2019年物理粤教选修3-3学案 第三章+第三节+能量守恒定律+Word版含解析

第三节能量守恒定律
1．不同形式的能之间可以相互转化，例如，电流通过导体时，电能转化为内能，燃料燃烧时，化学能转化为内能，炽热的灯丝发光，内能转化为光能。
2．各种形式的能相互转化过程中守恒，能量守恒定律的内容为：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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变。
3．能量守恒定律是自然界中的一条普遍规律，恩格斯把这一定律称为“伟大的运动基本定律”，并把这一定律和细胞学说、达尔文的生物进化论称为19世纪自然科学的三大发现。
4．第一类永动机是指不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器，它不可能造成的原因是违背了能量守恒定律。
5．能量守恒定律的发现在物理学理论的发展上使经典物理学从经验科学发展成完整的理论科学，在哲学上为辩证唯物主义自然观提供了自然科学基础，揭示了自然界中各种不同的运动形式是相互联系的，且在转化过程数量上保持守恒。所以，能量守恒定律论证了物质运动的不灭性和统一性。
能量守恒定律
1．能量守恒定律的内容
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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移的过程中其总量不变。
2．对能量守恒定律的理解
(1)能量的存在形式及相互转化
各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁能、化学能、原子能等。
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，必须是只有重力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它是一切自然界现象都遵守的基本规律。
(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定量规律联系起来，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能量守恒定律与细胞学说、达尔文的生物进化论并称19世纪自然科学中三大发现。
(1)在能量转化过程中，要正确理解能量转化的量度——功，能量转化是通过做功完成的。
(2)热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒的具体体现。
1．[多选]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内能
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AB　核电站是核能转化为电能，生石灰使水温升高是化学能转化为内能，所以C、D错误；太阳灶烧水是利用太阳能给水加热。即太阳能转化为水的内能，所以A正确；电灯是将电能转化为光能的装置，所以B项正确。
第一类永动机不可能造成
1．第一类永动机
不需要任何动力或燃料却能不断对外做功的机器。
2．第一类永动机不可能造成的原因分析
如果没有外界热源提供热量，由热力学第一定律有Q＝0，ΔU＝W，就是说如果系统的内能减少，则W<0，系统对外做功是要以内能的减少为代价的。如果不消耗内能，应有ΔU＝0，由热力学第一定律可知Q＝－W，这说明，要想源源不断地对外做功，物体必须从热源不断地吸取热量(Q>0)，因此，在无外界能量供给的前提下，这是不可能的。
能量守恒定律是自然界中普遍适用的规律，任何能量转化和转移过程都遵循此规律。第一类永动机违背了能量守恒定律，所以第一类永动机永远也不可能造成。
2．(江苏高考)如图所示，一演示用的“永动机”转轮由 5 根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　)
A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
解析：选D　形状记忆合金从热水中吸收热量后，伸展划水时一部分热量转变为水和转轮的动能，另一部分释放到空气中，根据能量守恒定律可知只有D项正确。
热学中的能量守恒问题
[例1]　如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，初温相同。A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂。现只让它们吸热，当它们升高相同的温度时，吸热分别为QA、QB，则(　　)
A．QA＝QB　　　　　 B．QAC．QA>QB D．无法确定
[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，重力势能增加，吸热QA一部分用于升温，一部分用于增加重力势能ΔEP，即QA＝Q＋ΔEp；B的重心降低，重力势能减小，吸热QB和减少的重力势能ΔEp共同用于升温，即Q＝QB＋ΔEp，显然QA>QB，故C选项正确。
[答案]　C
借　题　
发　挥
(1)重力势能的变化是此题的关键，无论能量怎样变化，能量总是守恒的。
(2)热力学过程中，系统做功情况有时表现得很不明显，需要仔细分析，然后通过系统的能量转化情况来进行判断。
能量守恒定律的综合应用
[例2]　风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上，设空气密度为ρ。假设风的动能有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%，求单位时间内最多可提升的水的质量。
[解析]　设时间t内提升水的质量为M，在时间t内吹到风车上的空气质量为m风，则：
m风＝ ρ
其动能Ek风＝m风v2
由能量守恒定律有Ek风×50%×80%＝Mgh
联立解得＝，
即单位时间内提升水的质量为。
[答案]　
借　题　
发　挥
利用能量守恒定律解题必须认真分析能量的转化方向，理清能量转化中对应的功，真正理解：
(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。
1．[多选]下列设想中，符合能的转化和守恒的有(　　)
A．利用永磁铁和软铁的作用，做一架机器永远地运动下去
B．制造一架飞机，不带燃料，利用太阳能就能飞行
C．做成一只船，利用水的流动，逆水行驶，不用其他力
D．利用核动力，驶离太阳系
解析：选BD　由能的转化和守恒定律知第一类永动机不可能制成，由此可得B、D正确。
2．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之间相互转化
D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒
解析：选D　秋千摆动的幅度越来越小，说明机械能有所减少，机械能减少并不代表能量消失了，而是转化为其他形式的能量，这个能量就是内能，能量仍然是守恒的，故D正确。
3．一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是(　　)
A．物体的机械能和内能都不变
B．物体的机械能减少，内能不变
C．物体的机械能增加，内能增加
D．物体的机械能减少，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，这斜面一定是不光滑的，铁块下滑时要克服摩擦力做功，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，内能会增加。故D正确。
4．假设在一个完全密封绝热的室内，放一台打开门的电冰箱，然后遥控接通电源，令电冰箱工作一段较长的时间后再遥控断开电源，等室内各处温度达到平衡时，室内气温与接通电源前相比(　　)
A．一定升高
B．一定降低
C．一定不变
D．可能升高，可能降低，也可能不变
解析：选A　冰箱工作时，要给它输送电能，据能量守恒定律，消耗的电能，通过冰箱转化为密封绝热的室内系统的内能，绝热的室内系统的内能比通电前大，温度升高，A正确。
5．[多选]文艺复兴时期意大利的达·芬奇(Leonardo da Vinci，1452－1519)设计如图所示的装置。他设计时认为，在轮子转动过程中，右边的小球总比左边的小球离轮心更远些，在两边不均衡的力矩作用下会使轮子沿箭头方向转动不息，而且可以不断地向外输出能量。但实验结果却是否定的。达·芬奇敏锐地由此得出结论：永动机是不可能实现的。下列有关的说法中正确的是(　　)
A．如果没有摩擦力和空气阻力，该装置就能永不停息地转动，并在不消耗能量的同时不断地对外做功
B．如果没有摩擦力和空气阻力，忽略碰撞中能量的损耗，并给它一个初速度就能永不停息地转动，但在不消耗能量的同时，并不能对外做功
C．右边所有小球施加于轮子的动力矩并不大于左边所有小球施于轮子的阻力矩，所以不可能在不消耗能量的同时，不断地对外做功
D．在现代科学技术比较发达的今天，这种装置可以实现它永不停息的转动，在不消耗其它能量的基础上，而且还能源源不断地对外做功
解析：选BC　机器对外做功，就必须消耗能量，永动机违背了能量守恒定律，是不可能实现的。A、D错误，B、C正确。
6．[多选]一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，未从木块中穿出。对于这一过程，下列说法中正确的是(　　)
A．子弹减少的机械能等于木块增加的机械能
B．子弹减少的动量等于木块增加的动量
C．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与增加的内能之和
D．子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块的内能增量之和
解析：选BD　子弹击木块未穿出，它们之间摩擦生热，子弹减少的机械能一部分转化为子弹和木块的内能，A、C错误； 子弹木块系统合外力为零，动量守恒，能量也守恒，B、D正确。
7．如图所示，有两个同样的球，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，若使a、b两球吸收相同的热量，则两球升高的温度(　　)
A．Δta>Δtb B．Δta<Δtb
C．Δta＝Δtb D．无法比较
解析：选B　两球受热后，体积都要膨胀，a球因球的重心稍微升高，克服重力做功而耗费一部分热量，用来提高球体温度的热量小于吸收的热量；b球因球的重心稍微降低，一部分重力势能转化为内能，用来提高球体温度的热量大于吸收的热量。故a球升高的温度Δta小于b球升高的温度Δtb，B正确。
8．[多选]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：选AD　这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要受制动阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力。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。
9.如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A，B两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则(　　)
A
B
A．ΔU＝Q　　　　　　　 B．ΔUC．ΔU>Q D．无法比较
解析：选B　因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体气体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能。故正确答案为B。
10.一小滑块放在如图所示的凹形斜面上，用力F沿斜面向下拉小滑块，小滑块沿斜面运动了一段距离。若已知在这过程中，拉力F所做的功的大小(绝对值)为A，斜面对滑块的作用力所做的功的大小为B，重力做功的大小为C，空气阻力做功的大小为D。当用这些量表达时，小滑块的动能的改变(指末态动能减去初态动能)等于多少？滑块的重力势能的改变等于多少？滑块机械能(指动能与重力势能之和)改变了多少？
解析：根据动能定理，动能的改变等于外力做功的代数和，其中做负功的有空气阻力，斜面对滑块的作用力的功(因弹力不做功，实际上为摩擦阻力的功)，因此ΔEk＝A－B＋C－D；根据重力做功与重力势能的关系，重力势能的减少等于重力做的功，因此ΔEp＝－C；滑块机械能的改变等于重力之外的其他力做的功，因此ΔE＝A－B－D。
答案：ΔEk＝A－B＋C－D；ΔEp＝－C；ΔE＝A－B－D
11．一辆汽车功率为29.4 kW，以10 m/s的平均速率行驶，已知汽车发动机的效率为60%，汽油的燃烧值为4.7×107 J/kg，那么汽车行驶50 km的路需消耗多少汽油？
解析：汽车行驶50 km所用时间
t＝ s＝5×103 s。
W＝Pt＝29.4×103×5×103 J＝1.47×108 J。
设消耗汽油质量为m，则有W＝ηmq，
m＝＝≈5.2 kg，
解得m≈5.2 kg。
答案：5.2 kg
12.如图所示，一个小铁块沿半径为R＝0.2 m的半球内壁自上端由静止下滑，当滑至半球底部时，速度为1 m/s，设此过程中损失的机械能全部变为内能，并有40%被铁块吸收。已知铁的比热容c＝0.46×103 J/(kg·℃)，重力加速度g取10 m/s2。求铁块滑至半球底部时升高的温度。
解析：铁块滑到底部产生的内能
ΔE＝mgh－mv2＝1.5m J
升高温度Δt＝＝1.3×10－3 ℃。
答案：1.3×10－3 ℃