新教材2023~2024學年高中物理 3.2 能量的轉化與守恒課件 （3份打包）魯科版選擇性必修第三冊

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第3章

第2節(jié)能量的轉化與守恒

課標要求

1.理解能量守恒定律。(物理觀念)

2.能用能量守恒的觀點解釋自然現(xiàn)象。(物理觀念)

3.體會能量守恒定律是最基本最普遍的自然規(guī)律之一。(物理觀念)

基礎落實·必備知識全過關

重難探究·能力素養(yǎng)全提升

目錄索引

學以致用·隨堂檢測全達標

基礎落實·必備知識全過關

一、能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)

1.邁爾的發(fā)現(xiàn):從理論上具體論證了機械能、內能、化學能、電磁能等都可相互轉化,提出了物理、化學過程中的思想。

2.焦耳的研究:通過實驗得出了,從而給出了電能向內能轉化的定量關系,為發(fā)現(xiàn)普遍的能量守恒定律打下基礎。

3.亥姆霍茲的貢獻:系統(tǒng)地闡述了能量守恒原理,從理論上把力學中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學反應等過程,揭示了它們之間的統(tǒng)一性,將能量守恒原理與永動機不可能實現(xiàn)聯(lián)系起來。

能量守恒

焦耳定律

二、能量守恒定律及其應用

1.能量守恒定律

能量既不會消失,也不會創(chuàng)生,它只能從一種形式為其他形式,或者從一個物體到其他物體,而能量的總值。

2.能量守恒定律的意義

(1)各種形式的能量可以相互轉化。

(2)各種物理現(xiàn)象可以用能量守恒定律聯(lián)系在一起。

(3)熱力學第一定律就是能量守恒定律在領域內的具體體現(xiàn)。

轉化

轉移

保持不變

熱現(xiàn)象

想一想(1)在能量發(fā)生轉化或轉移時,能量的總量會減少嗎

(2)人在跑步時,儲存在人體內的能量是如何轉化的

提示(1)能量的總量不會減少。

(2)一部分能量轉化為動能,另一部分能量轉化為內能。

易錯辨析判一判

(1)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。()

(2)用太陽灶燒水是太陽能轉化為內能。()

(3)能量既可以轉移又可以轉化,故能量的總量是可以變化的。()

(4)一個物體的能量在減少,必然有其他物體的能量在增加。()

(5)石子從空中落下,最后停止在地面上,說明能量消失了。()

提示能量的總量保持不變。

提示石子停止在地面上,機械能轉化為內能。

√

√

×

√

×

即學即用練一練

(多選)下面設想符合能量守恒定律的是()

A.利用永久磁鐵間的作用力,造一臺永遠轉動的機械

B.做一條船,利用太陽的能量逆水行舟

C.通過太陽照射飛機,使飛機不帶燃料也能飛行

D.利用核動力,使地球離開太陽系

BCD

解析利用磁場能可以使磁鐵所具有的磁場能轉化為動能,但由于摩擦力的不可避免性,動能最終轉化為內能使轉動停止,故A不符合;可利用光能的可轉化性和電能的可收集性,使光能轉化為船的動能或飛機的動能,實現(xiàn)逆水行舟或飛機不帶燃料飛行,故B、C符合;利用反沖理論,以核力為能源,使地球獲得足夠大的速度,掙脫太陽引力的束縛而離開太陽系,故D符合。

重難探究·能力素養(yǎng)全提升

探究能量守恒定律及其應用

情境探究

(1)如圖所示的永動機能實現(xiàn)嗎

(2)熱力學第一定律與能量守恒定律是什么關系

要點提示(1)不能,違反了能量守恒定律。

(2)能量守恒定律是各種形式的能相互轉化或轉移的過程,總能量保持不變,它包括各個領域,范圍廣泛。熱力學第一定律是物體內能與其他形式的能之間的相互轉化或轉移,是能量守恒定律的具體體現(xiàn)。

知識歸納

1.能量的存在形式及相互轉化

(1)各種運動形式都有對應的能量:機械運動有機械能,分子的熱運動有內能,還有電磁能、化學能、原子能等。

(2)各種形式的能,通過某種力做功可以相互轉化。例如,利用電爐取暖或燒水,電能轉化為內能;煤燃燒,化學能轉化為內能;列車剎車后,輪子溫度升高,機械能轉化為內能。

2.與某種運動形式對應的能是否守恒是有條件的

例如,物體的機械能守恒,必須滿足只有重力或系統(tǒng)內的彈力做功;而能量守恒定律是沒有條件的,它是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。

3.能量守恒定律的重要意義

(1)找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量,從而把各種自然現(xiàn)象用能量規(guī)律聯(lián)系起來,揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。

(2)突破了人們關于物質運動的機械觀念的范圍,從本質上表明了各種運動形式之間的相互轉化的可能性。能量守恒定律比機械能守恒定律更普遍,它是物理學中解決問題的重要思維方法。

(3)具有重大實踐意義,即徹底粉碎了永動機的幻想。

應用體驗

典例如圖所示,密閉絕熱容器內有一絕熱的具有一定質量的活塞,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,彈簧被壓縮后用繩拉緊,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)。現(xiàn)繩突然斷開,彈簧推動活塞向上運動,經過多次往復運動后活塞靜止,氣體達到平衡狀態(tài)。經過此過程()

A.Ep全部轉換為氣體的內能

B.Ep一部分轉換成活塞的重力勢能,其余部分仍為彈簧的

彈性勢能

C.Ep全部轉換成活塞的重力勢能和氣體的內能

D.Ep一部分轉換成活塞的重力勢能,一部分轉換為氣體的內能,其余部分仍為彈簧的彈性勢能

D

解析當繩子突然斷開時,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'共同作用,其合力向上,經多次往復運動后活塞靜止時,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,由于容器絕熱,氣體的內能增加,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。設最終彈簧的彈性勢能為Ep',由能量守恒定律得Ep等于Ep'、活塞增加的重力勢能、氣體增加的內能之和,所以D選項正確。

規(guī)律方法應用能量守恒定律解題的方法步驟

(1)認清有多少種形式的能(例如動能、勢能、內能、電能、化學能、光能等)在相互轉化。

(2)分別寫出減少的能量ΔE減和增加的能量ΔE增的表達式。

(3)根據(jù)下列兩種思路列出能量守恒方程:ΔE減=ΔE增。

①某種形式的能量減少,一定存在其他形式的能量增加,且減少量與增加量一定相等。

②某個物體的能量減少,一定存在其他物體的能量增加,且減少量與增加量一定相等。

(4)代入數(shù)據(jù),計算結果。

針對訓練

汽車關閉發(fā)動機后,沿斜面勻速下滑的過程中()

A.汽車的機械能守恒

B.汽車的動能和勢能相互轉化

C.汽車的機械能轉化成內能,汽車的總能量減少

D.汽車的機械能逐漸轉化為內能,汽車的總能量守恒

C

解析汽車能勻速下滑,一定受阻力作用,克服阻力做功,機械能轉化為內能,一部分內能散發(fā)出去,汽車的總能量減少。

學以致用·隨堂檢測全達標

1

2

3

1.下列說法正確的是()

A.隨著科技的發(fā)展,永動機是可以制成的

B.太陽照射到地球上的光能轉化成了其他形式的能量,但照射到宇宙空間的能量都消失了

C.“既要馬兒跑,又要馬兒不吃草”違背了能量守恒定律,因而是不可能的

D.有種“全自動”手表,不用上發(fā)條,也不用任何形式的電源,卻能一直走動,說明能量可以憑空產生

C

1

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3

解析永動機違背了能量守恒定律,即使以后科技再發(fā)達,也不可能制成,A錯誤;太陽輻射大量的能量,地球只吸收了極小的一部分,輻射到宇宙空間的能量沒有消失,而是轉化為別的能量,B錯誤;馬運動必須消耗能量,動物的能量來源于食物中儲存的化學能,C正確;所謂“全自動”手表內部還是有能量轉化裝置的,一般是一個擺錘,當人戴著手表活動時,擺錘不停地擺動,給游絲彈簧補充能量,才會維持手表的走動,D錯誤。

1

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2.沖擊擺實驗裝置如圖所示,一飛行子彈射入沙箱后與沙箱合為一體,共同擺起一定的高度,則下面有關能量的轉化的說法正確的是()

A.子彈的動能轉變成沙箱和子彈的內能

B.子彈的動能轉變成了沙箱和子彈的勢能

C.子彈的動能轉變成了沙箱和子彈的動能

D.子彈的動能一部分轉變成沙箱和子彈的內能,另一部分

轉變成沙箱和子彈的機械能

D

解析子彈在射入沙箱瞬間,要克服摩擦阻力做功,一部分動能轉變成沙箱和子彈的內能,另一部分動能轉變成沙箱和子彈的機械能。

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3.如圖所示,厚壁容器的一端通過膠塞插進一支靈敏溫度計和一根氣針,另一端有個用卡子卡住的可移動膠塞。用打氣筒通過氣針慢慢向容器內打氣,使容器內的壓強增大到一定程度,這時讀出溫度計示數(shù)。打開卡子,膠塞沖出容器口后,溫度計示數(shù),實驗表明對做功,內能。

變小

氣體

外界

減少

1

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3

解析膠塞沖出容器口的過程中,氣體膨脹,對外做功,Wmgh

C.ΔEQBD.無法確定

5.若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變,將氣泡內的氣體視為理想氣體,氣泡從湖底上升到湖面的過程中,氣體對外界做了0.6J的功,則此過程中的氣泡(選填“吸收”或“放出”)的熱量是J。氣泡到達湖面后,溫度上升的過程中,又對外界做了0.1J的功,同時吸收了0.3J的熱量,則此過程中,氣泡內氣體內能增加了J。

6.在如圖所示的p-T圖像中,一定質量的某種理想氣體先后發(fā)生兩種狀態(tài)變化過程。第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B,外界對該氣體做功為6J;第二種變化是從狀態(tài)A至狀態(tài)C,該氣體從外界吸收的熱量為9J。已知圖線AC的反向延長線通過坐標原點O,B、C兩狀態(tài)的溫度相同,理想氣體的分子勢能視為零。求:

(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程,該氣體對外界做的功W1和其內能的增量ΔU1;

(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程,該氣體內能的增量ΔU2及其從外界吸收的熱量Q2。

B級關鍵能力提升練

7.有一溫泉水溫恒定,則溫泉中正在緩慢上升的氣泡內的氣體()

A.壓強增大,體積減小,吸收熱量

B.壓強增大,體積減小,放出熱量

C.壓強減小,體積增大,吸收熱量

D.壓強減小,體積增大,放出熱量

8.(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其p-T圖像如圖所示。下列判斷正確的是()

A.過程ab中氣體一定吸熱

B.過程bc中氣體既不吸熱也不放熱

C.過程ca中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱

D.a、b和c三個狀態(tài)中,狀態(tài)a分子的平均動能最小

9.(多選)如圖所示,長木板A放在光滑的水平地面上,物體B以水平速度v0沖上木板A后,由于摩擦力作用,最后停止在木板A上,則從物體B沖到木板A上到相對木板A靜止的過程中,下列說法正確的是()

A.物體B動能的減少量等于系統(tǒng)損失的機械能

B.物體B克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內能的增加量

C.物體B損失的機械能等于木板A獲得的動能與系統(tǒng)損失的機械能之和

D.系統(tǒng)克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內能的增加量

10.(多選)如圖所示,a、b、c、d表示一定質量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個狀態(tài),圖中ad平行于橫坐標軸,dc平行于縱坐標軸,ab的延長線過原點,以下說法正確的是()

A.從狀態(tài)d到c,氣體不吸熱也不放熱

B.從狀態(tài)c到b,氣體放熱

C.從狀態(tài)a到d,氣體對外做功

D.從狀態(tài)b到a,氣體吸熱

11.如圖所示,水平放置的氣缸內壁光滑,活塞的厚度不計,在A、B兩處設有限制裝置,使活塞只能在A、B之間運動,A左側氣缸的容積為V0,A、B之間容積為0.1V0,開始時活塞在A處,缸內氣體壓強為0.9p0(p0為大氣壓強),溫度為297K,現(xiàn)通過對氣體緩慢加熱使活塞恰好移動到B。求:

(1)若此過程氣體吸收熱量為Q,求此過程氣體內能增量ΔU;

(2)活塞剛移動到B時,缸內氣體溫度TB。

12.如圖所示,內壁光滑、足夠高的圓柱形氣缸豎直放置,內有一質量為m的活塞封閉一定質量的理想氣體。已知活塞橫截面積為S,外界大氣壓強為p0,缸內氣體溫度為T1。現(xiàn)對氣缸內氣體緩慢加熱,使氣體體積由V1增大到V2,該過程中氣體吸收的熱量為Q1,停止加熱并保持體積V2不變,使其降溫到

T1,已知重力加速度大小為g,求:

(1)停止加熱時缸內氣體的溫度;

(2)降溫過程中氣體放出的熱量。

第2節(jié)能量的轉化與守恒

1.C根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q,物體內能的變化與做功及熱傳遞兩個因素均有關,物體吸收熱量,內能不一定增大,因為物體可能同時對外做功,故內能有可能不變或減少,A錯誤;物體對外做功,還有可能吸收熱量,內能可能不變或增大,B錯誤,C正確;物體放出熱量,同時對外做功,內能一定減少,D錯誤。

2.AD小球在豎直平面內擺動,經過一段時間后,小球停止擺動,說明機械能通過克服阻力做功不斷地轉化為內能,即機械能不守恒,故A正確;小球的機械能轉化為內能,能量的種類變了,但能量不會消失,故B錯誤;小球長時間擺動過程中,重力勢能和動能相互轉化的同時,機械能在減少,減少的機械能不斷地轉化為內能,故擺動的幅度越來越小,但總能量守恒,故C錯誤,D正確。

3.AB在絕熱過程中,甲氣室中氣體體積減小,外界對它做正功,內能增加,溫度升高,故A正確。乙氣室中氣體體積增加,它對外界做功,內能減少;活塞下落,重力勢能減少,設乙氣室中氣體對活塞的力做功為W乙,由題可知W乙為正值,由能量守恒定律可得ΔE=mgh+W乙,故C、D錯誤,B正確。

4.CA、B升高相同的溫度,根據(jù)Q=cmΔt可知,升溫需要的能量是相同的。由于受熱膨脹,A的重心升高,重力勢能增加,吸收的熱量QA一部分用于升溫,剩余部分用于增加重力勢能ΔEpA,即QA=Q+ΔEpA;B受熱膨脹重心降低,重力勢能減小,吸收的熱量QB和減少的重力勢能ΔEpB共同用于升溫,即Q=QB+ΔEpB,故QA>QB,C正確。

5.答案吸收0.60.2

解析氣泡從湖底上升到湖面過程中,W=-0.6J,ΔU=0,根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q得Q=0.6J,即吸收熱量0.6J。氣泡到達湖面后,溫度上升的過程中W=-0.1J,Q=0.3J,則ΔU=W+Q=0.2J,即氣泡內氣體內能增加了0.2J。

6.答案(1)09J

(2)9J3J

解析(1)由題意及題圖可知,從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程,氣體發(fā)生等容變化,該氣體對外界做的功W1=0,根據(jù)熱力學第一定律有ΔU1=W1+Q1

內能的增量ΔU1=Q1=9J。

(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程,體積減小,溫度升高

該氣體內能的增量ΔU2=ΔU1=9J

根據(jù)熱力學第一定律有ΔU2=W2+Q2

從外界吸收的熱量Q2=ΔU2-W2=3J。

7.C溫泉中正在緩慢上升的氣泡內的氣體,壓強減小,由理想氣體狀態(tài)方程公式=C知,溫度不變,壓強減小時體積增大;一定量的理想氣體的內能僅與溫度有關,故內能不變,體積增大時,氣體對外做功,由熱力學第一定律可知,氣體應吸收熱量,故C正確,A、B、D錯誤。

8.ADab過程為等容變化,W=0,溫度升高,內能增大,ΔU>0,由熱力學第一定律ΔU=W+Q知Q>0,吸熱,A正確;bc過程為等溫變化,ΔU=0,體積增大對外做功,W0,吸熱,B錯誤;ca過程溫度降低,內能減小,ΔU0,由熱力學第一定律ΔU=W+Q得QW,C錯誤;溫度為分子平均動能的唯一標志,Tamgh

C.ΔEQBD.無法確定

C

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解析A、B升高相同的溫度,根據(jù)Q=cmΔt可知,升溫需要的能量是相同的。由于受熱膨脹,A的重心升高,重力勢能增加,吸收的熱量QA一部分用于升溫,剩余部分用于增加重力勢能ΔEpA,即QA=Q+ΔEpA;B受熱膨脹重心降低,重力勢能減小,吸收的熱量QB和減少的重力勢能ΔEpB共同用于升溫,即Q=QB+ΔEpB,故QA>QB,C正確。

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5.若一氣泡從湖底上升到湖面的過程中溫度保持不變,將氣泡內的氣體視為理想氣體,氣泡從湖底上升到湖面的過程中,氣體對外界做了0.6J的功,則此過程中的氣泡(選填“吸收”或“放出”)的熱量是J。氣泡到達湖面后,溫度上升的過程中,又對外界做了0.1J的功,同時吸收了0.3J的熱量,則此過程中,氣泡內氣體內能增加了J。

吸收

0.6

0.2

解析氣泡從湖底上升到湖面過程中,W=-0.6J,ΔU=0,根據(jù)熱力學第一定律ΔU=W+Q得Q=0.6J,即吸收熱量0.6J。氣泡到達湖面后,溫度上升的過程中W=-0.1J,Q=0.3J,則ΔU=W+Q=0.2J,即氣泡內氣體內能增加了0.2J。

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6.在如圖所示的p-T圖像中,一定質量的某種理想氣體先后發(fā)生兩種狀態(tài)變化過程。第一種變化是從狀態(tài)A到狀態(tài)B,外界對該氣體做功為6J;第二種變化是從狀態(tài)A至狀態(tài)C,該氣體從外界吸收的熱量為9J。已知圖線AC的反向延長線通過坐標原點O,B、C兩狀態(tài)的溫度相同,理想氣體的分子勢能視為零。求:

(1)從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程,該氣體對外界做的功W1和其內能的增量ΔU1;

(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程,該氣體內能的增量ΔU2及其從外界吸收的熱量Q2。

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答案(1)09J

(2)9J3J

解析(1)由題意及題圖可知,從狀態(tài)A到狀態(tài)C的過程,氣體發(fā)生等容變化,該氣體對外界做的功W1=0,根據(jù)熱力學第一定律有ΔU1=W1+Q1

內能的增量ΔU1=Q1=9J。

(2)從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程,體積減小,溫度升高

該氣體內能的增量ΔU2=ΔU1=9J

根據(jù)熱力學第一定律有ΔU2=W2+Q2

從外界吸收的熱量Q2=ΔU2-W2=3J。

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7.有一溫泉水溫恒定,則溫泉中正在緩慢上升的氣泡內的氣體()

A.壓強增大,體積減小,吸收熱量

B.壓強增大,體積減小,放出熱量

C.壓強減小,體積增大,吸收熱量

D.壓強減小,體積增大,放出熱量

B級關鍵能力提升練

C

解析溫泉中正在緩慢上升的氣泡內的氣體,壓強減小,由理想氣體狀態(tài)方程公式=C知,溫度不變,壓強減小時體積增大;一定量的理想氣體的內能僅與溫度有關,故內能不變,體積增大時,氣體對外做功,由熱力學第一定律可知,氣體應吸收熱量,故C正確,A、B、D錯誤。

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8.(多選)一定量的理想氣體從狀態(tài)a開始,經歷三個過程ab、bc、ca回到原狀態(tài),其p-T圖像如圖所示。下列判斷正確的是()

A.過程ab中氣體一定吸熱

B.過程bc中氣體既不吸熱也不放熱

C.過程ca中外界對氣體所做的功等于氣體所放的熱

D.a、b和c三個狀態(tài)中,狀態(tài)a分子的平均動能最小

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解析ab過程為等容變化,W=0,溫度升高,內能增大,ΔU>0,由熱力學第一定律ΔU=W+Q知Q>0,吸熱,A正確;bc過程為等溫變化,ΔU=0,體積增大對外做功,W0,吸熱,B錯誤;ca過程溫度降低,內能減小,ΔU0,由熱力學第一定律ΔU=W+Q得QW,C錯誤;溫度為分子平均動能的唯一標志,Ta<Tb=Tc,D正確。

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9.(多選)如圖所示,長木板A放在光滑的水平地面上,物體B以水平速度v0沖上木板A后,由于摩擦力作用,最后停止在木板A上,則從物體B沖到木板A上到相對木板A靜止的過程中,下列說法正確的是()

A.物體B動能的減少量等于系統(tǒng)損失的機械能

B.物體B克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內能的增加量

C.物體B損失的機械能等于木板A獲得的動能與系統(tǒng)損失的機械能之和

D.系統(tǒng)克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內能的增加量

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解析物體B以水平速度沖上木板A后,由于摩擦力作用,物體B減速運動,木板A加速運動,根據(jù)能量守恒定律,物體B動能的減少量等于木板A增加的動能和系統(tǒng)產生的熱量之和,故A錯誤;根據(jù)動能定理,物體B克服摩擦力做的功等于物體B損失的動能,故B錯誤;由能量守恒定律可知,物體B損失的機械能等于木板A獲得的動能與系統(tǒng)損失的機械能之和,故C正確;由能量守恒定律,整個系統(tǒng)克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內能的增加量,故D正確。

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10.(多選)如圖所示,a、b、c、d表示一定質量的理想氣體狀態(tài)變化過程中的四個狀態(tài),圖中ad平行于橫坐標軸,dc平行于縱坐標軸,ab的延長線過原點,以下說法正確的是()

A.從狀態(tài)d到c,氣體不吸熱也不放熱

B.從狀態(tài)c到b,氣體放熱

C.從狀態(tài)a到d,氣體對外做功

D.從狀態(tài)b到a,氣體吸熱

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解析氣體從狀態(tài)d到c,溫度不變,理想氣體內能不變,但是壓強減小,體積增大,對外做功