2019-2020学年鲁科版物理选修3-3新素养同步讲义：第5章 第2节 能量的转化与守恒 Word版含答案

第2节能量的转化与守恒
1.了解能量守恒定律的发现过程．
2.理解能的转化与守恒定律，会用能量的观点解释自然现象．(重点)
一、能量守恒定律的发现
1．迈尔的发现：体力和体热必定来源于食物中的化学能，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以相互转化的，如果动物体的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是守恒的．
2．焦耳的研究
(1)确定了电能向内能转化的定量关系．
(2)用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据．
3．亥姆霍兹的贡献：从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性．
焦耳对物质运动之间的关系的研究方法与迈尔有什么不同？
提示：焦耳是采用严格定量实验分析方法，迈尔研究的范围比较广泛，但他采用的是定
性研究的方法．
二、能量守恒定律及其应用
1．内容：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，而能量的总值保持不变．
2．意义：揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据．
3．应用
(1)各种形式的能可以相互转化，但能量转化过程中总伴有内能的损失．
(2)各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起．
(1)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了．()
(2)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能．()
提示：(1)×(2)√
不同形式的能量之间的转化
1．自然界中能量的存在形式：物体运动具有机械能、分子热运动具有内能、电荷具有电能、原子核内部的运动具有原子能等，可见，在自然界中不同的能量形式与不同的运动形
式相对应．
2．不同形式能量之间的转化：“摩擦生热”是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能；水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明内能转化为机械能；电流通过电热丝做功可将电能转化为内能，汽缸内燃油燃烧释放的内能通过燃气推动活塞做功而转化为机械能等．这些实例说明了不同形式的能量之间可以相互转化，且这一转化过程是通过做功来完成的．
3．太阳能的转化
自然界中各种形式的能量可以相互转化，说明不同的运动形式也可以相互
转化．
风沿水平方向以速度v 垂直吹向一直径为d 的风车叶轮，设空气密度为ρ，风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h 的高度，效率为80%.则单位时间内最多可提升的水的质量为________．
[思路点拨] 风车带动水车做功的过程，是将风的动能转化为水的重力势能的过程，在讨论这个问题时要紧紧围绕能量转化的关系．
[解析] 在时间t 内吹在风车上的空气的质量为
m 1＝14πd 2·vt ·ρ 风的动能E k ＝12m 1v 2＝18
πd 2v 3t ρ 根据题意：18πd 2v 3t ρ×50%×80%＝mgh ，则m t ＝πd 2ρv 320gh
. [答案] πd 2ρv 3
20gh
自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是( )
A ．机械能守恒
B ．能量正在消失
C ．只有动能和重力势能的相互转化
D ．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒
解析：选D.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明机械能在减少，故A 项错误，C 项错误，而减少的机械能通过摩擦转化成了内能，故B 项错误，D 项正确．
对能量守恒定律的理解和应用
1．某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．
2．某个物体的能量减少，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．3．各种形式的能在转化和转移过程中总能量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的．例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功．
4．能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量．不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的．
在应用能量守恒定律分析问题时，应注意：
(1)哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加．
(2)哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加．
如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂．现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收的热量分别为Q A、Q B，则()
A．Q A＝Q B B．Q A<Q B
C．Q A>Q B D．无法确定
[解题探究](1)铁球升温后体积变________，A球重心________，B球重心________，A球的重力势能变________，B球重力势能变________．
(2)根据能量守恒，确定Q A、Q B的关系．
[解析]A、B升高相同的温度，根据Q＝cmΔt可知，升温需要的能量是相同的．由于受热膨胀，A的重心升高，重力做负功，B球重心下降，重力做正功，由热力学第一定律可得：Q A＝ΔU＋W，Q B＝ΔU－W，显然Q A>Q B.
[答案] C
利用能量守恒定律解决问题时，首先应明确题目中涉及哪几种形式的能量，其次分析哪种能量增加了，哪种能量减少了，确定研究的系统后，用能量守恒的观点求解.
能量守恒定律与热力学第一定律的结合
如图所示，两个完全相同的金属球A和B，其中A球放在不导热
的水平面上，B球用不导热的细线悬挂起来，现供给两球相同的热量，它们
的温度分别升高了Δt A、Δt B，则()
A．Δt A>Δt B B．Δt A<Δt B
C．Δt A＝Δt B D．Δt A、Δt B无法比较
[思路点拨]明确该过程中有哪些能量参与，再根据能量守恒分析．
[解析]两球受热后体积都要增大，A球因为放在不导热的水平面上，受热膨胀后，重心升高，重力做负功，根据能量转化和守恒定律可知，A球吸收的热量一部分转化成自身的内能，使温度升高，另一部分需要克服重力做功，使重力势能增加；对于B球，同样要受热膨胀，膨胀时重心下降，重力做正功，同样由能量转化和守恒定律可知，B球吸收的热量和重力做的功都要转化成自身的内能，从而使温度升高，由以上分析可知，B球增加的内能要比A球多，B球的温度升高得多，所以有Δt A<Δt B.故正确答案为B.
[答案]B
能量守恒定律的应用技巧
能量守恒定律是自然界中一个最基本的规律，同时，它又可以与很多其他物理规律(如：平抛运动、碰撞、圆周运动等)相结合，解决一些综合性很强的题目．解决这类题目应明确研究过程中哪些能量发生了转化、各种能量的表达形式，然后由相应物理规律结合能量守恒定律求解.
[随堂检测]
1．下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是()
A．用太阳灶烧水是太阳能转化为电能
B．电灯发光是电能转化为光能
C．核电站发电是电能转化为内能
D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
解析：选B.A选项中光能转化为内能，C中是核能转化为电能，D选项中是化学能转化为内能，故B选项正确．
2．一定量的气体在某一过程中，外界对气体做了8×104J的功，气体的内能减少了1.2×105 J，则下列各式中正确的是()
A．W＝8×104 J，ΔU＝1.2×105 J，Q＝4×104 J
B．W＝8×104 J，ΔU＝－1.2×105 J，Q＝－2×105 J
C ．W ＝－8×104 J ，ΔU ＝1.2×105 J ，Q ＝2×105 J
D ．W ＝－8×104 J ，ΔU ＝－1.2×105 J ，Q ＝－4×104J
解析：选B.因为外界对气体做功，W 取正值，即W ＝8×104 J ，内能减少，ΔU 取负值，即ΔU ＝－1.2×105 J ，根据ΔU ＝Q ＋W ，可得Q ＝ΔU －W ＝－1.2×105 J －8×104 J ＝－2×105 J ，B 正确．
3．(多选)在光滑水平面上停放一木块，一子弹水平射穿木块，对此过程，下述说法中正确的是( )
A ．摩擦力(子弹与木块间)对木块做的功等于木块增加的动能
B ．摩擦力对木块做的功完全转化为木块的内能
C ．子弹损失的机械能等于子弹与木块增加的内能
D ．子弹损失的机械能等于木块增加的动能和系统增加的内能之和
解析：选AD.子弹与木块间的摩擦力对木块做正功，木块动能增加；对子弹做负功，子弹动能减小．子弹与木块组成的系统克服摩擦力做功，机械能转化为内能．因此子弹损失的机械能等于木块增加的动能和系统增加的内能之和，A 、D 正确，B 、C 错误．
4．(多选)一物体静止在升降机的地板上，在升降机加速上升的过程中，地板对物体的支持力所做的功等于( )
A ．物体势能的增加量
B ．物体动能的增加量
C ．物体动能的增加量加上物体势能的增加量
D ．物体动能的增加量加上克服重力所做的功
解析：选CD.在升降机加速上升的过程中，物体的重力为mg ，地板对物体的支持力为N ，重力对其做负功，支持力对其做正功，设升降机上升高度为h ，由动能定理知W N －mgh ＝ΔE k ，W N ＝mgh ＋ΔE k ，其中mgh 为物体势能的增加量，也等于物体克服重力所做的功，ΔE k 为物体动能．
5．一颗质量为10 g 的子弹以200 m/s 的速度射入放在光滑水平面上质量为2 kg 的木块并穿出，穿出木块时子弹的速度变为40 m/s ，木块速度为0.8 m/s ，设子弹在木块中所受阻力不变，在此过程中子弹和木块共获得多少内能？若这些内能有30%被子弹吸收，则可以使子弹升温多少度？子弹的比热容为1.3×102 J/(kg·℃)．
解析：系统损失的机械能转化为系统增加的内能．
ΔE 损＝12mv 20－(12mv 21＋12
Mv 22) ＝12
×0.01×2002 J －⎝⎛⎭⎫12×0.01×402＋12×2×0.82 J
＝191.36 J
所以子弹吸收的热量是Q ＝ΔE 损×30%＝cm Δt ，
所以Δt ＝ΔE 损×30%cm
＝191.36×30%1.3×102×0.01
℃＝44.16 ℃. 答案：191.36 J 44.16 ℃
[课时作业]
一、单项选择题
1．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( )
A ．物体克服阻力做功
B ．物体的动能转化为其他形式的能量
C ．物体的势能转化为其他形式的能量
D ．物体的化学能转化为其他形式的能量
解析：选A.这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是受制动阻力，流星、降落伞是受空气阻力，条形磁铁下落主要是受到磁场阻力．因而物体都克服阻力做功，A 项对．四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，B 、C 、D 错．答案为A.
2．下列说法中正确的是( )
A ．外界对一物体做功，此物体的内能一定增加
B ．机械能完全转化成内能是不可能的
C ．将热量传给一个物体，此物体的内能一定改变
D ．一定量气体对外做功，气体的内能不一定减小
解析：选D.改变物体内能有两种途径：做功和热传递，不能仅由一种情况就判断内能的变化情况，A 、C 错误，D 正确；物体由于摩擦最终停止运动，机械能全部转化为内能，B 错误．
3．一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N 的水平推力推动木箱前进10 m ，木箱受到的摩擦力为60 N ，则转化为木箱与地面系统的内能U 和转化为木箱的动能E k 分别是( )
A ．U ＝200 J ，E k ＝600 J
B ．U ＝600 J ，E k ＝200 J
C ．U ＝600 J ，E k ＝800 J
D ．U ＝800 J ，
E k ＝200 J
解析：选B.由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积是转化为木箱与
地面系统的内能，即：
U＝60×10 J＝600 J．由能量守恒定律可得：E k＝W总－U＝80×10 J－600 J＝200 J，故B正确．
4．一个铁块沿斜面匀速滑下，关于铁块的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是()
A．铁块的机械能和内能都不变
B．铁块的机械能减少，内能不变
C．铁块的机械能增加，内能增加
D．铁块的机械能减少，内能增加
解析：选D.铁块沿斜面匀速下滑时，动能不变势能减小，所以铁块的机械能一定减少．铁块沿斜面能匀速滑下，斜面一定是不光滑的，铁块下滑时克服摩擦力做功，铁块损失的机械能转化为铁块和斜面的内能，因此铁块的温度会略有升高，内能增加．故D正确．
5.如图所示，A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃
泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都
相同．将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中(插入过程没有空气
进入管内)，水银柱上升至图示位置停止．假设这一过程水银与外界没有热
交换，则下列说法正确的是()
A．A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B．B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
C．A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同
D．A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
解析：选B.由热力学第一定律和功能关系知，大气压力对水银做功大小等于水银内能增量与水银重力势能增量之和；大气压力对A、B装置内的水银做功相等，而B中水银重力势能增量小，故B中水银内能增量大．
6.如图所示，直立容器内有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B
的密度大，抽去隔板，加热气体使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热
Q，气体的内能增加为ΔU，则()
A．ΔU＝Q B．ΔU<Q
C．ΔU>Q D．无法比较
解析：选B.本题解题的关键是弄清参与转化和转移的各种能量中哪些增、哪些减．A、B两部分气体开始的合重心在中线以下，混合均匀后重心在中线上，所以系统的重力势能增大，根据能量守恒定律可得，吸收的热量应等于增加的重力势能与增加的内能之和，即Q
＝ΔE p＋ΔU，显然Q>ΔU.
7.如图，内壁光滑、导热良好的汽缸中用活塞封闭有一定质量的理想气
体．当环境温度升高时，缸内气体()
A．内能减小
B．对外做功
C．压强增大
D．分子间的引力和斥力都增大
解析：选B.当环境温度升高时，压强不变，缸内气体膨胀对外做功，理想气体不考虑分子力，内能仅由物质的量和温度决定，温度升高，气体的内能增加，正确选项为B.
二、多项选择题
8．关于机械能和内能，下列说法中错误的是()
A．物体的内能损失时，必然导致其机械能的减小
B．物体的机械能损失时，其内能可能增大
C．物体内能增大时，机械能不一定增大
D．机械能和内能不能互相转化
解析：选AD.内能和机械能之间没有必然的联系，二者无必然数量关系，A说法错误，B、C说法正确；机械能可以转化为内能，内能也可以转化为机械能，D说法错误．
9．在光滑水平面上运动的物体，受到一个与速度同方向的推力，物体的温度与环境温度相同，在这一过程中，以物体为研究对象()
A．与热传递等效的功是正功，物体的内能增加
B．与热传递等效的功是零，内能不变
C．动能定理中的功是正功，动能增加
D．动能定理中的功是零，动能不变
解析：选BC.平面光滑无摩擦，推力对物体做功只是使物体机械运动的动能增加，没有机械能与物体内能之间的转化，因此物体的内能不变．
10．如图所示为焦耳实验装置简图，用绝热性能良好的材料将容器包好．重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高，关于实验，下列说法正确的是()
A．这个装置可测定热功当量
B．做功增加了水的热量
C．做功增加了水的内能
D．功和热量是完全等价的，无区别
解析：选AC.做功和热传递都可以使物体的内能发生变化，焦耳实验中是通过做功来增加水的内能，所以C 选项正确；就物体的内能发生变化来说，做功和热传递是等效的，这是研究热功当量的前提，通过焦耳实验可测定热功当量，所以A 选项正确；热量通常是指热传递(如吸热、放热)过程中内能的改变量，是用来量度热传递过程中物体内能增减的多少．一个物体的内能是无法测定的，而在某种过程中物体内能的变化却是可以测定的，热量就是用来测定内能变化的一个物理量，所以选项B 和D 是错误的．
三、非选择题
11．在将空气压缩装入气瓶的过程中，温度保持不变，外界做了24 kJ 的功．现潜水员背着该气瓶缓慢地潜入海底，若在此过程中，瓶中空气的质量保持不变，且放出了5 kJ 的热量．在上述两个过程中，空气的内能共减少________kJ ，空气________(选项“吸收”或“放出”)的总热量为____________kJ.
解析：根据热力学第一定律W ＋Q ＝ΔU ，第一阶段W 1＝24 kJ ，ΔU 1＝0，所以Q 1＝－24 kJ ，放热．第二阶段W 2＝0，Q 2＝－5 kJ ，所以ΔU 2＝－5 kJ ，两过程Q ＝Q 1＋Q 2＝－29 kJ ，故共放热29 kJ ，内能变化ΔU ＝－5 kJ ，即减少5 kJ.
答案：5 放出 29
12．传送装置中，皮带始终以v ＝3 m/s 的速度水平匀速运动，把质量为m ＝1 kg 的物体无初速度地放到皮带上的A 处．物体与皮带间的动摩擦因数μ＝0.2，A 、B 相距s ＝6 m ，求(g 取10 m/s 2)：
(1)物体由A 运动到B 所需的时间；
(2)物体由A 到达B 的过程中，因为摩擦产生的热量．
解析：(1)物体的加速度a ＝μg ＝2 m/s 2，达到v ＝3 m/s 时，位移s ′＝v 22a
＝2.25 m 由于s ＝6 m>s ′.故物体先做匀加速直线运动，后做匀速直线运动．
匀加速运动时间t 1＝v a
＝1.5 s ， 匀速运动时间t 2＝s －s ′v
＝1.25 s 总时间t ＝t 1＋t 2＝2.75 s.
(2)在匀加速阶段因为摩擦产生热量，设为Q
s 相＝s 传－s ′＝3×1.5 m －2.25 m ＝2.25 m
Q ＝f ·s 相＝μmg ·s 相＝0.2×1×10×2.25 J ＝4.5 J.
答案：(1)2.75 s(2)4.5 J。