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1、第1節(jié) 追尋守恒量 理解領(lǐng)悟 能量的概念是在人類追尋“運(yùn)動(dòng)中的守恒量是什么”的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。能量概念之所以重要，就是因?yàn)樗且粋€(gè)守恒量。守恒關(guān)系是自然界中十分重要的關(guān)系。本節(jié)教材從追尋守恒量出發(fā)引入能量概念，要把這種物理思想滲透在能量學(xué)習(xí)的全過(guò)程。 基礎(chǔ)級(jí) 1. 對(duì)伽利略斜面理想實(shí)驗(yàn)的再認(rèn)識(shí) 在牛頓之前，伽利略的斜面理想實(shí)驗(yàn)已經(jīng)顯現(xiàn)了能量及其守恒的思想。關(guān)于這一理想實(shí)驗(yàn)，我們?cè)诘谒恼碌谝还?jié)學(xué)習(xí)牛頓第一定律時(shí)已經(jīng)有所了解，這一理想實(shí)驗(yàn)對(duì)牛頓第一定律的建立起到了極其重要的作用?，F(xiàn)在，讓我們從一個(gè)新的角度再來(lái)討論一下這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。 圖5—1 h h B A 如圖5—1所示

2、，當(dāng)小球沿斜面A從h高處由靜止開始滾下時(shí)，小球的高度不斷減小，而速度不斷增大，這說(shuō)明小球憑借其位置而具有的某個(gè)量不斷減少，而由于運(yùn)動(dòng)而具有的某個(gè)量不斷增大。當(dāng)小球從斜面底沿另一個(gè)斜面B向上滾時(shí)，小球的位置不斷升高，而速度不斷減小，說(shuō)明小球憑借位置而具有的某個(gè)量不斷增加，由于運(yùn)動(dòng)而具有的某個(gè)量逐漸減少。如果斜面是光滑的，空氣阻力也可忽略，當(dāng)小球到達(dá)斜面B的h高度時(shí)，速度為0。小球好像“記得”自己起始的高度。這說(shuō)明某種“東西”在小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是不變的。 2. 如何理解能量概念？ 正如教材所指出的，“記得”并不是物理學(xué)的語(yǔ)言。在摩擦力和空氣阻力小到可以忽略的條件下，小球能準(zhǔn)確地終止于同它開始點(diǎn)相

3、同的高度，不會(huì)高一點(diǎn)，也不會(huì)低一點(diǎn)。在物理學(xué)中，我們把這一事實(shí)說(shuō)成是“有某一量是守恒的”，并且把這個(gè)量叫做能量或能。能量的概念是在人類追尋“運(yùn)動(dòng)中的守恒量是什么”的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。 能是描述物質(zhì)（或系統(tǒng)）運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)物理量，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種量度。任何物質(zhì)都離不開運(yùn)動(dòng)，在自然界中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是多種多樣的，相對(duì)于各種不同的運(yùn)動(dòng)形式，就有各種不同形式的能量。自然界中主要有機(jī)械能、熱能、光能、電磁能和原子能等。各種不同形式的能可以相互轉(zhuǎn)化，而在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能的總量是不變的，這是能的最基本的性質(zhì)。 3. 什么是勢(shì)能？ 我們把相互作用的物體憑借其位置而具有的能量叫做勢(shì)能?？梢?，說(shuō)到勢(shì)能，必須有相互

4、作用的物體，而且一定與其位置有關(guān)。例如，小球受到地球施于它的重力作用，當(dāng)伽利略把小球從桌面提高到斜面上起始點(diǎn)的高度時(shí)，他就賦予了小球一種形式的能量——?jiǎng)菽?。?dāng)我們將彈簧拉伸或者壓縮時(shí)，彈簧各部分發(fā)生相互作用，各部分的相對(duì)位置與彈簧自然伸長(zhǎng)時(shí)發(fā)生了變化，我們也就賦予了彈簧一定的勢(shì)能。同樣，構(gòu)成物質(zhì)的分子之間有相互作用，也存在憑借其位置而具有的勢(shì)能。 4. 什么是動(dòng)能？ 我們把物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量叫做動(dòng)能?？梢?，說(shuō)到動(dòng)能，一定要有運(yùn)動(dòng)著的物體。例如，當(dāng)伽利略釋放小球后，小球開始運(yùn)動(dòng)，獲得速度，運(yùn)動(dòng)著的小球就具有了動(dòng)能。流動(dòng)的河水、轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪、飛行的炮彈、無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子等，都具有一定的動(dòng)能

5、。 5. 引入能量概念的重要性 伽利略的斜面理想實(shí)驗(yàn)，使我們認(rèn)識(shí)到引入能量概念的重要性。 在物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，能量的概念幾乎是與人類對(duì)能量守恒的認(rèn)識(shí)同步發(fā)展起來(lái)的。能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)告訴我們，盡管物質(zhì)世界千變?nèi)f化，但這種變化不是沒有規(guī)律的，基本的規(guī)律就是守恒定律。也就是說(shuō)：一切運(yùn)動(dòng)變化無(wú)論屬于什么運(yùn)動(dòng)形式，反映什么樣的物質(zhì)特性，都要滿足一定的守恒定律。能量的概念之所以重要，就是因?yàn)樗莻€(gè)守恒量。守恒關(guān)系是自然界中十分重要的一類關(guān)系。 發(fā)展級(jí) 6. 追尋守恒量的歷史足跡 長(zhǎng)期以來(lái)，人們?yōu)樽穼な睾懔孔龀隽瞬恍傅呐?。早在力學(xué)初步形成時(shí)就已有了能量守恒思想的萌芽。例如，伽利略研究斜面問(wèn)

6、題和擺的運(yùn)動(dòng)，斯梯芬研究杠桿原理，惠更斯研究完全彈性碰撞等都涉及能量守恒問(wèn)題。17世紀(jì)法國(guó)哲學(xué)家笛卡爾已經(jīng)明確提出了運(yùn)動(dòng)不滅的思想。以后德國(guó)哲學(xué)家萊布尼茨引進(jìn)活力的概念，首先提出活力守恒原理，他認(rèn)為用mv2度量的活力在力學(xué)過(guò)程中是守恒的，宇宙中的“活力”是守恒的。D·伯努利的流體運(yùn)動(dòng)方程實(shí)際上就是流體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能守恒定律。永動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的歷史教訓(xùn)，從反面提供了能量守恒的例證，成為導(dǎo)致建立能量守恒原理的重要線索。至19世紀(jì)20年代，力學(xué)的理論著作強(qiáng)調(diào)“功”的概念，提供了一種機(jī)械“能”的量度，這為能量轉(zhuǎn)換建立了定量基礎(chǔ)。1835年哈密頓發(fā)表了《論動(dòng)力學(xué)的普遍方法》一文，提出了哈密頓原理。至此，

7、能量守恒定律及其應(yīng)用已經(jīng)成為力學(xué)中的基本內(nèi)容。 另外，在化學(xué)、生物學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等方面，科學(xué)家們也做了大量的研究工作，德國(guó)的邁爾、赫姆霍茲和英國(guó)的焦耳都對(duì)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律做出過(guò)明確的敘述。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律是自然界基本規(guī)律之一。恩格斯對(duì)這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)給予了崇高的評(píng)價(jià)，把它和達(dá)爾文進(jìn)化論及細(xì)胞學(xué)說(shuō)并列為三大自然發(fā)現(xiàn)。能量轉(zhuǎn)化與守恒定律這個(gè)全面的名稱就是恩格斯首先提出來(lái)的。 應(yīng)用鏈接 本節(jié)知識(shí)的應(yīng)用主要涉及伽利略斜面理想實(shí)驗(yàn)中關(guān)于能量問(wèn)題的思考，對(duì)能量、勢(shì)能和動(dòng)能概念的理解，以及對(duì)建立能量概念重要性的認(rèn)識(shí)。 基礎(chǔ)級(jí) 例1 試以伽利略斜面理想實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明不同形式的機(jī)械能之間

8、可以相互轉(zhuǎn)化，且轉(zhuǎn)化過(guò)程中能的總量保持不變。 提示 小球的勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化。 解析 在伽利略的斜面理想實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)小球從斜面滾下時(shí)，小球的高度在降低，而速度卻在增大，小球的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；當(dāng)小球滾上另一斜面時(shí)，小球的高度在增加，而速度卻在減小，小球的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。小球能達(dá)到與起始點(diǎn)相同的高度，說(shuō)明在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能的總量保持不變。 點(diǎn)悟 伽利略斜面理想實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，不同形式的機(jī)械能之間可以相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過(guò)程中能的總量保持不變。 例2 試以伽利略斜面理想實(shí)驗(yàn)為例，說(shuō)明引入能量概念的理由。 提示 從描述守恒量的角度進(jìn)行分析。 解析 如果不引入能量概念，我們也可以對(duì)伽利略斜面理

9、想實(shí)驗(yàn)做這樣的描述：“為了提高小球，伽利略施加了與重力相反的力。當(dāng)他釋放小球時(shí)，重力使小球滾下斜面。在斜面的底部，小球由于慣性而滾上另一斜面?！比欢?，這樣描述無(wú)法表達(dá)在空氣阻力和摩擦力小到可以忽略的情況下，小球總是能夠滾到與起始點(diǎn)相同的高度，無(wú)法描述小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的守恒量。因此，從描述守恒量的需求來(lái)看，引入能量概念是十分必要的。 點(diǎn)悟 引入能量的概念，是在物理學(xué)發(fā)展中追尋守恒量的一個(gè)重要事例。 例3 試說(shuō)明下列物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化情況，轉(zhuǎn)化過(guò)程中機(jī)械能的總量是否保持不變？ （1） 將石子豎直上拋，石子上升到最高點(diǎn)后又落回原處；； （2） 小球落到豎直放置的彈簧上，并將彈簧壓縮。 提示

10、 根據(jù)勢(shì)能與動(dòng)能的定義，注意物體位置與速度的變化。 解析 （1）石子上升階段，高度增加，速度減小，石子的動(dòng)能向勢(shì)能轉(zhuǎn)化；石子下落階段，高度降低，速度增大，石子的勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化。若不考慮空氣阻力，石子在空中運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程中機(jī)械能的總量保持不變。 （2）小球下落過(guò)程中，在接觸彈簧前，高度降低，速度增大，小球的勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化；在接觸彈簧到彈簧彈力與小球重力相等的過(guò)程中，高度降低，速度繼續(xù)增大，彈簧被壓縮，小球的勢(shì)能向動(dòng)能和彈簧的勢(shì)能轉(zhuǎn)化；在小球繼續(xù)下落的過(guò)程中，小球高度降低，速度減小，彈簧進(jìn)一步被壓縮，小球的勢(shì)能和動(dòng)能向彈簧的勢(shì)能轉(zhuǎn)化。若不考慮空氣阻力，小球與彈簧的機(jī)械能總量保持不變。 點(diǎn)悟

11、分析物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，把握其位置與速度的變化情況，這是分析不同形式的機(jī)械能之間轉(zhuǎn)化情況的基礎(chǔ)。 O A B 圖5—2 C 例4 請(qǐng)列舉兩例，分析不同形式機(jī)械能間的轉(zhuǎn)化情況，并說(shuō)明轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量守恒。 提示 考慮物體位置與速度的變化。 圖5—3 O A B 解析 （1）如圖5—2所示，一只碗放在水平桌面上，將光滑小球自碗的左側(cè)邊緣A處由靜止釋放，小球?qū)⒀刂氲膬?nèi)壁下滾到碗底C點(diǎn)，并繼續(xù)沿碗的內(nèi)壁向上滾至碗的右側(cè)邊緣B處。在小球由A到的過(guò)程中，小球的高度降低，速度增大，其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；在小球由C到B的過(guò)程中，小球的高度增加，速度減小，其動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。由于空氣阻力和摩擦力

12、小到可以忽略，小球總是能上升到與起始點(diǎn)相同的高度，說(shuō)明小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能量守恒。 （2）如圖5—3所示，一根細(xì)長(zhǎng)的彈簧一端固定，一端系著一個(gè)小球，放在光滑的桌面上，小球靜止于O點(diǎn)。手握小球把彈簧拉長(zhǎng)，使小球位于A點(diǎn)，放手后小球便在A、B間來(lái)回運(yùn)動(dòng)。在小球由A到O的過(guò)程中，小球的速度增大，彈簧逐漸恢復(fù)原長(zhǎng)，彈簧的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為小球的動(dòng)能；在小球由O到B的過(guò)程中，小球的速度減小，彈簧不斷被壓縮，小球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的勢(shì)能；在小球由B到O的過(guò)程中，小球的速度增大，彈簧又逐漸恢復(fù)原長(zhǎng)，彈簧的勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為小球的動(dòng)能；在小球由O到A的過(guò)程中，小球的速度減小，彈簧不斷被拉伸，小球的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為彈簧的勢(shì)能。在小

13、球以后的運(yùn)動(dòng)中，能量轉(zhuǎn)化情況將重復(fù)上述過(guò)程。由于空氣阻力和摩擦力小到可以忽略，小球總是能回到起始位置，說(shuō)明小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中小球與彈簧的總能量守恒。 點(diǎn)悟 在日常生活中，不同形式機(jī)械能間的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的。只要關(guān)注生活、注意觀察，不難找到這方面的實(shí)例。 圖5－4 發(fā)展級(jí) 例5 如圖5—4所示，將一個(gè)帶軸的輪子用兩根細(xì)線懸吊起來(lái)，使輪軸處于水平狀態(tài)，做成一個(gè)“滾擺”。旋轉(zhuǎn)滾擺，讓細(xì)線繞在輪軸上，然后由靜止開始釋放滾擺。滾擺就會(huì)邊旋轉(zhuǎn)邊下落，繞在輪軸上的細(xì)線也隨之不斷退出；到達(dá)最低點(diǎn)后，滾擺又會(huì)邊旋轉(zhuǎn)邊上升，細(xì)線又隨之逐漸繞在輪軸上。試分析滾擺運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化情況。在阻力小到可以忽

14、略的情況下，你猜想滾擺每次都能回升到起始點(diǎn)的高度嗎？請(qǐng)說(shuō)明你猜想的依據(jù)。 提示 分析滾擺的勢(shì)能與動(dòng)能變化情況，依據(jù)能量守恒規(guī)律進(jìn)行合理猜想。 解析 在滾擺向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，滾擺的高度不斷降低，下落速度和旋轉(zhuǎn)速度不斷增大，滾擺的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；在滾擺向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，滾擺的高度不斷增加，上升速度和旋轉(zhuǎn)速度不斷增減小，滾擺的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為勢(shì)能。依據(jù)能量守恒規(guī)律，在阻力小到可以忽略的情況下，滾擺機(jī)械能的總量保持不變，滾擺每次都應(yīng)該能回升到起始點(diǎn)的高度。 點(diǎn)悟 對(duì)物理現(xiàn)象做出合理猜想，這是科學(xué)探究的重要一環(huán)。感興趣的同學(xué)不妨自制一個(gè)滾擺，然后對(duì)上述猜想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 例6 行駛中的汽車制動(dòng)

15、后滑行一段距離，最后停下來(lái)；流星在夜空中墜落，并發(fā)出明亮的光焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過(guò)程中穿過(guò)閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同物理過(guò)程是（ ） A. 物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 B. 物體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 C. 物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 D. 其他形式的能轉(zhuǎn)化為物體的機(jī)械能 提示 具體分析各物體的能量轉(zhuǎn)化情況，再進(jìn)行比較。 解析 汽車制動(dòng)后受到摩擦阻力的作用，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；流星在空中墜落時(shí)受到空氣阻力作用，動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能；降落傘在空中勻速下降，受到空氣阻力作用，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；條形磁鐵在下落過(guò)程中穿過(guò)閉

16、合線圈，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。正確選項(xiàng)為C。 點(diǎn)悟 能量轉(zhuǎn)化有不同的過(guò)程與形式，而在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能的總量總是保持不變的，即能量是守恒的。 課本習(xí)題解讀 [p.3問(wèn)題與練習(xí)] 例如：做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體在下落過(guò)程中，勢(shì)能不斷減少，動(dòng)能不斷增加，在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中動(dòng)能和勢(shì)能的總和不變。（生活中的例子很多，只要符合題意都可以。） 練習(xí)鞏固（5—1） 基礎(chǔ)級(jí) 1. 在自然界經(jīng)歷的多種多樣的變化中，能的總量保持不變。我們把 而具有的能量叫做勢(shì)能，把 而具有的能量叫做動(dòng)能。 2. 指出下列物體分別具有什么形式的機(jī)械能： ①飛奔的駿馬；②停在空中

17、的直升飛機(jī)的機(jī)身；③被壓縮的彈簧；④運(yùn)行中的人造衛(wèi)星。 3. 伽利略斜面理想實(shí)驗(yàn)使人們認(rèn)識(shí)到引入能量概念的重要性。在此理想實(shí)驗(yàn)中，能說(shuō)明能量在小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不變的理由是（ ） 圖5－5 A. 小球滾下斜面時(shí)，高度降低，速度增大 B. 小球滾上斜面時(shí)，高度增加，速度減小 C. 小球總能準(zhǔn)確地到達(dá)與起始點(diǎn)相同的高度 D. 小球能在兩斜面之間永不停止地來(lái)回滾動(dòng) 4. 試舉出日常生活中的一個(gè)例子，說(shuō)明引入能量概念的理由。 5. 將小球用細(xì)線拴住懸掛起來(lái)，做成一個(gè)“單擺”。讓此單擺的擺球偏離平衡位置，使擺線與豎直方向成一定的角度，從靜止開始釋放小球，小球就在同一豎直平面內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)，如

18、圖5—5所示。試說(shuō)明單擺運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化情況。轉(zhuǎn)化過(guò)程中機(jī)械能的總量是否保持不變？ 6. 請(qǐng)列舉一例，分析不同形式機(jī)械能間的轉(zhuǎn)化情況，并說(shuō)明轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量守恒。 7. 對(duì)于斜面實(shí)驗(yàn)，若小球與斜面間的摩擦力及空氣阻力不能忽略，小球?qū)⒉荒苓_(dá)到起始點(diǎn)相同的高度，而是在兩個(gè)斜面間來(lái)回滾動(dòng)，所能達(dá)到的高度越來(lái)越低，最終停在最低處。這種情況還能說(shuō)明能量在小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是不變的嗎？ 發(fā)展級(jí) 8. 本節(jié)教材加了這樣一段眉批：“科學(xué)概念的力量在于它具有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力。在這方面能量概念的作用十分獨(dú)特?！睂?duì)此，你是如何理解的？ 9. 進(jìn)圖書館或上網(wǎng)查閱資料，更多地了解科學(xué)家追尋守恒量并發(fā)現(xiàn)

19、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的研究進(jìn)程。 10. 本節(jié)教材篇末提出了兩個(gè)值得思考的問(wèn)題：“勢(shì)能和動(dòng)能如何定量地量度？勢(shì)能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)化是怎樣進(jìn)行的？”對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，我們將在下面幾節(jié)中逐步加以解決。學(xué)有余力的同學(xué)可先進(jìn)行預(yù)習(xí)，就能得到正確答案。 練習(xí)鞏固參考答案（5—1） 1. 我們把相互作用的物體憑借其位置而具有的能量叫做勢(shì)能，把物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量叫做動(dòng)能。 2. ①飛奔的駿馬具有動(dòng)能；②停在空中的直升飛機(jī)的機(jī)身具有勢(shì)能；③被壓縮的彈簧具有勢(shì)能；④運(yùn)行中的人造衛(wèi)星既具有勢(shì)能，又具有動(dòng)能。 3. CD 4. 仿照本節(jié)例2解答。 5. 仿照本節(jié)例4（1）解答。 6. 仿照本節(jié)例4解答。 7. 小球的機(jī)械能不再守恒，但總能量依然是守恒的，因?yàn)橛捎谀Σ梁涂諝庾枇Φ淖饔?，有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能。 8. 從能量“具有解釋和概括一大類自然現(xiàn)象的能力”這一角度加以理解。 9. 按題目要求去做。 10. 按題目要求去做。 教后感想