2022年高中物理同步講義（人教版選修性必修第3冊）：第12講 能量守恒定律（解析版）

第12講能量守恒定律目標導航目標導航課程標準課標解讀1.通過有關史實，了解熱力學第一定律和能量守恒定律的發(fā)現過程，體會科學探索中的挫折和失敗對科學發(fā)現的意義。2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的觀點解釋自然現象。3.體會能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一。1.理解并會運用能量守恒定律。2.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因。知識精講知識精講知識點能量守恒定律1．探索能量守恒的足跡2．能量守恒定律能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。3．永動機不可能制成(1)第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器；(2)第一類永動機由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成。【知識拓展】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：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、核能等；(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．能量守恒的兩種表達(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．第一類永動機不可能制成的原因分析如果沒有外界供給熱量而對外做功，由ΔU＝W＋Q知，系統(tǒng)內能將減小。若想源源不斷地做功，在無外界能量供給的情況下是不可能的?！炯磳W即練1】如圖所示為沖擊擺實驗裝置，一質量為m的子彈以速度射入質量為M的沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定高度h，則整個過程中子彈和沙箱由于相互作用所產生的內能為多少？（不計空氣阻力）【答案】【解析】子彈和沙箱相互作用的過程中，損失動能，產生內能，由能量守恒定律得由于子彈和沙箱相互作用的時間極短，它們一起從最低點以v做圓周運動，滿足機械能守恒，即聯立兩式解得【即學即練2】在高的光滑水平桌面上放著一個質量的木塊，一顆質量的鉛彈從水平方向射中木塊，把木塊打落在地面上，落地點與桌邊的水平距離。鉛彈射中木塊后留在木塊內，鉛的比熱容J/（kg·℃），。設增加的內能有使鉛彈溫度升高，鉛彈的溫度升高多少攝氏度？【答案】92℃【解析】鉛彈射中木塊后與木塊一起做平拋運動的初速度為根據動量守恒可得可得鉛彈射入木塊時速度為系統(tǒng)損失的機械能為損失的機械能轉化為系統(tǒng)增加的內能，則℃能力拓展能力拓展考法能量守恒定律【典例1】地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣象條件下到達地面的太陽輻射照度都是不相同的。下表給出了熱帶、溫帶和比較寒冷地帶的太陽平均輻射照度。若在上海地區(qū)安裝一臺太陽能熱水器。已知其采光面積為、熱轉換效率為40%，水的比熱容為J/（kg·℃）。試求：（1）此太陽能熱水器每天能吸收多少焦的太陽能？（2）設熱水器中水的溫度升高20℃，則該熱水器平均每天能提供多少熱水？地區(qū)太陽平均輻射照度熱帶、沙漠5～6溫帶3～5陽光較少地區(qū)（北歐）2～3【答案】（1）；（2）【解析】（1）上海地區(qū)屬于溫帶地區(qū)，故根據表中的數據，太陽平均輻射照度值取此太陽能熱水器每天能吸收的太陽能為（2）根據能的轉化和能量守恒定律可列出分層提分分層提分題組A基礎過關練1．在一個與外界沒有熱交換的房間里打開冰箱門，冰箱正常工作，過一段時間房間內的溫度將如何變化（）A．降低 B．升高 C．不變 D．無法確定【答案】B【解析】冰箱消耗電能使冰箱內外發(fā)生熱交換而達到內部制冷，把冰箱與房間看成一個系統(tǒng)，打開冰箱門后，冰箱與房間內的熱交換發(fā)生在系統(tǒng)內，系統(tǒng)內部無法使系統(tǒng)總能量發(fā)生變化。但系統(tǒng)消耗電能增加了系統(tǒng)的總能量，根據能量守恒定律，系統(tǒng)增加的能量轉化為內能使房間的溫度升高。故選B。2．下列說法中正確的是（）A．自然界的能量的總和是守恒的，所以節(jié)約能源是毫無意義的B．電源是通過靜電力做功把其他形式的能轉化為電勢能的裝置C．電能轉化為其他形式的能，是通過電流做功來實現的D．能量耗散表明自然界的能量總和在不斷減少【答案】C【解析】A．自然界的能量的總和是守恒的，但人類可以利用的能源是有限的，節(jié)約能源不僅能使我們長久利用，并且可以減小由于常規(guī)能源在使用中帶來的污染，節(jié)約能源對人類社會的發(fā)展有很大的意義，故A錯誤；B．電源是通過非靜電力做功把其他形式的能轉化為電勢能的裝置，故B錯誤；C．電能通過電場力做功，把電能轉化為其它形式的能量，故C正確；D．能量耗散是針對一個系統(tǒng)（或一個物體）而言，能量在自然界中是守恒的，故D錯誤。故選C。3．下列說法中錯誤的是（）A．能的轉化和守恒定律只適用于物體內能的變化B．只要有能的轉化和轉移，就一定遵從能量守恒定律C．能的轉化和守恒定律是人們認識自然和利用自然的有力武器D．任何一種形式的能在轉化為其他形式的能的過程中，消耗多少某種形式的能量，就能得到多少其他形式的能量，而能的總量保持不變【答案】A【解析】各種形式的能都可以相互轉化，并不是只適用于物體內能的變化，且有能的轉化和轉移，就一定遵從能量守恒定律，A錯誤，符合題意，BCD正確，不符合題意。4．“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為（）A．它不符合機械能守恒定律B．它違背了能的轉化和守恒定律C．它做功產生的熱不符合熱功當量D．暫時找不到合理的設計方案和理想材料【答案】B【解析】第一類永動機不可能制成的原因是違背了能的轉化和守恒定律，故B正確，ACD錯誤。故選B。5．有關能量的轉化和守恒定律，下列說法正確的是（）A．只適用于機械能與內能的相互轉化B．只適用能量轉化過程C．“摩擦生熱”是創(chuàng)造了熱，它不符合能量守恒定律D．根據能量守恒定律，字宇宙中的能量總和不變【答案】D【解析】能量的轉化和守恒定律是自然界普遍遵循的一個規(guī)律，適用于一切能量和一切物理過程，故D正確，ABC錯誤；故選D。6．熱現象過程中不可避免地出現能量耗散的現象．所謂能量耗散是指在能量轉化的過程中無法把散失的能量重新收集、加以利用．下列關于能量耗散的說法中正確的是()A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學第二定律C．能量耗散過程中能量不守恒D．能量耗散是從能量轉化的角度,反映出自然界中的宏觀過程具有方向性【答案】D【解析】能量耗散是指能量在轉化和轉移的過程中擴散到周圍環(huán)境中無法再收集起來的，其滿足能量守恒定律，也符合熱力學第二定律，能量在數量上并未減少，但在可利用的品質上降低了．能量耗散反應了涉及熱運動的宏觀過程都具有方向性，所以A、B、C錯誤；D正確．7．下列說法中正確的是（）A．某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加B．能量耗散表明，能量的總量并不守恒C．隨著科技的發(fā)展，能量是可以憑空產生的D．隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的【答案】A【解析】A．根據能量守恒定律，某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加，故A正確；B．能量耗散表明，能量的總量雖然守恒，但其轉化和轉移具有方向性，故B錯誤；C．根據能量守恒定律，能量是不能創(chuàng)生的，故C錯誤；D．永動機違背了熱力學第一和第二定律，故是不可能制造成功的，故D錯誤；故選A。8．下列關于熱學的知識敘述正確的是（）A．分子間的作用力表現為引力時，若分子間的距離增大，則分子力減小，分子勢能增大B．對于一定種類的大量氣體分子，在一定溫度時，處于一定速率范圍內的分子數所占百分比是確定的C．我們可以利用高科技手段，將流散到周圍環(huán)境中的內能重新收集起來加以利用而不引起其他變化D．氣體的狀態(tài)變化時，若溫度升高，則每個氣體分子的平均動能增加【答案】B【解析】A．當r>r0時，分子間的作用力表現為引力，隨著分子間的距離增大，分子力先增大后減小，A錯誤；B．根據熱力學的統(tǒng)計規(guī)律，對于一定種類的大量氣體分子，在一定溫度時，處于一定速率范圍內的分子數所占百分比是確定的。故B正確；C．根據熱力學第二定律，不可能將流散到周圍環(huán)境中的內能重新收集起來加以利用而不引起其他變化。故C錯誤；D．溫度升高，并不是每個氣體分子的平均動能均增加，D錯誤。故選B。9．以下說法正確的是（）A．當分子間距離增大時，分子間作用力減小，分子勢能增大B．某物體溫度升高，則該物體分子熱運動的總動能一定增大C．液晶顯示屏是應用液晶的光學各向同性制成的D．自然界發(fā)生的一切過程能量都守恒，符合能量守恒定律的宏觀過程都能自然發(fā)生【答案】B【解析】A．當r＜r0時，當分子間距增大時，分子力減小，分子勢能減??；當r＞r0時，當分子間距增大時，分子力先增加后減小，分子勢能增加，故A錯誤；B．某物體溫度升高，則分子的平均動能增大，該物體分子熱運動的總動能一定增大，故B正確；C．液晶顯示屏是應用液晶的光學各向異性制成的，故C錯誤；D．自然界發(fā)生的一切過程能量都守恒，符合能量守恒定律的宏觀過程不一定都能自然發(fā)生，例如水能由高處自然的流向低處，但是不能自發(fā)的由低處流向高處，故D錯誤。故選B。10．大約在1670年，英國賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設計了一種磁力“永動機”。如圖所示，在斜坡頂上放一塊強有力的磁鐵，斜坡上端有一個小孔，斜面下有一個連接小孔直至底端的彎曲軌道，維爾金斯認為：如果在斜坡底端放一個小鐵球，那么由于磁鐵的吸引，小鐵球就會向上運動，當小球運動到小孔P處時，它就要掉下，再沿著斜面下的彎曲軌道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以對外做功，然后又被磁鐵吸引回到上端，到小孔P處又掉下。在以后的二百多年里，維爾金斯的永動機居然改頭換面地出現過多次，其中一次是在1878年，即在能量轉化和守恒定律確定20年后，竟在德國取得了專利權。關于維爾金斯“永動機”，正確的認識應該是（）A．符合理論規(guī)律，一定可以實現，只是實現時間早晚的問題B．如果忽略斜面的摩擦，維爾金斯“永動機”一定可以實現C．如果忽略斜面的摩擦，鐵球質量較小，磁鐵磁性又較強，則維爾金斯“永動機”可以實現D．違背能量轉化和守恒定律，不可能實現【答案】D【解析】如果忽略摩擦，那么鐵球返回斜坡底端Q時速度為零，無法對外做功，如果在返回的過程中對外做功了，將無法返回到底端Q。所以該“永動機”不可以實現。故選D。題組B能力提升練1．在陽光的照射下、太陽能小風扇快速轉動。這說明（）A．動能可以憑空產生B．可以制造出不消耗能量的永動機C．太陽能可以轉化為其他形式的能D．太陽可以是供無窮無盡的能量，不需要節(jié)約能源【答案】C【解析】AC．在陽光的照射下、太陽能小風扇快速轉動，是太陽能轉化成機械能，故A錯誤，C正確；B．不消耗能量的永動機違背能量守恒定律，不能制造，故B錯誤；D．能量不是取之不盡的，并且有些能量目前我們還無法利用，從而需要節(jié)約能源，故D錯誤。故選C。2．某偏遠山區(qū)為了實現供電，自己修建了小型水利發(fā)電站。如圖所示，若該發(fā)電站蓄水池平均每天蓄水的有效總庫容量為，發(fā)電過程中上下水庫平均水位差為。則下列說法正確的是（）A．若每天發(fā)電，則能源利用效率約為35%B．發(fā)電時下水庫出水口的水流速度可達到C．蓄水池中水的重力勢能全部轉化為電能，則每天能發(fā)電約D．平均每天所發(fā)電能可供10戶居民同時用電（每戶電功率為）約【答案】C【解析】A．蓄水池中能用于發(fā)電的水的重力勢能為則能源利用效率A錯誤；B．若沒有任何阻力，由機械能守恒得得由題知，水流下的過程中受到阻力，所以發(fā)電時流入下水庫的水流速度小于，故B錯誤；C．蓄水池中能用于發(fā)電的水的重力勢能全部轉化為電能，則每天能發(fā)電約故C正確；D．若重力勢能全部轉化為電能，平均每天所發(fā)電能可供10戶居民同時用電時間由于效率不可能達到100%，可供給10戶居民用電時間小于，D錯誤；故選C。3．高空形成的冰雹加速下落，并有部分熔化，以下說法中不正確的是（）A．只有重力做功，冰雹下落時機械能守恒B．冰雹的勢能轉化為冰雹的動能C．冰雹的內能增大D．冰雹的機械能不守恒【答案】A【解析】AD．除了重力做功，還有阻力做功，所以冰雹下落時機械能不守恒，則A錯誤，符合題意；D正確，不符合題意；BC．冰雹的勢能轉化為冰雹的動能與內能，所以BC正確，不符合題意；故選A。4．如圖所示，柱形容器內封有一定質量的空氣，光滑活塞（質量為）與容器用良好的隔熱材料制成?；钊麢M截面積為，大氣壓為，另有質量為的物體從活塞上方的點自由下落到活塞上，并隨活塞一起到達最低點而靜止，在這一過程中，容器內空氣內能的改變量，外界對容器內空氣所做的功與物體及活塞的重力勢能的變化量的關系是（）A．B．，C．，D．，【答案】C【解析】由于系統(tǒng)隔熱，所以氣體與外界沒有熱交換，活塞對氣體做正功，所以由熱力學第一定律知氣體的內能增加，且△E=W而從能量守恒的角度考慮，m和M減少的機械能即重力勢能和大氣壓做功共Mgh+mg△h+poS△h這部分損失的能量一部分使氣體的內能增加，另一部分損失到碰撞過程中m和M的內能上，所以W＜Mgh+mg△h+poS△h故選C。5．下面幾幅圖中，有關功與內能的說法中正確的是()A．圖1中迅速下壓活塞，棉花會燃燒起來，說明熱傳遞可以使物體的溫度升高B．圖2中重物下落帶動葉片轉動，由于葉片向水傳遞熱量而使水的溫度升高C．圖3中降落的重物使發(fā)電機發(fā)電，電流對水做功使水的溫度升高D．做功和熱傳遞都可以使物體的內能增加【答案】D【解析】圖1中迅速下壓活塞，棉花會燃燒起來，說明做功可以改變物體的內能，使物體的溫度升高，選項A錯誤；圖2中重物下落帶動葉片轉動，由于葉片對水做功而使水的溫度升高，選項B錯誤；圖3中降落的重物使發(fā)電機發(fā)電，電流產生熱量，向水傳遞熱量使水的溫度升高，選項C錯誤；做功和熱傳遞都可以使物體的內能增加，選項D正確；故選D.6．如圖所示是某類潮汐發(fā)電示意圖。漲潮時開閘，水由通道進入海灣水庫蓄水，待水面升至最高點時關閉閘門（如圖甲），落潮時，開閘放水發(fā)電（如圖乙）。設海灣水庫面積為5.0×108m2，平均潮差為3.0m，一天漲落潮兩次，發(fā)電機的平均能量轉化效率為10%，則一天內發(fā)電的平均功率約為（ρ海水＝1.0×103kg/m3，g取10m/s2）（）A．2.6×104kW B．5.2×104kW C．2.6×105kW D．5.2×105kW【答案】B【解析】利用潮汐發(fā)電，就是水的重力勢能轉化為電能，水能轉化電能的效率是10%，一次漲潮，退潮后水壩內水的勢能增加W水=G△h=mg△h=ρ水Vg△h=ρ水Shg△h=ρ水Sgh△h△h為水的重心下降的高度，即△h=1.5m則水的勢能可轉變?yōu)殡娔躓電=W水×10%=ρ水Sgh△h×10%=1.0×103kg/m3×5.0×108m2×10N/kg×3m×（1.5m）×0.1J=2.25×1012J每天2次漲潮，則該電站一天能發(fā)電4.5×1012J，所以每天的平均功率為P==5.2×104kW故ACD錯誤，B正確。故選B。7．如圖所示，容器A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定。A、B的底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱。原先，A中水面比B中的高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡。在這個過程中，大氣壓對水做功為______，水的內能______（選填“增加”、“減小”或“不變”）。【答案】0增加【解析】[1]打開閥門K后，據連通器原理，最后A、B兩管中的水面將相平，如下圖所示即A中水面下降，B中水面上升；設A管截面積為S1，水面下降距離為h1，B管截面積為S2，水面上升距離為h2，由于水的總體積保持不變，則有A管中大氣壓力對水做的功B管中大氣壓力對水做的功大氣壓力對水做的總功[2]由于水的重心降低，重力勢能減小，由能量守恒定律知水的內能增加。8．容器A、B的底部用一帶有閥門的細管相連，閥門關閉時A中水面較高打開閥門使水較慢流動，最終A、B中的水面相平，則在此過程中，大氣壓力對水所做的功W_______0，水的內能的增加量_______0（選填“>”、“=”、“<”）.【答案】=>【解析】[1]打開閥門后，據連通器原理，最后A、B兩管中的水面將相平，即A中水面下降，B中水面上升，設A管截面積為S1，水面下降距離為h1，B管截面積為S2，水面上升距離為h2，由于水的總體積保持不變，則有A管中大氣壓力對水做的功：B管中大氣壓力對水做的功：大氣壓力對水做的總功：因為所以即大氣壓力對水不做功；[2]由于水的重心降低，重力勢能減小，由能量守恒定律知水的內能增加，即題組C培優(yōu)拔尖練1．一定質量的理想氣體經歷如圖所示的一系列過程，a→b、b→c、c→d、d→a這四段過程在p—T圖上都是直線段，其中的延長線通過坐標原點O，垂直于，而平行于，由圖可以判斷（）A．a→b過程中氣體對外做功B．b→c過程中外界對氣體做功C．c→d過程中氣體從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功D．d→a過程中氣體體積不斷減小【答案】BC【解析】A．根據理想氣體的方程可知即a→b過程中氣體體積不變，不存在對外做功，故A錯誤；B．根據可知b→c過程中氣體體積變小，外界對氣體做功，故B正確；C．c→d過程中T增大，可知氣體內能增大，故氣體從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功，C正確；D．根據d→a過程中氣體體積不斷變大，故D錯誤；故選BC。2．一定質量的理想氣體的圖像中的等溫變化圖線如圖所示，A、B是雙曲線上的兩點。下列說法正確的是（）A．圖中△OAC和△OBD的面積一定相等B．氣體在狀態(tài)A的內能一定大于在狀態(tài)B的內能C．氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，一定向外界放出熱量D．氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，單位時間內對器壁單位面積上的碰撞次數減少【答案】AD【解析】A．三角形面積為由題意可知，圖線為等溫曲線，由理想氣體狀態(tài)方程則由于C是常數，溫度T保持不變，則pV相等，兩三角形的面積相等，即故A正確；B．從A到B氣體做等溫變化，溫度不變，故氣體的內能不變，故B錯誤；C．氣體從A到B，體積增大，對外做功，由于內能不變，根據熱力學第一定律可得氣體吸收熱量，且吸收的熱量等于氣體做的功，故C錯誤；D．A到B的過程中，溫度不變，分子平均運動速率不變，但是體積變大，分子變稀疏，所以氣體分子單位時間內對器壁單位面積上的碰撞次數減少，故D正確；故選AD。3．如圖所示，水平放置的密封汽缸內的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分，隔板可在汽缸內無摩擦滑動，右側氣體內有一電熱絲。汽缸壁和隔板均絕熱。初始時隔板靜止，左右兩邊氣體溫度相等。現給電熱絲提供一微弱電流，通電一段時間后切斷電流。當缸內氣體再次達到平衡時，與初始狀態(tài)相比（）A．左邊氣體分子單位時間內撞擊活塞的次數增加B．左右兩邊氣體溫度都升高C．左邊氣體壓強增大D．右邊氣體內能的增加量等于電熱絲放出的熱量【答案】ABC【解析】ABC.當電熱絲通電后，右側的氣體吸收電熱絲放出的熱量，溫度升高，同時絕熱膨脹，向左推動活塞，從而對左邊氣體做功，由題意并根據熱力學第一定律可知，左邊氣體內能增加，溫度升高；根據理想氣體狀態(tài)方程可知左邊氣體壓強增大，所以左邊氣體分子單位時間內撞擊活塞的次數增加，故ABC正確；D．根據能量守恒定律可知，兩邊氣體內能的總增加量等于電熱絲放出的熱量，故D錯誤。故選ABC。4．構建節(jié)約型社會體現在生活的方方面面，自動充電式電動車就是很好的一例：將電動車的前輪裝上發(fā)電機，發(fā)電機與蓄電池連接，當電動車滑行時，就可以向蓄電池充電，將其他形式的能轉化成電能儲存起來。現有某人騎車以的初動能在粗糙的水平路面上滑行，第一次關閉充電裝置，讓車自由滑行，其動能隨位移的變化關系如圖線①所示，第二次啟動充電裝置，其動能隨位移的變化關系如圖線②所示，則（）A．電動車受到的摩擦阻力為B．電動車受到的摩擦阻力為C．第二次啟動充電裝置，向蓄電池所充的電能是D．第二次啟動充電裝置，向蓄電池所充的電能是【答案】AC【解析】AB．當關閉充電裝置，讓車自由滑行時，電動車的動能全部用來克服摩擦力做功，轉化為內能，有解得B錯誤A正確；CD．當啟動充電裝置滑行時，電