第三章 第二节 能量守恒定律及其应用-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理选择性必修第三册同步导学案配套PPT课件（粤教版）

第二节　能量守恒定律及其应用 第三章　热力学定律 [学习目标]　1.理解能量守恒定律,会应用能量守恒定律解决实际问题。2.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。 课时作业 巩固提升 要点1　能量守恒定律 要点2　第一类永动机不可能制成 内容索引 要点1　能量守恒定律 一 4 梳理 必备知识 自主学习 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　　　　,或者从一个物体转移到　　 　　;在转化和转移过程中其　　　 　。  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。  其他形式 别的物体 总量不变 转化 [思考与讨论] (1)能量守恒需要条件吗? (2)不同形式的能如何实现转化? 提示:(1)能量守恒定律是普适规律,在任何条件下都适用。 (2)不同形式的能可以通过某种力做功来实现转化。 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:机械运动对应机械能,分子的热运动对应内能,还有诸如电磁能、化学能、原子能等。可见,在自然界中,不同的能量形式与不同的运动形式相对应。 (2)各种形式的能可以相互转化,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。 归纳 关键能力 合作探究 2.能量守恒定律是没有条件的 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,必须是在只有重力做功或系统内弹簧弹力做功的情况下;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵守的基本规律。 3.能量守恒定律的两种表述 (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。 [例1]　(多选)(2024·广东广州高二期中)内燃机的做功过程是气缸内高温高压气体的膨胀过程,如图。对这一过程气缸内的气体,下列叙述正确的是(　　) A.气体对外做功,部分内能转化为机械能 B.气体的分子势能减少 C.气体从外界吸收热量 D.气体的温度下降 AD [解析]　气体膨胀过程体积变大,则气体对外做功,部分内能转化为机械能,故A正确;气体分子间作用力很小,分子势能很小,认为不变,故B错误;气体体积变大,对外做功,又由于此时气体的温度要大于环境和缸套的温度,气体对外做功的同时会放出热量,气体的内能会减小,气体的温度会降低,故C错误,D正确。 [针对训练]　1.(2024·广东佛山高二期末)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 D 解析: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。 2.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=cm Δt) 答案:8.3×1016 W 解析: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。 二 要点2　第一类永动机不可能制成 16 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。  梳理 必备知识 自主学习 对外做功 能量守恒定律 [思考与讨论] 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? 提示: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。 [例2]　(多选)下列关于第一类永动机的说法正确的是(　　) A.第一类永动机是不消耗任何能量却可源源不断地对外做功的机器 B.第一类永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律 C.第一类永动机不能制成的原因是技术问题 D.第一类永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律 归纳 关键能力 合作探究 AD [解析]　第一类永动机是不消耗任何能量却源源不断地对外做功的机器,这是人们的美好愿望,但它违背了能量守恒定律,这也是它不能制成的原因,故A、D正确,B、C错误。 [针对训练]　3.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(　　) 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 答案:D 解析: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。 4.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 解析:形状记忆合金从热水中吸收热量后,一部分能量在伸展划水时转化为水和转轮的动能,另一部分释放到空气中,根据能量守恒定律可知只有D项正确。 三 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 [A组　基础巩固练] 1.(多选)下列关于能量转化现象的说法中,正确的是(　　) A.用太阳灶烧水是太阳能转化为内能 B.电灯发光是电能转化为光能 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 AB 11 解析:用太阳灶烧水是太阳能转化为内能,A正确;电灯发光是消耗电能,转化为光能,B正确;核电站发电是核能转化为电能,C错误;生石灰放入凉水中,水温升高是化学能转化为内能,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 2.下列说法中正确的是(　　) A.自然界中能量的总和是守恒的,所以节约能源是毫无意义的 B.电源是通过静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置 C.电能转化为其他形式的能,是通过电流做功来实现的 D.能量耗散表明自然界的能量总和在不断减少 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 C 11 解析:自然界中能量的总和是守恒的,但人类可以利用的能源是有限的,节约能源不仅能使我们长久利用,并且可以减小由于常规能源在使用中带来的污染,节约能源对人类社会的发展有很大的意义,故A错误;电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置,故B错误;电能通过电场力做功,把电能转化为其他形式的能量,故C正确;能量耗散是针对一个系统(或一个物体)而言,能量在自然界中是守恒的,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 3.(多选)下列说法正确的是(　　) A.随着科技的发展,第一类永动机是可以制成的 B.某种形式的能量减少,一定有其他形式的能量增加 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,说明能量可以凭空产生 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 BC 11 解析:第一类永动机违反能量守恒定律,即使随着科技的发展,第一类永动机也是不可以制成的,A错误;根据能量守恒定律,某种形式的能量减少,一定有其他形式的能量增加,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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 4.在一间隔热非常好的密闭房间中,把正在工作的电冰箱门打开,室内空气温度将(　　) A.升高　　　　　　　　 B.不变 C.降低 D.无法确定 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 A 11 解析:根据能量守恒定律可知,把正在工作的电冰箱门打开,电冰箱的压缩机将一直工作下去,消耗的电能全部转换成内能散失在房间内,因此室内空气温度将升高,A正确,B、C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 5.(2024·广东汕头高二月考)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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 11 解析:第一类永动机不存在,线圈不可能一直转动,违背了能量守恒定律,故选D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 BC 11 解析: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。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气体阻力做负功,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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 7.(2024·深圳高二期中)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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 11 解析: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。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,减少的水的重力势能转化为水的内能,水的内能增加,选项C错误,D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 [B组　综合强化练] 8.(2024·广东惠州高二月考)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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 D 11 解析: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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 9.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GPS模块与联网模块等,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,下列说法中正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 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 答案:C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 解析: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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 10.风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上,设空气密度为ρ,风的动能有50%转化为风车的动能,风车带动水车将水提高到h的高度,效率为80%,重力加速度为g,求单位时间内最多可提升的水的质量m。 答案: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 解析:设在t时间内吹在风车上的空气的质量为m0,则m0=πd2vtρ 风的动能Ek=m0v2=πd2v3tρ 根据题意有πd2v3tρ×50%×80%=m'gh 则m==。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 11 [C组　培优选做练] 11.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取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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 C 解析: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η===28.8%,A错误; 若没有任何阻力,由机械能守恒得mgh=mv2 得v== m/s≈36 m/s 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,B错误; 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 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 E0= kW·h≈139 kW·h,C正确; 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t=≈10 h,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。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 $$