大学物理课件：能量与能量守恒

大学物理课件能量与能量守恒欢迎来到大学物理课件，今天我们将深入探讨能量与能量守恒这一核心概念能量是物理学中最重要的概念之一，它描述了物体做功或产生热的能力能量守恒定律是自然界最基本的定律之一，它指出在一个封闭系统中，能量的总量保持不变本课件将详细介绍能量的各种形式、单位、转化以及能量守恒定律的来源和应用，并结合实例进行分析，帮助大家理解和掌握这一重要的物理概念什么是能量？能量的定义能量的重要性能量是描述物体做功或产生热的能力的物理量它不是一能量是推动自然界运动和变化的根本原因从微观的原子种物质，而是一种属性，是物体状态的体现能量可以以运动到宏观的星体运行，都离不开能量的参与人类的生多种形式存在，如机械能、热能、电能、光能、化学能和产和生活也高度依赖能量，如电力、燃料等因此，理解核能等不同的能量形式之间可以相互转化，但在转化过能量的概念和性质对于认识自然、改造自然具有重要意义程中，能量的总量保持不变能量的形式机械能1机械能是与物体的机械运动相关的能量，包括动能和势能动能是物体由于运动而具有的能量，势能是物体由于位置或状态而具有的能量热能2热能是物体内部分子无规则运动的能量，也称为内能热能的大小与物体的温度和质量有关电能3电能是电荷运动所产生的能量，广泛应用于现代社会，是主要的能源形式之一光能4光能是电磁波所携带的能量，是太阳辐射的主要形式光能可以转化为其他形式的能量，如电能、化学能等机械能动能势能动能是物体由于运动而具有势能是物体由于位置或状态的能量动能的大小与物体而具有的能量，包括重力势的质量和速度有关，质量越能和弹性势能重力势能是大、速度越快，动能越大物体由于高度而具有的能量，弹性势能是物体由于形变而具有的能量机械能守恒在只有重力或弹力做功的情况下，物体的动能和势能可以相互转化，但机械能的总量保持不变，这就是机械能守恒定律动能速度质量运动速度是影响动能的重质量是另一个影响动动能是物体运动状态要因素速度越快，能的重要因素质量的体现只有当物体物体所具有的动能越越大，物体所具有的处于运动状态时，才大，对外界所做的功动能越大，惯性也越会具有动能静止的也越多大物体动能为零势能弹性势能2物体由于形变而具有的能量形变量越重力势能大，弹性势能越大1物体由于高度而具有的能量高度越高，重力势能越大电势能电荷在电场中所具有的能量电势越高，电势能越大3热能分子运动1热能是物体内部分子无规则运动的能量分子运动越剧烈，热能越大温度2温度是衡量物体冷热程度的物理量温度越高，物体内部的热能越大热传递3热能可以通过热传递的方式从高温物体传递到低温物体热传递的方式包括热传导、热对流和热辐射电能电荷运动电能是电荷运动所产生的能量电荷的定向移动形成电流，电流可以做功电压电压是衡量电场力做功能力的物理量电压越高，电场力做功能力越强，电能越大电流电流是单位时间内通过导体横截面的电荷量电流越大，单位时间内所消耗的电能越多光能电磁波光能是电磁波所携带的能量不同频率的电磁波携带的能量不同光子光子是电磁波的能量量子每个光子都携带一定的能量，能量的大小与光子的频率有关光强光强是单位时间内通过单位面积的光能光强越大，单位时间内所传递的能量越多化学能化学反应化学反应是化学键断裂和形成的过2程化学反应可以释放能量（放热化学键反应）或吸收能量（吸热反应）1化学能是储存在化学键中的能量化学键的断裂和形成会释放或吸收燃料能量燃料是蕴含化学能的物质燃料燃3烧时，化学能转化为热能，可以用来做功核能核反应堆核反应堆是利用核裂变反应释放能量的装置核反应堆可以用来发电或生产1其他放射性元素核裂变2核裂变是重核分裂成两个或多个较轻核的过程，释放出巨大的能量核聚变3核聚变是轻核结合成较重核的过程，也释放出巨大的能量太阳的能量就是来自核聚变反应能量的单位单位名称符号定义焦耳J国际单位制中的能量单位，表示1牛顿的力作用在物体上，使物体沿着力的方向移动1米所做的功卡路里cal使1克水温度升高1摄氏度所需要的能量千瓦时kWh电能的常用单位，表示1千瓦的功率工作1小时所消耗的能量电子伏特eV微观粒子能量的常用单位，表示1个电子在1伏特的电场中加速所获得的能量能量的转化转化方式转化过程能量可以从一种形式转化为另一种形式例如，化学能可能量的转化需要一定的条件和装置例如，化学能转化为以转化为热能，热能可以转化为机械能，机械能可以转化热能需要燃料燃烧，热能转化为机械能需要热机，机械能为电能，等等能量的转化是自然界普遍存在的现象转化为电能需要发电机，等等在能量的转化过程中，能量的总量保持不变，但能量的品质可能会降低能量守恒定律定律内容普遍性12能量守恒定律指出，在一个封能量守恒定律是自然界最基本闭系统中，能量的总量保持不的定律之一，适用于所有物理变能量既不会凭空产生，也过程，包括机械运动、热现象不会凭空消失，它只能从一种、电磁现象、化学反应和核反形式转化为另一种形式，或者应等从一个物体转移到另一个物体重要性3能量守恒定律是研究物理问题的重要工具，可以用来判断物理过程的可行性，分析物理现象的原因，以及预测物理结果能量守恒定律也对人类的能源利用和环境保护具有重要指导意义能量守恒定律的来源实验验证理论推导能量守恒定律是经过大量实能量守恒定律也可以从一些验验证的从简单的机械运基本的物理理论推导出来，动到复杂的核反应，所有的如牛顿定律、热力学定律、实验结果都表明，能量的总电磁学定律等这些理论都量是守恒的蕴含着能量守恒的思想哲学意义能量守恒定律也具有一定的哲学意义，它体现了物质的永恒性和运动的规律性能量守恒定律也启示我们，要珍惜能量，合理利用能量，保护环境能量转化的例子水力发电太阳能发电风力发电水力发电是将水的重太阳能发电是将太阳风力发电是将风的动力势能转化为动能，的光能转化为电能的能转化为电能的过程再将动能转化为电能过程的过程动能和势能势能定义物体因位置或状态而具有的能量势能2包括重力势能和弹性势能动能定义物体因运动而具有的能量动能的1大小与物体的质量和速度有关转化关系3动能和势能可以相互转化例如，物体从高处落下时，重力势能转化为动能动能公式公式动能的计算公式为E=1/2*m*v^2，其中E表示动能，m表示质量，v表示速度质量影响质量越大，物体所具有的动能越大在速度相同的情况下，质量加倍，动能也加倍速度影响速度越大，物体所具有的动能越大在质量相同的情况下，速度加倍，动能变为原来的四倍势能公式重力势能重力势能的计算公式为E=m*g*h，其中E表示重力势能，m表示质量，g表示重力加速度，h表示高度弹性势能弹性势能的计算公式为E=1/2*k*x^2，其中E表示弹性势能，k表示弹性系数，x表示形变量电势能电势能的计算公式为E=q*V，其中E表示电势能，q表示电荷量，V表示电势动能和势能的相互转化单摆运动单摆运动时，动能和势能相互转化2，能量在两种形式之间周期性地转自由落体移1物体自由下落时，重力势能转化为动能，速度越来越快弹簧振子弹簧振子运动时，动能和弹性势能3相互转化，能量在两种形式之间周期性地转移动能和势能的总和机械能动能和势能的总和称为机械能在只有重力或弹力做功的情况下，机械能守1恒能量守恒2在有摩擦力或其他阻力存在的情况下，机械能会转化为内能，机械能不再守恒实际应用3能量守恒定律是解决力学问题的重要工具，可以用来分析物体的运动状态和能量变化力学能守恒条件内容只有重力或弹力做功物体的动能和势能相互转化，但机械能的总量保持不变有摩擦力或其他阻力机械能会转化为内能，机械能的总量减少，内能增加应用可以用来分析物体的运动状态和能量变化，如自由落体、单摆运动、弹簧振子等动量和能量的关系动量能量动量是物体质量和速度的乘积，表示物体运动的惯性动能量是描述物体做功或产生热的能力的物理量能量守恒量守恒定律指出，在一个封闭系统中，动量的总量保持不定律指出，在一个封闭系统中，能量的总量保持不变变功的概念定义要素12功是力作用在物体上，使做功的两个必要要素是物体在力的方向上发生位作用在物体上的力，物体移的物理量功是能量转在力的方向上发生的位移化的量度只有同时满足这两个要素，力才对物体做了功正负3功有正负之分力与位移方向相同时，力做正功；力与位移方向相反时，力做负功力做正功，能量增加；力做负功，能量减少功的单位焦耳尔格功的国际单位制单位是焦耳功的厘米克秒制单位是尔格（J），表示1牛顿的力作用（erg），表示1达因的力作在物体上，使物体沿着力的用在物体上，使物体沿着力方向移动1米所做的功的方向移动1厘米所做的功关系1焦耳=10^7尔格焦耳是常用的功的单位，尔格主要用于理论研究功与能量的关系动能定理势能变化能量转化合外力所做的功等于重力或弹力所做的功功是能量转化的量度物体动能的改变W等于势能的改变W做功的过程就是能=ΔEk=Ek2-Ek1=-ΔEp=Ep1-量转化的过程力做Ep2正功，能量增加；力做负功，能量减少热机和热量热量定义热量是物体之间由于温度差而传递的能热机定义2量热量传递的方向是从高温物体传递到低温物体热机是将内能转化为机械能的装置1热机通过循环过程，不断地将热能转化为机械能，对外做功热力学3热机和热量是热力学研究的重要内容热力学研究热现象的规律，以及能量的转化和传递热机的定义能量转化热机是将内能转化为机械能的装置热机通过燃烧燃料或其他方式，产生高温气体，然后利用高温气体推动活塞或涡轮，对外做功循环过程热机通过循环过程，不断地将热能转化为机械能，对外做功循环过程包括吸热、做功、放热和压缩等步骤类型热机的类型包括蒸汽机、内燃机、燃气轮机和喷气发动机等不同类型的热机有不同的工作原理和特点热机的效率定义热机的效率是指热机输出的机械功与输入的热量的比值效率越高，热机的能量利用率越高影响因素热机的效率受到多种因素的影响，包括工作温度、摩擦阻力、散热损失等提高工作温度可以提高热机的效率，减少摩擦阻力和散热损失也可以提高热机的效率提高效率提高热机效率是热机研究的重要目标采用新的材料、新的结构和新的工艺，可以有效地提高热机的效率热力学第一定律能量守恒热力学第一定律是能量守恒定律在2热力学中的具体体现它说明内能定律内容、功和热量之间可以相互转化，但能量的总量保持不变热力学第一定律指出，内能的改变1等于外界对系统所做的功加上系统重要意义从外界吸收的热量ΔU=W+Q热力学第一定律是热力学研究的重要基础，可以用来分析热力学过程3的能量变化，解决实际的热力学问题热力学第二定律定律内容热力学第二定律指出，不可能把热从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化热力学第二定律也指出，不可能从单一热源吸收热量使之完全变为有用的功而不引起其他变1化不可逆性2热力学第二定律说明，自然界中的热力学过程是不可逆的热量只能自发地从高温物体传递到低温物体，而不能自发地从低温物体传递到高温物体熵增热力学第二定律也可以用熵增原理来描述熵是衡量系统混乱程3度的物理量在一个封闭系统中，熵总是增加的，直到达到最大值热力学过程过程名称特点等温过程温度保持不变ΔT=0等压过程压强保持不变ΔP=0等容过程体积保持不变ΔV=0绝热过程系统与外界没有热量交换Q=0热机的例子蒸汽机内燃机燃气轮机蒸汽机是将燃料燃烧产生的热能转化内燃机是将燃料在气缸内燃烧产生的燃气轮机是将燃料燃烧产生的热能转为蒸汽的内能，再利用蒸汽推动活塞热能直接转化为机械能的装置内燃化为高温高压燃气的内能，再利用高做功的装置蒸汽机曾是工业革命的机具有体积小、重量轻、效率高等优温高压燃气推动涡轮做功的装置燃主要动力点，广泛应用于汽车、轮船和飞机等气轮机具有结构简单、启动迅速、功率大等优点，广泛应用于发电和航空等领域电磁能量电场磁场12电场是电荷周围存在的特磁场是磁体或运动电荷周殊物质，对放入其中的电围存在的特殊物质，对放荷产生力的作用电场具入其中的磁体或运动电荷有能量，称为电场能产生力的作用磁场具有能量，称为磁场能电磁波3电磁波是电场和磁场相互耦合，以波的形式传播的能量电磁波具有能量，称为电磁波能量电能的形式静电能动电能静止电荷所具有的能量静运动电荷所具有的能量动电能的大小与电荷的电量和电能的大小与电荷的电量和电势有关速度有关电磁能电磁场中所具有的能量电磁能的大小与电场强度和磁场强度有关电能的单位伏特安培瓦特伏特（V）是电压的安培（A）是电流的瓦特（W）是电功率单位，表示电场力做单位，表示单位时间的单位，表示单位时功的能力1伏特表内通过导体横截面的间内所消耗或产生的示1焦耳的能量转移电荷量1安培表示1电能1瓦特表示1秒到1库仑的电荷上秒内通过1库仑的电内消耗或产生1焦耳荷的电能电能转换的例子电动机2电动机将电能转化为机械能，驱动各种机器运转电灯1电灯将电能转化为光能和热能，照亮我们的生活电热器电热器将电能转化为热能，为我们3提供温暖光能光的本质能量来源应用光具有波粒二象性，既可以看作是电磁光能是电磁波所携带的能量不同频率光能可以用来发电、进行光合作用、进波，也可以看作是粒子（光子）的电磁波携带的能量不同光子的能量行光化学反应等光能是重要的能源和与光的频率成正比信息载体光子的能量公式光子的能量计算公式为E=h*ν，其中E表示光子能量，h表示普朗克常量，表示光的频率ν频率影响光的频率越高，光子所携带的能量越大紫外光的光子能量大于可见光的光子能量，可见光的光子能量大于红外光的光子能量应用光子的能量可以用来解释光电效应、康普顿效应等现象光子的能量也应用于激光技术、光通信等领域光电效应解释光电效应可以用光子的能量来解释2当光子的能量大于金属的逸出功时，光子就可以将金属中的电子激现象发出来1光电效应是指光照射到金属表面，使金属中的电子逸出的现象逸出应用的电子称为光电子光电效应应用于光电管、光电倍增管、太阳能电池等器件光电效应3也应用于光电传感器、光电开关等领域光能转换的例子太阳能电池1太阳能电池将光能直接转化为电能，是一种清洁、环保的能源光合作用2植物利用光能将二氧化碳和水转化为有机物和氧气，是地球上最重要的化学反应之一光化学反应3一些化学反应需要光能的参与才能进行光化学反应广泛应用于化学工业和生物学研究核能核反应类型能量变化核裂变重核分裂成两个或多个较轻核，释放出巨大的能量核聚变轻核结合成较重核，也释放出巨大的能量应用核能可以用来发电、制造核武器、进行核医学等核能是重要的能源和技术核反应链式反应控制反应核裂变反应可以引发链式反应链式反应是指一个核裂变核反应堆通过控制链式反应的速率，来控制核能的释放反应产生的中子，又可以引发新的核裂变反应，如此循环控制棒可以吸收中子，从而降低链式反应的速率下去核能的优缺点优点缺点12核能具有能量密度高、污核能具有放射性污染、安染少、储量大等优点核全风险高等缺点核事故能可以用来发电，缓解能会对环境和人类健康造成源危机严重危害发展方向3核能的发展方向是提高安全性、降低成本、减少放射性废物开发可控核聚变技术是解决能源问题的终极方案能源和可持续发展能源危机环境污染随着人口增长和经济发展，化石燃料的燃烧会产生大量能源需求不断增加，化石燃的二氧化碳和其他污染物，料储量有限，面临能源危机导致温室效应、酸雨等环境问题可持续发展发展可再生能源，提高能源利用效率，减少环境污染，实现能源的可持续发展，是人类面临的重大挑战。