相互轉化，電和磁可以相互轉化，熱和電也可以相互轉化……

展示關于能量轉化的研究成果，體會探索能量守恒的艱辛。

二、能量守恒定律

在力學中，當系統只有重力和彈力做功時，系統的動能與勢能會發生相互轉化，而

動能與勢能的總量保持不變，這就是機械能守恒定律。

在熱力學領域內，做功和熱傳遞可以改變系統的內能，即系統內能與系統外的能量

會發生轉化或轉移，但能的總量不會改變。熱力學第一定律，實際上就是內能與其他能

量發生轉化時的能量守恒定律。

1．能量守恒定律：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

化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化或轉移過程中，能量的

總量保持不變。

2．能量守恒定律的意義：

（1）能量守恒定律同生物進化論、細胞的發現被恩格斯譽為19世紀的三個最偉大

的科學發現。

（2）能量守恒定律是在無數實驗事實的基礎上建立起來的，是自然科學的普遍規

律之一。

（3）自然界一切已經實現的過程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的

過程都是不可能實現的，例如“永動機”只能以失敗而告終。

（4）機械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。

教師展示小鴨飲水讓學生思考：小鴨為什么可以持續飲水？存在永動機械嗎？

揭秘小鴨飲水：

小鴨頭部的毛氈“飲水”后，水蒸發吸熱，導致頭部溫度降低。上段玻璃管中的乙

醚蒸汽被液化，壓強減小，液柱上升，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，

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。

三、永動機不可能制成

1．永動機：不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功，這種機器叫永動機。

（人們把這種不消耗能量的永動機叫第一類永動機）。

任何動力機械的作用都是把其他形式的能轉化為機械能。內燃機把燃料的化學能轉

化為燃氣的內能然后再轉化為機械能，電動機把電能轉化為機械能……如果沒有燃料、

電流或其他動力的輸入，能量從哪里來呢！永動機的思想違背了能量守恒定律，所以是

不可能制成的。

2．人類對永動機的追求

螺旋永動機：著名科學家達·芬奇早在15世紀就提出過永動機不可能的思想，他

曾設計過一種轉輪。在轉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有可能使轉輪永遠地轉動，但

是經過仔細研究之后，得出了否定的結論。他從許多類似的設計

方案中認識到永動機的嘗試是注定要失敗的。他寫道：“永恒運

動的幻想家們！你們的探索何等徒勞無功！還是去做淘金者吧！”

滾球永動機：17世紀，英國有一個被關在倫敦塔下叫馬爾基

斯的犯人，他做了一臺可以轉動的“永動機”，轉輪直徑達4.3米，

有40個各重23千克的鋼球沿轉輪輻翼外側運動，使力矩加大，

待轉到高處時，鋼球會自動地滾向中心。據說，他曾向英國國王

查理一世表演過這一裝置。國王看了很是高興，就特赦了他。其

實這臺機器是靠慣性來維持短時運動的。

軟臂永動機：19世紀有人設計了一種特殊機構，它的臂可以

彎曲。臂上有槽，小球沿凹槽滾向伸長的臂端，使力矩增大。轉

到另一側，軟臂開始彎曲，向軸心靠攏。設計者認為這樣可以使

機器獲得轉矩。然而，他沒有想到力臂雖然縮短了，阻力卻增大

了，轉輪只能停止在原地。

磁力永動機：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現永動機。A是一個磁石，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，

經曲面BFC返回，復又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連

續運動下去。大概他那時還沒有建立庫侖定律，不知道磁力大小是與距離的平方成反比

變化的，只要認真想一想，其荒謬處就一目了然了。

演示實驗：永動機（加深學生對永動機的認知）

3．第一類永動機

概念：不需要任何動力或燃料，卻能源源不斷地對外做功。

結果：無一例外地歸于失敗。

原因：違背了能量守恒定律。

4．永動機給我們的啟示

人類利用和改造自然時，必須遵循自然規律。

【練習鞏固】

1．判斷

（1）各種能量之間可以轉移或轉化，但總量保持不變。（√）

（2）第一類永動機因違背能量守恒定律，所以不可能制成。（√）

（3）自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，減少的機械能轉化為內能，但總能量守

恒。（√）

2．第一類永動機違反了什么而不能制成（）

A．違反了熱力學第一定律

B．違反了機械能守恒定律

C．違反了能量守恒定律

D．以上說法都不對

答案：C

3．如圖所示容器中，A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活塞下是水，上為空

氣，大氣壓恒定。A、B底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱。原先A

中水面比B中高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡。在這個過程

中，下面說法正確的是（）

A．大氣壓力對水做功，水的內能增加

B．水克服大氣壓力做功，水的內能減少

C．大氣壓力對水不做功，水的內能不變

D．大氣壓力對水不做功，水的內能增加

答案：D

4．重1000kg的氣錘從2.5m高處落下，打在質量為20kg的鐵塊上，要使鐵塊的溫

度升高40℃以上，氣錘至少應落下多少次？（設氣錘撞擊鐵塊時做的功有60%用來升

高鐵塊的溫度，g取10m/s2，鐵的比熱容c＝4.62×102J/（kg?℃））

答案：25次

5．一木箱靜止于水平面上，現在用一個80N的水平推力推動木箱前進10m，木箱

受到的摩擦力為60N，則轉化為木箱與地面系統的內能U和轉化為木箱的動能Ek分別

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．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法中正確的是（）

A．秋千的機械能守恒

B．秋千的能量正在消失

C．只有動能和重力勢能的相互轉化

D．減少的機械能轉化為內能，但總能量守恒

答案：D

7．“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為它（）

A．不符合熱力學第一定律

B．做功產生的熱量太少

C．由于有摩擦、熱損失等因素的存在

D．找不到合適的材料和合理的設計方案

答案：A

8．行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停