第3章 2.能量守恒定律-【金版教程】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册创新导学案课件PPT（教科版2019）

第三章　热力学定律 2．能量守恒定律 [核心素养定位]　1.知道能量守恒定律的发现与确立过程。2.理解能量守恒定律，能用能量守恒定律的观点解释自然现象。3.知道节约能源的原因，了解一些节能方法。 2 目录 1 2 3 课前自主学习 课后课时作业 课堂探究评价 课前自主学习 一　发现能量守恒定律的历史背景 1．17世纪，笛卡尔、莱布尼兹都提出了运动中________的量。 2．18世纪80年代，蒸汽机普遍使用，蒸汽技术的成就，证明了_____能可以转化为________能。 3．从18世纪末到19世纪初，_____的概念被引入，________学、______学的迅速发展，使得热运动和其他运动形式之间的相互转化具有十分重大的理论和实际意义。化学和生物学的研究，使人们进一步认识到不同形式的能都是可以相互转化的。 守恒 内 机械 能 电磁 光 课前自主学习 5 二　能量守恒定律的发现与确立 1．目前科学界公认，能量守恒定律的发现与确立，迈尔、焦耳和亥姆霍兹做出了卓越的贡献。 (1)德国医生迈尔从自然哲学的思想出发，提出了能量守恒的观点。 (2)英国物理学家焦耳精确地测定了热与功间的定量关系，为能量守恒定律打下了牢固的实验基础。 (3)德国物理学家亥姆霍兹具体阐述了内能、功、化学能、电磁能、光能、机械能之间的相互转化和守恒规律，建立了能量守恒定律的数学表达式。 课前自主学习 6 2．能量守恒定律 能量既不会凭空_______，也不会凭空_______，它只能从一种形式_______为另一种形式，或者从一个物体_______到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的_______保持不变。 产生 消失 转化 转移 总量 课前自主学习 7 三　能量守恒定律建立的意义 1．对提高蒸汽机的性能，对电机与内燃机的研制及改进起到了重要的指导作用。 2．使不同领域的科学工作者具有一系列的共同语言，并取得许多重大成就。 3．为科学研究提供了方便。 4．能量守恒定律不仅适用于低速、宏观的情形，也适用于高速、微观世界，是最基本、最普遍的自然规律之一。 课前自主学习 8 四　节约能源 1．可持续发展：是指既满足当代人的需求，又不对后代人满足其自身需求的能力构成危害的发展。 2．可持续发展战略的基本思想 (1)鼓励经济增长，但要改变“高投入、高消耗、高污染”的生产模式和消费模式。 (2)利用科学技术及社会力量节约资源(含能源)，大力发展资源的循环使用。 (3)利用科学技术，寻找新能源及开拓新的资源。 课前自主学习 9 3．提倡节约能源的真正原因 人类使用能源的过程实质上是能量转化和转移的过程。从宏观角度来看，人类使用能源的过程中能的总量是不变的，但能的品质降低了，能量从便于利用的形式变为不便于利用的形式。 4．利用物理学原理提升节能技术，促进能源利用的效率，可以达到节能目标。 课前自主学习 10 判一判 (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)人类对太阳能的利用说明能量可以凭空产生。(　　) (4)能量是守恒的，所以不需要节约能源。(　　) 提示：(1)×　(2)√　(3)×　(4)× 课前自主学习 11 课堂探究评价 探究 　能量守恒定律 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 课堂探究评价 13 活动1：如图甲是真空玻璃罩中的弹性皮球弹跳的频闪照片，皮球弹跳的最大高度越来越低，它的机械能哪里去了？ 提示：如果只有重力和皮球的弹力做功，皮球的机械能应该守恒。弹跳的高度越来越低，是因为摩擦力做功，部分机械能转化为内能。 课堂探究评价 14 活动2：图甲中皮球在木板上弹跳，最终停止运动(玻璃罩绝热)，皮球和木板的机械能及内能之和变化吗？ 提示：根据功能关系，克服摩擦力做功W， 机械能减少量ΔE＝W，摩擦力做功使皮球和木板 的温度升高，内能增大，皮球和木板之间可能发生热量的传递，但因与外界绝热，根据热力学第一定律，皮球和木板的内能增加量ΔU＝W。整个过程机械能减少，内能增加，根据ΔE＝W＝ΔU，皮球和木板的机械能与内能之和不变。 课堂探究评价 15 活动3：如图乙，一部充满电的手机，单纯听音乐能用40小时，如果同时亮屏能用9小时，如果打电话能用5小时，这些过程说明能量的转化有什么特点？ 提示：这说明一定量的电能可以转化成一定 量的声能，也能转化成少量的声能和较多的光能， 还能转化成极少的声能和大量的电磁能，说明一 种能量可以转化成其他形式的能量，并在转化过程中有一定的数量关系。 课堂探究评价 16 活动4：根据以上活动以及机械能守恒定律、热力学第一定律，可以有什么猜想？ 提示：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另一种形式，或者从 一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 课堂探究评价 17 活动5：取暖照明、车船行驶等过程，电能、光能、化学能、机械能等最终转化为内能，流散到周围环境中，对此关于能源有什么认识？ 提示：能源的能量最终转化为内能而流散到环境中，很难再利用，所以便于利用的能源会越来越少，需要开发新能源，也需要节约能源。 课堂探究评价 18 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。 (2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。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。 课堂探究评价 19 2．能量守恒的两种表达 (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。 3．能量守恒定律的适用范围和重要意义 能量守恒定律不仅适用于低速、宏观的情形，也适用于高速、微观世界，是最基本、最普遍的自然规律之一。 课堂探究评价 20 例　水能不产生污染物，是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量可达每秒6000 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) 答案　1.5×109 W 课堂探究评价 21 (1)水能发电时能量转化的情况是什么？ (2)效率为50%的含义是什么？ 提示：水的机械能转化为电能。 提示：水的机械能即落差为50 m的一定质量的水的重力势能，在发电时只有50%可以转化为电能。 课堂探究评价 22 规范解答　水力发电的基本原理是水的机械能转化为电能。 尼亚加拉瀑布每秒钟流下的水的质量为： m＝ρV＝1×103×6000 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。 课堂探究评价 应用能量守恒定律解题的步骤 (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，或系统中哪些物体的能量减少、哪些物体的能量增加。 (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)根据能量守恒的两种表达列出方程：ΔE减＝ΔE增。 (4)代入数据，计算结果。 课堂探究评价 [变式训练]　一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时汽车的功率为P，已知汽车的总效率为η，所使用的汽油的热值为q(每完全燃烧单位质量的燃料产生的热量叫热值)，现油箱中还有质量为m的汽油，则汽车还能行驶多远？(设汽车的质量为M) 课堂探究评价 25 课堂探究评价 26 课后课时作业 1．(能量的转化)(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 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。 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 2．(能量守恒定律的理解)下列关于能量守恒定律的认识不正确的是(　　) A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C．热力学第一定律就是内能与其他形式能量发生转化时的能量守恒定律 D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 解析　根据能量守恒定律知，某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，故A、B正确；由ΔU＝W＋Q可知，热力学第一定律就是内能与其他形式能量发生转化时的能量守恒定律，故C正确；在石子运动和碰撞中，机械能转化为了石子及周围物体的内能，并没有消失，故D错误。 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 3．(能量守恒定律的理解)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，宇宙中的能量总和不变 解析　根据能量守恒定律的内容可知，D正确；能量守恒定律是自然界的普遍规律，适用于一切能量转移和转化过程，故A、B错误；摩擦生热的实质是摩擦力做功将机械能转化成了内能，其转化过程符合能量守恒定律，故C错误。 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 4．(能量守恒定律的应用)一种冷暖两用型空调开启制热模式时，额定输入功率为1.27 kW，制热功率为4.30 kW，即每消耗1.27 J电能，放出4.30 J的热量。下列说法正确的是(　　) A．空调制热过程产生了新能量 B．空调制热时放出的热量全部是由电能转化而来的 C．此过程违反了能量守恒定律 D．空调制热时放出的热量，一部分是由电能转化而来，另一部分则是从外界吸收而来 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 解析　该空调向室内放出的热量，一部分是通过电流做功，消耗电能转化而来，另一部分则是从外界吸收而来，因此并不违反能量守恒定律，故D正确，A、B、C错误。 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 5.(能量守恒定律的应用)(多选)如图所示，长木板A放在光滑的水平地面上，物体B以水平速度v0冲上A后，由于摩擦力作用，最后与木板A相对静止，则从B冲到木板A上到相对木板A静止的过程中，下述说法中正确的是(　　) A．物体B动能的减少量等于系统内能的增加量 B．物体B克服摩擦力做的功等于系统内能的增加量 C．物体B损失的机械能等于木板A获得的动能与系统 内能的增加量 D．系统克服摩擦力做的总功等于系统内能的增加量 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 解析　由题意可知，整个过程中，物体B损失的 机械能即为物体B动能的减少量，根据能量守恒定律， 物体B动能的减少量等于木板A获得的动能与系统内能 的增加量之和，故A错误，C正确；根据动能定理，物体B克服摩擦力做的功等于物体B损失的动能，而由上述分析知，物体B损失的动能大于系统内能的增加量，则物体B克服摩擦力做的功大于系统内能的增加量，B错误；由功能关系知，整个系统克服摩擦力做的功等于系统动能的减少量，结合能量守恒定律知，整个系统克服摩擦力做的功等于系统内能的增加量，故D正确。 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 6．(能量守恒定律的应用)某同学想要估测每秒钟太阳辐射的能量，他用一个横截面积S＝3.2×10－2 m2的保温圆筒，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·℃)，日地平均距离r＝1.50×1011 m，地球大气反射和吸收的太阳能占到达地球太阳能的54%。试估算太阳辐射能量的功率。 答案　4.0×1026 W 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 答案　eq \f(\a\vs4\al(mqηv),P)＋eq \f(Mv3,2P) 解析　油箱中汽油燃烧放出的能量：E＝qm 设汽车匀速行驶x1需要的能量： E′＝Pt＝Peq \f(x1,v) 而E′＝ηE 设油箱中汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为x2，则由动能定理知－Ff·x2＝0－eq \f(1,2)Mv2 又P＝Ff·v，汽车行驶的距离：x＝x1＋x2 以上各式联立解得：x＝eq \f(\a\vs4\al(mqηv),P)＋eq \f(Mv3,2P)。 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 太阳光垂直照射到地球轨道单位面积上的功率 P＝eq \f(Q,Stη)＝eq \f(3.7×103,3.2×10－2×3×60×（1－54%）) W/m2≈1.40×103 W/m2 太阳辐射能量的功率 P′＝P×4πr2＝1.40×103×4×3.14×(1.50×1011)2 W≈4.0×1026 W。 $$