2023學(xué)年高中物理第5章熱力學(xué)定律第2節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒教學(xué)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(guó)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(xué)過(guò)程中能量守恒原理。2．英國(guó)物理學(xué)家焦耳用了近40年的時(shí)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(wú)可置疑的證據(jù)。3．能量既不會(huì)消失，也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而能量的總值保持不變。eq\a\vs4\al(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū),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(guó)醫(yī)生邁爾從理論上具體地論證了機(jī)械能、內(nèi)能、化學(xué)能、電磁能等都可以相互轉(zhuǎn)化。提出了物理、化學(xué)過(guò)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(shí)間，不懈地鉆研熱功轉(zhuǎn)換問(wèn)題，為能量守恒定律提供了無(wú)可置疑的證據(jù)。3．亥姆霍茲的貢獻(xiàn)(1)亥姆霍茲的論文《論力的守恒》，從理論上把力學(xué)中的能量守恒原理推廣到熱、光、電、磁、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)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(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)相提并論。[跟隨名師·解疑難]1．自然界中的運(yùn)動(dòng)形式多種多樣。不同的運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)不同的能量，例如(1)物體運(yùn)動(dòng)——機(jī)械能(2)分子熱運(yùn)動(dòng)——內(nèi)能(3)電荷和電場(chǎng)——電勢(shì)能2．不同形式能量之間的轉(zhuǎn)化：(1)摩擦生熱——機(jī)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(jī)械能(3)用電爐子加熱——電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能3．太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化：[特別提醒]能量之間的相互轉(zhuǎn)化都是通過(guò)做功來(lái)實(shí)現(xiàn)的。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)說(shuō)出下列過(guò)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(jī)內(nèi)氣體燃燒后變成高溫氣體_____________________________________；(4)車(chē)刀切下熾熱鐵屑__________________________________________________。解析：物體沿斜面下滑，克服摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電流通過(guò)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(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；車(chē)刀切下熾熱的鐵屑，克服摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。答案：(1)機(jī)械能——內(nèi)能(2)電能——內(nèi)能(3)化學(xué)能——內(nèi)能(4)機(jī)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(huì)消失，也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而能量的總值保持不變。2．意義揭示了自然科學(xué)各個(gè)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(gè)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(guò)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(duì)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(gè)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(guò)程中總量守恒無(wú)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(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，任何一部機(jī)器，只要對(duì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而不能無(wú)中生有地創(chuàng)造能量。不消耗能量，卻可以源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器(第一類(lèi)永動(dòng)機(jī))是不可能制成的。[學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手)(多選)下列對(duì)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)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(gè)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(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器——第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的D．石子從空中落下，最后停止在地面上，說(shuō)明機(jī)械能消失了解析：選ABCA選項(xiàng)是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量是守恒的。B選項(xiàng)是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過(guò)程中能量是守恒的。這正好是能量守恒定律的兩個(gè)方面——轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移。第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能制成的，因?yàn)樗`背了能量守恒定律。所以A、B、C正確。D選項(xiàng)中石子的機(jī)械能在變化，比如受空氣阻力作用，機(jī)械能可能減少，但機(jī)械能并沒(méi)有消失，能量守恒定律表明能量既不會(huì)創(chuàng)生，也不會(huì)消失，故D是錯(cuò)誤的。eq\a\vs4\al(對(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū),P49)對(duì)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(shí)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(guò)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(diǎn)撥](1)子彈的動(dòng)能減少了，減少的動(dòng)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(dòng)能，一部分轉(zhuǎn)化成木塊的動(dòng)能，另一部分轉(zhuǎn)化成子彈和木塊的內(nèi)能。(2)機(jī)械能通過(guò)什么方式轉(zhuǎn)化為內(nèi)能？提示：機(jī)械能可以通過(guò)摩擦力做功等方式轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。解析：系統(tǒng)損失的機(jī)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(gè)最基本的規(guī)律，同時(shí)，它又可以與很多其他物理規(guī)律(如：平拋運(yùn)動(dòng)、碰撞、圓周運(yùn)動(dòng)等)結(jié)合，解決一些綜合性很強(qiáng)的題目。解決這類(lèi)題目應(yīng)明確研究過(guò)程中哪些能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化、各種能量的表達(dá)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(shí)考慮以下兩點(diǎn)：(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(gè)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(diǎn)自由下落到活塞上，并隨活塞一起到達(dá)最低點(diǎn)B而靜止。在這一過(guò)程中，密閉氣體內(nèi)能的改變量ΔU、外界對(duì)密閉氣體所做的功W與物體和活塞的重力勢(shì)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(wú)熱交換，Q＝0，所以ΔU＝W；但由于物體和活塞碰撞時(shí)損失一部分機(jī)械能，因此有W<Mgh＋mgΔh，故選項(xiàng)C正確。雖然W<Mgh＋mgΔh，但仍遵守能量守恒定律，只不過(guò)減少的機(jī)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(shí)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(duì)應(yīng)學(xué)生用書(shū),P49)[課堂雙基落實(shí)]1.(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的說(shuō)法中，正確的是()A．用太陽(yáng)灶燒水是太陽(yáng)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(dòng)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(xué)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(tái)永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)器B．做成一條船利用河水的能量逆水航行C．通過(guò)太陽(yáng)照射飛機(jī)使飛機(jī)起飛D．不用任何燃料使河水升溫解析：選A利用磁場(chǎng)可使磁鐵所具有的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但由于摩擦力的不可避免性，動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使轉(zhuǎn)動(dòng)停止，故A錯(cuò)；讓船先靜止在水中，設(shè)計(jì)一臺(tái)水力發(fā)電機(jī)使船獲得足夠電能，然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動(dòng)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(jī)的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)起飛，故B、C正確；設(shè)計(jì)水壩利用河水重力勢(shì)能發(fā)電，一部分重力勢(shì)能通過(guò)水輪機(jī)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(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，下列說(shuō)法正確的是()A．機(jī)械能守恒B．能量正在消失C．只有動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化D．減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒解析：選D自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度減小，說(shuō)明機(jī)械能在減少，減少的機(jī)械能通過(guò)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(gè)80N的水平推力推動(dòng)木箱前進(jìn)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(dòng)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(dòng)中受到滑動(dòng)摩擦力，其與相對(duì)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(cè)]一、選擇題1．俄“聯(lián)盟”號(hào)飛船返回艙著陸時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，返回艙進(jìn)入地球大氣層后，朝地面飛行的前端不是隔熱罩，而是艙門(mén)和天線，導(dǎo)致艙門(mén)被燒焦，天線遭焚毀，宇航員的生命受到嚴(yán)重威脅。在這一過(guò)程中，返回艙能量轉(zhuǎn)化的方式是()A．重力勢(shì)能→動(dòng)能→內(nèi)能B．動(dòng)能→重力勢(shì)能→內(nèi)能C．內(nèi)能→重力勢(shì)能→動(dòng)能D．內(nèi)能→動(dòng)能→重力勢(shì)能解析：選A當(dāng)返回艙進(jìn)入地球大氣層后，受地球引力的作用，會(huì)越落越快，該過(guò)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(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；由于進(jìn)入大氣層，當(dāng)返回艙快速下落時(shí)，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(guò)程是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．有人設(shè)計(jì)了如圖1所示的永動(dòng)機(jī)，靠磁鐵的吸引使車(chē)輛獲得行駛的能量。但是這類(lèi)永動(dòng)機(jī)沒(méi)有制成，是因?yàn)?)圖1A．不符合機(jī)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(dāng)量D．找不到合適的材料和合理的設(shè)計(jì)方案解析：選B第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)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(xiàng)正確。3．(多選)圖2為焦耳實(shí)驗(yàn)裝置圖，用絕熱性能良好的材料將容器包好，重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器里的水，引起水溫升高。關(guān)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是()圖2A．這個(gè)裝置可測(cè)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(jià)的，無(wú)區(qū)別解析：選AC可通過(guò)計(jì)算重力做功與水溫升高吸收的熱量，測(cè)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(guò)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(gè)可自由移動(dòng)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(mén)K的管道相連，整個(gè)裝置與外界絕熱。開(kāi)始A中水面比B中高，打開(kāi)閥門(mén)，使A中的水逐漸流向B中，最后達(dá)到平衡，在這個(gè)過(guò)程中()圖3A．大氣壓力對(duì)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(duì)水不做功，水的內(nèi)能不變D．大氣壓力對(duì)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(duì)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(shì)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(gè)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(dāng)它們升高相同的溫度時(shí)，它們所吸收的熱量分別為QA、QB，則()圖4A．QA＝QBB．QA<QBC．QA>QBD．無(wú)法確定QA、QB的大小解析：選C當(dāng)A、B兩球升高相同的溫度時(shí)，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(guò)程中A球克服重力做功，B球受到重力，重力對(duì)其做正功，且由題意分析在吸熱過(guò)程中，它們升高相同的溫度，內(nèi)能增量ΔU相同，由熱力學(xué)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(jì)。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(shí)彈簧的彈性勢(shì)能為Ep(彈簧處在自然長(zhǎng)度時(shí)的彈性勢(shì)能為零)?，F(xiàn)在繩突然斷開(kāi)，彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止，氣體達(dá)到平衡狀態(tài)。經(jīng)歷此過(guò)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(shì)能，其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能C．Ep全部轉(zhuǎn)化為活塞的重力勢(shì)能和氣體的內(nèi)能D．Ep一部分轉(zhuǎn)化為活塞的重力勢(shì)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(shì)能解析：選D當(dāng)繩子突然斷開(kāi)時(shí)，活塞受彈簧的彈力F、活塞的重力G、封閉氣體對(duì)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(yùn)動(dòng)后活塞靜止時(shí)，活塞處于三力平衡狀態(tài)，氣體體積必減小，外力對(duì)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(shì)能增加，最終彈力與另外兩個(gè)力的合力平衡，彈簧仍有形變，設(shè)最終彈簧的彈性勢(shì)能為Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力勢(shì)能＋氣體增加的內(nèi)能，所以D選項(xiàng)正確。二、非選擇題7．水能是一種清潔能源。位于美國(guó)和加拿大交界處的尼亞加拉瀑布流速達(dá)每秒6000m3，