新教科版物理选修33同步讲义能量守恒定律的发现Word文档格式.docx

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从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性。

4．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另一种形式，或者从一个系统（物体）转移到另一个系统（物体），在转化和转移的过程中其总量不变。

1．判断：

（1）某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。

（　　）

（2）石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了。

（3）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。

答案：

（1）√　

（2）×

　（3）√

2．思考：

给玩具汽车上紧发条，玩具汽车就会跑起来，但最终玩具汽车会停止运动。

分析这个过程中能量是怎样转化的。

提示：

上紧的发条具有弹性势能，弹性势能转化为动能，玩具汽车就会跑起来。

由于玩具汽车克服摩擦力做功，又把机械能转化为内能，故最终会停止运动。

不同形式的能量和能量之间的转化

1.物体的每一种运动形式都对应不同的能量

（1）机械运动——机械能。

（2）热运动——内能。

（3）电荷运动——电能。

（4）化学运动——化学能。

（5）生物运动——生物能。

（6）原子核内部的运动——原子能。

2．各种形式的能可以相互转化

（1）机械能中的动能和势能可以相互转化（如：

自由落体运动）。

（2）机械能可以与内能相互转化（如：

摩擦生热，消耗了机械能，通过做功的形式转化为内能；

热机中的气体推动活塞做功，把气体内能转化为机械能）。

（3）其他形式的能也可以转化为内能（如：

电流通过导体时，把电能转化为内能；

炽热的灯丝发光，又把内能转化成光能；

燃料燃烧时，把化学能转化成内能）。

3．太阳能的转化

能量之间的相互转化都是通过做功来实现的。

1．说出下列过程中是什么能量转化为内能。

（1）物体沿粗糙斜面下滑（　　　　　　）；

（2）电源变压器发热（　　　　　　）；

（3）汽油机内气体燃烧后变成高温气体（　　　　　　）；

（4）车刀切下炽热铁屑（　　　　　　）。

解析：

物体沿斜面下滑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能；

电流通过变压器线圈发热，电能转化为内能；

气体（燃料）燃烧后变成高温气体，化学能转化为内能；

车刀切下炽热的铁屑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能。

（1）机械能——内能　

（2）电能——内能

（3）化学能——内能　（4）机械能——内能

能量守恒定律与永动机

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．各种形式的能在转化和转移过程中总能量守恒，无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的。

例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功。

4．能量守恒定律的意义：

能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量。

5．第一类永动机不可能制成：

任何机器运转时只能将能量从一种形式转化为另一种形式，而不可能无中生有地创造能量，即第一类永动机是不可能制造出来的。

应用能量守恒定律分析问题时，应注意：

（1）哪种形式的能量减少，哪种形式的能量增加。

（2）哪个物体的能量减少，哪个物体的能量增加。

2．在光滑水平面上有一个木块保持静止状态，子弹水平射穿木块，则下列说法中正确的是（　　）

A．子弹损失的机械能等于木块增加的机械能

B．子弹损失的机械能，等于子弹与木块增加的内能

C．子弹损失的机械能，等于木块增加的动能与内能的总和

D．子弹与木块组成的系统总能量守恒

选D　子弹射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减少，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热量在数值上等于系统损失的机械能。

子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和，故A、B、C错，D正确。

内能和其他形式能间的转化问题

[例1]　如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则（　　）

A．ΔU＝Q　　　　　　　B．ΔU<

Q

C．ΔU>

QD．无法比较

[解析]　因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体气体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能。

[答案]　B

[借题发挥]　物体的内能与宏观的动能、势能无关，但内能与机械能之间可以发生相互转化。

如本例为重力势能与内能之间的转化，而摩擦生热则是动能和内能之间的转化，符合能量守恒定律。

能量守恒定律的综合应用

[例2]　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6000m3，而且是一年四季流量稳定，瀑布落差50m，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10m/s2）

[解析]　每秒钟流下的水的质量为：

m＝ρV＝1×

103×

6000kg＝6×

106kg

每秒钟水减少的机械能为：

E＝mgh＝6×

106×

10×

50J＝3×

109J

设发电机的输出功率为P，则由能量守恒定律可得：

Eη＝Pt（t＝1s），解得P＝1.5×

109W。

[答案]　1.5×

109W

[借题发挥]　用能量守恒观点解题的一般思路

（1）对研究过程分析有哪些形式的能在变化，如何变化。

（2）由能量守恒定律，即ΔE增＝ΔE减列方程求解。

1．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是（　　）

A．机械能守恒

B．能量正在消失

C．只有动能和重力势能的相互转化

D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒

选D　自由摆动的秋千，在摆动过程中要克服摩擦力做功，机械能转化为内能，但总能量守恒。

2．如图所示，小孩下滑过程中，从能量的转化和转移的角度可用下面三句话来概括

①小孩克服摩擦做功，动能转化为内能　②小孩从滑梯上滑下时，重力势能转化为动能　③小孩的臀部吸热，内能增加，温度升高以下排序正确的是（　　）

A．①②③B．②③①

C．②①③D．③②①

选C　小孩从高处由静止滑下，重力做功，重力势能转化为动能，在运动过程中，小孩要克服摩擦，消耗机械能（动能）转化为热能（内能），部分被小孩臀部吸收，温度升高，故能量转化顺序为②①③，C对，A、B、D错。

3．下列说法正确的是（　　）

A．随着科技的发展，永动机是可以制成的

B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但是照射到宇宙空间的能量都消失了

C．“既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背能量守恒定律，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

选C　永动机是指不消耗或少消耗能量，而可以大量对外做功的装置。

历史上曾出现过各种各样的所谓永动机的发明，结果都以失败告终，原因就是违背了能量守恒定律。

故A错误；

太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极小的一部分，就形成了风云雨雪，使万物生长，但辐射到星际空间的能量也没有消失，一定是转化成了别的能量，故B错；

马和其他动物，包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源于食物中储存的化学能，故C正确；

所谓“全自动”手表内部还是有能量转化装置的，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，使摆锤不停摆动，给游丝弹簧补充能量，才会维持手表的走动，如果把这种表放在桌面上静置几天，它一定会停摆的，故D错。

4．[多选]行驶中的汽车制动后滑动一段距离，最后停下；

流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；

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。

上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（　　）

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

选AD　这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力。

因而物体都克服阻力做功，A项对。

四个物体运动过程中，汽车是动能转化为其他形式的能，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项对。

5．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h的高度，效率为80%。

求单位时间最多可提升的水的质量为多少？

设在时间t内吹在风车上的空气的质量为

m1＝πd2vtρ

风的动能Ek＝m1v2＝πd2v3tρ

根据题意：

πd2v3tρ×

50%×

80%＝mgh

则＝。

1．[多选]下列设想中，符合能的转化和守恒的有（　　）

A．利用永磁铁和软铁的作用，做一架机器永远地运动下去

B．制造一架飞机，不带燃料，利用太阳能就能飞行

C．做一只船，利用水的流动，逆水行驶，不用其他力

D．利用核动力，使飞船驶离太阳系

选BD　由能的转化和守恒定律知第一类永动机不可能制成，A错误；

飞机利用太阳能克服阻力做功，符合能量守恒定律，B正确；

利用水的动能使船逆水行驶，增加船的重力势能无法实现其转化，C错误；

利用核能使飞船驶离太阳系符合能量守恒定律，D正确。

2．汽车关闭发动机后恰能沿斜坡匀速运动，在这一过程中下列说法正确的是（　　）

A．汽车的机械能守恒

B．汽车的动能和势能相互转化

C．机械能逐渐转化为内能，总能量逐渐减小

D．机械能逐渐转化为内能，总能量不变

选D　由于汽车匀速下滑，重力、阻力做功，机械能不守恒，A错误；

汽车动能不变，势能减小，B错误；

汽车克服摩擦力做功，减少的机械能转化为内能，但总能量保持不变，C错误，D正确。

3．[多选]据报道，科学家已经研究出可以通过一定的科学方法，利用水制成汽油，并可大量投入使用。

你如何看待这个问题（　　）

A．成本低，收效高，可节约能源

B．它将是一条致富的好出路

C．它不符合能量转化与守恒定律

D．该报道肯定是假新闻

选CD　由题意可知将水制成汽油从能量角度来说违背了能量转化与守恒定律，C、D两项正确。

4．下列关于能量转化的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．日光灯发光是电能转化为内能

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

选A　用太阳灶烧水是太阳能转化为内能，A正确；

日光灯发光是电能转化为光能，B错误；

核电站发电是核能转化为电能，C错误；

生石灰在水中发热是化学能转化为内能，D错误。

5.如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是空气，大气压恒定。

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。

开始时，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡，在这个过程中（活塞的质量不计）（　　）

A．大气压力对水做功，水的内能增加

B．水克服大气压力做功，水的内能减少

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

选D　打开阀门后，A中的水逐渐流入B中，最后达到平衡，即稳定下来。

在这一过程中，水的重心降低，重力势能减少。

依据能量的转化与守恒定律，减少的重力势能全部转化为整个系统的内能，水的内能增加（容器的内能也增加）。

A、B液面上方的大气压强相等，设为p0，当A中水的体积减少ΔV时，B中水的体积增加ΔV。

所以，大气压力对水做的总功

W＝pA·

ΔV－pB·

ΔV＝p0·

ΔV－p0·

ΔV＝0，即大气压力对水不做功。

6．如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，初温相同。

A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂。

现只让它们吸热，当它们升高相同的温度时，吸热分别为QA、QB，则（　　）

A．QA＝QBB．QA<

QB

C．QA>

QBD．无法确定

选C　A、B升高相同的温度，根据Q＝cmΔt可知，升温需要的能量是相同的。

由于受热膨胀，A的重心升高，重力势能增加，吸热QA一部分用于升温，一部分用于增加重力势能ΔEp，即QA＝Q＋ΔEp；

B的重心降低，重力势能减小，吸热QB和减少的重力势能ΔEp共同用于升温，即Q＝QB＋ΔEp，显然QA>

QB，故C选项正确。

7．子弹以200m/s的速度射入固定的木块，穿出时速度为100m/s，若子弹损失的机械能完全转换成内能，并有50%被子弹吸收，求子弹温度可升高多少摄氏度？

[已知子弹的比热容为130J/（kg·

℃）]

子弹损失的机械能为：

ΔE＝mv02－mv2

子弹吸收的内能为

ΔE′＝50%ΔE＝ΔE

又因为Q吸＝cmΔt且有Q吸＝ΔE′

所以cmΔt＝m（v02－v2）

故Δt＝＝℃＝57.7℃

57.7℃

8．人的体温是由下丘脑中特殊神经细胞监察和控制的，当下丘脑温度高于37℃时，人体散热机制（如血管舒张、出汗等）就活跃起来，已知人体温度为37℃蒸发18g汗水所需要能量E＝4.3×

103J。

现有一中年人慢步行走时新陈代谢功率为35W，此人慢步行走时的体温保持37℃，行走用时1h出汗约30.2g，试求此人通过传导辐射等方式（不包括出汗）产生的散热功率。

此人因出汗消耗的能量

E1＝E＝×

4300J＝7214J

对应的功率P1＝＝2W

根据能量守恒定律，所求散热功率为：

P2＝P－P1＝33W。

33W