資源簡介

課題 能量的轉化和守恒
學習目標
1 ． 了解能量及其存在的多種形式。 2 ． 知道能量的轉移和轉化， 能解釋一些常見現象中的能量轉化過程。 3 ． 理解能量守恒定律， 有用能量守恒定律的觀點分析物理現象的意識，體會能量守恒定 律的普適性。
課前學習任務
復習： 1. 改變內能的兩種方式； 2. 熱機的效率。
課上學習任務
【學習任務一】 寫出不同形式的能量在一定條件下相互轉化的實例。
【學習任務二】 1. 知道能量守恒定律的內容： 大量事實表明，能量既不會 ，也不會 ，它只會從一種 形式 為其他形式，或者從一個物體 到其他物體，而在轉化 和轉移的過程中，能量的總量 。 2. 理解能量守恒定律， 學會用能量守恒定律分析物理現象。
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物理史話——各種自然現象之間相互轉化的發現 18 世紀末到 19 世紀前半葉， 自然科學上的一系列重大發現，廣泛地揭示出各種自 然現象之間的普遍聯系和轉化。 古代早已發現的摩擦生熱現象， 直接表明了機械運動向熱的轉化。倫福德和戴維的 實驗進一步證實了這種轉化。 17、18 世紀蒸汽機的發明和改進，為熱向機械運動的轉化 作出了令人信服的證明。 19 世紀中期，蒸汽機得到了進一步的改進，高壓蒸汽機也被制 造出來，其功率達到 3 萬馬力[1 馬力（hp）=745.6999W]以上。無數煙囪的黑煙，宣告 了蒸汽時代的來臨， 為能量守恒定律的誕生創造了條件。在理論方面， 1824 年卡諾關于 熱機效率的研究已經觸及到了“熱功當量”的問題。 關于熱和電之間的轉化， 首先是由德國物理學家塞貝克于 1821 年實現的。他將銅導 線與秘導線連成一個閉合回路， 用手握住一個結點使兩個結點間出現溫差， 發現導線上 出現了電流;用冷卻一個結點的方法可以產生同樣的效應， 這就是“溫差電 ”現象。 1834 年，法國的珀耳帖發現了它的逆效應，即當有電流通過時，結點處可以發生溫度變化。 1840 年和 1842 年， 焦耳和楞次分別發現了電流轉化為熱的著名定律。
古人早已發現的摩擦生電現象， 是機械運動轉化為電的過程。 17 世紀以來，人們根 據這一現象制造了摩擦起電機以獲得大量的電荷。 1821 年，法拉第制成的“ 電磁旋轉 器 ”則是電流產生機械運動的過程。這樣，機械運動和電運動之間的轉化完成了循環。 19 世紀前半葉物理學上最重大的成就之一是電與磁之間的聯系和轉化的發現。1820 年奧斯特關于電流的磁效應的發現和 1831 年法拉第關于電磁感應現象的發現，使電與磁 之間的相互轉化完成了循環。 繼意大利學者伽伐尼關于“動物電 ”的發現之后， 伏打于 1800 年制成了“伏打電 堆 ”，這是化學運動向電的轉化，人們很快就利用伏打電流進行電解， 又實現了電運動 向化學運動的轉化. 拉瓦錫在 18 世紀就已經了解化學反應中的熱現象的重要性，德國化學家李比希通過 對發酵和腐爛過程中熱的來源的進一步探討， 得出了它們可能來自化學變化的結論。 1840 年， 彼得堡科學院的黑斯提出了關于化學反應中釋放熱量的重要定律。這個定律指 出，在一組物質轉變為另一組物質的過程中， 不管反應是通過哪些步驟完成的，釋放的 總熱量是恒定的，這個定律已經接觸到化學反應中的能量守恒定律。 此外關于紫外線的化學作用的發現（1801）， 用光照金屬極板的辦法改變電池的電 動勢的發現（1839），光的偏振面的磁致偏轉現象的發現（1845），都從不同側面揭示 出各種自然現象之間的聯系和轉化。 自然科學上的這類發現， 在哲學上也得到了反映。德國哲學家黑格爾提出了各種自 然現象之間聯系和轉化的思想。謝林進一步斷言， 磁、電、化學、甚至有機現象都會被 編織成一個綜合體系；他還指出，光、電等現象都不過是同一種力的不同形式。這種觀 點，為發現能量守恒定律提供了有利的哲學環境 總之， 到了 19 世紀 40 年代前后，歐洲科學界已經普遍蘊涵著一種思想氣氛，以一 種聯系的觀點去觀察自然現象。正是在這種情況下，以西歐為中心，從事七八種專業的 十多位科學家， 分別通過不同的途徑，各自獨立地發現了能量守恒定律。 物理史話——永動機
人們在長期的生活和生產中認識到， 人類的生存和發展離不開能源。人們是多么渴 望制造一種不需要耗用任何能量而能水遠不停工作的機器——永動機。 (
圖
1
)如圖 1 所示是一種永動機的設計方案：輪子中央有一 個轉動軸， 輪子邊緣安裝著 12 個可活動的短桿， 每個短桿 的一端裝有一個鐵球。方案的設計者認為，右邊的球比左 邊的球離軸遠些，因此， 右邊的球產生的轉動力矩要比左 邊的球產生的轉動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著 箭頭所指的方向轉動下去，并且帶動機器轉動。但期望的 不停息的轉動并未實現。仔細分析一下就會發現， 雖然右 邊每個球產生的力矩大， 但是球的個數少；左邊每個球產 生的力矩雖小、但是球的個數多，于是，輪子不會持續轉動下去而對外做功，只會擺動 幾下便停下來了。 17 世紀至 18 世紀， 永動機最為流行，人們曾提出各種永動機設計方案，有采用 “螺旋汲水器 ”的， 有利用輪子的慣性、水的浮力或毛細作用的， 也有利用同性磁極之 間排斥作用的。 18 世紀末，不少科學家開始懷疑制造永動機的可能性。 1775 年，法國科 學院決議不得受理永動機的設計方案。這些事實， 使人們逐漸悟出一個道理：永動機不 可能實現是由于某一普遍定律的限制，而這條定律至今還未被發現。因此， 它啟示人們 不再為設計永動機而煞費苦心，轉而致力于這一未發現定律的挖掘工作。 17 世紀至 18 世紀， 經典力學中已蘊含著機械能的轉化和守恒的初步思想。倫福德 等人對摩擦生熱的研究， 否定了熱質說， 揭示了機械能與物體內能變化的關系：1800 年 發明了電池，不久又發現了電流的熱效應、磁效應、化學效應及電磁感應等，科學家們 進一步展示出了自然界不同現象相互聯系、相互轉化的圖景。在其他方面， 如生物學發 現了動物的體溫和進行機械活動的能量跟它攝取的食物的化學能有關。這一切，都為能 量守恒定律的發現做了必要的準備。 19 世紀 40 年代，不同國家的十幾位科學家以不同 的方式，各自獨立地提出了能量守恒定律。人們認識到：能量既不會憑空消滅，也不會 憑空產生， 能量有各種不同的形式， 可從一種形式轉化為另一種形式， 從一個物體轉移 到另一個物體。在轉化和轉移的過程中能量的總量保持不變。能量守恒定律使永動機幻 夢被徹底地打破。
在制造上面所說的第一類永動機的一切嘗試失敗之后、 一些人又夢想著制造另一種 永動機（第二類永動機），希望它不違反能量守恒定律， 而且既經濟又方便。比如，這 種熱機可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變為機械能。由于海洋和大氣的能量是 取之不盡的，因而這種熱機可以永不停息地運轉做功，這也是一種永動機。然而，在大 量實踐經驗的基礎上，英國物理學家開爾文于 1851 年提出了一條新的普遍原理：物質不 可能從單一的熱源吸取熱量，使之完全變為有用的功而不產生其他影響。看來永動機只 是人們的美好愿望， 永遠也不可能實現了。

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