魯科版選修33 能量的轉(zhuǎn)化與守恒 第1課時(shí) 學(xué)案.doc

第2節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒 1.1840年，德國醫(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)過程中能量守恒原理。2英國物理學(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。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)換問題，為能量守恒定律提供了無可置疑的證據(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太陽能的轉(zhuǎn)化：特別提醒能量之間的相互轉(zhuǎn)化都是通過做功來實(shí)現(xiàn)的。學(xué)后自檢(小試身手)說出下列過程中是什么能量轉(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)移過程中總量守恒無需任何條件，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。對(duì)能量守恒定律的考查典題例析一顆質(zhì)量為10 g的子彈以200 m/s的速度射入放在光滑水平面上質(zhì)量為2 kg的木塊并穿出。穿出木塊時(shí)子彈的速度變?yōu)?0 m/s，木塊速度為0.8 m/s。設(shè)子彈在木塊中所受的阻力不變，在此過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1.3102 j/(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)械能通過什么方式轉(zhuǎn)化為內(nèi)能？提示：機(jī)械能可以通過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。e損mv(mvmv)0.012002 j(0.01402 j20.82 j)191.36 j，被子彈吸收的熱量是qe損30%cmt，所以t 44.16 。答案：191.36 j44.16 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。解決這類題目應(yīng)明確研究過程中哪些能量發(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521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。在這一過程中，密閉氣體內(nèi)能的改變量u、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521amghmghuwbuw，wmghmghcuw，wmghmghduw，wmghmgh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熱交換，q0，所以u(píng)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wmghmgh，故選項(xiàng)c正確。雖然wmghmgh，但仍遵守能量守恒定律，只不過減少的機(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。課堂雙基落實(shí) 1.(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的說法中，正確的是()a用太陽灶燒水是太陽能轉(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通過太陽照射飛機(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)幅度越來越小，下列說法正確的是()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，說明機(jī)械能在減少，減少的機(jī)械能通過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)80 n的水平推力推動(dòng)木箱前進(jìn)10 m，木箱受到的摩擦力為60 n，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()au200 j，ek600 jbu600 j，ek200 jcu600 j，ek800 j du800 j，ek200 j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u6010 j600 j。由能量守恒定律可得ekw總u8010 j600 j200 j，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，而是艙門和天線，導(dǎo)致艙門被燒焦，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)，靠磁鐵的吸引使車輛獲得行駛的能量。但是這類永動(dòng)機(jī)沒有制成，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，無區(qū)別解析：選ac可通過計(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k的管道相連，整個(gè)裝置與外界絕熱。開始a中水面比b中高，打開閥門，使a中的水逐漸流向b中，最后達(dá)到平衡，在這個(gè)過程中()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p0sahap0sbhb，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4aqaqbbqaqbd無法確定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程中，它們升高相同的溫度，內(nèi)能增量u相同，由熱力學(xué)第一定律uqw知，qauwa，qbuwb，由于wa0，所以qaqb，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，彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止，氣體達(dá)到平衡狀態(tài)。經(jīng)歷此過程()圖5aep全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能bep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cep全部轉(zhuǎn)化為活塞的重力勢(shì)能和氣體的內(nèi)能dep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epep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。位于美國和加拿大交界處的尼亞加拉瀑布流速達(dá)每秒6 000 m3，而且是一年四季流量穩(wěn)定，瀑布落差50 m。若利用這一資源發(fā)電，設(shè)其效率為50%，估算發(fā)電機(jī)的輸出功率。解析：每秒流下的水量mv6 000103 kg，由能的轉(zhuǎn)化和守恒知mgh50%pt。式中m取6 000103 kg，t取1 s，h50 m，解得p1.5109 w。 答案：1.5109 w8某學(xué)校興趣小組為了估算太陽的全部輻射功率，做了如下研究：在橫截面積為3 dm2的圓筒內(nèi)裝有0.54 kg的水，太陽光垂直照射它2 min，水溫升高了1 ，經(jīng)查閱資料可知，大氣頂層的太陽能只有45%到達(dá)地面