3.2 能量守恒定律及其应用 （课件）-【步步高】2023-2024学年高二物理选择性必修第三册（粤教版2019）

DISANZHANG 第三章 第二节　能量守恒定律及其应用 1.理解能量守恒定律，会应用能量守恒定律解决实际问题(重难点)。 2.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 学习目标 2 一、能量守恒定律 二、第一类永动机不可能制成 课时对点练 内容索引 3 一 能量守恒定律 4 1.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_____为其他形式，或者从一个物体______到别的物体；在转化和转移过程中其_________。 (2)两种表述 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。 转化 转移 总量不变 2.热力学第一定律与能量守恒定律的比较 (1)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。 (2)热力学第一定律实际上就是内能与其他形式的能量发生_____时的能量守恒定律。 转化 (1)能量既可以转移又可以转化，故能的总量是可以变化的。(　 　) (2)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。(　 　) (3)运动的物体在阻力作用下会停下来，说明机械能凭空消失了。 (　 　) √ × × 辨析 　(多选)细绳一端固定在天花板上，另一端拴一质量为m的小球，如图所示。使小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动。下列说法正确的是 A.小球机械能不守恒 B.小球能量正在消失 C.小球摆动过程中，只有动能和重力势能在相互转化 D.总能量守恒，但小球的机械能减少 例1 √ √ 小球在竖直平面内摆动，经过一段时间后，小球停止摆动，说明机械能通过克服阻力做功不断地转化为内能，即机械能不守恒，故A正确； 小球的机械能转化为内能，能量的种类变了，但能量没有消失，故B错误； 小球在长时间摆动过程中，重力势能和动能相互转化 的同时，机械能不断地转化为内能，故小球摆动的幅 度越来越小，但总能量守恒，故C错误，D正确。 　(2022·江苏扬州市仪征高二期末)有一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是 A.化学能转化为电能 B.内能转化为电能 C.化学能转化为光能 D.机械能转化为电能 例2 √ 根据题意知用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，即压电陶瓷片完成的能量转化是机械能转化为电能，故选D。 　某同学想要估测每秒钟太阳辐射到地球表面上的能量，他用一个横截面积为S＝3.2 dm2的保温圆筒，筒内装有质量为m＝0.4 kg的水，让太阳光垂直照射t＝3 min，水升高的温度Δt＝2.2 ℃，已知水的比热容c＝4.2×103 J/(kg· ℃)，地球半径为R＝6 400 km，试估算出太阳向地球表面辐射能量的功率。(提示：Q＝cmΔt) 例3 答案　8.3×1016 W 二 第一类永动机不可能制成 14 1.不需要任何动力或燃料却能不断__________，这种机器被称为第一类永动机。 2.第一类永动机违反了______________，所以是不可能制成的。 对外做功 能量守恒定律 如图为一种所谓“全自动”的机械手表，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，维持表针走动的能量是从哪儿来的？ 讨论与交流 答案　这不是永动机。手表戴在手腕上，通过手臂的运动，机械手表获得能量，供手表指针走动。若将此手表长时间放置不动，它就会停下来。 　(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是 A.永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器 B.永动机不能制成的原因是违反了热力学第一定律 C.永动机不能制成的原因是技术问题 D.永动机不能制成的原因是违反了能量守恒定律 例4 √ √ 永动机是不消耗任何能量却能源源不断对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违反了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因，而不是因为技术问题，故选项A、D正确。 　大约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·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 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。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 例5 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.违背能量转化和守恒定律，不可能实现 √ 根据上述，维尔金斯“永动机”不消耗能量，又能源源不断对外做功，这是第一类永动机，其违背了能量守恒定律，不可能实现。故选D。 三 课时对点练 考点一　能量守恒定律 1.(多选)下列说法中正确的是 A.能量守恒定律只适用于物体内能的变化 B.只要有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律 C.能量守恒定律是人们认识自然和利用自然的有力武器 D.任何一种形式的能在转化为其他形式的能的过程中，消耗多少某种形 式的能量，就能得到多少其他形式的能量，而能的总量保持不变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 基础对点练 √ √ √ 各种形式的能都可以相互转化，并不是只适用于物体内能的变化，且有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定律，A错误，B、C、D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2.(多选)行驶中的汽车刹车后会滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；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。上述不同现象所包含的相同物理过程是 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，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正确。 四个物体的运动过程中，汽车是动能转化成了内能，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正确。 3.铅弹以200 m/s的速度射入木块后停在木块中，木块没有移动。若增加的内能有80%使铅弹的温度升高，则铅弹的温度升高了多少？铅的比热容c为1.3×102 J/(kg·℃)。(提示：Q＝cmΔt) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案　123 ℃ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 由题意可知铅弹的动能完全转化为内能，可得： 又知增加的内能的80%使铅弹温度升高，可得： 0.8U＝Q＝cmΔt 即铅弹温度升高了123 ℃。 考点二　第一类永动机不可能制成 4.下列说法正确的是 A.随着科技的发展，第一类永动机是可能制成的 B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空 间的能量都消失了 C.“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 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，违背了能量守恒定律 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 第一类永动机违背了能量守恒定律，永远无法制成，故A错误； 太阳照射到宇宙空间的能量没有消失，故B错误； 马儿奔跑时同样需要消耗能量，故“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，故C正确； 不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动的“全自动”手表是靠手臂的摆动提供能量的，它不违背能量守恒定律，故D错误。 5.(2022·江西赣州市高二月考)网络上有人做了一个与电磁感应相关的实验，如图所示，他把一个线圈放置在支架上，旁边放置一个磁铁，用手转动线圈后，线圈就会一直运动下去，演示得有板有眼。这是一种假象，我们应该用科学的物理观念认识此实验，显然它违背了 A.法拉第电磁感应定律 B.电阻定律 C.欧姆定律 D.能量守恒定律 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 永动机不存在，线圈不可能一直转动，违背了能量守恒定律。故选D。 6.(多选)如图所示，在水平面上放置着一个密闭绝热的容器，容器内部有一个具有一定质量的活塞，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零)，现在绳突然断开，则下列说法正确的是 A.由于能量守恒，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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 能力综合练 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 由于开始弹簧处于压缩状态，弹簧中储存了一定的弹 性势能，在绳子断开后活塞由于受到的弹力大于活塞 的重力，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活塞的重力，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、弹簧的弹力和气体的阻力。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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，故活塞阻力始终做负功，产生内能， 故减少的弹性势能一部分转化为活塞的重力势能， 一部分转化为气体的内能。故A、D错误，B、C正确。 7.(2022·深圳市高二期中)如图所示，容器A、B各有一个可以自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是大气，大气压强恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。起初，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平衡。在这个过程中，下列说法正确的是 A.大气压力对水做功，水的内能减小 B.水克服大气压力做功，水的内能减小 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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平衡前，A容器中的活塞向下移动，设A中活塞 横截面积为S1，移动距离为l1，大气压力推动A 中活塞向下移动时对水做的功WA＝p0S1l1，平衡 前，B容器中的活塞向上移动，设B中活塞横截 面积为S2，移动距离为l2，水通过活塞对外界做功，WB＝－p0S2l2，由于水的总体积不变，则有S1l1＝S2l2，即A容器中大气压力对水做的功与B容器中水克服大气压力做的功相等。在整个过程中，大气压力对水做的功是上述两个功(正功WA、负功WB)的代数和，即WA＋WB＝p0S1l1－p0S2l2＝0，选项A、B错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 大气压力对水不做功，同时整个装置与外界绝 热，没有热交换，但是水从容器A流向容器B 的过程中，水的重心下降，水的重力做正功， 水的重力势能减小，根据能量守恒定律，减少 的水的势能转化为水的内能，水的内能增加，选项C错误，D正确。 8.(2022·江苏扬州市高二月考)如图所示，内壁光滑的绝热气缸竖直固定在水平面上，用质量为m的绝热活塞把缸内空气分成两部分。两部分中封闭有相同质量和温度的同种理想气体，活塞用销钉K固定，已知P部分的气体体积小于Q部分的气体体积，拔掉销钉活塞能上、下自由移动。现拔掉销钉，活塞移动一小段距离后再将其固定。下列说法正确的是 A.活塞上升 B.P部分气体温度不变 C.两部分气体内能之和不变 D.两部分气体内能之和增大 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 根据热学知识可知P部分气体压强较大，活塞受到竖 直向下的重力，所以拔掉销钉后，活塞一定下降， 根据热力学第一定律ΔU＝Q＋W，由于气缸和活塞 都是绝热的，可知Q为零，两部分气体既不吸热也 不放热。P部分气体对Q部分气体做功，因此P部分气体内能减小，温度降低，Q部分气体内能增加，温度升高；活塞下移，活塞的重力势能减小，根据能量守恒定律可知活塞重力势能的减少量等于P、Q两部分气体内能之和的增加量，两部分气体的内能之和增大，故D正确，A、B、C错误。 9.某地强风风速为14 m/s，设空气密度为ρ＝1.3 kg/m3，若某风力发电机的风扇叶片长10 m，当风通过风扇横截面时，其动能的20%将转化为电能，则该风力发电机的功率是多大？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案　1.12×105 W 依题意，可得t时间内通过风扇横截面的风的质量为 m＝ρSvt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 设发电机的功率为P，由能量守恒定律得t时间内发电机发电量 由题中数据可知 S＝πr2＝100π m2，v＝14 m/s，ρ＝1.3 kg/m3 代入求得P≈1.12×105 W。 10.如图所示，某小型水力发电站蓄水池平均每天蓄水的有效总库容量为786 m3，发电过程中上、下水库平均水位差为64 m。水的密度为1.0× 103 kg/m3，重力加速度g＝10 m/s2。则下列说法正确的是 A.若每天发电40 kW·h，则能源利用效率约为35% B.发电时下水库出水口的水流速度可达到36 m/s C.若蓄水池中水的重力势能全部转化为电能，则 每天能发电约139 kW·h D.平均每天所发电能可供10户居民同时用电(每户电功率为1.4 kW)约10 h 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 √ 尖子生选练 蓄水池中能用于发电的水的重力势能为 Ep＝mgh＝ρVgh＝1.0×103×786×10×64 J≈ 5.0×108 J 则能源利用效率 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 若没有任何阻力，由机械能守恒得 由题知，水流下的过程中受到阻力作用，所 以发电时流入下水库的水流速度小于36 m/s， 故B错误； 若蓄水池中能用于发电的水的重力势能全部 转化为电能，则每天能发电约 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 若重力势能全部转化为电能，平均每天所发电能可供10户居民同时用电时间 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 由于效率不可能达到100%，可供给10户居民用电时间小于10 h，D错误。 太阳辐射到水中的能量Q＝cmΔt＝4.2×103×0.4×2.2 J≈3.7×103 J，则太阳在3 min内向地球表面辐射的能量Q总＝·πR2＝×3.14×(6 400×103)2 J≈1.49×1019 J，则辐射功率P＝＝ W ≈8.3×1016 W。 Ek＝mv2＝U 可得：Δt＝＝≈123 ℃ 风的动能为Ek＝mv2 W＝Pt＝Ek×20%＝(ρSvt)v2×20% η＝＝＝28.8%，A错误； mgh＝mv2 得v＝＝ m/s≈36 m/s E0＝ kW·h≈139 kW·h，故C正确； t＝≈10 h $$