第3章 第2节 能量守恒定律及其应用-（课件PPT+Word教案）【步步高】2024-2025学年高二物理选择性必修第三册教师用书（粤教版2019）

DISANZHANG 第三章 第二节　能量守恒定律及 其应用 1 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 能量守恒定律 一 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 　(多选)(2023·广州市高二期中)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 例1 √ √ 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。 　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2 答案　8.3×1016 W 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=×3.14× (6 400×103)2 J≈1.49×1019 J，则辐射功率P= W≈8.3× 1016 W。 返回 第一类永动机不可能制成 二 11 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.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 例3 √ √ 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。 返回 课时对点练 三 15 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 基础对点练 √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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。 2.(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是 A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不 可能制成的 D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的； B选项是指能量在不同的物体间发生转化或转移，转化或转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移。第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，A、B、C正确； D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能凭空产生，也不会凭空消失，D错误。 3.(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 √ √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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。 考点二　第一类永动机不可能制成 4.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为 A.它不符合机械能守恒定律 B.它违背了能量守恒定律 C.它违背了热力学第一定律 D.暂时找不到合理的设计方案和理想材料 1 2 3 4 5 6 7 8 9 √ 第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B正确，A、C、D错误。 5.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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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。 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 √ 能力综合练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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.(2023·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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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 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.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 答案　123 ℃ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 由题意可知铅弹的动能完全转化为内能，可得：Ek=mv2=U 又知增加的内能的80%使铅弹温度升高，可得： 0.8U=Q=cmΔt 可得：Δt=≈123 ℃ 即铅弹温度升高了123 ℃。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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？ 尖子生选练 答案　1.12×105 W 1 2 3 4 5 6 7 8 9 依题意，可得t时间内通过风扇横截面的风的质量为m=ρSvt，风的动能为Ek=mv2 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 W=Pt=Ek×20%=(ρSvt)v2×20% 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。 返回 BENKEJIESHU 本课结束 $$ 第二节　能量守恒定律及其应用 ［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(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。 一、能量守恒定律 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，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变。 (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。 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转化时的能量守恒定律。 例1　(多选)(2023·广州市高二期中)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 答案　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。 例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=cmΔt) 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、第一类永动机不可能制成 1.不需要任何动力或燃料却能不断对外做功，这种机器被称为第一类永动机。 2.第一类永动机违反了能量守恒定律，所以是不可能制成的。 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？ 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。 例3　(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 答案　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。 课时对点练　［分值：50分］ 1~5题每题4分，共20分 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 答案　BCD 解析　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。 2.(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是 (　　) A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的 D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 答案　ABC 解析　A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转化或转移，转化或转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移。第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，A、B、C正确；D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能凭空产生，也不会凭空消失，D错误。 3.(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 答案　AD 解析　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。 考点二　第一类永动机不可能制成 4.“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为 (　　) A.它不符合机械能守恒定律 B.它违背了能量守恒定律 C.它违背了热力学第一定律 D.暂时找不到合理的设计方案和理想材料 答案　B 解析　第一类永动机不可能制成的原因是违背了能量守恒定律，故B正确，A、C、D错误。 5.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 答案　C 解析　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。 6、7题每题6分，8题8分，共20分 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 答案　BC 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.(2023·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 答案　D 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，减少的水的势能转化为水的内能，水的内能增加，选项C错误，D正确。 8.(8分)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) 答案　123 ℃ 解析　由题意可知铅弹的动能完全转化为内能，可得：Ek=mv2=U 又知增加的内能的80%使铅弹温度升高，可得： 0.8U=Q=cmΔt 可得：Δt==≈123 ℃ 即铅弹温度升高了123 ℃。 9.(10分)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？ 答案　1.12×105 W 解析　依题意，可得t时间内通过风扇横截面的风的质量为m=ρSvt，风的动能为Ek=mv2 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 W=Pt=Ek×20%=(ρSvt)v2×20% 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。 学科网（北京）股份有限公司 $$