师：同学们好，我是李云奎老师，今天我们一起学习高二年级粤教版物理选择性必修三第三章“热力学定律”第二节“能量守恒定律及其应用”。
本堂课的学习目标有三个：第一，理解能量守恒定律及其重要意义，知道第一类永动机不可能成功的原因；第二，了解能量守恒定律的发现过程，学习科学家坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度和科学精神；第三，会用能量转化与守恒的观点分析解决有关问题。
热力学第一定律指出，做功和热传递是改变物体内能的两种方式。通过做功和热传递提供给一个物体多少能量，这个物体的内能就改变多少，能量在转化和转移过程中守恒。也就是说，物体内能的增加量 ΔU 等于物体吸收的热量 Q 和外界对物体做的功 W 之和，即 ΔU = Q + W。为了全面反映内能增加量、热量、功三者之间的关系，我们还规定了 ΔU、Q、W 三者符号的意义：W 为正时，表示外界对物体做正功；W 为负时，表示外界对物体做负功，也可以说成物体对外界做功。Q 为正时，表示物体吸收热量；Q 为负时，表示物体放出热量。ΔU 为正时，表示物体内能增加；ΔU 为负时，表示物体内能减少。
“燧人钻木取火”是古代中国神话传说之一。燧人氏在遂明国发明了钻木取火，开启了华夏文明的起源。那么，钻木取火科学吗？下面请同学们观看一段视频。
（播放视频）
师：燧人钻木取火虽是神话故事，但钻木取火本身是有科学依据的。钻木取火——摩擦生热引燃火绒——过程中涉及机械能转化为内能，这是通过做功实现的。实际上，不同形式的能量都是可以相互转化的，可以直接转化，也可以间接转化。左图是不同形式的能量转化示意图，大家在学习初中物理时也有所了解。现在我们通过一些实例来加深认识：
工作中的内燃机通过做功将内能转化为机械能；电热毯是一种接触式电暖器具，通电时即发出热量，涉及将电能转化为内能，通过电流做功实现；太阳能发电站发电过程将光能转化为电能；太阳灶烧水过程将光能转化为内能；工作中的白炽灯将电能转化为内能和光能。从这些实例大家可以知道，能量转化的过程中往往涉及多种形式的能量转化。例如木材燃烧时，将化学能转化为内能和光能。如果同学们有兴趣，也可以找出家里涉及能量转化的装置，用它们的照片或示意图做成一张海报，在上面标出涉及的能量转化情况。
能量也可以在不同物体间转移。例如，滚烫的鸡蛋放入凉水中冷却，鸡蛋降温，水温升高，涉及内能的转移；帆船乘风航行涉及机械能的转移。
大量事实证明，各种形式的能量都可以相互转化，并且在转化过程中守恒。能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，其总量不变。这就是我们要学习的能量守恒定律。
从能量守恒定律可以知道：某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等；某一物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。热力学第一定律实际上就是内能与其他形式的能量发生转化时的能量守恒定律；机械能守恒定律体现了特定条件下在机械能范畴的能量守恒。
能量守恒定律是自然界中最为普遍的规律之一，把物理、化学、生物、地质等学科广泛地联系起来，使从事不同性质工作的科学工作者具有共同语言。然而，能量守恒思想不是一蹴而就的，在科学史上，人们真正以能量的观点来探索各种运动形式本质的过程却是非常曲折的。
1798年，伦福德的实验表明，热的本质是运动；1820年，奥斯特发现电流的磁效应；1821年，塞贝克发现温差电现象；1831年，法拉第发现电磁感应现象；1836年，盖斯发现化学反应放出的热量与反应步骤无关；1841年，焦耳发现电流的热效应；1842年，迈尔表述了能量守恒定律；1843年，焦耳测定做功与传热的关系；1847年，亥姆霍兹在理论上概括和总结能量守恒定律。
目前科学界公认的能量守恒定律的奠基人是德国医生迈尔、英国物理学家焦耳和德国科学家亥姆霍兹。下面我们稍微详细地了解一下这三位科学家所做的研究工作。
德国医生迈尔通过对比不同地区人血颜色的差异，认识到食物中化学能与内能的等效性，即生物体内能量的输入和输出是平衡的。另外，他还通过海水在暴风雨中较热的现象猜想热与机械运动的等效性。他在1841年和1842年连续写出《论自然力守恒》的论文，并推算了多少热与多少功相当。因此，迈尔是公认的第一个提出能量守恒思想的人。
焦耳通过实验精确地测量了做功与传热之间的等价关系，从而为能量守恒定律奠定了牢固的实验基础，也为能量守恒的定量描述迈出了重要的一步。在焦耳研究功与热等效性的许多实验中，有两个最具代表性：一个是让重物下落带动叶片搅拌容器中的水引起水温上升；另一个是通过电流的热效应给水加热。下面我们来了解一下这两个实验。
实验一：用绝热性能良好的材料制作容器，容器中安装着由叶片组成的搅拌器。重物下落时带动叶片转动，搅拌容器中的水，水由于摩擦而温度上升。多次实验测量表明，尽管各自悬挂重物的质量不同，下落的高度也不一样，但只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统的状态变化是相同的。
实验二：让正在下降的重物带动发电机发电，电流通过浸在液体中的电阻丝，由电流的热效应给液体加热，使液体温度上升。多次实验结果表明，对于同一个绝热的系统，不管通过电阻丝的电流或大或小，通电时间或长或短，只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态发生了同样的变化。
（提醒：图片中展示的装置仅是与焦耳实验原理相同的实验装置示意图。）
焦耳的这些实验表明，在各种不同的绝热过程中，如果使系统从状态1变为状态2，所需外界做功的数量是相同的。做功的数量只由过程始末两个状态决定，而与做功的方式无关。