鲁科版高中物理选择性必修第三册精品课件 第3章 第2节 能量的转化与守恒
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(4)一个物体的能量在减少,必然有后停止在地面上,说明能量消失了。( × )
解析 石子停止在地面上,机械能转化为内能。
2.(多选)下面设想符合能量守恒定律的是( ) A.利用永久磁铁间的作用力,造一台永远转动的机械 B.做一条船,利用太阳的能量逆水行舟 C.通过太阳照射飞机,使飞机不带燃料也能飞行 D.利用核动力,使地球离开太阳系
想一想(1)在能量发生转化或转移时,能量的总量会减少吗? (2)人在跑步时,储存在人体内的能量是如何转化的? 提示 (1)能量的总量不会减少。 (2)一部分能量转化为动能,另一部分能量转化为内能。
自我检测 1.正误判断,判定结果为错误的小题请写出原因。 (1)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。( √ ) (2)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能。( √ ) (3)能量既可以转移又可以转化,故能量的总量是可以变化的。( × ) 解析 能量的总量保持不变。
二、能量守恒定律及其应用
1.能量守恒定律 能量既不会消失,也不会创生,它只能从一种形式 转化 为其他形式,或 者从一个物体 转移 到其他物体,而能量的总值 保持不变 。 2.能量守恒定律的意义 (1)各种形式的能量可以相互转化。 (2)各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 (3)热力学第一定律就是能量守恒定律在 热现象 领域内的具体体现。
第3章 第2节 能量的转化与守恒
学习目标
1.理解能量守恒定律。(物理观念) 2.能用能量守恒的观点解释自然现象。(物理观念) 3.体会能量守恒定律是最基本最普遍的自然规律之一。(物理观念)
思维导图
01 课前篇 自主预习
内
容
02 课堂篇 探究学习
索
引
03 随堂检测
课前篇 自主预习
必备知识 一、能量守恒定律的发现 1.迈尔的发现:从理论上具体论证了机械能、内能、化学能、电磁能等都 可相互转化,提出了物理、化学过程中 能量守恒 的思想。 2.焦耳的研究:通过实验得出了 焦耳定律 ,从而给出了电能向内能转化 的定量关系,为发现普遍的能量守恒定律打下基础。 3.亥姆霍兹的贡献:系统地阐述了能量守恒原理,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,将能量守恒原理与永动机不可能实现联系起来。
本课结束
5.如图所示,厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针,另
一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒通过气针慢慢向容器内打
气,使容器内的压强增大到一定程度,这时读出温度计示数。打开卡子,胶
塞冲出容器口后,温度计示数
,实验表明
对
做功,内
能
。
答案 变小 气体 外界 减少 解析 胶塞冲出容器口的过程中,气体膨胀,对外做功,W<0,由于没时间进行 热交换,由ΔU=W可知内能减小。内能等于分子动能与势能之和,由于体积 增大,势能增大,所以分子平均动能减小,所以温度降低,温度计示数变小。
4.第一类永动机失败的原因分析 如果没有外界热源供给热量,则有U2-U1=W,就是说,如果系统内能减少,即 U2<U1,则W<0,系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地 做功,就必须使系统不断回到初始状态,在无外界能量供给的情况下是不可 能的。
典例剖析
例题 如图所示,密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞,活塞的 上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中 的轻弹簧一端固定于容器的底部,另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳 拉紧,此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。 现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后 活塞静止,气体达到平衡状态。经过此过程( ) A.Ep全部转换为气体的内能 B.Ep一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能 C.Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 D.Ep一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换为气体的内能,其余部分仍 为弹簧的弹性势能
答案 C 解析 永动机违背了能量守恒定律,即使以后科技再发达,也不可能制成,A 错误;太阳辐射大量的能量,地球只吸收了极小的一部分,辐射到宇宙空间 的能量没有消失,而是转化为别的能量,B错误;马运动必须消耗能量,动物 的能量来源于食物中储存的化学能,C正确;所谓“全自动”手表内部还是有 能量转化装置的,一般是一个摆锤,当人戴着手表活动时,摆锤不停地摆动, 给游丝弹簧补充能量,才会维持手表的走动,D错误。
规律方法 应用能量守恒定律解题的方法步骤 (1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能 等)在相互转化。 (2)分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。 (3)根据下列两种思路列出能量守恒方程:ΔE减=ΔE增。 ①某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加,且减少量与增加量 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,且减少量与增加量 一定相等。 (4)代入数据,计算结果。
答案 B 解析 由于两管粗细相同,作用在液体上的大气压力的合力为零,故大气压 力不做功;水流动过程中重心下降,重力做正功,水的重力势能减少,减少的 重力势能最终转化为内能,故水的内能增大,选项B正确,A、C、D错误。
2.下列说法正确的是( ) A.随着科技的发展,永动机是可以制成的 B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间 的能量都消失了 C.“既要马儿跑,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的 D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动, 说明能量可以凭空产生
随堂检测
1.如图所示,上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门,开始时阀 门关闭,两管中的水面高度差为h。现将阀门打开,最终两管水面相平,不计 与外界的热交换,则这一过程中( ) A.大气压做正功,重力做负功,水的内能不变 B.大气压不做功,重力做正功,水的内能增大 C.大气压不做功,重力做负功,水的内能增大 D.大气压做负功,重力做正功,水的内能不变
答案 BCD 解析 利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能,但由于摩擦力的 不可避免性,动能最终转化为内能使转动停止,故A不符合;可利用光能的可 转化性和电能的可收集性,使光能转化为船的动能或飞机的动能,实现逆水 行舟或飞机不带燃料飞行,故B、C符合;利用反冲理论,以核力为能源,使地 球获得足够大的速度,挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系,故D符合。
知识归纳 1.能量的存在形式及相互转化 (1)各种运动形式都有对应的能量:机械运动有机械能,分子的热运动有内 能,还有电磁能、化学能、原子能等。 (2)各种形式的能,通过某种力做功可以相互转化。例如,利用电炉取暖或 烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升 高,机械能转化为内能。 2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的 例如,物体的机械能守恒,必须满足只有重力或系统内的弹力做功;而能量 守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。
3.如图所示为冲击摆实验装置,一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体,共 同摆起一定的高度,则下面有关能量的转化的说法正确的是( ) A.子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能 B.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的势能 C.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能 D.子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能, 另一部分转变成沙箱和子弹的机械能
3.能量守恒定律的重要意义 (1)找到了各种自然现象的公共量度——能量,从而把各种自然现象用能量 规律联系起来,揭示了自然规律的多样性和统一性。 (2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围,从本质上表明了各种运动 形式之间的相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍, 它是物理学中解决问题的重要思维方法。 (3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。
答案 D
解析 当绳子突然断开时,活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体 对活塞向下的压力F'共同作用,其合力向上,经多次往复运动后活塞静止时, 活塞处于三力平衡状态,气体体积必减小,外力对气体做正功,由于容器绝 热,气体的内能增加,而活塞最终的静止位置比初始位置高,其重力势能增 加,最终弹力与另外两个力的合力平衡,弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性 势能为Ep',由能量守恒定律得Ep等于Ep'、活塞增加的重力势能、气体增加 的内能之和,所以D选项正确。
变式训练 汽车关闭发动机后,沿斜面匀速下滑的过程中( ) A.汽车的机械能守恒 B.汽车的动能和势能相互转化 C.汽车的机械能转化成内能,汽车的总能量减少 D.汽车的机械能逐渐转化为内能,汽车的总能量守恒
答案 C 解析 汽车能匀速下滑,一定受阻力作用,克服阻力做功,机械能转化为内能, 一部分内能散发出去,汽车的总能量减少。
答案 D 解析 子弹在射入沙箱瞬间,要克服摩擦阻力做功,一部分动能转变成沙箱 和子弹的内能,另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能。
4.如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的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 吸热为Q,气体的内能增加量为ΔU,则( ) A.ΔU=Q B.ΔU<Q C.ΔU>Q D.无法确定 答案 B 解析 A、B两部分气体开始的合重心在中线以下,混合均匀后,合重心在中 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=ΔEp+ΔU,故Q>ΔU。
课堂篇 探究学习
问题 能量守恒定律及其应用 情境探究 (1)下图示意的永动机能实现吗? (2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?
要点提示 (1)不能,违反了能量守恒定律。 (2)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保持不变, 它包括各个领域,范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他形式的能 之间的相互转化或转移,是能量守恒定律的具体体现。
解析 石子停止在地面上,机械能转化为内能。
2.(多选)下面设想符合能量守恒定律的是( ) A.利用永久磁铁间的作用力,造一台永远转动的机械 B.做一条船,利用太阳的能量逆水行舟 C.通过太阳照射飞机,使飞机不带燃料也能飞行 D.利用核动力,使地球离开太阳系
想一想(1)在能量发生转化或转移时,能量的总量会减少吗? (2)人在跑步时,储存在人体内的能量是如何转化的? 提示 (1)能量的总量不会减少。 (2)一部分能量转化为动能,另一部分能量转化为内能。
自我检测 1.正误判断,判定结果为错误的小题请写出原因。 (1)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。( √ ) (2)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能。( √ ) (3)能量既可以转移又可以转化,故能量的总量是可以变化的。( × ) 解析 能量的总量保持不变。
二、能量守恒定律及其应用
1.能量守恒定律 能量既不会消失,也不会创生,它只能从一种形式 转化 为其他形式,或 者从一个物体 转移 到其他物体,而能量的总值 保持不变 。 2.能量守恒定律的意义 (1)各种形式的能量可以相互转化。 (2)各种物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 (3)热力学第一定律就是能量守恒定律在 热现象 领域内的具体体现。
第3章 第2节 能量的转化与守恒
学习目标
1.理解能量守恒定律。(物理观念) 2.能用能量守恒的观点解释自然现象。(物理观念) 3.体会能量守恒定律是最基本最普遍的自然规律之一。(物理观念)
思维导图
01 课前篇 自主预习
内
容
02 课堂篇 探究学习
索
引
03 随堂检测
课前篇 自主预习
必备知识 一、能量守恒定律的发现 1.迈尔的发现:从理论上具体论证了机械能、内能、化学能、电磁能等都 可相互转化,提出了物理、化学过程中 能量守恒 的思想。 2.焦耳的研究:通过实验得出了 焦耳定律 ,从而给出了电能向内能转化 的定量关系,为发现普遍的能量守恒定律打下基础。 3.亥姆霍兹的贡献:系统地阐述了能量守恒原理,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,将能量守恒原理与永动机不可能实现联系起来。
本课结束
5.如图所示,厚壁容器的一端通过胶塞插进一支灵敏温度计和一根气针,另
一端有个用卡子卡住的可移动胶塞。用打气筒通过气针慢慢向容器内打
气,使容器内的压强增大到一定程度,这时读出温度计示数。打开卡子,胶
塞冲出容器口后,温度计示数
,实验表明
对
做功,内
能
。
答案 变小 气体 外界 减少 解析 胶塞冲出容器口的过程中,气体膨胀,对外做功,W<0,由于没时间进行 热交换,由ΔU=W可知内能减小。内能等于分子动能与势能之和,由于体积 增大,势能增大,所以分子平均动能减小,所以温度降低,温度计示数变小。
4.第一类永动机失败的原因分析 如果没有外界热源供给热量,则有U2-U1=W,就是说,如果系统内能减少,即 U2<U1,则W<0,系统对外做功是要以内能减少为代价的。若想源源不断地 做功,就必须使系统不断回到初始状态,在无外界能量供给的情况下是不可 能的。
典例剖析
例题 如图所示,密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞,活塞的 上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中 的轻弹簧一端固定于容器的底部,另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳 拉紧,此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。 现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后 活塞静止,气体达到平衡状态。经过此过程( ) A.Ep全部转换为气体的内能 B.Ep一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能 C.Ep全部转换成活塞的重力势能和气体的内能 D.Ep一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换为气体的内能,其余部分仍 为弹簧的弹性势能
答案 C 解析 永动机违背了能量守恒定律,即使以后科技再发达,也不可能制成,A 错误;太阳辐射大量的能量,地球只吸收了极小的一部分,辐射到宇宙空间 的能量没有消失,而是转化为别的能量,B错误;马运动必须消耗能量,动物 的能量来源于食物中储存的化学能,C正确;所谓“全自动”手表内部还是有 能量转化装置的,一般是一个摆锤,当人戴着手表活动时,摆锤不停地摆动, 给游丝弹簧补充能量,才会维持手表的走动,D错误。
规律方法 应用能量守恒定律解题的方法步骤 (1)认清有多少种形式的能(例如动能、势能、内能、电能、化学能、光能 等)在相互转化。 (2)分别写出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。 (3)根据下列两种思路列出能量守恒方程:ΔE减=ΔE增。 ①某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加,且减少量与增加量 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,且减少量与增加量 一定相等。 (4)代入数据,计算结果。
答案 B 解析 由于两管粗细相同,作用在液体上的大气压力的合力为零,故大气压 力不做功;水流动过程中重心下降,重力做正功,水的重力势能减少,减少的 重力势能最终转化为内能,故水的内能增大,选项B正确,A、C、D错误。
2.下列说法正确的是( ) A.随着科技的发展,永动机是可以制成的 B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空间 的能量都消失了 C.“既要马儿跑,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的 D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动, 说明能量可以凭空产生
随堂检测
1.如图所示,上端开口、粗细均匀的U形管的底部中间有一阀门,开始时阀 门关闭,两管中的水面高度差为h。现将阀门打开,最终两管水面相平,不计 与外界的热交换,则这一过程中( ) A.大气压做正功,重力做负功,水的内能不变 B.大气压不做功,重力做正功,水的内能增大 C.大气压不做功,重力做负功,水的内能增大 D.大气压做负功,重力做正功,水的内能不变
答案 BCD 解析 利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能,但由于摩擦力的 不可避免性,动能最终转化为内能使转动停止,故A不符合;可利用光能的可 转化性和电能的可收集性,使光能转化为船的动能或飞机的动能,实现逆水 行舟或飞机不带燃料飞行,故B、C符合;利用反冲理论,以核力为能源,使地 球获得足够大的速度,挣脱太阳引力的束缚而离开太阳系,故D符合。
知识归纳 1.能量的存在形式及相互转化 (1)各种运动形式都有对应的能量:机械运动有机械能,分子的热运动有内 能,还有电磁能、化学能、原子能等。 (2)各种形式的能,通过某种力做功可以相互转化。例如,利用电炉取暖或 烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升 高,机械能转化为内能。 2.与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的 例如,物体的机械能守恒,必须满足只有重力或系统内的弹力做功;而能量 守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。
3.如图所示为冲击摆实验装置,一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体,共 同摆起一定的高度,则下面有关能量的转化的说法正确的是( ) A.子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能 B.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的势能 C.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能 D.子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能, 另一部分转变成沙箱和子弹的机械能
3.能量守恒定律的重要意义 (1)找到了各种自然现象的公共量度——能量,从而把各种自然现象用能量 规律联系起来,揭示了自然规律的多样性和统一性。 (2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围,从本质上表明了各种运动 形式之间的相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍, 它是物理学中解决问题的重要思维方法。 (3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。
答案 D
解析 当绳子突然断开时,活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体 对活塞向下的压力F'共同作用,其合力向上,经多次往复运动后活塞静止时, 活塞处于三力平衡状态,气体体积必减小,外力对气体做正功,由于容器绝 热,气体的内能增加,而活塞最终的静止位置比初始位置高,其重力势能增 加,最终弹力与另外两个力的合力平衡,弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性 势能为Ep',由能量守恒定律得Ep等于Ep'、活塞增加的重力势能、气体增加 的内能之和,所以D选项正确。
变式训练 汽车关闭发动机后,沿斜面匀速下滑的过程中( ) A.汽车的机械能守恒 B.汽车的动能和势能相互转化 C.汽车的机械能转化成内能,汽车的总能量减少 D.汽车的机械能逐渐转化为内能,汽车的总能量守恒
答案 C 解析 汽车能匀速下滑,一定受阻力作用,克服阻力做功,机械能转化为内能, 一部分内能散发出去,汽车的总能量减少。
答案 D 解析 子弹在射入沙箱瞬间,要克服摩擦阻力做功,一部分动能转变成沙箱 和子弹的内能,另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能。
4.如图所示,直立容器内部有被隔板隔开的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 吸热为Q,气体的内能增加量为ΔU,则( ) A.ΔU=Q B.ΔU<Q C.ΔU>Q D.无法确定 答案 B 解析 A、B两部分气体开始的合重心在中线以下,混合均匀后,合重心在中 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=ΔEp+ΔU,故Q>ΔU。
课堂篇 探究学习
问题 能量守恒定律及其应用 情境探究 (1)下图示意的永动机能实现吗? (2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系?
要点提示 (1)不能,违反了能量守恒定律。 (2)能量守恒定律是各种形式的能相互转化或转移的过程,总能量保持不变, 它包括各个领域,范围广泛。热力学第一定律是物体内能与其他形式的能 之间的相互转化或转移,是能量守恒定律的具体体现。