第五章 资源能源及其利用.docx

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第五章资源能源及其利用

第五章资源、能源及其利用

教学题目：

能量及其转化

教学时间安排：

4课时

教学目的、要求：

1.机械能、内能、电能的转化及计算

2.能量守恒定律

教学重点：

1.能量守恒定律

2.热力学第一定律

教学难点：

1.能量守恒定律

2.热力学第一定律

教学方法及其手段：

讲授

教学内容及过程：

能量及其转化

一、机械能及其转化

（一）动能和势能的相互转化

动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。

不同形式的机械能之间可以相互转化。

（二）机械能守恒定律（画图）

一个质量为m的物体在最高点A上的总机械能为：

下落d距离后，在B点上的总机械能为：

落在地面C点上的总机械能为：

由此可见，物体在自由下落过程中，它的势能不断转化为动能，但是在任何时刻，它的动能与势能之和不变，也就是说它的总机械能保持不变。

即：

在只有重力和弹力做功的情况下，任何物体在势能和动能相互转化的过程中，总机械能保持不变。

这个结论，称为机械能守恒定律，他是力学中的一条重要规律。

但是在这里我们要注意，在讨论机械能守恒定律时，只有在重力或弹力对物体做功而其它力不做功的条件下，机械能守恒定律才能成立。

对一个物体系统来说如果有摩擦力或外力对它做功，此物体系统的机械能就不守恒。

但是，如果摩擦力或外力对系统不做功，那么，系统的动能和势能不仅可以相互转换，而且他们的总和是守恒的。

二、内能及其转化

（一）内能：

包括分子动能和势能

物体分子做无规则运动的动能，称为分子动能。

一般所谈到的分子动能是物体内所有分子的动能的平均值。

温度是物体分子平均动能的标志：

温度越高，分子的平均动能就越大。

由于分子间相对位置所决定的势能，称为分子势能，而分子间的相对位置是由分子间相互作用力所决定，因此分子势能其实是由于分子间的相互作用力引起的相对位置的变化产生的。

分子间的相互作用比较复杂：

当分子间的距离等于r0时，分子间的作用力达到平衡状态；分子间的距离大于r0时，它们的相互作用力呈引力，分子势能随分子间距离的增大而增大；分子间的距离小于r0时，它们的相互作用力呈斥力，分子势能随分子间距离的增大而减小。

一个物体，他的体积改变时，分子间的距离也随之改变，因而分子势能也随之改变。

所以，分子势能跟物体的体积有关系。

由此可见，物体的内能与物体的温度和体积有关。

（二）物体内能的变化

任何物体都具有内能，这是物体固有的属性，但是也可以通过改变外界的条件来改变物体的内能。

做功可以改变物体的内能，例如，钻头钻孔时做了功，钻头和工件都变热，内能都增加；活塞压缩空气做功，空气温度上升，空气内能增大；电流通过电阻丝时，电流做了功，电阻丝发热，内能增大。

这些都说明做功可以改变物体的内能。

热传递也可以改变物体的内能。

例如，灼热的火炉可以使它上面和它周围的物体温度升高，内能增多；火炉熄灭后，这些物体温度降低，内能减少。

热可以通过传递、对流、辐射等传递方式，使物体的内能改变。

综上所述，能够改变物体内能的物理过程有两种：

做功和热传递。

当物体的内能增多时，表明他从别的物体得到了某一数量的能；当物体的内能减小时，表明他把自己的一部分内能传给了其他的物体。

物体内能的改变，如果是由于做功的原因，就可以用做功的大小来量度；如果是由于热传递的原因，就可以用热量的交换来量度。

（三）热力学第一定律

1.先介绍温度计的发明、温标的建立（参考书185~186页）

2.介绍热的本质的争论（参考书187~188页）

3.介绍热力学第一定律的建立（参考书189页~191页永动机先不讲）

在热力学中，一般把研究的宏观物体称为热力学系统，简称系统。

对系统做功或对系统传递热量，都能使系统的内能增加；反之，系统对外界做功或向外界传递热量，系统的内能则减少。

如果系统在开始时的内能为E1，变化后的内能为E2，即内能的改变为E2-E1。

在此过程中，系统由外界吸收的热量Q，它对外做的功为W，根据能量守恒与转换定律，系统吸收的热量，一部分是系统的内能增加，另一部分是系统对外做功，则有：

Q=（E2-E1）+W

这就是热力学第一定律的数学表达式。

显然，热力学第一定律就是包括热现象在内的能量守恒与转换定律。

由热力学第一定律可知，要使系统对外做功，必然要消耗系统的内能或由外界吸收热量。

4.补充永动机的不可实现（参考书191页）、

第二类永动机的不可实现（参考书193页）

（四）功率及代谢率

我们把物体在单位时间内所做的功称为功率，如果以W表示时间t内所做的功，以P表示功率，则：

P=W/t。

在国际单位制中，功率的单位是焦耳每秒（J/S）或者是瓦特（W）。

对于动物，能量消耗率称为代谢率，如果代谢率用符号N表示，则有：

N=W/t，单位与功率相同。

三、电能及其转化

（一）电功、电功率

电流在流经负载时要做功。

电流通过负载时，可以看做是正电荷q在电场力的作用下，从电势较高的一端移向电势较低的一端。

此时，电场力所做的功为：

W=q（UA-UB）=qU。

这个功叫电流的功，简称电功，用W表示。

又因为q=It，则可得：

W=UIt，从该式可以看出，电流在一段电路上所做的功，跟这段电路两端的电压、电路中的电流强度和通电时间成正比。

电流所做的功跟完成这些功所用的时间的比值称为电功率，用P表示，那么：

P=W/t=UI，由此可见，一段电路上的电功率，跟这段电路两端的电压和电路中的电流强度成正比。

我们在日常生活中会发现，在家用电器上都有生产商标定的额定功率和额定电压。

给用电器加上额定电压，用电器正常工作时的功率就是额定功率。

如果用电器的功率超过额定功率时，就有被烧坏的危险；如果功率小于额定功率时，就不能正常工作。

（二）电流的热效应

当电流通过金属导体时，自由电子不断地和金属正离子发生碰撞，是金属正离子的热振动加剧，导体内能增大，温度上升，电能转化为物体的内能，这个现象称为电流的热效应。

物理学家焦耳和楞次，分别通过实验研究了这个问题并得出以下结论：

电流通过导体产生的热量，跟电流强度的平方、导体的电阻和通过的时间成正比，这就是焦耳定律。

焦耳定律用公式表达：

Q=I2Rt

电流的热效应在生产和生活中有许多实际应用。

电灯、电烙铁、热水器等都是利用电流的热效应制作的。

但是，电流的热效应在有些地方是有害的。

例如，电流通过输电导线、电动机的线圈、电视机中的零件事都要产生热，这不仅白白消耗电能，而且如果产生的热量是温度升高过多，还会使它们损害，因此实际中要注意散热。

（三）电流的磁效应

1820年丹麦科学家奥斯特首先通过实验，揭示了电和磁的密切联系。

当电流通过导线时，在导线周围可以产生跟磁铁相同的作用，这种现象称为电流的磁效应。

1.电磁铁

·电磁铁的历史

1822年，法国物理学家阿拉戈和吕萨克发现，当电流通过其中有铁块的绕线时，它能使绕线中的铁块磁化。

这实际上是电磁铁原理的最初发现。

1823年，斯特金也做了一次类似的实验：

他在一根并非是磁铁棒的Ｕ型铁棒上绕了18圈铜裸线，当铜线与电池接通时，绕在Ｕ型铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场，这样就使Ｕ型铁棒变成了一块“电磁铁”。

这种电磁铁上的磁能要比永磁能放大多倍，它能吸起比它重20倍的铁块，而当电源切断后，U型铁棒就什么铁块也吸不住，重新成为一根普通的铁棒。

斯特金的电磁铁发明，使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景，这一发明很快在英国、美国以及西欧一些沿海国家传播开来。

1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，绝缘导线代替裸铜导线，由于导线有了绝缘层，就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起，由于线圈越密集，产生的磁场就越强，这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。

到了1813年，亨利试制出了一块更新的电磁铁，虽然它的体积并不大，但它能吸起1吨重的铁块。

·电磁铁

由此可见电磁铁就是利用电流的磁效应使铁芯磁化而产生磁力

的装置。

通常由线圈、铁芯和衔铁三部分组成，线圈通电时铁芯和衔铁都被磁化。

简单而言我们把内部带有铁芯的线圈叫做磁铁。

通常制成条形或蹄形。

铁芯要用容易磁化，又容易消失磁性的软铁或硅钢来制做。

这样的电磁铁在通电时有磁性，断电后就随之消失。

·电磁铁的磁性为什么会增强

当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。

磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。

为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成蹄形。

但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。

如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使铁芯不显磁性。

另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。

否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。

·电磁铁的分类

电磁铁可以分为直流电磁铁和交流电磁铁两大类型。

如果按照用途来划分电磁铁，主要可分成以下五种：

（1）牵引电磁铁──主要用来牵引机械装置、开启或关闭各种阀门，以执行自动控制任务；

（2）起重电磁铁──用作起重装置来吊运钢锭、钢材、铁砂等铁磁性材料；

（3）制动电磁铁──主要用于对电动机进行制动以达到准确停车的目的；

（4）自动电器的电磁系统──如电磁继电器和接触器的电磁系统、自动开关的电磁脱扣器及操作电磁铁等；

（5）其他用途的电磁铁──如磨床的电磁吸盘以及电磁振动器等。

2.超导磁悬浮列车

超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。

利用超导材料的这种特性，在线圈中通过电流时，可以产生强大的磁场，使列车悬浮在轨道上面。

超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下具有完全导电性和完全抗磁性。

车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。

四、能的转化和守恒定律

我们知道，每种运动形式都有一种对应的能，如电能、磁能、化学能、原子能等等。

目前，地球上利用的主要能源，除原子核能以外，都来自太阳。

太阳以光的形式供给能量，植物借助光合作用使之转换为内部的化学能。

自然界的整个食物链就是基于这种过程，所以一切动物都是靠吃植物或吃其他食草动物来取得能量。

水电站建造拦水坝可利用水的机械能，而这些水也是靠太阳能自海洋蒸发，以雨水的形式将下来。

即使是矿物燃料，如煤、石油、天然气，也都是间接地从太阳上取得能量而形成的，即太阳能生成了史前森林，史前森林有形成了这些燃料。

由于每种形式的能都是跟物质的某种形式的运动相对应。

因此，能的相互转化表明了物质的运动不断地由一种形式转化为另一种形式。

实际上，任何一种形式的能转化为其他形式的能时，能量都是守恒的。

人类在长期的生产实践和科学研究中，最终认识到，在任何物理、化学过程中，一种形式的能量增加，必有等量的其他形式的能量减少，从而总结、概括出普遍的能量转换和守恒定律：

能量即不会消失，也不会凭空产生，他只能从一种形式转换为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。

能量守恒定律是自然界的基本规律。

任何自然现象都遵守这个规律。

板书设计

能量及其转化

一、机械能及其转化

（一）动能和势能的相互转化

（二）机械能守恒定律（画图）

在A点上：

在B点上：

在C点上：

总机械能保持不变，即：

二、内能及其转化

（一）内能：

包括分子动能和势能

物体的内能与物体的温度和体积有关

（二）物体内能的变化

改变物体内能：

做功和热传递

（三）热力学第一定律Q=（E2-E1）+W

（四）功率及代谢率功率：

P=W/t代谢率：

N=W/t单位：

J/SW

三、电能及其转化

（一）电功、电功率

电功：

W=qU=UIt

电功率：

P=W/t=UI

（二）电流的热效应：

Q=I2Rt

（三）电流的磁效应

1.电磁铁

2.超导磁悬浮列车

四、能的转化和守恒定律

总结

一、热力学第一定律

在热力学中，我们把研究的宏观物体称为系统，如果对系统做功或传递热量，系统内能增加；系统对外做功或对外传递热量，内能减少。

如果系统由外界吸收了热量，使内能发生了改变并且对外做了功，根据能量守恒与转换定律得知Q=（E2-E1）+W，这就是热力学第一定律的数学表达式。

从这个公式可以看出，热力学定律是包括热现象在内的能量守恒与转换定律。

要使系统对外做功，必然要消耗系统的内能或由外界吸收热量。

二、能的转换及守恒定律

1.每一种运动形式对应着一种能，物体不同形式的运动，都会产生不同形式的能。

2.各种形式的能可以相互转化，但能量是守恒的。

3.转化过程中，一种形式能量的增加，必有等量的其他形式的能减少，能量既不会消失，也不会凭空产生。