第3章 3.能量守恒定律-【名师导航】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册同步讲义(人教版)

3．能量守恒定律 1．知道人类对能量概念的逐步认识过程并理解能量和能量守恒观念对世界统一性的意义。 2．理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵从的基本规律。 3．知道第一类永动机是不可能制成的。 　探索能量守恒的足迹 1．人类对能量的认识 人类对能量的认识是在生产实践和科学研究的长期探索中逐步形成的。科学家在认识自然的过程中，倡导用联系的观念去观察自然。例如，机械能的各种形式之间可以相互转化，电和磁可以相互转化，热和电也可以相互转化…… 1798年，伦福德的实验表明热的本质是运动； 1820年，奥斯特发现电流的磁效应； 1821年，塞贝克发现温差电现象； 1831年，法拉第发现电磁感应现象。 2．能量守恒观念的形成 从18世纪末到19世纪中叶，不同领域的科学家从不同角度都提出过能量守恒的思想。人类对能量守恒的认识经历了一个由浅入深、由含糊到清晰的过程。 1836年，盖斯发现了化学反应放出的热量与反应步骤无关； 1841年，焦耳发现电流的热效应； 1840年，迈尔表述能量守恒定律； 1843年，焦耳测定做功与传热的关系； 1847年，亥姆霍兹在理论上概括和总结能量守恒定律。 【典例1】　(多选)在科学史上人们真正以“能量”的观念来探索各种运动形式本质的过程是非常曲折的，下列说法正确的是(　　) A．奥斯特发现电流的热效应 B．亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律 C．迈尔发现化学反应放出的热量与反应步骤无关 D．塞贝克发现温差电现象 BD　[奥斯特发现电流的磁效应，A错误；亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律，B正确；盖斯发现化学反应放出的热量与反应步骤无关，C错误；塞贝克发现温差电现象，D正确。] 　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)各种形式的能可以相互转化。 (2)各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。 如图所示为人们在探索能量守恒的过程中设计的一种永动机。 【问题】 (1)图中所示的永动机能实现吗？ (2)热力学第一定律与能量守恒定律是什么关系？ 提示：(1)不能，违反了能量守恒定律和动量守恒定律。 (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。 1．对能量守恒定律的理解 (1)不同力做功对应着不同的能量转化关系，能量的具体数值没有多大意义，多数情况下，能量的变化量才有实际意义，功是能量转化的量度，不同形式的能量的转化是通过做功实现的，根据功和能的关系可得W＝ΔE。 (2)热力学第一定律揭示了功和热量与物体内能的变化之间的定量关系，同时也体现了功、热量和物体内能的变化满足一种守恒关系，因此热力学第一定律也是能量守恒定律的一种具体情况。 2．能量守恒定律中的“转化”和“转移” (1)转化：某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量等于增加量。 (2)转移：某个物体的能量减少，一定有其他物体的能量增加，且减少量等于增加量。 3．能量守恒定律的重要意义 (1)应用能量守恒定律进行分析是解决问题的一个极为重要的方法，能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍。例如，物体在空中下落受到阻力时，物体的机械能不守恒，但包括内能在内的总能量是守恒的。 (2)能量守恒定律是19世纪自然科学中的三大发现之一，它宣告了第一类永动机的失败。 (3)能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器，这个定律将广泛的自然、科学和技术领域联系起来了，使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言。 【典例2】　如图所示的容器中，A、B管中各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压恒定。A、B的底部由带阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡。在这个过程中(　　) A．大气压力对水做功，水的内能增加 B．重力对水做功，水的内能减少 C．大气压力对水不做功，水的内能不变 D．大气压力对水不做功，水的内能增加 D　[打开阀门K，由于水的重力作用，A中的水逐渐流向B中，运动一段时间后达到平衡状态，A和B中的水面静止在同一高度上。设A中水面下降hA，B中水面上升hB，相当于A端SAhA体积的水移到B端，这部分水的重心降低，重力对水做正功，水的重力势能减少。大气压力对A容器中的水做正功，对B容器中的水做负功。所以，大气压力对水做的总功为p0SAhA－p0SBhB，因为SAhA＝SBhB，所以大气压对水做的总功为零，又由于系统绝热，与外界没有热交换，只有水的重力做功，水的重力势能转化为内能，D正确。] [跟进训练] 1．如图所示为冲击摆实验装置，一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定的高度，则下列有关能量的转化的说法正确的是(　　) 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热能 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沙箱和子弹的内能，另一部分转变成沙箱和子弹的机械能 D　[子弹在射入沙箱的过程中要克服摩擦阻力做功，一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，因为子弹和沙箱合为一体共同摆动，所以另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能，D正确。] 　永动机不可能制成 1．永动机：不需要任何动力或燃料，却能不断地对外做功的机器。 2．永动机不可能制成的原因：违背了能量守恒定律。 3．意义：正是历史上设计永动机的失败，才使后人的思考走上了正确的道路。 有一种所谓的“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。 【问题】 (1)这是不是一种永动机？ (2)如果不是，你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗？ 提示：(1)不是永动机。 (2)手表戴在手上，手运动的能量的一部分转化为手表的能量(指针动能)。 1．第一类永动机 人们把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 如果没有外界供给能量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是以内能减少为代价的，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。 【典例3】　文艺复兴时期，意大利的达·芬奇曾设计过一种转轮，利用隔板的特殊形状，使一边重球滚到另一边距离轮心远些的地方，并认为这样可以使轮子不停地转动，如图所示。下列说法正确的是(　　) A．该设计可以使转轮在无外力作用下顺时针转动变快 B．该设计可以使转轮在无外力作用下逆时针转动变快 C．该设计可以在不消耗能源的情况下不断地对外做功 D．该设计中使转轮成为永动机的设想是不可能实现的 D　[由杠杆平衡原理可知，重球滚到另一边距离轮心远些的地方，右边每个重物施加于轮子的力矩虽然较大，但是重物的个数却较少。精确的计算可以证明，总会有一个适当的位置，使左右两侧重物施加于轮子的相反方向的旋转作用(力矩)恰好相等，互相抵消，使轮子达到平衡而静止下来。不管转轮是顺时针转动还是逆时针转动，在无外力作用下，只能是转动变慢，最终停下来，A、B错误；由选项A、B分析结合能量守恒定律可知，该设计在不消耗能源的情况下不断地对外做功是不可能的，这种设想不可能实现，C错误，D正确。] [跟进训练] 2．(2022·上海交大附中高二期中)如图所示是玩具饮水鸟。在鸟的面前放上一杯水，用手把鸟嘴浸到水里，鸟“喝”了一口后，又直立起来。之后，无需人的干预，小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水，然后又会直立起来。就这样周而复始，小鸟不停地点头“喝”水，成为一台神奇的永动机。根据所学物理知识，试分析饮水鸟上下运动的能量来源是________。当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后，小鸟还能上下运动吗？________(选填“能”或“不能”)。 [解析]　饮水鸟的结构如图所示，其大致原理是先在鸟嘴上滴一些水，水分蒸发吸热使得头部气压小于肚子的气压，从而使肚子中的部分液体被压入头部，使鸟的重心上移，鸟的身体变得不稳定，开始倾斜，倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面，从而使头部的液体又回流到肚子中，使鸟身体再回到开始时的竖直状态，而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水，之后鸟回到竖直状态后，鸟嘴的水分蒸发，重复刚才的过程。综上所述，饮水鸟上下运动的能量来源是周围空气的内能；当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后，由于不能造成头部和肚子的压强差，小鸟显然不能再上下运动了。 [答案]　内能　不能 1．第一类永动机是不可能制成的，这是因为它(　　) A．不符合能量守恒定律 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 A　[第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功的机器，故违背了能量守恒定律。 ] 2．有关能量守恒定律，下列说法正确的是(　　) A．只适用于机械能与内能的相互转化 B．只适用于能量转化过程 C．“摩擦生热”是创造了热，它不符合能量守恒定律 D．根据能量守恒定律可知，宇宙中的能量总和不变 D　[能量守恒定律是自然界普遍遵循的一个规律，适用于一切能量和一切物理过程，D正确，A、B、C错误。] 3．(多选)下列说法正确的是(　　) A．随着科技的发展，永动机是可以制成的 B．在低速运动时，宏观物体的运动服从牛顿运动定律 C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量的转化和守恒定律，因而是不可能的 D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生 BC　[永动机违反能量守恒定律，即使科技发展，永动机也是不可以制成的，A错误；牛顿运动定律适用于宏观低速的物体运动，B正确；“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的，C正确；由能量守恒定律可知，能量是不能凭空产生的，D错误。] 4．如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一15 kg的物体，稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加了多少。(g取10 m/s2，不考虑活塞受到的大气压力及摩擦阻力) [解析]　由能量守恒定律可知，内能的增加量等于活塞和物体重力势能的减少量，则ΔU＝ΔE＝(M＋m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10-2 J＝20 J。 [答案]　20 J 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．可以说热力学第一定律就是能量守恒定律吗？ 提示：不可以。热力学第一定律是能量守恒定律的一种具体表现，热力学第一定律常用于热力学系统中的能量转化和转移问题，而能量守恒定律则适用于一切能量转化过程。 2．如图所示是17～18世纪人们发明的各种不同形式的“永动机”，为什么不可能制造成功？ 提示：违背了能量守恒定律。 “第一类永动机”梦想的破灭 在历史上，有人曾梦想制造出一种不需要任何燃料和动力，一旦启动后就能不停地运转并对外做功的机器，这种机器叫作“第一类永动机”。 如图所示的是17世纪英国人马尔基斯设计的“永动机”。这是一个转轮，直径达4.3 m，用了40个重球，它们可沿转轮的辐条运动。马尔基斯设想，当一个辐条间隔在这一侧要转动到下方时，这个间隔中的重球就会向转轮边缘滚动；而当一个间隔在另一侧要转动到上方时，间隔中的重球就会向转轮的轴心滚动。这样，只要给转轮一个初始的转动速度，这个转轮就会永远地转动下去。当然，这种“永动机”是不会成功的。 “第一类永动机”不能成功，最根本的原因是它不符合热力学第一定律，因此热力学第一定律也可表达为：“第一类永动机是不可能制成的。” 　什么是“第一类永动机”？热力学第一定律的第二种表述是什么？ 提示：不需要任何燃料和动力，一旦启动就能不停地运转并对外做功的机器，叫作“第一类永动机”。热力学第一定律的第二种表述为：第一类永动机是不可能制成的。 课时分层作业(十一) 题组一　探索能量守恒的足迹 1．物理学的发展丰富了人类对物质世界的认识，推动了科学技术的创新和革命，促进了物质生产的繁荣与人类文明的进步，下列表述正确的是(　　) A．盖斯温差发电现象揭示了热运动可以转化为电运动 B．奥斯特实验说明磁运动可以转化为电运动 C．焦耳发现电流的热效应说明做功与传热具有当量关系 D．亥姆霍兹从理论上把能量守恒原理推广到热、光、电、磁化学反应等过程，揭示了能量的转化与守恒的统一性 D　[塞贝克温差电研究，揭示热运动可以转化为电运动，A错误；奥斯特实验说明电运动可以转化为磁运动，B错误；焦耳测定做功与传热关系的实验说明做功与传热具有当量关系，C错误；从人类探索能量守恒的过程知D正确。] 题组二　能量守恒定律 2．(多选)下列关于能量转化现象的说法正确的是(　　) A．用太阳灶烧水是光能转化为内能 B．电灯发光是电能转化为光能 C．煤燃烧是内能转化为化学能 D．风车发电是风的动能转化为电能 ABD　[用太阳灶烧水是光能转化为内能，A正确；电灯发光是电能转化为光能，B正确；煤燃烧是化学能转化为内能，C错误；风车发电是风的动能转化为电能，D正确。] 3．高空形成的冰雹加速下落，并有部分熔化，以下说法不正确的是(　　) A．只有重力做功，冰雹下落时机械能守恒 B．冰雹的势能转化为冰雹的动能与内能 C．冰雹的内能增大 D．冰雹的机械能不守恒 A　[除了重力做功，还有阻力做功，所以冰雹下落时机械能不守恒；冰雹的势能转化为冰雹的动能与内能。A说法错误。] 4．(2022·江苏海门中学高二月考)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，分别接触一个小电动机的两个接线柱，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 B　[由静电感应可知，A、B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A、B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A、B分开的过程中要克服A、B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。] 5．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，已成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了多种模块，这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图乙所示。这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化，下列说法正确的是(　　) A．都是把机械能转化为电能 B．都是把光能转化为电能 C．甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能 D．甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能 C　[甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，故是将光能转化为电能，故A、B、D错误，C正确。] 6．有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度。他的办法是：关好房间的门窗然后打开冰箱的所有门让冰箱运转，且不考虑房间内外热量的传递，则开机后，室内的温度将(　　) A．逐渐升高 B．保持不变 C．开机时降低，停机时又升高 D．开机时升高，停机时降低 A　[冰箱工作，会产生热量，即消耗电能，产生了内能，且房间与外界没有能量交换，所以房内温度会升高，A正确。] 题组三　永动机不可能制成 7．大约在1670年，英国赛斯特城的约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”。如图所示，在斜面顶上放一块强力的磁铁，斜面上端有一个小孔，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。在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是(　　) A．符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题 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，不可能实现 D　[该思想违背了能量守恒定律，所以该“永动机”不可能实现。] 8．(2022·江苏南京一中高二下期中)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 D　[转轮之所以能够发生转动，是因为叶片能吸收热量，其内能转化为机械能，而不是依靠惯性运动的，其转动的能量来自热水中的内能，A、B错误；转动的叶片不断搅动热水，需要消耗能量，水温将不断降低，C错误；根据能量守恒，叶片在热水中吸收的热量应等于叶片增加的机械能与叶片向空气中释放的热量之和，故D正确。] 9．(多选)如图所示，在水平面上放置着一个密闭绝热的容器，容器内部有一个一定质量的活塞，活塞的上部封闭着理想气体，下部为真空，活塞与器壁的摩擦忽略不计，置于真空中的轻弹簧的一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处于自然长度时弹性势能为0)，现在绳突然断开，活塞开始运动，则下列说法正确的是(　　) A．由于能量的转化与守恒，活塞将不停地振动起来 B．容器内气体的温度将趋于一个定值 C．活塞最终会停留在比原来较高的位置上 D．活塞最终会停下来，Ep全部转化为其他形式的能量 BC　[由于开始时的弹簧处于压缩状态，弹簧中储存了一定的弹性势能，在绳子断开后，由于活塞受到的弹力大于活塞的重力加气体压力，故活塞向上运动，到达最高点后再向下运动，如此反复；在此过程中弹簧的部分弹性势能转化为气体的内能，活塞与弹簧的机械能不断减小，最终活塞将静止，当活塞最后静止时，弹簧的弹力等于物体的重力加气体压力，即弹簧仍处于压缩状态。弹簧的弹性势能部分转化为气体内能，最终气体温度趋于定值；在活塞运动过程中对活塞做功的有重力、弹簧的弹力和空气的作用力。当弹簧最后静止时弹簧仍处于压缩状态，但弹簧的形变量减小，故弹簧储存的弹性势能减小；由于活塞的高度增大，故活塞的重力势能增大，在活塞运动的过程中空气的作用力做负功，产生内能，故减少的弹性势能一部分转化为重力势能，一部分转化为空气的内能。故选BC。] 10．如图所示，柱形容器内封有一定质量的空气，光滑活塞C(质量为m)与容器由良好的隔热材料制成。活塞横截面积为S，大气压为p0，另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B后静止，在这一过程中，容器内空气内能的改变量ΔE、外界对容器内空气所做的功W与物体及活塞的重力势能的变化量的关系是(　　) A．Mgh＋mgΔh＝ΔE＋W B．ΔE＝W，W＝Mgh＋mgΔh＋p0SΔh C．ΔE＝W，W<Mgh＋mgΔh＋p0SΔh D．ΔE≠W，W＝Mgh＋mgΔh＋p0SΔh C　[由于系统隔热，所以气体与外界没有热交换，活塞对气体做正功，所以由热力学第一定律知气体的内能增加，且ΔE＝W，而从能量守恒的角度考虑，m和M减少的机械能即重力势能和大气压做功共Mgh＋mgΔh＋p0SΔh，这部分损失的能量一部分使气体的内能增加，另一部分损失到碰撞过程中m和M的内能上，所以W<Mgh＋mgΔh＋p0SΔh，故选C。] 1/15 学科网（北京）股份有限公司 $$