鲁科版（2019）高中物理 必修第三册 第6章 第1节　能量的多种形式 第2节　能量的转化与守恒 第3节　珍惜大自然学案

第1节　能量的多种形式
第2节　能量的转化与守恒
第3节　珍惜大自然
学习目标：1.[物理观念]知道能量有多样形式，知道能量守恒定律，但转化是有方向性的，了解熵的概念及意义，能解释相关自然现象。2.[科学思维]能对能源的使用和环境保护提出自己的观点，能作出有依据的推理，能用与能量守恒、能量转化方向性相关的证据证明自己关于环境保护的观点，能提出有创意的改进建议。3.[科学探究]能通过上网查询，提出如何保护环境，节约能源的问题，能完成与能源和可持续发展相关的调研报告并进行交流。4.[科学态度与责任]知道物理学是人类认识自然的方式之一，能主动关心能源与可持续发展的问题，具有力所能及的节约能源，保护环境的自觉行为。
一、能量的多种形式
1．多种形式的能量
机械能包括动能、重力势能和弹性势能等；内能指分子无规则运动的动能和分子势能的总和；一切物体都具有内能，通常情况下，同一物体温度越高，具有的内能就越大；电能是指电以各种形式做功的能力；化学能是储存在食物或燃料等物质中的能量；核能是由于物质的原子核结构发生变化而释放的能量。
2．可再生能源与不可再生能源
能源可分为一次能源和二次能源。一次能源是指直接取自自然界、未经加工转化的能源，如煤、石油、天然气等；二次能源是指由一次能源加工转化而成的能源产品，如电、煤气、蒸汽及各种石油制品等。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源，太阳能、水能、风能、生物质能、海洋能等在自然界可循环再生的能源，称为可再生能源；煤、石油、天然气、油页岩等在自然界中经过亿万年形成，短期内无法恢复的能源，称为不可再生能源。为了解决能源问题，人们正积极开发可再生能源和新能源。
说明：新能源主要有：太阳能、水能、风能、核能、地热能、生物质能、海洋能等。
二、能量守恒定律
大量的实验和研究都证明，任何形式的能量在转化和转移的过程中都遵守如下规律：在一个孤立系统里，能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，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其他物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律
注意：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间可以发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律。
三、自然过程的方向性　熵
1．英国物理学家开尔文及德国物理学家克劳修斯等对有关自然现象和经验事实进行了大量研究，总结出重要的自然规律：自然发生的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的不可逆过程。机械能可自动转化为内能，反过来，内能不可能自发地、不引起任何变化地完全转化为机械能；在热传递的过程中，内能总是自动地从高温物体向低温物体转移，而不可能自动地、不引起任何变化地从低温物体向高温物体转移。
2．处于不同状态的物体，分子运动的无序程度也不一样，为了描述这种差异，物理学中引入了熵这个物理量。熵越高，就意味着系统越无序；熵越低，就意味着系统越有序。
说明：与热现象有关的宏观过程，都是其他形式的能转化为内能，但内能不能自发地转化为其他形式的能。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)物体的温度越高，机械能一定越大。 (×)
(2)煤和石油属于不可再生能源。 (√)
(3)能量是守恒的，既不会增加，也不会减少。 (√)
(4)熵值越大代表着越有序。 (×)
2．市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。在阳光的照射下，小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置的能量转化情况是(　　)
A．太阳能→电能→机械能
B．太阳能→机械能→电能
C．电能→太阳能→机械能
D．机械能→太阳能→电能
A　[电池板中太阳能转化为电能，小电动机中电能转化为机械能，A正确。]
3．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．热量能自发地从高温物体传给低温物体
B．热量不能从低温物体传到高温物体
C．热传递是有方向性的
D．气体向真空中膨胀的过程是有方向性的
ACD　[如果是自发地进行，热量只能从高温物体传到低温物体，但这并不是说热量不能从低温物体传到高温物体，只是不能自发地进行，在外界条件的帮助下，热量也能从低温物体传到高温物体，A、C正确，B错误；气体向真空中膨胀的过程也是不可逆的，具有方向性的，D正确。]
对能量守恒定律的理解
在机械运动中物体的动能和势能可以相互转化，总的机械能保持不变，在燃烧煤炭的过程中能量是怎样转化的，在转化的过程中能量守恒吗？
提示：守恒，煤炭在燃烧时化学能转化为内能，在转化过程中能量的总量保持不变，守恒。
1．适用范围：能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律。
2．对能量守恒定律的理解
某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。
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．能量守恒定律应用的关键步骤
(1)明确研究对象和研究过程。
(2)找全参与转化或转移的能量，明确哪些能量增加，哪些能量减少。
(3)列出增加量和减少量之间的守恒式。
【例1】　如图所示，一个粗细均匀的U形管内装有同种液体，液体质量为m。在管口右端用盖板A密闭，两边液面高度差为h，U形管内液体的总长度为4 h，拿去盖板，液体开始运动，由于管壁的阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为(　　)
A.mgh　　 B.mgh
C.mgh D.mgh
[思路点拨]　(1)管内液体至最终停止运动时两端液面相平，液体的重力势能减小。
(2)系统减少的机械能转换为系统的内能。
A　[去掉右侧盖板之后，液体向左侧流动，最终两侧液面相平，液体的重力势能减少，减少的重力势能转化为内能。如图所示，最终状态可等效为右侧h的液柱移到左侧管中，即增加的内能等于该液柱减少的重力势能，则Q＝mg·h＝mgh，故A正确。]
运用能量守恒定律解题的基本思路
1．(多选)从光滑斜面上滚下的物体，最后停止在粗糙的水平面上，则(　　)
A．在斜面上滚动时，只有动能和势能的相互转化
B．在斜面上滚动时，有部分势能转化为内能
C．在水平面上滚动时，总能量正在消失
D．在水平面上滚动时，机械能转化为内能，总能量守恒
AD　[在光滑斜面上滚动时，只有重力做功，只发生动能和势能的相互转化；在水平面上滚动时，有摩擦力做功，机械能转化为内能，总能量是守恒的。]
自然过程的方向性
(1)如图是小型汽油机模型，汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？
(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？
提示：(1)汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。
(2)不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能。
1．热传导具有方向性
两个温度不同的物体相互接触时，热量会自动地从高温物体传给低温物体，而低温物体不可能自动地将热量传给高温物体，要实现低温物体向高温物体传递热量，必须借助外界的帮助，因而会产生其他影响或引起其他变化。
2．气体的扩散现象具有方向性
两种不同的气体可以自动地进入对方，最后成为均匀的混合气体，但这种均匀的混合气体，决不会自动地分开，成为两种不同的气体。
3．机械能和内能的转化过程具有方向性
物体在水平面上运动，因摩擦而逐渐停止下来，但绝不可能出现物体吸收原来传递出去的热量后，在地面上重新运动起来。
【例2】　(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性
B．一切不违背能量守恒定律的物理过程都是可能实现的
C．由自然过程的方向性可以判断物理过程能否自动进行
D．一切物理过程都不可能自动地进行
思路点拨：(1)能量转移和转化是有方向性的。
(2)不违背能量守恒定律的物理过程，违背方向性也不能实现。
AC　[能量转移和转化的过程都是具有方向性的，A正确；有些物理过程不违背能量守恒定律，但是不能实现，B错误；在热传递的过程中，能量可以自动地从高温物体传到低温物体，但其逆过程不可能自动地进行，C正确，D错误。]
一切物理过程均遵守能量守恒定律，但遵守能量守恒定律的物理过程不一定都能实现。
2．(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时，强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化，吸收箱体内的热量，经过冷凝器时制冷剂液化，放出热量到箱体外。下列说法正确的是(　　)
A．热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外
B．电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界，是因为其消耗了电能
C．电冰箱的工作原理不违背能量守恒定律
D．电冰箱的工作原理违背了能量守恒定律
BC　[能量守恒适用于所有的热学过程，选项C正确，D错误；热量不能自发地从低温物体传递到高温物体，要想使热量从低温物体传递到高温物体必须借助于其他系统做功，选项A错误，B正确。]
对熵的理解
熵值变大是怎么回事？
提示：熵值变大指无序性变大，自由度大，变得更混乱。
1．熵的微观意义：熵是系统内分子热运动无序性的量度。
2．熵是表示一个体系自由度的物理量。熵越大，表示在这个体系下的自由度越大，可能达到的状态越多。
3．熵不是守恒的量，在孤立体系中经过一个不可逆过程，熵总是增加的。
4．熵的本质：熵是体系微观混乱度的量度，混乱度越大，熵值也越大。
【例3】　(多选)下列说法正确的是(　　)
A．大量分子无规则的热运动能够自动转变为有序运动
B．热传递的自然过程是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化的过程
C．热传递的自然过程是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程
D．一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行
思路点拨：(1)热传递是有方向性的
(2)一切自发的过程都是向熵值变大的方向进行。
CD　[分子热运动是大量分子的无规则运动，系统的一个宏观过程包含着大量的微观状态，这是一个无序的运动，根据熵增加原理，热运动的结果只能使分子热运动更加无序，而不是变成了有序。热传递的自然过程从微观上讲就是大量分子从无序程度小的运动状态向无序程度大的运动状态转化的过程，故C、D正确。]
(1)一切自发过程都是不可逆的，是大量分子从有序运动状态向无序运动状态转化发展的过程，即无序性增大的过程。
(2)传热过程是大量分子由无序程度小的运动状态转化为无序程度大的运动状态的过程，体现了热传递的方向性。
3．(多选)下列关于熵的说法中正确的是(　　)
A．熵越大，系统的无序度越大
B．对于一个不可逆的绝热过程，其熵增大
C．气体向真空扩散时，熵值减小
D．自然过程中熵总是增加的，是因为通向无序的渠道要比通向有序的渠道多很多
ABD　[熵是系统内分子运动无序性的量度，熵越大，其无序程度越大，A正确；不可逆的绝热过程，其宏观态对应的微观态数目增大，其熵会增大，不会减小，B正确；气体向真空中扩散时，无序程度增大，熵值增大，C错误；自然过程中，无序度较大的宏观态出现的概率较大，因为通向无序的渠道多，D正确。]
1．物理观念：能源、能量守恒定律、熵。
2．科学思维：能分清可再生能源与不可再生能源，能够根据熵的变化，来节约能源、保护环境。
3．科学方法：观察法、调研法、推理归纳法等。
1．(多选)下列关于能量守恒定律的认识正确的是(　　)
A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加
B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机械——永动机不可能制成
D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了
ABC　[根据能量守恒定律可知，能量既不会消灭，也不会创生。能量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，A、B正确，D错误；永动机违背了能量守恒定律，故它不可能制造出来，C正确。]
2．如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰。此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是(　　)
A．流星同空气摩擦时机械能全部转化为内能
B．引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒
C．当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动
D．流星物体进入大气层后做斜抛运动
C　[流星同空气摩擦时只有部分机械能转化为内能，A错误；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。]
3．(多选)下列哪个过程具有方向性(　　)
A．热传导过程
B．机械能向内能的转化过程
C．气体的扩散过程
D．气体向真空中的膨胀
ABCD　[这四个过程都是与热现象有关的宏观过程，它们都具有方向性，A、B、C、D正确。]
4．(多选)关于孤立体系中发生的实际过程，下列说法中正确的是(　　)
A．系统的总熵不可能减小
B．系统的总熵可能增大，可能不变，还可能减小
C．系统逐渐从比较有序的状态向更无序的状态发展
D．系统逐渐从比较无序的状态向更加有序的状态发展
AC　[在孤立体系中发生的实际过程，其系统的总熵总是增大的，它不可能减小，故A正确，B错误；根据熵增加原理，该系统只能是从比较有序的状态向更无序的状态发展，故C正确，D错误。]
5．氢气是一种清洁能源，它燃烧后只生成水，对环境无污染，某同学设想了一个利用氢能的方案，如图是它的示意图，请你判断这一方案的可行性，并说明理由。
判断：________(选填“可行”或“不可行”)
理由：________________________________________________
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[答案]　不可行　违背能量守恒定律
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