(共26张PPT)
3.能量守恒定律
学习目标
1.理解能量守恒定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。
2.会用能量守恒定律分析解决有关问题。
3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
思维导图
必备知识
自我检测
一、能量守恒定律
1.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
转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。
2.意义
(1)能量守恒定律告诉我们,各种形式的能量可以相互转化。
(2)各种互不相关的物理现象——力学的、热学的、电学的、磁学的、光学的、化学的、生物学的等可以用能量守恒定律联系在一起。
二、永动机不可能制成
1.第一类永动机:人们设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。
2.第一类永动机不可制成的原因:违背了能量守恒定律。
必备知识
自我检测
1.正误判断
(1)某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加。( )
(2)石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了。( )
(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。
( )
(4)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。( )
(5)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能。( )
(6)第一类永动机不能制成,是因为它违背了能量守恒定律。( )
答案(1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)√
必备知识
自我检测
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
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。
答案BCD
必备知识
自我检测
3.一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,并从中穿出。不计空气阻力,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.子弹减少的动能等于木块增加的动能
C.子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和
D.子弹减少的机械能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和
必备知识
自我检测
解析子弹射穿木块的过程中,由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减小,木块获得动能,同时产生热量,且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失。A、B项没有考虑到系统增加的内能,C项中应考虑的是系统减少的机械能等于系统增加的内能,正确答案为D。
答案D
探究一
探究二
随堂检测
能量守恒定律
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?
探究一
探究二
随堂检测
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。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
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。
探究一
探究二
随堂检测
2.守恒条件
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,必须是只有重力或系统内弹力做功;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵循的基本规律。
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。
探究一
探究二
随堂检测
特别提醒(1)能量守恒定律是自然界中普遍适用的规律,凡是遇到涉及能量的转化和转移问题时可优先考虑使用其解决。
(2)层出不穷的永动机设计方案,由于违背了能量守恒定律,无一例外地宣布失败,制造永动机的企图是没有任何成功希望的。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例1
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
探究一
探究二
随堂检测
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=Ep'+活塞增加的重力势能+气体增加的内能,所以D选项正确。
答案D
探究一
探究二
随堂检测
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。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练1如图所示,直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体(A、B两部分体积等大),A的密度小,B的密度大,加热气体,并取出隔板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.ΔU=Q
B.ΔUC.ΔU>Q
D.无法比较
解析因A部分气体密度小,B部分气体密度大,以整体为研究对象,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有一部分转化为气体的重力势能,另一部分转化为内能。故正确答案为B。
答案B
探究一
探究二
随堂检测
永动机不可能制成
情境探究
有一种所谓“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。这是不是一种永动机?如果不是,你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗?
要点提示不是永动机,手表戴在手上,手运动的能量一部分转化为手表的能量(指针动能)。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
1.第一类永动机
人们把设想中的不消耗能量的机械叫作第一类永动机,第一类永动机是不可能制成的。
2.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探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例2
(多选)约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”,如图所示,在斜坡顶上放一块强有力的磁铁,斜坡上端有一个小孔,斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为:如果在斜坡底端放一个小铁球,那么由于磁铁的吸引,
小铁球就会向上运动,当小球运动到小孔P处时,它就要掉下,再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q,由于有速度而可以对外做功,然后又被磁铁吸引回到上端,到小孔P处又掉下。关于维尔金斯“永动机”,正确的认识应该是( )
探究一
探究二
随堂检测
A.一定不可能实现
B.如果忽略斜面的摩擦,维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦,铁球质量较小,磁铁磁性又较强,则维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律
解析维尔金斯“永动机”不可能实现,因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中,磁场力对小球做正功,使小球增加了机械能;但小球下落时,同样也受到磁场力,而且磁场力做负功,这个负功与上升过程的正功相互抵消,可见,即使忽略摩擦,要想在Q处对外做功,也是没有能量来源的,所以维尔金斯“永动机”不可能实现。故选AD。
答案AD
探究一
探究二
随堂检测
规律方法
永动机的要害并不完全地在于“永动”,而是在于试图以少量的起始能量,甚至零起始能量来创生出源源不断的、更多的能量来。这完全是违背能量守恒定律这一客观规律的,因而也是注定不可能成功的。
探究一
探究二
随堂检测
变式训练2有人设计了如图所示的“浮力永动机”,永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球,容器底部的管道内径与小球直径相等。设计者认为,左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动,管道中的小球也将被带着向上运动,一旦这个小球要上升离开管道,其下的一个小球就会进入管道而不使水漏出,因此永动机将永不休止地顺时针转动。你认为该“浮力永动机”能否实现永动?为什么?
解析由能量守恒定律可知永动机是不可能制成的。
答案不能,理由见解析
探究一
探究二
随堂检测
1.“第一类永动机”是不可能制成的,这是因为它( )
A.不符合热力学第一定律
B.做功产生的热量太少
C.由于有摩擦、热损失等因素的存在
D.找不到合适的材料和合理的设计方案
解析第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功的机器,故违背了热力学第一定律。
答案A
探究一
探究二
随堂检测
2.(多选)下列关于能量转化现象的说法中,正确的是( )
A.用太阳灶烧水是光能转化为内能
B.风车发电是风的动能转化为电能
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C选项中是核能转化为电能,D选项中是化学能转化为内能,A、B选项正确。
答案AB
探究一
探究二
随堂检测
3.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
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C
探究一
探究二
随堂检测
4.水是一种清洁能源。某瀑布流量为每秒6
000
m3,而且一年四季流量稳定,瀑布落差50
m。若利用这一资源发电,设其效率为50%,估算发电机的输出功率。(g取10
m/s2)
解析水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。
每秒钟流下的水的质量为
m=ρV=1×103×6
000
kg=6×106
kg。
每秒钟水减少的机械能为
E=mgh=6×106×10×50
J=3×109
J。
设发电机的输出功率为P,则由能量守恒定律可得
Eη=Pt。
解得P=3×109×50%
W=1.5×109
W。
答案1.5×109
W3.能量守恒定律
课后篇巩固提升
基础巩固
1.秋千摆动幅度越来越小,关于该过程,下列说法中正确的是( )
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
解析秋千摆动幅度越来越小,说明机械能在减少,故A、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。
答案D
2.(多选)一物体获得一定初速度后,沿着一粗糙斜面上滑,在上滑过程中,物体和斜面组成的系统( )
A.机械能守恒
B.总能量守恒
C.机械能和内能增加
D.机械能减少,内能增加
解析物体沿斜面上滑的过程中,有摩擦力对物体做负功,所以物体的机械能减少,由能量守恒定律知,内能增加,能量的总量不变。
答案BD
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Ek分别是( )
A.U=200
J,Ek=600
J
B.U=600
J,Ek=200
J
C.U=600
J,Ek=800
J
D.U=800
J,Ek=200
J
解析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Ek=W总-U=80×10
J-600
J=200
J,故B正确。
答案B
4.(2020江苏海门中学高三月考)如图所示,绝缘支座上,C球带正电,枕形导体A、B靠在一起,现将A、B分开,分别接触一个小电机的两个接线柱,如果小电动机非常灵敏,它便会开始转动。当电动机还没有停止时,又立刻把A、B在C附近碰一下分开,再和电动机两接线柱接触,如此下去,小电动机便能不停地转动。则下列说法正确的是( )
A.A、B分开后A左端带正电,B右端带负电
B.A、B分开前,AB是一个等势体
C.上述过程违背了能量守恒定律
D.上述过程说明永动机可以制成
解析由静电感应可知,AB分开前,由于C球带正电,所以枕形导体A带负电,枕形导体B带正电,由于C球存在,所以AB分开后,A左端带负电,B右端带正电,分开前AB处于静电平衡状态,所以AB是一个等势体,故A错误,B正确;上述过程在把AB分开的过程中要克服AB之间的静电力做功,把机械能转化为电能,然后再把电能转化为机械能,此过程是能量不断转化的过程,不违背能量守恒定律,但需要消耗机械能,永动机不可能制成,故C、D错误。
答案B
能力提升
1.如图所示,A、B是两个完全相同的热胀冷缩明显的金属球,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,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,QB和减少的重力势能ΔEp共同用于升温,即Q=QB+ΔEp;显然QA>QB。故选项C正确。
答案C
2.(2020江苏盐城模拟)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
解析形状记忆合金进入水后受热形状发生改变而搅动热水,由能量守恒知能量来源于热水,故A、B、C错;由能量守恒知,叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能,一部分在空气中释放,故D对。
答案D
3.重1
000
kg的气锤从2.5
m高处自由落下,打在质量为20
kg的铁块上,要使铁块的温度升高40
℃以上,气锤至少应落下多少次?[设气锤撞击铁块时做的功有60%用来升高铁块的温度且铁块热量不散失,g取10
m/s2,不计空气阻力,铁的比热容c=4.62×102
J/(kg·℃)]
解析由机械能守恒定律得气锤下落到刚撞击铁块时的动能:
Ek=mgh=103×10×2.5
J=2.5×104
J
由动能定理得:
W=Ek-0=2.5×104
J
其中用来使铁块温度升高的功
Wη=0.6W=1.5×104
J
使铁块升高40
℃所需的热量:
Q=cmΔt=462×20×40
J=3.696×105
J
设气锤下落n次,才能使铁块温度升高40
℃,则由能量守恒定律得nWη=Q
n==24.64
故气锤应至少落下25次。
答案25次
