第3章 3. 能量守恒定律-【新课程能力培养】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册学习手册（人教版2019）

学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 3. 能量守恒定律 A． 气体对外不做功， 气体内能不变 B． 气体体积膨胀， 对外做功， 内能减小 C． 气体温度降低， 体积增大， 压强减小 D． N 中气体不能自发地全部退回到 M 中 解析： M 中的气体自由扩散膨胀， 没有对外 做功， W＝0 ， 又因为整个系统与外界没有热 交换， Q＝0 ， 根据热力学第一定律 ΔU＝W+Q 可知， ΔU＝0 ， 即气体内能不变， 故 A 正确， B 错误； 因气体内能不变， 所以其温度不 变， 根据玻意耳定律 pV＝C 可知， 扩散后气 体的体积 V 增大， 压强 p 减小， 故 C 错误； 根据热力学第二定律可知， 一切宏观热现象 均具有方向性， 可知 N 中气体不能自发地 全部退回到 M 中， 故 D 正确。 答案： AD 变式训练答案 1. A 2. D 知 识 梳 理 知识点 1 能量守恒定律 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。 知识点 2 永动机不可能制成 1. 第一类永动机： 不需要任何动力或燃料， 却能不断地对外做功， 史称 “第一类永 动机”。 2. 第一类永动机不可能制成的原因： 能量守 恒定律说明第一类永动机不可能制成。 要 点 突 破 要点 1 理解能量守恒定律 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， 汽车刹车时机械能转化为 内能， 燃烧煤时化学能转化为内能， 电 动机工作时电能转化为机械能和内能 等。 2. 第一类永动机不可能制成的原因： 以热 机为例， 如果没有外界供给热量而对外 做功， 由热力学第一定律公式 ΔU＝Q+W 可知， 系统内能将减少， 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。 例 1 下列关于能量转化与守恒定律的说法 错误的是 （ ） A. 能量能从一种形式转化为另一种形式 ， 但不能从一个物体转移到另一物体 B. 能量的形式多种多样， 它们之间可以相 互转化 C. 一个物体能量增加， 必然伴随着别的物 体能量减少 72 学 第三章 热力学定律 D. 能量转化与守恒定律证明了能量既不会 产生也不会消失 解析： 能量能从一种形式转化为另一种形 式， 也能从一个物体转移到另一物体， 故 A 错误， B 正确； 某一个物体能量增加了， 必然伴随着别的物体能量减少， 一个物体 的总能量减少 ， 根据能量守恒定律得知 ， 必然有其他物体的能量增加， 故 C 正确， D 正确。 答案： A 变式训练 1 能量守恒定律是自然界最普遍的规律 之一 。 以下不能体现能量守恒定律的是 （ ） A． 牛顿第三定律 B． 机械能守恒定律 C． 闭合电路欧姆定律 D． 楞次定律 要点 2 能量守恒定律的应用 1. 能量守恒定律的两种表述 （ 1 ） 某种形式的能量减少， 一定存在其他形 式的能量增加， 且减少量等于增加量。 （ 2 ） 某个物体的能量减少， 一定存在其他物 体的能量增加， 且减少量等于增加量。 2. 能量守恒定律与热力学第一定律 热力学第一定律是能量守恒定律在热学 中的体现， 能量守恒定律是自然界的一条普 遍规律， 一切违背能量守恒定律的过程都是 不可能实现的， 因此， 不消耗能量却可以源 源不断对外做功的永动机不可能制成。 例 2 如图所示， 光滑水平地面上停着一辆 平板车， 其质量为 2m ， 长为 L ， 车右 端 （ A 点） 有一块静止的质量为 m 的 小金属块。 金属块与车间有摩擦， 以 中点 C 为界， AC 段与 CB 段动摩擦因 数不同。 现给车施加一个向右的水平 恒力， 使车向右运动， 同时金属块在 车上开始滑动， 当金属块滑到中点 C 时， 即撤去这个力。 已知撤去力的瞬 间， 金属块的速度为 v 0 ， 车的速度为 2v 0 ， 最后金属块恰停在车的左端 （ B 点）。 求： （ 1 ） F 的大小。 （ 2 ） AC 段与 CB 段动摩擦因数 μ 1 与 μ 2 的 比值。 L F A B C 例 2 题图 明确能量守恒定律的基本内容， 知 道能量的转化和守恒定律是指能量在转 化和转移中总量保持不变， 但能量会从 一种形式转化为其他形式。 思路点拨 （ 1 ） 分别研究平板车与小金属块， 求出 加速度， 由动能定理求出位移， 找 出平板车与金属块位移间的关系 ， 然后求出拉力。 （ 2 ） 由动量守恒定律求出金属块与小车 的共同速度， 然后由能量守恒定律 求出动摩擦因数。 思路点拨 73 学 第三册 （人教版）高中物理选择性必修 解析： （ 1 ） 设水平拉力为 F ， 力的作用时 间为 t 1 ， 对金属块， 由牛顿第二定律可得 a 1 ＝ 滋 1 mg m ＝滋 1 g ， 由匀变速直线运动的速度公式可知， v 0 ＝a 1 t 1 ， 则 t 1 ＝ v 0 滋 1 g ； 对小车， 由牛顿第二定律可得 a 2 ＝ F-滋 1 mg 2m ， 由匀变速直线运动的速度公式可知： 2v 0 ＝a 2 t 1 ＝ F-滋 1 mg 2m × v 0 滋 1 g ， 则 F＝5滋 1 mg ① ； 在 A→C 过程中， 由动能定理得 对金属块： 滋 1 mgs 1 ＝ 1 2 mv 2 0 ② ， 对小车： （ F-滋 1 mg ） s 2 ＝ 1 2 ×2m× （ 2v 0 ） 2 ③ ， 由几何关系可知： s 2 -s 1 ＝ L 2 ④ ， 由 ①②③④ 解得 滋 1 ＝ v 2 0 gL ， F＝ 5mv 2 0 L 。 （ 2 ） 从小金属块滑至车中点 C 开始到小金属 块停在车的左端的过程中， 系统外力为 0 ， 动量守恒 ， 设共同速度为 v ， 由 2m×2v 0 + mv 0 ＝ （ 2m+m ） v ，得 v＝ 5 3 v 0 ， 由能量守恒得 滋 2 mg · L 2 ＝ 1 2 mv 2 0 + 1 2 ×2m× （ 2v 0 ） 2 - 1 2 ×3m × 5 3 v 00 # 2 ， 解 得 滋 2 ＝ 2v 2 0 3gL ； 滋 1 滋 2 ＝ 3 2 。 答案： （ 1 ） F 的大小为 5mv 2 0 L 。 （ 2 ） AC 段与 CB 段动摩擦因数 滋 1 与 滋 2 的比 值是 3 ∶ 2 。 变式训练 2 （多选） 辽宁西部常年风 力较大， 为风力发电创造了有 利条件。 如图所示， 风力推动 三个叶片转动， 叶片带动转子 （磁极） 转动， 在定子 （线圈） 中产生电流， 实现风能向电能 的转化。 已知叶片长为 r ， 风速为 v ， 空气 密度为 ρ ， 流到叶片旋转形成的圆面的空气 中约有 2 5 速度减速为 0 ， 有 3 5 原速率穿过， 如果不考虑其他能量损耗， 下列说法正确的 是 （ ） A． 一 台 风 力 发 电 机 的 发 电 功 率 约 为 1 6 ρ仔r 2 v 2 B． 一 台 风 力 发 电 机 的 发 电 功 率 约 为 1 5 ρ仔r 2 v 3 C． 空气对风力发电机一个叶片的平均作用 力约为 2 5 ρ仔r 2 v 2 D． 空气对风力发电机一个叶片的平均作用 力约为 2 15 ρ仔r 2 v 2 拓 展 创 新 如图所示， 位于道路中央 的移动式交通信号灯， 采用太 阳能供电。 信号灯的光伏电池 板有效采光面积约 0.3 m 2 ， 晴 天时电池板上每平方米每小时 接收到的太阳辐射能约为 4× 变式训练 2 题图 拓展创新题图 74 学 第三章 热力学定律 知 识 梳 理 知识点 1 热力学第二定律 1. 热力学第二定律是反映宏观自然过程的方 向性的定律。 它有多种表述。 （ 1 ） 克劳修斯表述： 热量不能自发地从低温 物体传到高温物体。 （ 2 ） 开尔文表述： 不可能从单一热库吸收热 量， 使之完全变成功， 而不产生其他 影响。 2. 两种表述的关系： 上述两种表述是等价 的， 可以从其中一种表述推导出另一种表 述， 而且对任何一类宏观自然过程进行方 向的说明， 都可以作为热力学第二定律的 表述。 知识点 2 热机 1. 定义： 把内能转化为机械能的装置。 2. 原理： 热机从高温热库吸收热量 Q 1 ， 推 动活塞做功 W ， 然后向低温热库释放热 量 Q 2 。 知识点 3 热力学第二定律的微观解释 1. 热力学第二定律的微观解释： 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。 2. 熵 （ 1 ） 定义： 若用 Ω 表示一个宏观状态所对应 的微观状态的数目、 k 表示玻尔兹曼常 量、 S 表示熵， 则 S=klnΩ 。 （ 2 ） 意义： 熵是表示系统内分子运动无序性 的量度。 3. 用熵的概念表示热力学第二定律 在任何自发过程中， 一个孤立系统的总 熵不会减少。 如果过程可逆， 则熵不变； 如 果过程不可逆， 则熵增加。 所以， 热力学第 二定律又叫作熵增加原理。 知识点 4 能源和可持续发展 1. 能量耗散 （ 1 ） 定义： 分散在环境中的内能不能自动聚 4. 热力学第二定律 10 6 J 。 如果每天等效日照时间 约为 6 h ， 光电池一天产生的电能可供 40 W 的红绿灯工作 8 h 。 光电池的光电转换效率 约为 （ ） A． 4.8% B． 9.6% C． 16% D． 28.8% 解析： 每天 （ 6 h ） 太阳能电池板吸收的太 阳能 ： W 总 ＝0.3 m 2 ×4×10 6 J/h · m 2 ×6 h＝7.2× 10 6 J ， 交通信号灯的电功率： P 额 ＝40 W ， 交通信号灯正常工作 8 h 消耗的电能： W 有用 ＝Pt＝40 W×8×3600 s＝1.152×10 6 J ， 太阳能照明灯利用太阳能的效率： η＝ W 有用 W 总 × 100%＝16% ， 故 C 正确， A 、 B 、 D 错误。 答案： C 变式训练答案 1. A 2. BD 75