能量守恒定律【新教材】人教版高中物理選擇性必修第三冊

能量守恒定律【新教材】人教版高中物理選擇性必修第三冊能量守恒定律基本概念能量守恒定律在力學(xué)中應(yīng)用能量守恒定律在熱學(xué)中應(yīng)用能量守恒定律在電磁學(xué)中應(yīng)用能量守恒定律在光學(xué)中應(yīng)用能量守恒定律在原子物理中應(yīng)用contents目錄能量守恒定律基本概念01能量是物體做功的本領(lǐng)，是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的量度。能量定義能量可分為動(dòng)能、勢能、內(nèi)能、電能、化學(xué)能、核能等不同類型。能量分類能量定義與分類能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，例如機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能也可以轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。能量可以在物體之間傳遞，例如通過熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射等方式傳遞內(nèi)能。能量轉(zhuǎn)化與傳遞能量傳遞能量轉(zhuǎn)化能量守恒定律能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其它物體，而能量的總量保持不變。能量守恒定律的意義能量守恒定律是自然界的基本定律之一，它揭示了自然界中各種現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和制約關(guān)系，為我們認(rèn)識(shí)和利用自然提供了重要的科學(xué)依據(jù)。能量守恒定律表述能量守恒定律在力學(xué)中應(yīng)用02在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢能可以相互轉(zhuǎn)化，而總的機(jī)械能保持不變。機(jī)械能守恒定律機(jī)械能守恒條件機(jī)械能守恒表達(dá)式物體只受重力或彈力作用，或者雖受其他力作用但其他力不做功或做功的代數(shù)和為零。在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內(nèi)，動(dòng)能與勢能之和是一個(gè)常量，即$E_k+E_p=text{常量}$。030201機(jī)械能守恒彈性勢能01發(fā)生彈性形變的物體具有的勢能，其大小與形變量有關(guān)。彈簧振子02一個(gè)不計(jì)摩擦和空氣阻力，只考慮重力和彈力的理想化模型。在振動(dòng)過程中，動(dòng)能和勢能相互轉(zhuǎn)化，機(jī)械能守恒。彈簧振子的周期和頻率03周期$T=2pisqrt{frac{m}{k}}$，頻率$f=frac{1}{T}=frac{1}{2pi}sqrt{frac{k}{m}}$，其中$m$為振子質(zhì)量，$k$為彈簧勁度系數(shù)。彈性勢能及彈簧振子碰撞過程中的能量轉(zhuǎn)化在完全彈性碰撞中，動(dòng)能和勢能可以完全轉(zhuǎn)化；在非完全彈性碰撞中，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；在完全非彈性碰撞中，動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。完全彈性碰撞碰撞過程中無機(jī)械能損失的碰撞，碰撞前后系統(tǒng)總動(dòng)能不變。非完全彈性碰撞碰撞過程中有機(jī)械能損失的碰撞，碰撞后系統(tǒng)總動(dòng)能減少。完全非彈性碰撞碰撞后兩物體粘在一起以共同速度運(yùn)動(dòng)的碰撞，系統(tǒng)動(dòng)能損失最大。碰撞過程中能量轉(zhuǎn)化和損失能量守恒定律在熱學(xué)中應(yīng)用03123熱量可以從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。熱力學(xué)第一定律的表述ΔU=W+Q，其中ΔU為內(nèi)能的變化量，W為外界對(duì)物體做的功，Q為物體吸收的熱量。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式揭示了熱現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化和守恒的基本規(guī)律，為熱力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。熱力學(xué)第一定律的物理意義熱力學(xué)第一定律熱機(jī)效率的定義及計(jì)算熱機(jī)效率是指熱機(jī)所做有用功與燃料完全燃燒釋放的熱量之比，用η表示，計(jì)算公式為η=W有/Q放。制冷系數(shù)的定義及計(jì)算制冷系數(shù)是指制冷機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)從低溫?zé)嵩次盏臒崃颗c向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃恐龋忙疟硎?，?jì)算公式為ε=Q吸/Q放。提高熱機(jī)效率和制冷系數(shù)的途徑通過改進(jìn)熱機(jī)或制冷機(jī)的設(shè)計(jì)，提高其熱力學(xué)完善度，減少各種能量損失，從而提高熱機(jī)效率或制冷系數(shù)。熱機(jī)效率及制冷系數(shù)計(jì)算在熱傳導(dǎo)過程中，熱量通過物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)從高溫部分傳遞到低溫部分，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能的轉(zhuǎn)移。熱傳導(dǎo)過程中的能量轉(zhuǎn)化在對(duì)流過程中，熱量通過流體的宏觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳遞，同時(shí)伴隨著內(nèi)能的轉(zhuǎn)移和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。對(duì)流過程中的能量轉(zhuǎn)化在輻射過程中，物體通過電磁波的形式向外發(fā)射能量，實(shí)現(xiàn)內(nèi)能向電磁能的轉(zhuǎn)化。同時(shí)，物體也會(huì)吸收來自其他物體的輻射能，實(shí)現(xiàn)電磁能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。輻射過程中的能量轉(zhuǎn)化熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射過程中能量轉(zhuǎn)化能量守恒定律在電磁學(xué)中應(yīng)用04

電場、磁場和電磁感應(yīng)中能量轉(zhuǎn)化電場中的能量電場具有能量，其大小與電場強(qiáng)度和電荷分布有關(guān)。在電場中，電荷的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電勢能的轉(zhuǎn)化。磁場中的能量磁場也具有能量，與磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁介質(zhì)有關(guān)。當(dāng)導(dǎo)線或回路在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化。電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，變化的磁場會(huì)在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。這一現(xiàn)象是電能和磁能之間相互轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)。電阻元件中的能量消耗在電路中，電阻元件將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，以熱的形式耗散。電阻的大小決定了能量轉(zhuǎn)化的效率。電容元件中的能量儲(chǔ)存電容元件能夠儲(chǔ)存電能，其儲(chǔ)存的能量與電容值和電壓的平方成正比。在交流電路中，電容的充放電過程實(shí)現(xiàn)了電能的儲(chǔ)存和釋放。電感元件中的能量儲(chǔ)存電感元件能夠儲(chǔ)存磁能，其儲(chǔ)存的能量與電感值和電流的平方成正比。在交流電路中，電感的自感現(xiàn)象和互感現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了磁能的儲(chǔ)存和傳遞。電阻、電容和電感元件中能量消耗與儲(chǔ)存電磁波的能量電磁波是電場和磁場交替變化并相互激發(fā)而形成的，具有能量。電磁波的能量與其振幅、頻率和波長有關(guān)。電磁波傳播過程中的能量傳遞電磁波在傳播過程中，其能量會(huì)隨著時(shí)間和空間的推移而傳遞。這種能量傳遞方式無需介質(zhì)，可在真空中進(jìn)行。電磁波的輻射、反射、折射等現(xiàn)象都是其能量傳遞的表現(xiàn)。電磁波傳播過程中能量傳遞能量守恒定律在光學(xué)中應(yīng)用05光在反射時(shí)，入射角等于反射角，反射光和入射光的能量之和等于入射光的能量。反射定律與能量守恒光在折射時(shí)，入射角和折射角的正弦之比等于兩種介質(zhì)的折射率之比，折射光和反射光的能量之和等于入射光的能量。折射定律與能量守恒當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角大于或等于臨界角，會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，此時(shí)全部入射光能量被反射回原介質(zhì)中。全反射與能量守恒光的反射、折射和全反射過程中能量分配光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象中能量變化在干涉現(xiàn)象中，光波在空間某些區(qū)域相互加強(qiáng)，在另一些區(qū)域相互減弱，形成明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的能量分布與光波的振幅和相位有關(guān)。衍射現(xiàn)象中的能量傳播衍射是光波遇到障礙物或小孔后偏離直線傳播的現(xiàn)象。在衍射過程中，光波的能量會(huì)重新分布，形成新的光強(qiáng)分布。偏振現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)換偏振是橫波特有的現(xiàn)象，光波是橫波，因此具有偏振性。在偏振現(xiàn)象中，光波的能量會(huì)隨著偏振方向的變化而發(fā)生變化。干涉現(xiàn)象中的能量分布激光是通過受激輻射產(chǎn)生的光放大現(xiàn)象。在激光產(chǎn)生過程中，泵浦源提供的能量被工作物質(zhì)吸收并轉(zhuǎn)換為光能，最終形成高亮度、高方向性的激光束。激光的產(chǎn)生與能量轉(zhuǎn)換激光具有單色性好、亮度高、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，激光的能量被轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，如熱能、電能、機(jī)械能等。例如，在激光切割中，激光的能量被轉(zhuǎn)換為熱能用于熔化材料；在激光測距中，激光的能量被轉(zhuǎn)換為電能用于測量距離。激光應(yīng)用中的能量轉(zhuǎn)換激光產(chǎn)生及應(yīng)用中能量轉(zhuǎn)換能量守恒定律在原子物理中應(yīng)用06衰變能原子核衰變時(shí)釋放的能量，等于衰變前后原子核的靜能差。衰變能的分配衰變能主要以動(dòng)能、γ光子和中微子的形式釋放。其中，動(dòng)能包括反沖核的動(dòng)能和新核的動(dòng)能；γ光子攜帶的能量以電磁輻射的形式釋放；中微子則帶走部分能量。衰變能計(jì)算根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程和動(dòng)量守恒定律，可以計(jì)算原子核衰變過程中釋放的能量和分配情況。原子核衰變過程中能量釋放與分配裂變能重核裂變時(shí)釋放的能量，等于裂變前后原子核的靜能差。聚變能輕核聚變時(shí)釋放的能量，等于聚變前后原子核的靜能差。能量計(jì)算根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程，可以計(jì)算輕核聚變和重核裂變反應(yīng)中釋放的能量。同時(shí)，還需要考慮反應(yīng)過程中的各種能量損失和轉(zhuǎn)化效率。輕核聚變和重核裂變反應(yīng)中能量計(jì)