2023学年高中物理第5章热力学定律第2节能量的转化与守恒教学案鲁科版选修162

第2节能量的转化与守恒1.1840年，德国医生迈尔从理论上论证了能量间可以相互转化，提出物理、化学过程中能量守恒原理。2．英国物理学家焦耳用了近40年的时间解决了功和热的转换的定量关系，为能量守恒提供无可置疑的证据。3．能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变。eq\a\vs4\al(对应学生用书,P48)能量守恒定律的发现[自读教材·抓基础]1．迈尔的发现德国医生迈尔从理论上具体地论证了机械能、内能、化学能、电磁能等都可以相互转化。提出了物理、化学过程中能量守恒的原理。2．焦耳的研究(1)确定了电能向内能转化的定量关系。(2)用了近40年的时间，不懈地钻研热功转换问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。3．亥姆霍兹的贡献(1)亥姆霍兹的论文《论力的守恒》，从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的统一性。(2)他还将能量守恒原理与永动机不可能实现相提并论。[跟随名师·解疑难]1．自然界中的运动形式多种多样。不同的运动形式对应不同的能量，例如(1)物体运动——机械能(2)分子热运动——内能(3)电荷和电场——电势能2．不同形式能量之间的转化：(1)摩擦生热——机械能转化为内能(2)水蒸气将壶盖顶起——内能转化为机械能(3)用电炉子加热——电能转化为内能3．太阳能的转化：[特别提醒]能量之间的相互转化都是通过做功来实现的。[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)说出下列过程中是什么能量转化为内能。(1)物体沿粗糙斜面下滑_________________________________________________；(2)变压器发热_________________________________________________________；(3)汽油机内气体燃烧后变成高温气体_____________________________________；(4)车刀切下炽热铁屑__________________________________________________。解析：物体沿斜面下滑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能；电流通过变压器线圈发热，电能转化为内能；气体(燃料)燃烧后变成高温气体，化学能转化为内能；车刀切下炽热的铁屑，克服摩擦力做功，机械能转化为内能。答案：(1)机械能——内能(2)电能——内能(3)化学能——内能(4)机械能——内能能量守恒定律及其应用[自读教材·抓基础]1．能量守恒定律能量既不会消失，也不会创生，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而能量的总值保持不变。2．意义揭示了自然科学各个分支之间的普遍联系，是自然界内在统一性的第一个有力证据。3．应用(1)各种形式的能可以相互转化。在能量转化过程中总伴有内能的损失。(2)各种互不相关的物理现象，可以用能量守恒定律联系在一起。[跟随名师·解疑难]对能量守恒定律的理解(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。(3)各种形式的能在转化和转移过程中总量守恒无需任何条件，而某种或几种形式的能的守恒是有条件的。(4)意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而不能无中生有地创造能量。不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。[学后自检]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小试身手)(多选)下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是()A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了解析：选ABCA选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的。B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的。这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移。第一类永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律。所以A、B、C正确。D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，故D是错误的。eq\a\vs4\al(对应学生用书,P49)对能量守恒定律的考查[典题例析]一颗质量为10g的子弹以200m/s的速度射入放在光滑水平面上质量为2kg的木块并穿出。穿出木块时子弹的速度变为40m/s，木块速度为0.8m/s。设子弹在木块中所受的阻力不变，在此过程中子弹和木块共获得多少内能？若这些内能有30%被子弹吸收，则可以使子弹升高多少摄氏度？子弹的比热容为1.3×102J/(kg·℃)。[思路点拨](1)子弹的动能减少了，减少的动能转移到哪或转化成了什么形式的能？提示：子弹减少的动能，一部分转化成木块的动能，另一部分转化成子弹和木块的内能。(2)机械能通过什么方式转化为内能？提示：机械能可以通过摩擦力做功等方式转化为内能。解析：系统损失的机械能转化为系统增加的内能。ΔE损＝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，被子弹吸收的热量是Q＝ΔE损×30%＝cmΔt，所以Δt＝eq\f(ΔE损×30%,cm)＝eq\f(191.36×30%,1.3×102×0.01)℃＝44.16℃。答案：191.36J44.16℃[探规寻律]能量守恒定律的应用技巧能量守恒定律是自然界中一个最基本的规律，同时，它又可以与很多其他物理规律(如：平抛运动、碰撞、圆周运动等)结合，解决一些综合性很强的题目。解决这类题目应明确研究过程中哪些能量发生了转化、各种能量的表达形式，然后由相应物理规律结合能量守恒定律求解，同时考虑以下两点：(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。[跟踪演练]在如图5­2­1所示的柱形容器内封有一定质量的密闭气体。光滑活塞C(质量为m)与容器用良好的隔热材料制成。另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B而静止。在这一过程中，密闭气体内能的改变量ΔU、外界对密闭气体所做的功W与物体和活塞的重力势能的变化关系是()图5­2­1A．Mgh＋mgΔh＝ΔU＋WB．ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔhC．ΔU＝W，W<Mgh＋mgΔhD．ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh解析：选C因活塞和容器用良好的隔热材料制成，容器内的密闭气体与外界无热交换，Q＝0，所以ΔU＝W；但由于物体和活塞碰撞时损失一部分机械能，因此有W<Mgh＋mgΔh，故选项C正确。虽然W<Mgh＋mgΔh，但仍遵守能量守恒定律，只不过减少的机械能不是全部转化为密闭气体的内能，而是有一部分在碰撞时转化为活塞和物体的内能了，能的总量并未减少。eq\a\vs4\al(对应学生用书,P49)[课堂双基落实]1.(多选)下列关于能量转化的现象的说法中，正确的是()A．用太阳灶烧水是太阳能转化为内能B．电灯发光是电能转化为光能C．核电站发电是电能转化为内能D．生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能解析：选AB核电站发电是核能转化为电能，生石灰放入水中使水温升高，是化学能转化为内能。2．下列设想不符合能量守恒定律的是()A．利用永久磁铁间的作用力造一台永远转动的机器B．做成一条船利用河水的能量逆水航行C．通过太阳照射飞机使飞机起飞D．不用任何燃料使河水升温解析：选A利用磁场可使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能，使转动停止，故A错；让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机起飞，故B、C正确；设计水坝利用河水重力势能发电，一部分重力势能通过水轮机叶片转化为水的内能、另外电能也可转化为内能使水升温，故D正确。3．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是()A．机械能守恒B．能量正在消失C．只有动能和重力势能的相互转化D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒解析：选D自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能通过克服摩擦力等外力做功的方式转化成了内能。4．一木箱静止于水平面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是()A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J解析：选B由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积是转化为木箱与地面系统的内能，即U＝60×10J＝600J。由能量守恒定律可得Ek＝W总－U＝80×10J－600J＝200J，故B正确。[课下综合检测]一、选择题1．俄“联盟”号飞船返回舱着陆时出现严重错误，返回舱进入地球大气层后，朝地面飞行的前端不是隔热罩，而是舱门和天线，导致舱门被烧焦，天线遭焚毁，宇航员的生命受到严重威胁。在这一过程中，返回舱能量转化的方式是()A．重力势能→动能→内能B．动能→重力势能→内能C．内能→重力势能→动能D．内能→动能→重力势能解析：选A当返回舱进入地球大气层后，受地球引力的作用，会越落越快，该过程中返回舱的高度降低，速度变大，所以能量转化应是重力势能转化为动能；由于进入大气层，当返回舱快速下落时，与空气发生摩擦，返回舱克服空气摩擦做功，使其内能增加，所以此过程是动能转化为内能。2．有人设计了如图1所示的永动机，靠磁铁的吸引使车辆获得行驶的能量。但是这类永动机没有制成，是因为()图1A．不符合机械能守恒定律B．违背了能量转化和守恒定律C．做功产生的热不符合热功当量D．找不到合适的材料和合理的设计方案解析：选B第一类永动机不可能制成的原因是违背了能的转化和守恒定律，故B项正确。3．(多选)图2为焦耳实验装置图，用绝热性能良好的材料将容器包好，重物下落带动叶片搅拌容器里的水，引起水温升高。关于这个实验，下列说法正确的是()图2A．这个装置可测定热功转换关系B．做功增加了水的热量C．做功增加了水的内能D．功和热量是完全等价的，无区别解析：选AC可通过计算重力做功与水温升高吸收的热量，测定热功转换关系，做功增加了水的内能，而热量只是热传递过程中内能改变的量度，所以做功与热量是不同的。4.如图3所示的容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定，A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。开始A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐流向B中，最后达到平衡，在这个过程中()图3A．大气压力对水做功，水的内能增加B．水克服大气压力做功，水的内能减少C．大气压力对水不做功，水的内能不变D．大气压力对水不做功，水的内能增加解析：选D由于水的体积不变，故p0SAhA＝p0SBhB，即大气压力对A做的正功与B克服大气压力做的功相等，故大气压力不做功。但水的重力势能减少了，它转化为水的内能，所以水的内能增加了，故D正确。5.如图4所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂，现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收的热量分别为QA、QB，则()图4A．QA＝QBB．QA<QBC．QA>QBD．无法确定QA、QB的大小解析：选C当A、B两球升高相同的温度时，根据热胀冷缩原理可知，A、B球重心发生变化，A球重心升高的高度等于B球重心降低的高度，且在此过程中A球克服重力做功，B球受到重力，重力对其做正功，且由题意分析在吸热过程中，它们升高相同的温度，内能增量ΔU相同，由热力学第一定律ΔU＝Q＋W知，QA＝ΔU－WA，QB＝ΔU－WB，由于WA<0，WB>0，所以QA>QB，C正确。6.如图5所示，密闭绝热容器内有一绝热活塞(质量不可忽略)，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现在绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经历此过程()图5A．Ep全部转化为气体的内能B．Ep一部分转化为活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能C．Ep全部转化为活塞的重力势能和气体的内能D．Ep一部分转化为活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能解析：选D当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F′的共同作用，如图所示，其合力向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做正功，由于绝热，所做的功全部转化为气体的内能，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，最终弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变，设最终弹簧的弹性势能为Ep′，由能量守恒定律得Ep＝Ep′＋活塞增加的重力势能＋气体增加的内能，所以D选项正确。二、非选择题7．水能是一种清洁能源。位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流速达每秒6000m3，