人教版(新教材)高中物理選擇性必修3學案：第3節(jié) 能量守恒定律

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第三冊PAGEPAGE1第3節(jié)能量守恒定律核心素養(yǎng)物理觀念科學思維1.了解能量守恒定律的探究過程。2.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵從的基本規(guī)律。3.知道第一類永動機是不可能制成的。體會能量守恒定律的建立過程及重要意義。知識點一探究能量守恒的足跡1.1798年英國科學家倫福德提出了熱本質(zhì)的運動說。2.1820年丹麥物理學家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。3.1821年德國物理學家塞貝克發(fā)現(xiàn)溫差電現(xiàn)象。4.1831年英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象。5.1836年俄國物理學家蓋斯發(fā)現(xiàn)化學反應(yīng)放出的熱量與反應(yīng)步驟無關(guān)。6.1841年焦耳發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(yīng)。7.1842年德國醫(yī)生邁爾表述了能量守恒定律。8.1843年英國物理學家焦耳測定做功與傳熱的關(guān)系。9.1847年德國科學家亥母霍茲在理論上概括總結(jié)能量守恒定律。知識點二能量守恒定律永動機不可能制成1.能量守恒定律能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。2.能量守恒定律的意義(1)各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)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.永動機不可能制成(1)第一類永動機：人們把設(shè)想的不消耗能量的機器稱為第一類永動機。(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?！妓伎寂袛唷?1)用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(√)(2)能量既可以轉(zhuǎn)移又可以轉(zhuǎn)化，故能量的總量是可以變化的。(×)(3)違背能量守恒定律的過程是不可能發(fā)生的。(√)(1)在自然界中不同的能量形式與不同的運動形式相對應(yīng)：物體運動具有機械能，分子運動具有內(nèi)能，電荷運動具有電能，原子核內(nèi)部的運動具有原子能等等。(2)不同形式能量之間可以相互轉(zhuǎn)化：如“摩擦生熱”是通過克服摩擦做功將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能：水壺中的水沸騰時水蒸氣對壺蓋做功將壺蓋頂起，表明內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能；電流通過電熱絲做功可將電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能等等。能量守恒定律可表述為某一些形式能量的減少等于另外一些形式能量的增加，即ΔE減＝ΔE增。(1)永動機失敗的原因是因為它違背了能量守恒定律，即人們只能遵守和利用自然規(guī)律。(2)人類利用和改造自然時，必須遵循自然規(guī)律，能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，使人們認識到，任何一部機器，只要對外做功，都要消耗能量，只能是能量從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，而不能無中生有地創(chuàng)造能量，不消耗能量卻可源源不斷地對外做功的機器是不可能制成的。核心要點對能量守恒定律的理解〖要點歸納〗1.能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動對應(yīng)機械能，分子的熱運動對應(yīng)內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學能、原子能等?？梢?，在自然界中，不同的能量形式與不同的運動形式相對應(yīng)。各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化，例如：利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤燃燒，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2.能量守恒定律是沒有條件的與某種運動形式對應(yīng)的能是否守恒是有條件的，例如，物體的機械能守恒，必須是在只有重力做功或系統(tǒng)內(nèi)彈簧彈力做功的情況下；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.能量守恒定律的兩種表述(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。4.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)象用定量規(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(guān)于物質(zhì)運動的機械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種運動形式之間相互轉(zhuǎn)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想。能量守恒定律與細胞學說、達爾文的進化論并稱19世紀自然科學中的三大發(fā)現(xiàn)，其重要意義由此可見。(3)具有重大實踐意義，即徹底粉碎了人類對制成第一類永動機的幻想?！荚囶}案例〗〖例1〗(多選)下列對能量守恒定律的認識正確的是()A.某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加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——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〗A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)化或轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)化或轉(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。永動機是不可能制成的，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，轉(zhuǎn)化成其他形式能，能量守恒定律表明能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，故D錯誤?！即鸢浮紸BC方法總結(jié)能量守恒定律的應(yīng)用方法利用能量守恒定律解決問題時，首先應(yīng)明確題目中涉及哪幾種形式的能量，其次分析哪種能量增加了，哪種能量減少了，確定研究的系統(tǒng)后，用能量守恒觀點求解?！坚槍τ柧?〗(多選)下面設(shè)想符合能量守恒定律的是()A.利用永久磁鐵間的作用力，制造一臺永遠轉(zhuǎn)動的機械B.做一條船，利用其它能量使它能逆水行駛C.通過太陽照射飛機，即使飛機不帶燃料也能飛行D.利用核動力，駕駛地球離開太陽系〖解析〗利用磁場能可以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錯誤；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)飛機不帶燃料也能飛行，故B、C正確；利用反沖理論，以核動力為能源，使地球獲得足夠大的能量，掙脫太陽引力的束縛而離開太陽系，故D正確。〖答案〗BCD〖例2〗有一個10m高的瀑布，水流在瀑布頂端時速度為2m/s，在瀑布底與巖石的撞擊過程中，有10%的動能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，請問水的溫度上升了多少攝氏度？〖已知水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃)，g取10m/s2〗〖解析〗根據(jù)機械能守恒定律知，水流到達瀑布底時的動能Ek＝eq\f(1,2)mv2＋mgh水吸收的熱量Q與溫度變化Δt滿足關(guān)系Q＝cmΔt由題意知，有10%的動能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，所以eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,2)mv2＋mgh))×10%＝cmΔt代入數(shù)據(jù)得：Δt＝2.4×10－3℃〖答案〗2.4×10－3℃溫馨〖提*示〗求解這類習題，需要搞清能量轉(zhuǎn)化的物理情景及轉(zhuǎn)化過程中的數(shù)量關(guān)系，由能量守恒定律來列方程求解?！坚槍τ柧?〗如圖所示，直立容器內(nèi)部有被隔板隔開的A、B兩部分氣體，A的密度小，B的密度大，抽出隔板，加熱氣體使兩部分氣體均勻混合，設(shè)在此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能增量為ΔU，則()A.ΔU＝Q B.ΔU<QC.ΔU>Q D.無法比較〖解析〗A、B兩部分氣體密度不同，混合后其重力勢能將發(fā)生變化，剛開始時A、B氣體的合重心在中線下方，均勻混合后重心在中線上，重心上升了，所以氣體的重力勢能增加了，由能量守恒定律知，吸收的熱量一部分增加氣體的內(nèi)能，一部分增加重力勢能，即Q＝ΔU＋ΔEp，所以Q>ΔU，故B正確。〖答案〗B核心要點永動機不可能制成〖觀察探究〗如圖所示是歷史上有名的一種永動機的設(shè)計。從圖上看，設(shè)計者為什么認為這個機器會永遠運動下去？不用能量的概念，你能不能說明它不會永遠運動下去？〖答案〗這種永動機是在一個輪子的邊緣等距地安裝12根活動短桿，桿端分別套上一個重球。無論輪子轉(zhuǎn)到什么位置，右邊的各個重球總比左邊的各個重球離軸心更遠一些。設(shè)想，右邊更大的作用特別是右邊甩過去的重球作用在離軸較遠的距離上，根據(jù)杠桿平衡原理可知，就會使輪子按照箭頭所示的方向永不停息地旋轉(zhuǎn)下去，至少轉(zhuǎn)到輪軸磨壞時為止。但是，實際上輪子轉(zhuǎn)動一兩圈后就停了下來。在這種永動機的設(shè)計中，我們總可以找到一個平衡位置，在這個位置上，各個力恰好相互抵消，不再有任何推動力使它運動，永動機必然會在這個平衡位置上靜止下來，成為不動機。〖探究歸納〗1.永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的一種機器，永動機是不可能制成的。2.人類通過對大量的實踐經(jīng)驗進行總結(jié)得知，要獲得一種能量，一定需要利用另一種能量通過做功的方式進行轉(zhuǎn)化，能量不能被產(chǎn)生。即不可能設(shè)計、創(chuàng)造出一種不消耗任何能量而能源源不斷地對外做功的永動機。3.永動機失敗的原因分析：如果沒有外界熱源供給熱量，則有U2－U1＝W，就是說，如果系統(tǒng)內(nèi)能減少，即U2<U1，則W<0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能減少為代價的。若想源源不斷地做功，就必須使系統(tǒng)不斷回到初始狀態(tài)，在無外界能量供給的情況下是不可能的?！荚囶}案例〗〖例3〗有一種“全自動”機械手表，既不需要上發(fā)條，也不用任何電源，卻能不停地走下去。這是不是一種永動機？并說明理由?！冀馕觥竭@不是永動機。手表戴在手腕上，通過手臂的運動，機械手表獲得能量，供手表指針走動。若將此手表長時間放置不動，它就會停下來?！即鸢浮揭姟冀馕觥健坚槍τ柧?〗如圖所示，一演示用的“永動機”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有形狀記憶合金制成的葉片，輕推轉(zhuǎn)輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。離開熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動。下列說法正確的是()A.轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量B.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自形狀記憶合金自身C.轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水，水溫升高D.葉片在熱水中吸收的熱量一定大于在空氣中釋放的熱量〖解析〗形狀記憶合金從熱水中吸收熱量后，一部分能量在伸展劃水時轉(zhuǎn)化為水和轉(zhuǎn)輪的動能，另一部分釋放到空氣中，根據(jù)能量守恒定律可知只有D項正確?！即鸢浮紻1.(能量守恒定律的理解)(多選)行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過程是()A.物體克服阻力做功B.物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C.物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量D.物體的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量〖解析〗這四個現(xiàn)象中，物體運動過程都受到阻力，汽車主要是制動阻力，流星墜落和降落傘降落是空氣阻力，條形磁鐵下落過程受到磁場阻力，因而物體都克服阻力做功，A選項正確；四個物體運動過程中，汽車是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能或其他形式的能，總之是機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，D選項正確?！即鸢浮紸D2.(“永動機”的理解)“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(zhuǎn)化和守恒定律C.它做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當量D.暫時找不到合理的設(shè)計方案和理想材料〖解析〗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正確?！即鸢浮紹3.(能量守恒定律的理解)如圖所示，有兩個同樣的球，其中a球放在不導(dǎo)熱的水平面上，b球用細線懸掛起來?，F(xiàn)在供給a、b兩球相同的熱量，則兩球升高的溫度Δta與Δtb的關(guān)系是()A.Δta＝ΔtbB.Δta＜ΔtbC.Δta＞ΔtbD.無法確定〖解析〗兩球受熱后體積都要增大，a球因放在不導(dǎo)熱的水平面上，受熱膨脹后，球心升高，重力做負功，根據(jù)能量的轉(zhuǎn)化和守恒可知，a球吸收的熱量一部分轉(zhuǎn)化成自身的內(nèi)能使溫度升高，另一部分需要克服重力做功，使重力勢能增加。對于b球同樣要受熱膨脹，膨脹時重心下降，重力勢能減小，同理由能量的轉(zhuǎn)化和守恒可知，b球吸收的熱量和減少的重力勢能都要轉(zhuǎn)化成自身的內(nèi)能，從而使溫度升高。由以上分析可知，b球增加的內(nèi)能要比a球多，因此b球溫度升高得多，所以有Δta＜Δtb，選項B正確?！即鸢浮紹4.(能量守恒定律與熱力學定律)如圖所示，圓柱形容器內(nèi)用活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體，已知容器橫截面積為S，活塞重為G，大氣壓強為p0。若活塞固定，封閉氣體溫