第2节 能量的转化与守恒
1.行驶的汽车刹车后停下来;流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰;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.物体的机械能转化为其他形式的能量
解析:这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用,汽车主要是制动阻力,流星、降落伞是空气阻力,条形磁铁下落受到磁场阻力,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,D项对。
答案:AD
2.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: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。故选A、D。
答案:AD
3.如图所示为冲击摆实验装置,飞行的子弹射入沙箱后与之合为一体,共同摆起一定高度,则下面有关能的转化的说法中正确的是( )
A.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的内能
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了沙箱和子弹的内能,另一部分转变成了沙箱和子弹的机械能
解析:由于摩擦力做功,有一部分机械能转化为内能。
答案:D
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Q,气体内能增量为ΔU,则( )
A.ΔU=Q B.ΔUC.ΔU>Q D.无法比较
解析:两部分气体混合均匀后,密度相同,则整体重心上移,吸收的热量有一部分转化为重力势能,由能量守恒定律并结合热力学第一定律,可知B正确。
答案:B
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( )
A.温度计示数变大,实验表明气体对外界做功,内能减少
B.温度计示数变大,实验表明外界对气体做功,内能增加
C.温度计示数变小,实验表明气体对外界做功,内能减少
D.温度计示数变小,实验表明外界对气体做功,内能增加
解析:气体膨胀对外做功,内能减少,温度降低。
答案:C
6.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QA、QB,则( )
A.QA=QB B.QAC.QA>QB D.无法确定QA、QB的大小
解析:当A、B两球升高相同的温度时,根据热胀冷缩原理可知,A、B球重心发生变化,A球重心升高的高度等于B球重心降低的高度,且在此过程中A球克服重力做功,B球受到重力对其做正功,且由题意分析在吸热过程中,它们升高相同的温度,内能增量ΔU相同,由热力学第一定律ΔU=Q+W知,QA=ΔU-WA,QB=ΔU-WB,由于WA<0,WB>0,所以QA>QB。
答案:C
7.下面提供了科技发展的四则信息。
①低温技术已有重大突破,1933年低温已达0.25 K,1995年通过一系列巧妙的方法已达到1×10-8 K。随着低温技术的出现和发展,科学家一定能把热力学温度降到绝对零度以下;
②随着火箭技术的发展,人类一定能够在地球上任意位置的上空发射一颗同步卫星;
③一个国际科研小组正在研究某种使光速大大降低的介质,这些科学家希望在不久的将来能使光的速度降到每小时40 m左右,慢到几乎与乌龟爬行的速度相仿;
④由于太阳的照射,海洋表面的温度可达30 ℃左右,而海洋深处的温度则低很多,在水深100~600 m的地方,水温约4 ℃,因此人们正在研究一种抗腐蚀的热交换器,利用海水温差发电,并取得了成功。
请辨别、判断以上信息中正确的是( )
A.①② B.②④ C.①③ D.③④
解析:四则信息均为与当今科技发展前沿相关的信息,但①项违背了热力学第三定律,即绝对零度不可达到;②项中同步卫星只能在赤道正上方;③项中光速与介质有关,光在不同介质中传播速度不同;④项中叙述符合能量守恒定律且不违背什么物理原理。
答案:D
8.试说明下列现象中能量转化的情况。
(1)在水平公路上行驶的汽车,发动机熄火之后,速度越来越小,最后停止; 。?
(2)你用力蹬自行车上一个斜坡; 。?
(3)植物的光合作用; 。?
(4)用太阳能电池作动力的电动汽车在赛车场上奔驰; 。?
(5)用柴油机带动发电机发电,供给电动水泵抽水,把水从低处抽到高处; 。?
答案:(1)机械能转化为内能 (2)化学能转化为机械能和内能 (3)太阳能转化为化学能 (4)太阳能转化为电能再转化为机械能 (5)内能转化为电能,电能转化为机械能
9.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多少?
解析:在时间t内吹在风车上的空气的质量为
m1=πd2·vt·ρ,
风的动能Ek=m1v2=πd2v3tρ。
根据题意πd2v3tρ×50%×80%=mgh,
则。
答案:
11.6 《能量的转化和守恒》教案
教学目标
一、知识与技能
1.知道能量守恒定律。
??? 2.能举出日常生活中能量守恒的实例。
3.有用能量守恒的观点分析物理现象的意识。
二、过程与方法
1.通过学生自己做小实验，发现各种现象的内在联系，体会各种形式能量之间的相互转化。
2.通过学生讨论体会能量不会凭空消失，只会从一种形式转化为其他形式，或从一个物体转移到另一个物体。
三、情感、态度与价值观
1.通过学生自己做小实验，激发学生的学习兴趣。2.对能量的转化和守恒有一个感性的认识，为建立科学世界观和科学思维方法打基础。
3.通过学生讨论锻炼学生分析问题的能力。
教学重点：能的转化和守恒定律，强调能的转化和守恒定律是自然科学中最基本定律。学习运用能的转化和守恒原理计算一些物理习题。
教学难点：运用能的转化和守恒定律对具体的自然现象进行分析，说明能是怎样转化的。
教学过程
一、引入新课
我们知道刀具在砂轮上磨削时，刀具发热是因为通过摩擦力做功，机械能转化为内能。在暖气片上放有一瓶冷水，过一段时间后水变热，这是通过热量传递使这瓶水内能增加。这些实例中，物体的内能为什么增加了？是凭空产生的还是由其他形式能转化来的？这就是今天要学习的内容。
二、新课学习
1．能的转化
想想做做：按照书中的操作，观察发生的现象，说一说发生了那些能量的转化。
（1）摩擦手，手发热：机械能转化为内能。
（2）黑塑料袋盛水，阳光下，温度升高：光能转化为内能。
（3）连在太阳电池的小电扇对着阳光，转动起来：光能转化为机械能。
（4）钢笔杆摩擦后会吸引小纸片：机械能转化为电能。
看来各种形式的能，在一定的条件下是可以相互转化的，仔细观察下面的能量相互转化的图示，你能不能找到更多的实例？
（1）运动的汽车紧急刹车，汽车最终停下来。这过程中汽车的动能（机械能）转化为轮胎和路面的内能。
（2）把一铁块放入盛有水的烧杯中，用酒精灯加热烧杯内水，直至水沸腾。在这一过程中，铁块从周围水中吸收了热量使它温度升高，内能增加。这过程中水的一部分内能通过热量传递使铁块内能增加。
其他形式的能也可以和内能相互转化。
（1）介绍其他形式能：我们学习过机械运动有机械能，热运动有内能，实际上自然界存在着许多不同形式的运动，每种运动都有一种对应的能量，如电能、磁能、光能、化学能、原子能等。
（2）不仅机械能和内能可以相互转化，其他形式能也可以和内能相互转化，举例说明：（同时放映幻灯片）
① 电炉取暖：电能→内能
② 煤燃烧：化学能→内能
③ 炽热灯灯丝发光：内能→光能
（3）其他形式的能彼此之间都可以相互转化。
播放动画：大自然中能量的转换?
2．能量守恒定律
大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，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别的形式，或者从一个物体转移到别的物体。”这就是能量守恒定律。
在学习力学知识时，学习了机械能守恒定律。机械能守恒定律是有条件限制的定律，而且实际现象中是不可能实现的。而能的转化和守恒定律是存在于普遍自然现象中的自然规律。这规律对物理学各个领域的研究，如力学、电学、热学、光学等都有指导意义。它也对化学、生物学等自然科学的研究都有指导作用。
3．永动机不可能制成
历史上不少人希望设计一种机器，这种机器不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。这种机器被称为永动机。虽然很多人，进行了很多尝试和各种努力，但无一例外地以失败告终。失败的原因是设计者完全违背了能的转化和守恒定律，任何机器运行时其能量只能从一种形式转化为另一种形式。如果它对外做功必然消耗能量，不消耗能量就无法对外做功，因而永动机是永远不可能制造成功的。
4．运用能的转化和守恒定律进行物理计算
例题：用铁锤打击铁钉，设打击时有80％的机械能转化为内能，内能的50％用来使铁钉的温度升高。问打击20次后，铁钉的温度升高多少摄氏度？已知铁锤的质量为 1.2kg，铁锤打击铁钉时的速度是 10m/s，铁钉质量是 40g，铁的比热是5.0×102J/（kg·℃）。
首先让学生分析铁锤打击铁钉的过程中能量的转化。归纳学生回答结果，指出铁锤打击铁钉时，铁锤的一部分动能转化为内能，而且内能中的一半被铁钉吸收，使它的温度升高。如果用ΔE表示铁钉的内能增加量，铁锤和铁钉的质量分别用M和m表示，铁锤打击铁钉时的速度用v表示。依据能的转化和守恒定律，有
铁钉的内能增加量不能直接计算铁钉的温度，我们把机械能转化为内能的数量等效为以热传递方式完成的，因此等效为计算打击过程中铁钉吸收多少热量，这热量就是铁钉的内能增加量。因此有
Q=cmΔt
上式中c为铁钉的比热，Δt表示铁钉的温度升高量。将上面两个公式联立，得出
经计算得出铁钉温度升高 24℃。在这个物理计算过程中突出体现了如何应用能的转化和守恒定律这一基本原理。
应该注意，有的同学把上述题目中铁锤打击铁钉过程中的能量转化，说成“铁锤做功转化为热量”是不正确的。只能说做功与热量传递在使物体内能改变上是等效的。
三、课堂小结
自然界的物质有不同的运动形式，每一种运动都对应着一种能。能不能凭空产生，也不能凭空消失，自然界各种形式的能存在着相互转化过程，转化过程中总量是守恒的。能的转化和守恒定律是自然界最基本的物理定律。
同学们要会分析一些自然现象中能是怎样转化的。应该知道，根据能的转化和守恒定律，永动机是不可能制造成功的。
