研究机械能守恒定律论文

最终极的能源是核能，包括太阳和地球上的核电站。其它各种能源例如化学能、机械能等等都是直接或间接由上述两种能源转化而来。所有能源最终都向热能（即内能）转化，也就是墒增原理。

能量虽然是守衡的，但能量的转变却是有方向的，比如说能量不能从低温物体传到高温物体而不引起其他变化：能量不能完全转变为功而不引起其他变化。我们需要的是对人类有意的能量！

(1)热力学第一定律产生的历史背景 1.蒸汽机的早期发展 瓦特蒸汽机示意图 1—锅炉 2—汽缸 3—活塞 4—双向进、排气管 5—废气冷凝器 6—排汽抽气泵 7—冰水池 8—摇杆 热力学第一定律就是能量守恒与转化定律。它的诞生是以一定的社会物质生产条件为前提的 。蒸汽机的诞生与改进以及广泛地应用，对蒸汽机中能量转换问题的探讨，是人们能向量守 恒原理的重要桥梁之一。 很早以前，人们就知道了热和蒸汽能产生动力，在我国古代和古希腊曾出现过把热能转化为 机械能的小型装置。我国流传至今的“走马灯”也是古代的创造发明。 到了16、17世纪，已是资本主义的萌芽时期，煤作为廉价、高效的热粒被广泛地应用、促进了煤矿业的发展，为了解决矿业中的排水问题，提出了蒸气动力要求。 到1690年，法国人丹尼斯•巴本(1647—1712)在德国制成了第一个有活塞和汽缸的实验性蒸 汽机。这部机器是在莱布尼兹思想的启发下设计出来的，可以说它是近代蒸汽机的雏形。 1696年英国的工程师托马斯•萨弗里(1650—1715)提出一种被称为“矿工之友”的蒸汽水泵，用于矿井抽水。 1705年，英国的纽可门(1663—1729)，综合了巴本和萨弗里发明的优点，创造了大气压力式蒸汽机，并于1712年开始在全国的煤矿和金属矿中得到应用。 对蒸汽机改进做出量大贡献的是英国的詹姆斯•瓦特(1736—1819)。瓦特在他父亲的熏陶下 逐步具备了机器制造的才能。后来瓦特在格拉斯哥大学开设的一间修理店当了一名修理技工 。他修理了许多纽可门蒸汽机，由此对蒸汽动力产生了浓厚的兴趣。他于1759年开始进行一 系列有关蒸汽力量的实验。1763年他在布莱克教授的帮助下，发现纽可门蒸汽机有相当大的 热量浪费，原因是活塞每次冲击后被冷却时，汽缸和活塞也同时被冷却了，然后为了下一次 的冲击，它们还必须重新被加热。他根据布莱克教授的“比热”和潜热理论计算了各个引擎 的耗热量。在布莱克的启发下，瓦特开始寻找一个克服这个缺陷的办法。瓦特经历多次失败 后，终于在1769年制成了一台“单动式”蒸汽机。它比功率相同的纽可门机省煤四分之三左 右。1872年，瓦特又制成了双向作用的蒸汽机。后来瓦特利用一种特殊形式的齿轮传动机构，把活塞的直线运动转变为旋转运动，使这种动力机有了广泛的用途。 1784年蒸汽机进入大规模的生产时代。蒸汽技术的成就，为热能转化为机械运动做出了令人信服的证明，从古代发现的摩擦生热开始到蒸汽机的出现，热与机械运动的转化完成了一个循环。因此，蒸汽机的发明和应用，为能量守恒原理的确立提供了一个重要前提。 2.永动机的失败 各种机械装置的成功设计吸引了一大批人，许多人花费大量的心血去研究永动机。而永动机之不可能实现，是认识能量守恒原理的另一条途径。 亨内考“永动机” 所谓“永动机”是一种理想的机器，即不断自动做功，而不需任何动力或燃料及其他供给品 。在这种幻想指导下，曾经有许多人提出了多种多样的所谓永动机的设计，如早期最著名的 一个永动机方案，是十三世纪一个名叫亨内考的法国人提出的，后来意大利的列奥纳多•达 •芬奇也创造了一个类似的装置。到16世纪70年代意大利的一位机械师斯托利达•斯特尔 又 提出了一个永动机设计方案。 此外人们还提出过用轮子的惯性、水的浮力、细管子的毛细作用等,获得有效动力的种种永动 机方案，但都无一例外地失败了。在1775年法国科学院不得不作出决议，声明“本科学院以 后不再审查有关永动机的一切方案”。这说明当时的科学界已经认识到永动机是不可能制造成的。列奥纳多•达•芬奇的装置 造永动机的失败，从反面显示出自然界存在着某种制约着人们的普遍规律想不付出代价而从 自然界中取出可供利用的有效动力是不可能的，人们只能根据各种自然力相互转化的具体条件，付出一定代价而有效地利用自然界提供的各种能源。德国的著名物理学家和生物学家赫尔姆霍兹，就是从永动机不可能实现的事实入手，研究并发现了能量守恒原理的。3.有关知识的准备 热力学第一定律得需要的基本概念，在很早以前就逐步形成。1686年莱布尼兹根据落体定律 ，在机械运动范围内引 斯特尔“永动机” 1—水槽 2—水轮 3—蓄水池 4—螺旋汲水器 5—带动工具机进了“活力”概念，把mv2看作是运动的量度，即现在所 说的动能。能量的概念是托马斯•杨在1807年发表的著作《自然哲学讲义》中第一次提出的。伽利略所用“力矩”的概念，常含有力和路程乘积的意义。1829年彭塞利(1788—1867)在《技术力学引言》一书中，坚决支持“功”这一术语；瓦特进行了马的能力和机器的比较而定出了功率的单位。1834年—1835年间，英国的哈密顿在《论动力学的一般方法》一文中，提出了哈密顿原理，引了新的“力函数”，以表示只与相互作用着的粒子的位置有关的力 ，在保守力场中的哈密顿函数正是系统的总机械能。1828年格林建立了“位函数”的数学关系线，并应用于静电学和静磁学问题。到了19世纪40年代，高斯的工作使位函数得到了普遍应用，这样热力学第一定律所需要的基本概念在19世纪40年代以前已经齐备了。 关于能量守恒的思想还能追溯到很早以前。1633年出版的伽利略的《关于力学和局部运动的两门新科学的讨论和数学证明》的论文中，通过萨尔蒂等三人的谈话，对匀加速运动进行了定量的研究，其中包括自由落体和物体在斜面上的运动，记载有“物体在人落过程中所达到的速度，能使它跳回到原来的高度，但不会更高。” 惠更斯1673年发表的题为《摆式时钟或关于用在时钟上摆的运动的几何证明》一书中讨论了摆的运动规律，写道：“在重力作用下物体不能上升到高于它自由落下的高度，这已包含了重力场中机械能守恒的思想。”1669年惠更斯通过完全弹性碰撞的研究，认识到各个物体的质量与速度平方乘积的总和，在碰撞前后保持不变，这实际上是发现了完全弹性碰撞中的动能守恒定律。 莱布尼兹在1695年，作出了能量守恒原理的表述：力和路程的乘积等于“活力”的增加。 约翰•伯努利(1667—1748)也一再谈到“活力守恒”。他说“活力消失时做功的本领并不消失，只是转变为其他形式”。而丹尼尔•伯努利(1770—1782)实际上把“活力守恒”原理应 用于流体的运动，得到著名的“伯努利”方程。 欧拉也已经知道，如果一个质点在有心力作用下运动，当质点和吸引中心达到个确定的距离时，其活力都是相同的。到了1800年人们已有下述命题：在一个彼此以有心力作用的系统内，活力仅仅取决于系统的位形和取决于位形的力函数。 1829年，彭塞利也提出了在力学过程中的能量守恒原理：“功的代数和的两倍等于活力的和，在任何时候不能从无中产生功和活力，功或活力也不能转化为无，而只能组成为无。” 当然，上述这些论断还不能算作是对机械能守恒定律的明确表述，但从中包含能量守恒的意义，也为“定律的最后建立奠定了基础。 4.联系和转化的新发现 在18世纪，对各种物理现象进行了分门别类的研究，促进了各分支的发展，但没有注意它们之间相互联系。到18世纪末19世纪初，自然科学取得了一系列重大发现，日益揭示出各自然现象之间的普遍联系已成为这一时期的明显特点。这可以从下面几个方面来说明。 (1)机械运动和热运动之间的联系 18世纪最后两年伦福德和戴维所做的摩擦生热实验，热功当量的粗略测定，表明了机械运动向热的转化。热力机的发明和改进又把热能转化为机械能，从而使这一转化过程完成了循环 。卡诺关于热机效率的研究也触及到了“热功当量”的问题。 (2)热和电之间的转化 1821年德国物理学家托马斯•塞贝克(1770—1831)发现，在两种不同金属的一个接点处加热，就会产生电动热；如果电路是闭合的，就会有电流通过，这就是温差电现象。焦耳和楞次分别在1840和1842年发现了电流的热效应，这就是今天所说的焦耳—楞次定律。 (3)电与磁之间的相互联系和转化 1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，1831年法拉第找到了它的逆效应即电磁感应现象。揭示了电与磁的内在关系，完成了二者之间相互转化的循环。 (4)化学和生物方面的研究 拉瓦锡和拉普拉斯早已了解到化学反应的热效应的重要性。他们证明了反应过程放出的热量等于它的逆反应所吸收的热量。在18世纪末伏打发明了电池，又用它去电解水和硫酸铜，了解了电和化学的关系。德国的化学家李比希(1803—1873)则设想运动的体热和它的机械活动能量，可能来自食物的化学能。1840年彼得堡科学院的黑斯得到化学反应中释放的热量的黑斯定律，已接触到了化学反应过程中的能量守恒原理。 此外，在1801年，德国的李特尔发现了太阳光线中的紫外线之后，研究了紫外线的化学作用；1839年法国的E•A•贝克勒尔发现光照射稀酸液中的金属极，能够改变由电池的电动势；1845年法拉第发现强磁场使光的偏振面发生偏转。这些现象从各个侧面表现出不同运动形式 之间的联系和转化。 由于各种自然现象之间的普遍联系得到了广泛的研究，所以这一时期的科学家是从“自然力之统一”这一观点出发来看待各种能量相互转化的整个网络的。正是在这种自然科学观影响 下，西欧的四五个国家，从事七八种专业的多位科学家分别用不同的实验和方法各自独立地 计算和测定了热功当量，发现了能量守恒与转化定律。 (2)几个科学家的工作 在物理学史上，正式发表论文，提出能量守恒与转化定律是从1842年开始的，主要是由迈尔 、焦耳和赫尔姆霍兹等人提出的。 1.迈尔的工作 伯特•迈尔(1814—1878)是德国医生，他出生在一个药剂师的家庭，中学毕业后，进图比亨 大学主攻化学。结识了数学家、物理学家巴乌尔，由他介绍，了解到拉瓦锡的燃烧理论。1840年，迈尔在一艘从荷兰驶往东印度的船上当医生。在船驶到爪哇附近时，他在给生病的欧 洲船员放血时发现静脉血不像生活在温带人的血那样颜色发暗，而像动脉血那样鲜红。别的医生告诉他这是热带的普遍现象。他还听船员说，在下大暴雨时海水比较热，这些现象引起了迈尔的思考。在拉尔锡燃烧理论的启示下，他想到人体的体热是由于人所吃进的食物和血液中的氧化合而释放出来的。在热带高温情况下，肌体只需吸收食物中较少的热量，所以肌体中含食物的氧化过程减弱了，因此流回心脏的静脉血留下了较多的氧，这使静脉血呈鲜红的颜色。雨滴在降落中获得活力，也产生热，所以暴风雨降落时，海面上反而燥热一些。这些现象都表现出各种自然力之间的相互转化。 在1841年航行结束后，他写出了论文《论力的量和质的测定》，但由于缺少精确的实验根据，以及在数学和物理知识上的缺陷，论文有严重不足之处而未能发表。这激励迈尔发奋自学了数学和物理，并重新撰写了论文《论无机界的力》，在1842年寄了德国的生物化学家李比希主编的《化学和药物》杂志，因李对自然力的统一十分注意，故发表了迈尔的文章，因此 迈尔成为第一个发表能量转化和守恒定律的人。在此文中迈尔从“无不生有，有不变无”和“原因等于结果”的哲学观点出发得出了“力就是不灭的，能够转化的，无重量的客体”的结论。他所说的“力”就是“能量”的意思，他把这个思想运用到“落体力”(势能)、运动的“力”(动能)和热的转化与守恒，并根据当时气体的比热的测定数据，第一个得出了热的机械当量，即物体从365米高处下落，相当于把同等重量的水从0℃加热到1℃。 1845年，迈尔自费出版了《论有机运动和新陈代谢》一书，他首先说明“力”的守恒与转化定律，认为它是支配宇宙的普遍规律。接着提出几种形式的“力”，即“运动的力”、降落 力、热、电、磁和化学力，并揭示了各种力之间的相互转化。例如，下落的力转化为运动的力，运动的力通过碰撞变成热，在热机中热又变成运动的力，通过伽伐尼电池化学力变为电等。迈尔把他所考察的全部力画成一个表，描绘了运动转化的25种情况，并作出了否定热质 和其他无重量的流质存在的结论。文章还讨论了动植物机体中的能量问题，认为机体中机械 的和热的效应来源，是由吸收食物和氧时所进行的化学过程，这样就指出了有机界和无机界“力”的统一性。 1848年，迈尔在出版的《天体动力学》一文中讨论了宇宙中的能量循环，解释了陨石的发光是由于它们在大气中损失了动能。 1851年他又写了《论热的机械当量》一文，详细阐述了热功当量的计算。从而回答了对他的攻击，保护了自己的优先权，但是就在这一年秋天迈尔得了脑炎，直到1862年才恢复科学工作。 2.焦耳的工作 詹姆斯•普雷斯特科•焦耳(1818—1889)是曼彻斯特一个酿酒师的儿子，他是个业余科学家 ，很早就关心物理学，对电、磁的研究很有兴趣。他做了大量有关电流热效应和热功当量方面的实验，并把它总结成几篇文章发表。例如，1840—1841年间写成的《论伏打电所产生的 热》和《电解时在金属导体和电池组中放出的热》两篇文章，1843年写了《论磁电的热效应及热的机械作用》，1845年发表《论空气的扩散和压缩所引起的温度变化》，1849年通过法 拉第送交皇家学会的文章《论热的机械当量》，以及1867年发表的《由电流的热效应测定热功当时》和1878年发表的《热功当量的新测定》两篇文章。 从上述文章中可以看出焦耳对热当量的思想发展过程：他首先研究了电流通过导体所生成的热，得到电流热的定量关系，即导体中一定时间所生成的热量，与导体的电阻和电流平方的乘积成正比——这就是焦耳定律。焦耳认为这个实验还不能对热本质做出判断。1843年焦耳 又提出了一个想法，磁电机所形成感生电流与来自其他电源的电流一样地产生热效应。他使一个线圈在电磁体的两极间转动，线圈放在量热器内，实验证明产生的热和用来产生它的机械动力之间存在恒定的比例。由于电路是完全封闭的，水温的升高完全是由于机械能转化为电，电又转化为热的结果。这就排除了热质是从外界输入的可能。焦耳之所以能想出这样的实验，是因为他认为：“当我们不把热看作一种实物，而是看做是一种振动状态时，没有理由认为，为什么它不能由一种单纯的机械性质的作用所引起，例如像一个线圈在一个永磁体极间转动的那种作用。”这个实验得出了如下的结果：使一磅水增加1oF的热量等于把838磅 物提高1英尺的机械功。用工程单位制，这个值约为460千克•米/千卡。后来焦耳又重复扩展了这些实验，以证实自然界的“力”是不能毁灭的，凡是消耗了机械力的地方，总能得到相当的热。这样，热就被证实是能量变化的一种形式。但是，一些大物理学家对焦耳的结论表示怀疑和不信任，焦耳的论文被皇家学会婉言谢绝了。 焦耳没有灰心，决心以更多的实验证明他的结论。后来他用新的测量方法得到的热的机械当量数值分别为426/千克•米/千卡和438千克•米/千卡。1847年焦耳申请在英国学术协会上宣读论文，协会只让他简要介绍一下实验(即大家所熟悉的那个搅拌实验)，在他介绍之后，原来不准备讨论，只是由于学术权威W•汤姆孙感兴趣地提出质询，才引起人们对焦耳的实验的重视，但许多人仍持怀疑态度。 1849年，焦耳在皇家学会宣谈论文《论热的机械当量》，并宣布了他著名的实验结果：要产生使一磅水在真空中(测量温度在55～60oF)之间升高1oF的热量，需要花费相当于722磅重 物下降1英尺所做的机械功。(此数值为424.3千克•米/千卡)这个实验结果同 (1879年)由 美国物理学家罗兰的测量结果相比，误差仅为6。由此看出焦耳实验的精确性。此后焦耳还 继续进行他的实验测量，一直到1878年。 他前后用了近40年时间，做了400多次实验，确定了热功当量的精确值，为能量守恒原理的建立提供了可靠的实验根据。焦耳最后得到的热功当量的值为423.85千克•米/千卡。 1850年焦耳当选为皇家学会会员，他的研究成果终于得到科学界的承认。 值得注意的是焦耳的工作不只限于实验，他还阐明了对热本质和能量守恒与转化问题的看法。焦耳与迈尔从不同的方面探索了能量守恒与转化定律，因此他们都作出了重大贡献。 3.赫尔姆霍兹等人的工作 赫尔姆霍兹(1821—1894)是德国的医生、生理学家，出生于中学教师家庭，1838年进入医学 院外科学院，对生物学很感兴趣，他对生命力的本质问题进行了探讨。1845年参加物理学会，并参与了学会办的《物理学成就》刊物的编辑工作。前后发表的主要文章有：《论力的守 恒》(1847)、《论在肌肉的作用中对于物理的需要》(1845)、《生理的热现象》(1846)、《 生理的热现象理论方面的小结》(1847)。 从文章中可以看出，赫尔姆霍兹是从研究生命力的本质入手，对当时生命力的本质的看法提出疑问而开始考虑能量转化和守恒定律的。他在70寿辰的庆祝会上回忆道：“在那时的大多数生理学家承认斯塔尔的观点，即认为在活的有机体中有机物质的物理力和化学力发生作用 ，但同时又有生命的灵魂，或者说活力存在着；活力在物体活着比在死后更自由地调节着物理力和化学力的表现，在死后不为任何东西所调节的物理力和化学力的表现引起产生腐烂。 ……我怀疑这种解释中有某种反自然的东西，但是这得把我把大量的劳动用于使这种疑惑形 成为准确的问题这种形式。” 当时赫尔姆霍兹已知道永动机的不可能性，于是他问道：“如果承认根本不可能有永动机存 在，地么自然界各种力之间应当有什么样的相互关系?所有这些关系存在吗?”他还问道：“ 活的机体如果除了从饮食取得的能以外，还能从一种特殊的活力获得能的话，那么它们就会是永动机。” 赫尔姆霍兹在《论力的守恒》一书中，论证了能量守恒定律，并建立了这个定律的数学公式，即 mgh= mv2然而该论文的命运开始并不好，大多数科学并不接受他的观点。这篇论文遭到拒绝以后，赫尔姆霍兹以小册子的形式在柏林单独出版。 赫尔姆霍兹还研究了能量守恒在其他物理过程中的应用，把它扩大到光、热、电磁现象、化学运动以及生物体内进行的过程中。赫尔姆霍兹所确定的纲领，事实上成为以后物理学发展 的基本内容，而他自己的科学活动，也是把这个纲领现实化，他的研究和论著，给了那个时代整个物理学界以强有力的影响，他创立了物理学和生物学的一个国际学派。 通过以上3人工作的介绍，读者一定会问为什么发现能量守恒定律的不是正宗的物理学家、而是医生、业余科学家和生物学家呢?这中间可能有两个原因，一是他们所从事的工作与热 的转化问题打交道较多，二是他们受到“正统的”物理学的热质学说的影响较少，由于这些原因，使他们先得出了能量守恒及转化定律。 (3)能量守恒与转化定律的确立及其意义 1.能量守恒定律的确认 我们看到，迈尔、赫尔姆霍兹、焦耳等人的非常有意义的研究工作，并不是一帆风顺的，都受到不同程度的压抑和排斥。但是，社会实践和科学实验的发展，总要推动科学认识的进步。1851年，威廉•汤姆孙在《论热的动力学当量》中，开始接受焦耳的学说，把能量守恒和转化定律在热运动和机械运动方面的具体表现，称为热力学第一定律。大约到1860年左右，能量原理才得到普遍的承认，而且很快成为全部物理学和自然科学的重要基石。正如劳厄 所说：“从此以后，特别是物理学中，每一种新的理论首先要检查它是否符合能量守恒定律 。” 任何真理向前多走一步就会变为谬误。在19世纪末，以著名化学家、物理学家奥斯瓦尔德(1 853—1932)为代表的“唯能论”，试图把一切都归之于能量，从能量原理推导出所有其他物理规律，这显然是错误的。 2.能量守恒原理的确切描述 “能量”这个概念，是托马斯•杨提出来的，但是当时它并没有被科学界所采用。事实上，在那些对于建立能量守恒原理作出贡献的科学家中，没有一个人直接使用能量这个概念，而常用的还是有多重意义的“力”这个模糊的述语表述他们的重要发现。只是到了1853年，威廉•汤姆孙才给予能量概念一个确切的定义，即“我们把给定状态中的物质系统的能量表示为：当它从这个给定的状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零状态时，在系统外所产 生的用机械功的单位来量度的各种作用的总和。”这样人们才逐渐把“力的守恒”改述为“ 能量的守恒”。 但是这一原理的发现者们，虽然都是从能量形式的转化中看到能量在量上是不变的，而在表 述这一定律时，大都是从量的角度强调能量的“守恒”，全面准确地称为“能量转化与守恒 ”定律则是恩格斯。恩格斯首先指出了如前所表述的不完善性，他在《自然辩证法》旧序中说：“运动的不变不能仅仅从量上把握，而且必须从质上去理解。”1885年他指出：“如果 说新发现的伟大运动基本定律，十年前还仅仅概括为能量守恒定律，仅仅概括为运动不生不 灭这种表述，就是说仅仅从量的方面概括它，那么，这种狭隘的消极的表述日益被那种关于能的转化的积极表述所代替。这里过程质的内容第一次获得了自己权利……”这样就使此原理有了全面的普遍性质，这也是恩格斯以科学的重大贡献。 3.功、热量和热力学第一定律的数学表达式 做功这个词在物理学中有明确的意义，它表示在物质上作用一个力使物体沿着力的方向移动 。做功过程的重要特征是：它必然伴随着运动形式的转化，即伴随着能量从一种形式转化为另一种形式。所以说功的本质意义就在于它一般是作为能量从一种形式转化为另一种形式的数量的量度而被使用的。各种能量的转化都因为可以选择功作为共同量度而作出统一的定量的表述。 “热量”这个词表示系统之间不发生客观位移，而只是由于温度差的存在而发生的能量的传 递。 大量实验表明，要使一个系统的热运动状态发生变化，既可以通过做功的方式也可以通过加 热的方式。这就是说自然界有着两类基本热力学过程，即做功和热量传递这两个不同的过程 ，虽然它们产生的条件和机制是不同的，但是这两种过程都可以使系统的热力学状态发生变化。如果要使系统的状态分别在这两种不同的过程中发和相同的变化，则所作的功相传递的 热量之间总是存在着确定当量关系。这表明作为能量转换和传递的两种形式的功和热量，是具有等效性的。所谓“热功当量”就是表征这种等效性的数量关系。 一般说来，实际发生的热力学过程是上述两种过程的综合，即系统发生宏观位移而做功，又由于存在温度差而与外界交换热量。 若以A表示外界对系统做功，以Q表示系统从外界吸收的热量，系统的内能由量E1变为量E2，则实验表明系统内能的改变可由下式决定，即 E2-E1＝A＋Q 该式即为热力学第一定律的数学表达式。它表明，当热力学系统由某一状态经过任意过程到达另一状态时，系统内能的改变等于在这个过程中所做功和所传递热量的总和。这个定律也说明，在任何热力学过程中，热运动既不能创生也不能消灭，只能发生转化或转移。 4.能量守恒与转化定律的意义 实际上热力学第一定律中的E不仅仅表示系统的内能，如果用它表示系统所含的一切形式的能量，功A表示的是各种运动形式的功，那么就可以将第一定律理解为普遍的能量守恒与转化定律。 能量守恒定律的确立，一方面找到了各种自然现象的公共量度——能量，说明了不同运动形式在相互转化中有量的共同性，从而把各种自然现象用定量的规律联系了起来；另一方面这个定律的确立，同时也说明了运动形式相互转化的能力也是不灭的，是物质本身所固有的性质。这样，这个定律就第一次在极其广阔的领域里把自然界各种联系了起来。 能量守恒与转化定律的确立，在实践上对创造第一类永动机的不可能实现从科学上作了最后判决，彻底地否定了永动机的幻想，使经典物理学发展成一系列完整的理论科学。 当然，应该指出，任何一个重要的科学原理的具体形式，都有它的相对性，对能量守恒与转化定律来说，能量及其转化也有各种具体形式。随着社会实践，特别是科学实验的发展，人们对能量形式的认识也是不断丰富的。因此，我们不能说已经认识了所有的能量形式的转化过程。随着科学实验的发展，人们完全可能发现一些新的能量形式，认识一些新的转化机理 ，甚至探索到一些难以想象的效应。那时，这原理也会崭新的面貌呈现在人类面前。

作为一名专为他人授业解惑的人民教师，通常会被要求编写说课稿，借助说课稿可以有效提高教学效率。那么优秀的说课稿是什么样的呢？下面是我整理的实验验证《机械能守恒定律》的说课稿（通用5篇），希望对大家有所帮助。

一、教材分析

《机械能守恒定律》是人教版高中新教材必修2第七章第8节，本节内容从理论推导过程中，强化学生对动能定理的进一步理解；机械能守恒定律属物理规律教学，是对功能关系的进一步认识，是学生理解能量的转化与守恒的铺垫，为今后学习动量守恒、电荷守恒打下基础。它结合动量守恒定律是解决力学综合题的核心，而这类问题又常伴随着较为复杂的运动过程和受力特点是充分考查学生抽象思维能力、分析能力、应用能力的关键点。

教学目标

根据上述教材结构与内容分析，依据课程标准，考虑到学生已有的认知结构、心理特征 ,制定如下教学目标：

知识与技能

1、知道什么是机械能；

2、知道物体的动能和势能可以相互转化；

3、掌握机械能守恒的条件；

情感态度与价值观目标

1、培养学生发现和提出问题，并利用已有知识探索学习新知识的能力；

2、通过能量守恒的教学，使学生树立科学观点，理解和运用自然规律，并用来解决实际问题。

教学重点、难点

重点：掌握机械能守恒定律的推导、建立过程，理解机械能守恒定律的内容；

在具体的问题中能判定机械能是否守恒，并能列出定律的数学表达式。

难点：从能的转化和功能关系出发理解机械能守恒的条件。

二、说教法

主要采用讲授法、讨论法、归纳法相结合的启发式教学方法。通过师生一起探索得出物理规律及适用条件，充分调动学生积极性，充分体现"教师主导、学生主体"的教学原则。采用情景→问题→分析与活动→总结的教学设计模式，以老师指导下的学生活动为主。

三、说学法

让学生真正成为学习的主体。这种运用归纳法的思想，从一个个典型的物理情景中总结出科学的结论，可以大大调动学生学习的积极性和主动性。本节课的教学过程中通过观察生活中的常见形变，巧用引导性提问，激发学生的积极性，让学生在轻松、自主、讨论的学习氛围中总结出本节的主要内容从而完成学习任务。

四、教学过程

（引入新课）

用多媒体展示下述物理情景：A.运动员投出铅球；B.弹簧的一端接在气垫导轨的一端，另一端和滑块相连，让滑块在水平的轨道上做往复运动。

1.动能和势能的转化

依次演示自由落体、竖直上抛、滚摆、单摆和弹簧振子，提醒学生注意观察物体运动中动能、势能的变化情况。让学生思考上述演示过程中动能和势能有什么变化。

2.探究规律找出机械能不变的条件

只受重力做功作用分析

只有弹力做功分析

结论：在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变，这就叫机械能守恒定律。

3、 能力训练

例1、在距离地面20m高处以15m/s的初速度水平抛出一小球，不计空气阻力，取g=10m/s2,求小球落地速度大小。引导学生思考分析，提出问题：

（1）前面学习过应用运动合成与分解的方法处理平抛运动，现在能否应用机械能守恒定律解决这类问题？

（2）小球抛出后至落地之前的运动过程中，是否满足机械能守恒的条件？如何应用机械能守恒定律解决问题？

提出问题：请考虑用机械能守恒定律解决问题与用运动合成解决问题的差异是什么？

4、引导学生学会应用机械能守恒定律解题的基本步骤。

5、总结归纳

本课学习，我们通过演示实验归纳总结了动能和势能之间可以发生相互转化，了解了只有重力做功或只有弹簧弹力做功的情况下，物体的机械能总量不变，通过简单的实例分析、加深对机械能守恒定律的理解。

一、说教材

《验证机械能守恒定律》选自人教版高中物理必修二第七章第九节。本节主要内容为：学生利用打点计时器，打下纸带，通过计算来验证重锤在下落的过程中机械能是否守恒。本节课，可以升华学生对上节课机械能守恒定律的理解，培养学生科学严谨的态度。又可以为接下来学习动量守恒，电荷守恒等定律打下基础，起到了承上启下的作用。因此本节课意义重大。

基于该节课的内容和新课改的要求，制定如下教学目标：

知识和技能目标：会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度，掌握验证机械能守恒定律的实验原理。

过程和方法目标：通过分组实验提高动手能力，协作能力，提高解决实际问题的能力。

情感、态度、价值观目标：通过亲身的体验以及探究学习活动，提高学生学习热情、培养学生尊重客观事实的科学态度。

通过对以上教材地位和教学目标的分析，本节课的教学重点是实验方案的设计与实验数据的处理；难点是实验误差的分析。

二、说学情

该年级的学生已经掌握了机械能守恒定律的内容以及条件，也具备了一定的实验操作技能，会用打点计时器，具备一定的数据处理能力。但是，对于实验操作的规范性和实验结果误差的分析还有所欠缺，所以我在教学中要重点培养学生的实验操作能力以及分析能力。

三、说教法

在教学活动中良好的教学方法能够起到事半功倍的效果，本节课我主要采用实验法即通过实验学生验证机械能守恒定律；并结合讨论法，让学生在物理课上学会合作，学会交流，学会学习。

四、说学法

新课改理念告诉我们，学生不仅要学到具体的知识，更重要的是要学会怎样自己学习。所以在课堂上我将引导学生通过实验探究、合作交流的学法来更好的掌握实验探究的内容。

五、说教学过程

环节一：导入新课

在进行新课教学之前，复习导入机械能守恒定律的内容和表达式是什么，同时情景引入，播放田亮跳水视频。十米跳台跳水是种技术性极强的运动，如果不计空气阻力，机械能是否守恒？通过问题创设，一方面可以明确本节课的实验主题——机械能守恒，另一方面可以使学生的学习热情和学习兴趣很快被调动起来，有利于新课的教学。

环节二：新课讲授

我将以启发的方式提问学生让学生思考：如果让你来设计一个实验来验证机械能守恒定律，你会怎么做？给出你的方案。再分组讨论实验方案，并让各个小组选出代表以汇报的方式跟全班学生分享实验方案。然后各小组对所有的实验方案的优缺点进行讨论。再次让各个小组选出代表以汇报的方式跟全班学生分享优缺点。在所有小组都汇报结束后，我做适当的总结。并引导学生确定最终的实验方案——利用重物的自由落体运动验证机械能守恒定律。这样设计课程，可以让学生积极主动参与到课堂里面来，更好地调动学习氛围。符合新课改要求：学生是学习的主人，突出学生的探究学习。还能进一步提升学生的自主探究能力。

在实验方案确定之后，我将提出第二个问题：实验得到什么结果，可以证明机械能守恒吗？引导学生思考。通过提问得到结论：在任意点上，重物的势能和动能之和等于初始位置上重物的势能。在解答了这个问题后，接着提出第三个问题：如何计算在任意点上重物的动能。明确重物在任意位置的速度对与计算动能至关重要。分组实验、采集数据。

根据讨论结果，指导学生分组实验。学生四人一组进行实验，完成实验操作，记录实验数据。

得到方案：把纸带和重物固定在一起下落，用打点计时器在纸带上打点，记录下重物下落的高度，计算出对应的瞬时速度。然后，带着学生一起通过公式的推导得到速度的测量公式：

即：做匀变速运动的纸带上某点的瞬时速度，等于这点前后相邻两点间的平均速度。这样既可以培养学生分析问题，解决问题的`能力，又可以在分组讨论中，培养学生的团结协作精神。

环节三：拓展巩固

在此环节，我会结合书上的习题，让学生通过做题的方式加深对所学知识点的理解和掌握。

环节四：课堂小结

高中物理注重学生物理学科素养的培养，思维方法是解决问题的关键，亲手操作，参与实践，是最直观获得知识的手段，也是进一步加强对知识的理解。我会让学生总结本次实验课主要探究的内容。

环节五：布置作业

作业方面，形成实验报告（必做的作业）

重新制定验证机械能守恒定律方案。（机动性作业）

一、说教材

1、教材的地位、作用和特点

从前后联系来看，这节课的内容有利于学生对功能关系的进一步认识；在理论推导的过程中，有利于强化学生对动能订立的理解；从思维方式上分析，有利于学生建立守恒的观念，为今后学习动量守恒、电荷守恒等守恒定律打下基础，起到了承上启下的作用。

教材这样的安排，较好的体现了理论与实践的统一，使学生明白，物理规律不仅可以直接由实验得到，也可以用已知规律从理论上导出。

2、教学目的

知识目标：理解机械能守恒定律的内容，在具体问题中能判断机械能守恒的条件。

能力目标：初步学会从能量转化和守恒的观点来解释物理现象，并能将所学知识应用于实际情境中。

在归纳机械能守恒定律的使用条件时，培养学生独立思考的能力，归纳总结的能力以及口头表达能力。

情感目标：激发学生学习兴趣，培养学生自信心以及严谨认真的科学态度。

3、教学重点

通过严密的理论推导使学生获得必要的理性认识，正确理机械能守恒定律的内容以及定律是否成立的判定条件。

4、教学难点

学生抽象思维尚处于起步阶段，对功、能等物理量理解不够深刻，要从功能转化关系理解机械能守恒的条件有一定难度。

二、说教法

本节主要采用讲授法、讨论法、归纳法相结合的启发式教学方法。通过师生一起探索得出物理规律及适用条件，充分调动学生积极性，充分体现“教师主导、学生主体”的教学原则。

三、说方法

1、为适应高一学生的认识和思维发展水平，根据新课内容要求，创设“自由落体、平抛、沿斜面下滑”三个物理情境作为铺垫，由易到难，引导学生进行实践-认识-再实践-再认识，完成认识上的飞跃。

2、通过设疑，启发学生思考

在归纳机械能守恒定律的使用条件时，引导学生进行讨论，鼓励学生提出自己的观点，并能加以评价，培养学生的学习兴趣以及对物理学习的自信心。

四、教学程序

分为引入、新课、联系巩固、作业四个步骤。

以生活中常见情境为例，让学生分析动能、势能的相互转化，提出机械能如何变化的问题，顺势引入新课；

创设三个不同情境（同前），让学生用所学知识进行分析，在师生共同探讨下得出机械能守恒定律的内容。

以三个情境为例，让学生自由讨论定律成立的条件，教师进行适当引导，最后共同得到适用条件。

然后通过适当的课堂练习让学生对新学知识进行巩固和加深理解。

五、研究性课题的提出

通过以下实例让学生课后去进行探讨

让A球拉到相同高度，分析A到达右侧所能到达的高度。

教学目标：

知识与能力：掌握机械能守恒定律，知道它的含义和适用条件；会利用守恒条件判断机械能是否守恒。

过程与方法：学生会推导机械能守恒定律；会用归纳的方法提出守恒条件；加深对功能关系的理解。

情感态度价值观：通过分析事物发生的条件，学习和体会"具体情况具体分析""透过现象看本质"的方法，理解自然规律，应用自然规律。

教学重点：

学生推导机械能守恒定律，并掌握该定律及其适用条件。

教学难点：

从能的转化和功能关系出发理解机械能守恒的条件并且判断是否守恒。

教学方法：

讲授法，对比归纳，实例分析的方法。

教学过程：

一、复习引课

功和能关系如何？

动能定理的内容和表达式是什么？

重力所做的功与物体重力势能的变化之间有什么关系？

二、新课教学

（一）机械能

1、概念：物体的动能、势能的总和。E=EK+EP

2、机械能是标量，具有相对性（需要设定势能参考平面）

3、机械能之间可以相互转化（学生举例，教师补充）

（二）机械能守恒定律的推导

1、实例分析：（提前布置的作业，课上检查，讲评）

学生发现：只有重力做功时，物体的动能和势能相互转化，但机械能总量保持不变。如果有阻力做功，则总量有变化。

（1）

2、理论推导过程

思考题一：如图所示，一个质量为m的物体自由下落，经过高度

为h1的A点时速度为v1,下落到高度h2为的B点时速度为v2,

试写出物体在A点时的机械能和在B点时的机械能，并找到这二个

机械能之间的数量关系。

（2）

思考题二：如图所示，一个质量为m的物体做平抛运动，经过高度

为h1的A点时速度为v1,经过高度为h2的B点时速度为v2,写出

物体在位置A、B时的机械能的表达式并找出这二个机械能之间的关系。

初状态：A点的机械能等于

末状态：B点的机械能等于

物体只受重力的作用，据动能定理得： （1）

据重力做功与重力势能的关系得到： WG= mgh1-mgh2 （2）

由（1）（2）两式可得

移项得：

学生讨论：上述表达式说明了什么问题？

讨论后：学生代表回答

等号左边是物体在初位置时的机械能，等号右边是物体在末位置时的机械能，该式表示：动能和势能之和即总的机械能保持不变。

教师提问：如果有阻力做功呢？上面的两边还会相等吗？

学生回答：不相等。

结论：只有重力做功时，动能和重力势能相互转化，但机械能总量保持不变。

（三）机械能守恒定律

1、内容：在只有重力做功时，物体的动能和重力势能发生相互转化，但机械能总量保持不变。

2、理解：

（1）条件：（由学生分析、讨论）

a:只受重力作用

b:不只受得力作用，但其它力不做功（学生举例）

（2）表达式

（机械能总量始终保持不变）

（动能的增加量等于重力势能的减少量）

（3）机械能守恒定律是能量转化与守恒的特殊情况。守恒是指在运动的整个过程中"时时、处处"总量不变，而不仅仅是初状态和末状态总量相等。

（4）只有弹簧弹力做功时，弹性势能和动能间相互转化，但物体和弹簧系统机械能总量保持不变。

（四）巩固练习

1、关于物体的机械能是否守恒的叙述，下列说法中正确的是：

A、竖直下落的物体，机械能一定守恒；

B、做匀变速直线运动的物体，机械能一定守恒；

C、外力对物体所做的功等于0时，机械能一定守恒；

D、物体若只有重力做功，机械能一定守恒。

2、下列运动的物体，不计空气阻力，机械能不守恒的是：

A、起重机吊起物体匀速上升；

B、物体做平抛运动；

C、圆锥摆球在水平面内做匀速圆周运动；

3、从离地高为H的阳台上以速度v竖直向上抛出质量为m的物体，它上升 h后又返回下落，最后落在地面上，则一列说法中正确的是（不计空气阻力，以地面为参考面）

A、物体在最高点时机械能为mg（H+h）；

B、物体落地时的机械能为mg（H+h）+1/2mv2;

C、物体落地时的机械能为mgH+1/2mv2;

D、物体在落回过程中，过阳台时的机械能为mgH+1/2mv2

4、将物体由地面竖直上抛，如果不计空气阻力，物体能够达到的最大高度为H,当物体在上升过程中的某一位置，它的动能是重力势能的2倍，则这一位置的高度为

A.2H/3 B.H/2 C.H/3 D.H/4。

学习目标：

1. 学会利用自由落体运动验证机械能守恒定律。

2. 进一步熟练掌握应用计时器打纸带研究物体运动的方法。

学习重点：

1. 验证机械能守恒定律的实验原理和步骤。

2. 验证机械能守恒定律实验的注意事项。

学习难点：

验证机械能守恒定律实验的注意事项。

主要内容：

一、实验原理

物体在自由下落过程中，重力势能减少，动能增加。如果忽略空气阻力，只有重力做功，物体的机械能守恒，重力势能的减少等于动能的增加。设物体的质量为m,借助打点计时器打下纸带，由纸带测算出至某时刻下落的高度h及该时刻的瞬时速度v;进而求得重力势能的减少量│△Ep│=mgh和动能的增加量△EK=1/2mv2;比较│△Ep│和△EK,若在误差允许的范围内相等，即可验证机械能守恒。

测定第n点的瞬时速度vn:依据"物体做匀变速直线运动，在某段时间内的平均速度等于这段时间中间时刻的瞬时速度",用公式vn=（hn+1-hn-1）/2T计算（T为打下相邻两点的时间间隔）。

二、实验器材

电火花计时器（或电磁打点计时器），交流电源，纸带（复写纸片），重物（带纸带夹子），导线，刻度尺，铁架台（带夹子）。

三、实验步骤

（1）按图装置固定好计时器，并用导线将计时器接到电压合适的交流电源上（电火花计时器要接到220 V交流电源上，电磁打点计时器要接到4 V~6 V的交流低压电源上）。

（2）将纸带的一端用小夹子固定在重物上，使另一端穿过计时器的限位孔，用手竖直提着纸带，使重物静止在靠近计时器的地方。

（3）接通电源，松开纸带，让重物自由下落，计时器就在纸带上打下一系列小点。

（4）换几条纸带，重做上面的实验。

（5）从几条打上了点的纸带上挑选第一、二两点间的距离接近2 mm且点迹清晰的纸带进行测量。

（6）在挑选出的纸带上，先记下打第一个点的位置0（或A），再任意选取几个点1、2、3（或B、C、D）等，用刻度尺量出各点到0的距离h1、h2、h3等，如图所示。

（7）用公式vn=（hn+1-hn-1）/2T计算出各点对应的瞬时速度v1、v2、v3等。

（8）计算出各点对应的势能减少量mghn和动能的增加量1/2mvn2的值，进行比较，得出结论。

四、实验记录

五、实验结论

在只有重力做功的情况下，物体的重力势能和动能可以相互转化，但机械能的总量保持不变。

六、实验注意事项

（1）计时器要竖直地架稳、放正。架稳就是要牢固、稳定。重物下落时它不振动；放正就是使上下两个限位孔在同一竖直平面内一条竖直线上与纸带运动方向相同，以减小纸带运动时与限位孔的摩擦（可用手提住固定好重物的纸带上端，上下拉动纸带，寻找一个手感阻力最小的位置）。

（2）打点前的纸带必须平直，不要卷曲，否则纸带在下落时会卷到计时器的上边缘上，从而增大了阻力，导致实验误差过大。

（3）接通电源前，提纸带的手必须拿稳纸带，并使纸带保持竖直，然后接通电源，待计时器正常工作后，再松开纸带让重物下落，以保证第一个点迹是一个清晰的小点。

（4）对重物的要求：选用密度大、质量大些的物体，以减小运动中阻力的影响（使重力远大于阻力）。

（5）纸带的挑选：应挑选第一、二两点间的距离接近2 mm且点迹清晰的纸带进行测量。这是因为：本实验的前提是在重物做自由落体运动的情况下，通过研究重力势能的减少量与动能的增加量是否相等来验证机械能是否守恒的，故应保证纸带（重物）是在打第一个点的瞬间开始下落。计时器每隔O.02 s打一次点，做自由落体运动的物体在最初0.02 s内下落的距离h1=1/2gt2=1/2×9.8×0.022m=0.002 m=2 mm,所以若纸带第一、二两点间的距离接近2 mm,就意味着重物是在打第一个点时的瞬间开始下落的，从而满足本次实验的前提条件（打第一个点物体的初速度为零，开始做自由落体运动）。

（6）测量下落高度时，必须从起点o量起。为了减小测量^的相对误差，选取的计数点要离O点适当远些（纸带也不宜过长，其有效长度可在60 cm~80 cm以内）。

（7）本实验并不需要知道重力势能减少量和动能增加量的具体数值，只要对mgh与1/2mv2进行比较（实际上只要验证1/2v2=gh即可）以达到验证机械能守恒的目的，所以不必测出重物的质量。

七、误差分析

（1）做好本实验的关键是尽量减小重物下落过程中的阻力，但阻力不可能完全消除。本实验中，误差的主要来源是纸带摩擦和空气阻力。由于重物及纸带在下落中要不断地克服阻力做功，因此物体动能的增加量必稍小于重力势能的减少量，这是系统误差。减小系统误差的方法有选用密度大的实心重物，重物下落前纸带应保持竖直，选用电火花计时器等。

（2）由于测量长度会造成误差，属偶然误差，减少办法一是测距离都应从起点0量起，下落高度h适当大些（过小，h不易测准确；过大，阻力影响造成的误差大），二是多测几次取平均值。

【例一】 在"验证机械能守恒定律"的实验中，已知打点计时器所用电源的频率为50Hz,查得当地的重力加速度g=9.80m/s2.某同学选择了一条理想的纸带，用刻度尺测量时计数点对应刻度尺上的读数如图所示。图中O点是打点计时器打出的第一个点，A、B、C、D分别是每打两个点取出的计数点。根据以上数据，可知重物由O点运动到B点时：

（1）重力势能的减少量为多少？

（2）动能的增加量是多少？

（3）根据计算的数据可得出什么结论？产生误差的主要原因是什么？