3.2 能量守恒定律（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理选择性必修第三册（教科版2019）

第2节　能量守恒定律 物理观念 科学思维 科学态度与责任 1.理解能量守恒定律的内容。 2．能用能量守恒定律的观点解释自然现象。 1.通过具体问题的分析，理解能量转化和能量守恒定律。 2．能解释第一类永动机不能制成的原因。 　　体会能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。 [对应学生用书P60] 一、能量守恒定律 1．能量守恒定律的探索历程：17世纪，笛卡尔、莱布尼兹都提出运动中守恒的量→18世纪，蒸汽机的普遍使用证明内能可以转化为机械能→18世纪末到19世纪初，电磁学、光学、化学、生物学的发展，使人们进一步认识到不同形式的能都可以相互转化。 2．关键人物：迈尔表述了能量守恒定律(1842年)→焦耳测定做功与传热的关系(1843年)→亥姆霍兹在理论上概括和总结能量守恒定律(1847年)。 3．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。 4．意义 (1)提高了蒸汽机的性能，对内燃机的研制及改进起到了重要的指导作用。 (2)将不同领域联系起来，为科学工作者提供了共同语言。 (3)为科学研究提供了方便。 二、节约能源 1．可持续发展：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．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，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。 如图所示为第一类永动机的设计图，它违背了能量守恒定律。依据情境，判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)物体吸收热量，同时对外做功，内能可能不变。(　　√　　) (2)做功改变物体内能的过程是内能与其他形式的能相互转化的过程。(　　√　　) (3)自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明能量正在消失。(　　×　　) (4)热机中，燃气的内能可以全部变为机械能而不引起其他变化。(　　×　　) (5)由能量守恒定律知，能量是取之不尽用之不竭的，也不必要节约能源。(　　×　　) [对应学生用书P61] 探究点一___能量守恒定律的分析与应用 新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的具有新技术、新结构、技术原理先进的汽车。 [问题设计] 不耗油的汽车能不能制成，为什么？不消耗能量的汽车呢？ 提示：前者能制成而后者不能制成。这是因为可以用太阳能、电能等能源代替石油能源制造出太阳能汽车、电动汽车等，但是不消耗任何能量的汽车不可能制成，因为它违背能量守恒定律。 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：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，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。 2．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，必须是只有重力或系统内的弹力做功；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。 【例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，共同摆起一定高度，则下面有关能的转化的说法正确的是(　　) A．子弹的动能转变成沙箱和子弹的内能 B．子弹的动能转变成了沙箱和子弹的势能 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　解析：子弹在射入沙箱瞬间，要克服摩擦阻力做功，有一部分动能转变成沙箱和子弹的内能，然后共同摆起一定高度的过程中机械能守恒，不再有机械能转化为内能，D正确。 [练1] 某偏远山区为了实现供电，自己修建了小型水利发电站。如图所示，若该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。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.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 C　解析：蓄水池中能用于发电的水的重力势能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，所以发电时流入下水库的水流速度小于36 m/s，B错误；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。 探究点二___能量守恒定律和第一类永动机 如图所示是18世纪人们发明的各种不同形式的“永动机”，现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了，警示人们不要再做这方面的工作。 [问题设计] 试分析“永动机”不能成功的原因。 提示：永动机违背了热力学第一定律。 1．热力学第一定律角度分析： 如果没有外界热源供给热量，则有U2－U1＝W，就是说，如果系统内能减少，即U2<U1，则W<0，系统对外做功是要以内能减少为代价的。 2．能量守恒定律角度分析： 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2】 20世纪70年代，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”，其结构如图所示。在斜面顶端放一块强磁铁M，斜面上下端各有一个小孔P、Q，斜面下有一个连接两个小孔的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底部放一个铁球，那么在磁铁的引力作用下，铁球会沿斜面向上运动，当球运动到P孔时，它会漏下，再沿着弯曲轨道返回到Q，由于这时球具有速度可以对外做功，然后又在磁铁的吸引下回到上端，到P处又漏下……关于这个设计，下列判断正确的是(　　) A．满足能量转化和守恒定律，所以可行 B．不满足热力学第二定律，所以不可行 C．不满足机械能守恒定律，所以不可行 D．不满足能量守恒定律，所以不可行 D　解析：维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律；小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消，可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量，所以维尔金斯“永动机”不可能实现，D正确。 [练2] 最近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．能量转化和守恒定律 D　解析：永动机不存在，线圈不可能一直转动，违背了能量转化和守恒定律。A、B、C错误；D正确。 [对应学生用书P62] 1．至今为止，第一类永动机从来没有成功过，其原因是(　　) A．机械制造的技术没有过关 B．违反了牛顿运动定律 C．违反了电荷守恒定律 D．违反了热力学第一定律 D　解析：第一类永动机不可能制成的原因是违背了热力学第一定律。 2．能源是社会发展的基础。下列关于能量守恒和能源的说法正确的是(　　) A．能量是守恒的，能源是取之不尽，用之不竭的 B．能量的耗散反映了能量是不守恒的 C．开发新能源，是缓解能源危机的重要途径 D．对能源的过度消耗将使自然界的能量不断减小，形成“能源危机” C　解析：能量是守恒的，能源是能够提供可利用能量的物质，并不是取之不尽，用之不竭的，A错误；能量的耗散是一种形式能量转化为另一种形式的能量，能量守恒定律是自然界的规律之一，B错误；开发新能源，是缓解能源危机的重要途径，C正确；对能源的过度消耗将形成“能源危机”，但自然界的能量不变，D错误。 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 C．冰雹的内能增大 D．冰雹的机械能不守恒 A　解析：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，A错误，D正确；冰雹的势能转化为冰雹的动能与内能，B、C正确。 4．一台冷暖两用型空调铭牌上标有“输入功率1 kW，制冷能力1.2×104 kJ/h，制热能力1.44×104 kJ/h”的字样，从设计指标看，空调在制热时，下列判断正确的是(　　) A．此过程是违反能量守恒定律的，所以铭牌上标注的指标一定是错误的 B．空调制热时产生的热量全部由电能转化而来的 C．空调制热时放出的热量一部分是由电能转化而来，另一部分是从外界吸收而来的 D．空调制热时每小时消耗电能1.44×104 kJ C　解析：空调制热时获得的热量，一部分是通过电流做功，消耗电能获得的，另一部分是从外界吸收的热量，并不违反能量守恒定律，A、B错误，C正确；空调制热时每小时消耗的电能是W＝Pt＝1×3.6×103 kJ＝3.6×103 kJ，D错误。 5．太阳向地球表面每平方米辐射光能的功率是1.4 kW，今要用凹面镜制成的太阳灶烧水，并要使初温为20 ℃、质量为5 kg的水在1 200 s内沸腾，则太阳灶中凹面镜受光照面积的直径至少应该是多少？(设太阳灶的总效率为50%) 答案：1.6 m 解析：设凹面镜的直径为d，在t＝1 200 s内太阳辐射到凹面镜的能量 E＝Pt·S＝1 400×1 200××3.14d2＝1.318 8×106d2 根据能量守恒可知 50%E＝c水 mΔt 即1.3188×106d2×50%＝4.2×103×5×(100－20) 解得d≈1.6 m。 [课时梯级训练(13)见P168] 学科网（北京）股份有限公司 $$