10 能量守恒定律与能源

学习目标： 1.了解各种不同形式的能，知道能量是一个重 要的物理量。 2.知道确立能量守恒定律的两类重要事实。 3.理解能量守恒定律的内容，认识建立能量守 恒定律的重大意义。 4.了解能量耗散，了解自然界宏观过程中能量 守恒及能量转化和转移的方向性，认识提高能 量利用效率的重要性。 5.知道能源短缺和环境恶化是关系到人类社会 能否持续发展的大问题。

一、能量： 1、能量的概念 一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量。 2、能量的多样性 　　对应于不同的运动形式，能的形式也是多种多的 ． 　如：机械能、内能、电能、太阳能、化学能、原子能等．

太阳能热电站 3、不同形式的能可以相互转化 太阳能 内能 机械能 电能 电站有一个高塔，塔顶上装有锅炉，塔的周围装有平面反射镜，它把阳光反射后集中在锅炉上，把锅炉内的工作物质水加热成高温高压蒸汽。高温高压蒸汽通过管道输送到汽轮发电机。 太阳能 内能 机械能 电能

3、不同形式的能可以相互转化 光合作用 光能 化学能

3、不同形式的能可以相互转化 发电机 机械能 电能 电动机 电能 机械能

3、不同形式的能可以相互转化 电能 光能 、内能 化学能 内能 、机械能

3、不同形式的能可以相互转化 水能（动能、重力势能） 电能 水果电池 化学能 电能

不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的。 4、功是能量转化的量度 不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的。 重力做功：重力势能和其他能相互转化 弹力做功：弹性势能和其他能相互转化 合外力做功：动能和其他能相互转化 除重力、弹力之外的力做功：机械能和其他能相互转化

在一定条件下，系统内的动能和势能相互转化，但其和保持不变，即服从机械能守恒定律。 思考与讨论： 在一定条件下，系统内的动能和势能相互转化，但其和保持不变，即服从机械能守恒定律。 当其它形式的能量如电能、内能、化学能、光能等参与转化时，是否服从类似的规律呢？ 永动机： 一种不消耗能量，却能不断对外做功的机器 蒸汽机消耗煤炭，内燃机消耗汽油或柴油，电动机消耗电力，有没有一种机器，它不消耗任何燃料或动力，却可以不停地运转，且源源不断的对外做功呢？这种机器被称为永动机。

阅读材料——历史上的永动机 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。他的设计如图所示，A是一个磁石，铁球C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。 磁力永动机   

阅读材料——历史上的永动机 据说，13世纪有一个法国人叫奥恩库尔的，他在一个轮子的边缘上等间隔地安装了12根可活动的锤杆。 他设想一旦轮子被启动,由于轮子右边的各个重锤距轮轴更远些,就会驱动轮子按箭头方向永不停息地转动下去。 奥恩库尔的永动机模型 仔细分析一下就会发现，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，只有四个，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数却有八个之多。于是轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在图中所画的位置上。

阅读材料——历史上的永动机 滚珠永动机     滚珠永动机是利用格板的特殊形状，使一边重球滚到比另一边的距离轮心远些的地方。设计者本以为在两边重球的作用下会使轮子失去平衡而转动不息，但试验的结果却是否定的。

这以后人们想出了几百种的“永动机”，各式各样，但没有一架真正转动过。 阅读材料——历史上的永动机 这以后人们想出了几百种的“永动机”，各式各样，但没有一架真正转动过。 这儿是另外一种想象的“永动机”：一只圆轮，里面装着可以自由滚动的沉重的钢球。这位发明家的想法是，轮子一边的钢球总比另外一边的离轮心远，因此，在它们的重力作用之下，一定会使轮子旋转不息。当然，他的想法是不会实现的，原因和上一个例子一样。

阅读材料——历史上的永动机 软臂永动机 软臂永动机的臂可以弯曲。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，力却增大了，转轮只能停止在原地 。

阅读材料——历史上的永动机 阿基米德螺旋永动机 把水从蓄水池里汲到上面的水槽里，让它冲击水轮使之转动，轮子在带动水磨的同时，又通过一组齿轮带动螺旋汲水器把水重新提到水槽里去。这样，整台机械就可以永不停息地运转下去。这样的设计当然也必然以失败告终。因为即使没有摩擦力，从水槽中流下的水的冲力,也不足以既带动水磨工作,又带动汲水器把全部流下的水重新汲回到原来的高度。

阅读材料——历史上的永动机 上世纪20年代德国的一张明信片,拿爱因斯坦开玩笑，想想看这个永动机为什么不行？

阅读材料——历史上的永动机 一直到19世纪中叶，能量守恒和转化定律被发现，人们认识到：自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，可以从一种形式转化成另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量总和保持不变。这一自然界的基本定律宣告了永动机幻梦的破灭。 即便如此，一直到如今仍然有很多人迷恋在“永动机”的创造之中，甚至不惜为之倾家荡产。

历史上有很多人不相信能量守恒定律的人，挖空心思想发明一种不消耗能量，却能不断对外做功的机器——永动机 17～18世纪许多机械专家就已经论证了永动机是不可能的 法国科学院在1775年就正式决定，不再研究和试验任何永动机 永动不可能制成的原因 ： 根据能量守恒定律，任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能制成的.

二、能量守恒定律： 1、导致能量守恒定律最后确立的两类重要事实是什么? 2、能量守恒定律 导致能量守恒定律最后确立的两类重要事实是确立了永动机的不可能性和发现了各种自然现象之间的相互联系与转化． 2、能量守恒定律 ⑴、内容： 　 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． ⑵、定律的表达式： E初＝E终 ；△E增＝△E减

（3）、能量守恒定律的理解： 某种形式的能减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等．某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。 （4）、能量守恒定律的意义： 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。 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。 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。 机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。

课堂练习： 1、指出下列现象中能量的转化或转移情况： （1）人在跑步时，身体发热（ ） 化学能转化为内能 （2）风吹动帆船前进（ ） （1）人在跑步时，身体发热（　　　　　　　　　） （2）风吹动帆船前进（　　　　　　　　　　　　） （3）放在火炉旁的冷水变热（　　　　　　　　　） （4）电流通过灯泡，灯泡发光（　　　　　　　　） （5）植物进行光合作用（　　　　　　　　　　　） 化学能转化为内能 风的机械能转移到帆船上 内能由火炉转移给水 电能转化为光能 光能转化为化学能

课堂练习： 2、下列对能的转化和守恒定律的认识正确的是 ( ) A.某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B.某个物体的能量减少．必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的 D.石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了 ABC 注意： 能量守恒定律是指能量的总量不变，但更重要的是指转化和转移过程中的守恒。在不同形式的能量间发生转化，在不同的物体间发生转移。

三、能量耗散： 思考与讨论： 既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源？ 1、概念：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会再次自动聚集起来供人类重新利用，电池中的化学能转化为电能，它又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物质吸收后变为周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用． 能量释放出去，它就不会自动聚集起来供人类重新利用。这种现象叫做能量的耗散． 燃料的化学能一部分转化为食物的内能，最终都转化为周围环境的内能。

2、能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解? 能量耗散和能量守恒并不矛盾，能量耗散表明，在能源利用的过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并没有减少．但是可利用的品质上降低了，从便于利用变为不便于利用了。这是节约能源的根本原因． 这说明能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性．

3、能量转化和转移的方向性 内能总是自发地从高温物体向低温物体转移 而不会自发的由低温物体向高温物体转移 机械能可以全部转化为内能 而内能不可全部转化为机械能而不引起其他变化 热机的效率不可能1000/0（第二类永动机不可能存在）

正是因为能量转化的方向性，能量的利用受这种方向性的制约，所以能量的利用是有条件的，也是有代价的． 3、能量转化和转移的方向性 例如：一辆行驶的小轿车，燃料燃烧产生的内能有370/0通过发动机散热系统排出，370/0直接由排气管排出，有260/0变为发动机输出的机械能 通过以上分析我们知道了： 能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性。 正是因为能量转化的方向性，能量的利用受这种方向性的制约，所以能量的利用是有条件的，也是有代价的．

在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上却降低了，从便于利用变成不便于利用的了。 这是能源危机更深层次的含义，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因。

课堂练习： ABCD 3.下列说法中正确的是（ ） A.不同形式能量的转化是通过做功来实现的 B.做功的过程总是伴随着能量的转化（或转移） 3.下列说法中正确的是（ ） A.不同形式能量的转化是通过做功来实现的 B.做功的过程总是伴随着能量的转化（或转移） C.某种形式的能量增加10J，一定有其他形式的能量减少10J D.某个物体的能量减少10J，一定有其他物体的能量增加10J ABCD

课堂练习： A 4 .在一间隔热很好的密闭房间中，把正在工作的电冰箱门打开，室内空气温度将 ( ) A．升高． B．不变． C．降低 4 .在一间隔热很好的密闭房间中，把正在工作的电冰箱门打开，室内空气温度将 ( ) A．升高． B．不变． C．降低 D．不可能升高． A

课堂练习： D 5 .一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法正确的是（ ） A、物体机械能不变，内能也不变 B、物体机械能减小，内能不变 5 .一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法正确的是（　　）   A、物体机械能不变，内能也不变   B、物体机械能减小，内能不变   C、物体机械能减小，内能增大，机械能与内能总量减小   D、物体机械能减小，内能增大，机械能与内能总量不变 D

课堂练习： D A B C 6 .一质量均匀、不可伸长的绳索，重为G，A、B两端固定在天花板上，如图所示。现在最低点C处施加一竖直向下的力，将最低点缓慢拉至D点。在此过程中，绳的重心位置（ ） A. 逐渐升高 B. 逐渐降低 C. 先降低后升高 D. 始终不变 A 点评： 本题绳索重心的具体位置很难确定，且往往会错误地认为：外力将绳索向下拉，绳索的重心会逐渐降低。这里，我们应用功能原理，对问题作出了正确的判断。 解析 外力对绳索做功，绳索的机械能增加。由于绳索的动能不变，增加的必是重力势能，重力势能增加是重心升高的结果。正确选项为A。

探究：摩擦力做功与能量变化的关系 如图所示，质量为m的木块以速度v0滑上静止的质量为M的木板，水平面光滑，木板长为L，当木块运动到木板的另一端时，它们的速度分别是v1、v2，木板的位移为x，求： （1）摩擦力对m、M做的功； （2）摩擦力对m、M系统做的功； （3）摩擦产生的热量。

[解析]　 (1)对m由动能定理得: 对M由动能定理得: (2)这对摩擦力对m、M系统做的总功为: (3)系统的机械能减少了，由于木块与木板间的摩擦生热使系统的内能增加了，故由能量的转化与守恒定律知系统减少的机械能转化为内能的量(摩擦生热)为:

功能关系小结： 功和能的关系在力学领域主要有哪几种表现形式？ 在力学领域中的五大功能关系： （1）重力做功等于重力势能变化量的负值，即 弹簧弹力做的功等于弹性势能变化量的负值，即 （2）外力做的总功等于物体的动能变化（动能定理）， 即 （3）只有重力或弹力做功的系统，系统机械能守恒（机械能守恒定律），即 （4）除重力和弹力以外的其它力做的总功，等于系统机械能的变化量（功能原理），即 （5）一对滑动摩擦力对系统做的总功等于系统内能的增加，即

四、能源的开发和利用： 能源的分类： 能源：凡是能够提供可利用能量的物质统称为能源 能源可分为常规能源和新能源两类 常规能源：煤、石油和天然气等

新能源 太阳能

新能源 风能 新疆达坂 风力发电厂

新能源 水能 三峡水电站

新能源 核能 深圳大亚湾核电站