2023學年高中物理第5章熱力學定律第2節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒教學案魯科版選修162

第2節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒1.1840年，德國醫(yī)生邁爾從理論上論證了能量間可以相互轉(zhuǎn)化，提出物理、化學過程中能量守恒原理。2．英國物理學家焦耳用了近40年的時間解決了功和熱的轉(zhuǎn)換的定量關(guān)系，為能量守恒提供無可置疑的證據(jù)。3．能量既不會消失，也不會創(chuàng)生，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而能量的總值保持不變。eq\a\vs4\al(對應(yīng)學生用書,P48)能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)[自讀教材·抓基礎(chǔ)]1．邁爾的發(fā)現(xiàn)德國醫(yī)生邁爾從理論上具體地論證了機械能、內(nèi)能、化學能、電磁能等都可以相互轉(zhuǎn)化。提出了物理、化學過程中能量守恒的原理。2．焦耳的研究(1)確定了電能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系。(2)用了近40年的時間，不懈地鉆研熱功轉(zhuǎn)換問題，為能量守恒定律提供了無可置疑的證據(jù)。3．亥姆霍茲的貢獻(1)亥姆霍茲的論文《論力的守恒》，從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應(yīng)等過程，揭示了它們之間的統(tǒng)一性。(2)他還將能量守恒原理與永動機不可能實現(xiàn)相提并論。[跟隨名師·解疑難]1．自然界中的運動形式多種多樣。不同的運動形式對應(yīng)不同的能量，例如(1)物體運動——機械能(2)分子熱運動——內(nèi)能(3)電荷和電場——電勢能2．不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化：(1)摩擦生熱——機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(2)水蒸氣將壺蓋頂起——內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能(3)用電爐子加熱——電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能3．太陽能的轉(zhuǎn)化：[特別提醒]能量之間的相互轉(zhuǎn)化都是通過做功來實現(xiàn)的。[學后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)說出下列過程中是什么能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(1)物體沿粗糙斜面下滑_________________________________________________；(2)變壓器發(fā)熱_________________________________________________________；(3)汽油機內(nèi)氣體燃燒后變成高溫氣體_____________________________________；(4)車刀切下熾熱鐵屑__________________________________________________。解析：物體沿斜面下滑，克服摩擦力做功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電流通過變壓器線圈發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；氣體(燃料)燃燒后變成高溫氣體，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；車刀切下熾熱的鐵屑，克服摩擦力做功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。答案：(1)機械能——內(nèi)能(2)電能——內(nèi)能(3)化學能——內(nèi)能(4)機械能——內(nèi)能能量守恒定律及其應(yīng)用[自讀教材·抓基礎(chǔ)]1．能量守恒定律能量既不會消失，也不會創(chuàng)生，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而能量的總值保持不變。2．意義揭示了自然科學各個分支之間的普遍聯(lián)系，是自然界內(nèi)在統(tǒng)一性的第一個有力證據(jù)。3．應(yīng)用(1)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化。在能量轉(zhuǎn)化過程中總伴有內(nèi)能的損失。(2)各種互不相關(guān)的物理現(xiàn)象，可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起。[跟隨名師·解疑難]對能量守恒定律的理解(1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等。(2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。(3)各種形式的能在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中總量守恒無需任何條件，而某種或幾種形式的能的守恒是有條件的。(4)意義：能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們進一步認識到，任何一部機器，只要對外做功，都要消耗能量，都只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而不能無中生有地創(chuàng)造能量。不消耗能量，卻可以源源不斷地對外做功的機器(第一類永動機)是不可能制成的。[學后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)(多選)下列對能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認識正確的是()A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式能量的增加B．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機器——第一類永動機是不可能制成的D．石子從空中落下，最后停止在地面上，說明機械能消失了解析：選ABCA選項是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能量是守恒的。B選項是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中能量是守恒的。這正好是能量守恒定律的兩個方面——轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移。第一類永動機是不可能制成的，因為它違背了能量守恒定律。所以A、B、C正確。D選項中石子的機械能在變化，比如受空氣阻力作用，機械能可能減少，但機械能并沒有消失，能量守恒定律表明能量既不會創(chuàng)生，也不會消失，故D是錯誤的。eq\a\vs4\al(對應(yīng)學生用書,P49)對能量守恒定律的考查[典題例析]一顆質(zhì)量為10g的子彈以200m/s的速度射入放在光滑水平面上質(zhì)量為2kg的木塊并穿出。穿出木塊時子彈的速度變?yōu)?0m/s，木塊速度為0.8m/s。設(shè)子彈在木塊中所受的阻力不變，在此過程中子彈和木塊共獲得多少內(nèi)能？若這些內(nèi)能有30%被子彈吸收，則可以使子彈升高多少攝氏度？子彈的比熱容為1.3×102J/(kg·℃)。[思路點撥](1)子彈的動能減少了，減少的動能轉(zhuǎn)移到哪或轉(zhuǎn)化成了什么形式的能？提示：子彈減少的動能，一部分轉(zhuǎn)化成木塊的動能，另一部分轉(zhuǎn)化成子彈和木塊的內(nèi)能。(2)機械能通過什么方式轉(zhuǎn)化為內(nèi)能？提示：機械能可以通過摩擦力做功等方式轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。解析：系統(tǒng)損失的機械能轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)增加的內(nèi)能。ΔE損＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－(eq\f(1,2)mveq\o\al(2,m)＋eq\f(1,2)Mveq\o\al(2,M))＝eq\f(1,2)×0.01×2002J－(eq\f(1,2)×0.01×402J＋eq\f(1,2)×2×0.82J)＝191.36J，被子彈吸收的熱量是Q＝ΔE損×30%＝cmΔt，所以Δt＝eq\f(ΔE損×30%,cm)＝eq\f(191.36×30%,1.3×102×0.01)℃＝44.16℃。答案：191.36J44.16℃[探規(guī)尋律]能量守恒定律的應(yīng)用技巧能量守恒定律是自然界中一個最基本的規(guī)律，同時，它又可以與很多其他物理規(guī)律(如：平拋運動、碰撞、圓周運動等)結(jié)合，解決一些綜合性很強的題目。解決這類題目應(yīng)明確研究過程中哪些能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化、各種能量的表達形式，然后由相應(yīng)物理規(guī)律結(jié)合能量守恒定律求解，同時考慮以下兩點：(1)某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，且減少量和增加量一定相等。(2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。[跟蹤演練]在如圖5-2-1所示的柱形容器內(nèi)封有一定質(zhì)量的密閉氣體。光滑活塞C(質(zhì)量為m)與容器用良好的隔熱材料制成。另有質(zhì)量為M的物體從活塞上方的A點自由下落到活塞上，并隨活塞一起到達最低點B而靜止。在這一過程中，密閉氣體內(nèi)能的改變量ΔU、外界對密閉氣體所做的功W與物體和活塞的重力勢能的變化關(guān)系是()圖5-2-1A．Mgh＋mgΔh＝ΔU＋WB．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔhC．ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔhD．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh解析：選C因活塞和容器用良好的隔熱材料制成，容器內(nèi)的密閉氣體與外界無熱交換，Q＝0，所以ΔU＝W；但由于物體和活塞碰撞時損失一部分機械能，因此有W<Mgh＋mgΔh，故選項C正確。雖然W<Mgh＋mgΔh，但仍遵守能量守恒定律，只不過減少的機械能不是全部轉(zhuǎn)化為密閉氣體的內(nèi)能，而是有一部分在碰撞時轉(zhuǎn)化為活塞和物體的內(nèi)能了，能的總量并未減少。eq\a\vs4\al(對應(yīng)學生用書,P49)[課堂雙基落實]1.(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的說法中，正確的是()A．用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B．電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能C．核電站發(fā)電是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．生石灰放入盛有涼水的燒杯里，水溫升高是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能解析：選AB核電站發(fā)電是核能轉(zhuǎn)化為電能，生石灰放入水中使水溫升高，是化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．下列設(shè)想不符合能量守恒定律的是()A．利用永久磁鐵間的作用力造一臺永遠轉(zhuǎn)動的機器B．做成一條船利用河水的能量逆水航行C．通過太陽照射飛機使飛機起飛D．不用任何燃料使河水升溫解析：選A利用磁場可使磁鐵所具有的磁場能轉(zhuǎn)化為動能，但由于摩擦力的不可避免性，動能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使轉(zhuǎn)動停止，故A錯；讓船先靜止在水中，設(shè)計一臺水力發(fā)電機使船獲得足夠電能，然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動能使船逆水航行；同理可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性，使光能轉(zhuǎn)化為飛機的動能，實現(xiàn)飛機起飛，故B、C正確；設(shè)計水壩利用河水重力勢能發(fā)電，一部分重力勢能通過水輪機葉片轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能、另外電能也可轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使水升溫，故D正確。3．自由擺動的秋千擺動幅度越來越小，下列說法正確的是()A．機械能守恒B．能量正在消失C．只有動能和重力勢能的相互轉(zhuǎn)化D．減少的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒解析：選D自由擺動的秋千擺動幅度減小，說明機械能在減少，減少的機械能通過克服摩擦力等外力做功的方式轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能。4．一木箱靜止于水平面上，現(xiàn)在用一個80N的水平推力推動木箱前進10m，木箱受到的摩擦力為60N，則轉(zhuǎn)化為木箱與地面系統(tǒng)的內(nèi)能U和轉(zhuǎn)化為木箱的動能Ek分別是()A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J解析：選B由于木箱在推動中受到滑動摩擦力，其與相對位移的乘積是轉(zhuǎn)化為木箱與地面系統(tǒng)的內(nèi)能，即U＝60×10J＝600J。由能量守恒定律可得Ek＝W總－U＝80×10J－600J＝200J，故B正確。[課下綜合檢測]一、選擇題1．俄“聯(lián)盟”號飛船返回艙著陸時出現(xiàn)嚴重錯誤，返回艙進入地球大氣層后，朝地面飛行的前端不是隔熱罩，而是艙門和天線，導(dǎo)致艙門被燒焦，天線遭焚毀，宇航員的生命受到嚴重威脅。在這一過程中，返回艙能量轉(zhuǎn)化的方式是()A．重力勢能→動能→內(nèi)能B．動能→重力勢能→內(nèi)能C．內(nèi)能→重力勢能→動能D．內(nèi)能→動能→重力勢能解析：選A當返回艙進入地球大氣層后，受地球引力的作用，會越落越快，該過程中返回艙的高度降低，速度變大，所以能量轉(zhuǎn)化應(yīng)是重力勢能轉(zhuǎn)化為動能；由于進入大氣層，當返回艙快速下落時，與空氣發(fā)生摩擦，返回艙克服空氣摩擦做功，使其內(nèi)能增加，所以此過程是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．有人設(shè)計了如圖1所示的永動機，靠磁鐵的吸引使車輛獲得行駛的能量。但是這類永動機沒有制成，是因為()圖1A．不符合機械能守恒定律B．違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律C．做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當量D．找不到合適的材料和合理的設(shè)計方案解析：選B第一類永動機不可能制成的原因是違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，故B項正確。3．(多選)圖2為焦耳實驗裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高。關(guān)于這個實驗，下列說法正確的是()圖2A．這個裝置可測定熱功轉(zhuǎn)換關(guān)系B．做功增加了水的熱量C．做功增加了水的內(nèi)能D．功和熱量是完全等價的，無區(qū)別解析：選AC可通過計算重力做功與水溫升高吸收的熱量，測定熱功轉(zhuǎn)換關(guān)系，做功增加了水的內(nèi)能，而熱量只是熱傳遞過程中內(nèi)能改變的量度，所以做功與熱量是不同的。4.如圖3所示的容器中，A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活塞下是水，上為空氣，大氣壓恒定，A、B底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱。開始A中水面比B中高，打開閥門，使A中的水逐漸流向B中，最后達到平衡，在這個過程中()圖3A．大氣壓力對水做功，水的內(nèi)能增加B．水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少C．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能不變D．大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能增加解析：選D由于水的體積不變，故p0SAhA＝p0SBhB，即大氣壓力對A做的正功與B克服大氣壓力做的功相等，故大氣壓力不做功。但水的重力勢能減少了，它轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，所以水的內(nèi)能增加了，故D正確。5.如圖4所示，A、B是兩個完全相同的鐵球，A放在絕熱板上，B用絕熱繩懸掛，現(xiàn)只讓它們吸收熱量，當它們升高相同的溫度時，它們所吸收的熱量分別為QA、QB，則()圖4A．QA＝QBB．QA<QBC．QA>QBD．無法確定QA、QB的大小解析：選C當A、B兩球升高相同的溫度時，根據(jù)熱脹冷縮原理可知，A、B球重心發(fā)生變化，A球重心升高的高度等于B球重心降低的高度，且在此過程中A球克服重力做功，B球受到重力，重力對其做正功，且由題意分析在吸熱過程中，它們升高相同的溫度，內(nèi)能增量ΔU相同，由熱力學第一定律ΔU＝Q＋W知，QA＝ΔU－WA，QB＝ΔU－WB，由于WA<0，WB>0，所以QA>QB，C正確。6.如圖5所示，密閉絕熱容器內(nèi)有一絕熱活塞(質(zhì)量不可忽略)，活塞的上部封閉著氣體，下部為真空，活塞與器壁間的摩擦忽略不計。置于真空中的輕彈簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，彈簧被壓縮后用繩扎緊，此時彈簧的彈性勢能為Ep(彈簧處在自然長度時的彈性勢能為零)?，F(xiàn)在繩突然斷開，彈簧推動活塞向上運動，經(jīng)過多次往復(fù)運動后活塞靜止，氣體達到平衡狀態(tài)。經(jīng)歷此過程()圖5A．Ep全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能B．Ep一部分轉(zhuǎn)化為活塞的重力勢能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能C．Ep全部轉(zhuǎn)化為活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能D．Ep一部分轉(zhuǎn)化為活塞的重力勢能，一部分轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢能解析：選D當繩子突然斷開時，活塞受彈簧的彈力F、活塞的重力G、封閉氣體對活塞向下的壓力F′的共同作用，如圖所示，其合力向上，經(jīng)多次往復(fù)運動后活塞靜止時，活塞處于三力平衡狀態(tài)，氣體體積必減小，外力對氣體做正功，由于絕熱，所做的功全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能，氣體的內(nèi)能增加，而活塞最終的靜止位置比初始位置高，其重力勢能增加，最終彈力與另外兩個力的合力平衡，彈簧仍有形變，設(shè)最終彈簧的彈性勢能為Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力勢能＋氣體增加的內(nèi)能，所以D選項正確。二、非選擇題7．水能是一種清潔能源。位于美國和加拿大交界處的尼亞加拉瀑布流速達每秒6000m3，