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热学、光学
及原子物理初步
导入 从太阳和彩虹说起
太阳以光和热滋养着地球上的万事万物；芬芳馥郁的鲜花将大地点缀得生机勃勃；绚丽夺目的彩虹延伸到天边的云海；山川 深处的矿石蕴藏着惊人的能量……
太阳内部“藏”着什么样的奥秘？彩虹是如何形成的？为什么人们能闻到远处沁人心脾的花香？学完本章知识，你将找到问题的答案。
中国古代有一种名叫“饮水鸟”的益智玩具。在“饮水鸟”的面前放一个水杯，将鸟的嘴轻轻按入水中，小鸟“喝”一口水后就会自动地直立起来。过一会儿，小鸟便会自动地俯下身去，“喝”一口水后又直立起来，如此往复，不停低头喝水，直立……（图 10-11）
维持“饮水鸟”一直运动的能量从何而来呢？带着这个问题我们一起来学习本节内容。
第二节 能量守恒定律及其应用
通过前面的学习我们知道，一切运动着的物体都具有动能。物体中，分子都在不停地做无规则的热运动，做热运动的分子也具有动能。物体中分子热运动的速率大小不一，各个分子的动能也有大有小。
宏观的热现象是大量分子热运动的整体表现，所以，我们研究热现象时，重要的不是单个分子的动能，而是所有分子动能的平均值，这个平均值称为分子热运动的平均动能。研究表明，温度是物体内分子热运动的平均动能的标志。温度越高，分子热运动的平均动能越大。
一、热力学能
第二节 能量守恒定律及其应用
由于分子间存在着相互作用力，可进一步证明，分子具有由它们的相对位置决定的势能，这种势能称为分子势能。
分子势能的大小与分子间的距离有关。物体的体积变化时，分子间的距离会随之变化，分子势能也会发生改变。因此，分子势能的大小与物体的体积大小有关。
物体中所有分子热运动的动能和分子势能的总和，称为物体的热力学能，也叫内能，通常用符号 表示。
一、热力学能
第二节 能量守恒定律及其应用
任何物体都具有热力学能。由于分子的平均动能与温度有关，分子势能与体积有关，所以物体的热力学能与物体的温度和体积有关。物体的体积不变，温度升高时，热力学能增加，温度降低时，热力学能减少；物体的温度不变，体积变化时，热力学能也会发生变化。
一、热力学能
第二节 能量守恒定律及其应用
大量事实表明，做功可以改变物体的热力学能。例如，工人用型材切割机切割钢材时（图 10-12），克服摩擦力做功，砂轮片和钢材的温度升高，热力学能增加。
热传递也可以改变物体的热力学能。例如，用火炉烧水时（图 10-13），烧水壶中的水吸收热量，水温升高，水的热力学 能增加；火炉熄灭后，热水向空气传递热量，水温降低，水的热力学能减少。
一、热力学能
第二节 能量守恒定律及其应用
改变物体热力学能的方式有做功和热传递两种。做功改变物体热力学能时，是机械能转化为热力学能。热传递改变物体热力学能时，是物体间热力学能的转移。
我们已经知道，做功和热传递都能改变物体的热力学能，那么，热力学能、功及热量之间究竟存在怎样的定量关系呢？
如果物体（系统）既不吸热也不放热，那么，当外界对物体（系统）做功时，它的热力学能增加，且增加量等于外界做的功；当物体（系统）对外界做功时，它的热力学能减少，且减少量等于它对外界做的功。
二、热力学第一定律
第二节 能量守恒定律及其应用
如果一个物体（系统）既不对外界做功，外界也不对它做功，那么当物体（系统）从外界吸热时，它的热力学能增加，其增加量等于它吸收的热量；当物体（系统）向外界放热时，它的热力学能减少，其减少量等于它放出的热量。
如果物体（系统）与外界之间同时存在做功和热传递的过程，物体（系统）热力学能的改变量 等于物体（系统） 从外界吸收的热量 与外界对物体（系统）所做的功 之和，这就是热力学第一定律，即
二、热力学第一定律
第二节 能量守恒定律及其应用
通过之前的学习我们知道，在机械运动中，动能可以与势能相互转化。在热学中，热力学能与机械能也可以相互转化。那么在日常生活中还有哪些不同种类的能量可以相互转化呢？比如，化石燃料燃烧产生热量（图 10-14），将化学能转化为热力学能；炽热的白炽灯，将电能转化为热力学能，进而转化为光能；风力发电，将机械能转化为电能。
三、能量守恒定律
第二节 能量守恒定律及其应用
根据热力学第一定律，在一定条件下，机械能和热力学能在相互转化过程中能量的总量保持不变。那么其他形式的能量在 相互转化过程中，能量的总量是不是也会保持不变呢？
大量事实表明，任何形式的能转化为其他形式的能时，总的能量都是守恒的。能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。
热力学第一定律是能量守恒定律在热力学领域内的具体体现。能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系，是自然界内在统一性的有力证据。
三、能量守恒定律
第二节 能量守恒定律及其应用
作业与活动
第二节 能量守恒定律及其应用
1. 用打气筒给自行车轮胎打气，用手触摸打气筒的外表面，感受打气前后温度的变化，并对变化的原因做出解释。
作业与活动
第二节 能量守恒定律及其应用
2* . 摩擦焊接是现代焊接领域中的重要技术之一，通过金属焊件两个接触面的高速反向旋转、挤压实现熔接。某金属物体经历了完整的摩擦焊接过程，该物体增加了 的热力学能，摩擦焊机对该物体做了 的功，那么该物体吸收或放出了多少热量？
项目任务与实践活动
第二节 能量守恒定律及其应用
3. 查阅资料，了解煤炭、石油等不可再生资源的过度开发对地球环境的影响，思考解决方案，并与同学交流。
4. 查阅关于“饮水鸟”的资料，分析其中蕴含的热力学道理，与同学交流讨论。建议收集相关器材，自己做一个更有特色的“饮水鸟”。
项目任务与实践活动
第二节 能量守恒定律及其应用
5* . 查阅资料，了解历史上制造永动机的方案，探究永动机至今造不出来的原因，并与同学交流。

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