能量守恒定律【新教材】人教版高中物理選擇性必修第三冊

能量守恒定律【新教材】人教版高中物理選擇性必修第三冊能量守恒定律基本概念能量守恒定律在力學中應用能量守恒定律在熱學中應用能量守恒定律在電磁學中應用能量守恒定律在光學中應用能量守恒定律在原子物理中應用contents目錄能量守恒定律基本概念01能量是物體做功的本領，是物體運動狀態(tài)改變的量度。能量定義能量可分為動能、勢能、內能、電能、化學能、核能等不同類型。能量分類能量定義與分類能量可以從一種形式轉化為另一種形式，例如機械能可以轉化為內能，內能也可以轉化為機械能。能量可以在物體之間傳遞，例如通過熱傳導、熱對流、熱輻射等方式傳遞內能。能量轉化與傳遞能量傳遞能量轉化能量守恒定律能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到其它物體，而能量的總量保持不變。能量守恒定律的意義能量守恒定律是自然界的基本定律之一，它揭示了自然界中各種現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和制約關系，為我們認識和利用自然提供了重要的科學依據(jù)。能量守恒定律表述能量守恒定律在力學中應用02在只有重力或彈力做功的物體系統(tǒng)內，動能與勢能可以相互轉化，而總的機械能保持不變。機械能守恒定律機械能守恒條件機械能守恒表達式物體只受重力或彈力作用，或者雖受其他力作用但其他力不做功或做功的代數(shù)和為零。在只有重力或彈力做功的系統(tǒng)內，動能與勢能之和是一個常量，即$E_k+E_p=text{常量}$。030201機械能守恒彈性勢能01發(fā)生彈性形變的物體具有的勢能，其大小與形變量有關。彈簧振子02一個不計摩擦和空氣阻力，只考慮重力和彈力的理想化模型。在振動過程中，動能和勢能相互轉化，機械能守恒。彈簧振子的周期和頻率03周期$T=2pisqrt{frac{m}{k}}$，頻率$f=frac{1}{T}=frac{1}{2pi}sqrt{frac{k}{m}}$，其中$m$為振子質量，$k$為彈簧勁度系數(shù)。彈性勢能及彈簧振子碰撞過程中的能量轉化在完全彈性碰撞中，動能和勢能可以完全轉化；在非完全彈性碰撞中，部分動能轉化為內能；在完全非彈性碰撞中，動能全部轉化為內能。完全彈性碰撞碰撞過程中無機械能損失的碰撞，碰撞前后系統(tǒng)總動能不變。非完全彈性碰撞碰撞過程中有機械能損失的碰撞，碰撞后系統(tǒng)總動能減少。完全非彈性碰撞碰撞后兩物體粘在一起以共同速度運動的碰撞，系統(tǒng)動能損失最大。碰撞過程中能量轉化和損失能量守恒定律在熱學中應用03123熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機械能或其他能量互相轉換，但是在轉換過程中，能量的總值保持不變。熱力學第一定律的表述ΔU=W+Q，其中ΔU為內能的變化量，W為外界對物體做的功，Q為物體吸收的熱量。熱力學第一定律的數(shù)學表達式揭示了熱現(xiàn)象中能量轉化和守恒的基本規(guī)律，為熱力學的發(fā)展奠定了基礎。熱力學第一定律的物理意義熱力學第一定律熱機效率的定義及計算熱機效率是指熱機所做有用功與燃料完全燃燒釋放的熱量之比，用η表示，計算公式為η=W有/Q放。制冷系數(shù)的定義及計算制冷系數(shù)是指制冷機在單位時間內從低溫熱源吸收的熱量與向高溫熱源放出的熱量之比，用ε表示，計算公式為ε=Q吸/Q放。提高熱機效率和制冷系數(shù)的途徑通過改進熱機或制冷機的設計，提高其熱力學完善度，減少各種能量損失，從而提高熱機效率或制冷系數(shù)。熱機效率及制冷系數(shù)計算在熱傳導過程中，熱量通過物體內部微觀粒子的熱運動從高溫部分傳遞到低溫部分，實現(xiàn)內能的轉移。熱傳導過程中的能量轉化在對流過程中，熱量通過流體的宏觀運動進行傳遞，同時伴隨著內能的轉移和機械能的轉化。對流過程中的能量轉化在輻射過程中，物體通過電磁波的形式向外發(fā)射能量，實現(xiàn)內能向電磁能的轉化。同時，物體也會吸收來自其他物體的輻射能，實現(xiàn)電磁能向內能的轉化。輻射過程中的能量轉化熱傳導、對流和輻射過程中能量轉化能量守恒定律在電磁學中應用04

電場、磁場和電磁感應中能量轉化電場中的能量電場具有能量，其大小與電場強度和電荷分布有關。在電場中，電荷的移動會導致電勢能的轉化。磁場中的能量磁場也具有能量，與磁感應強度和磁介質有關。當導線或回路在磁場中運動時，會產生感應電動勢，從而實現(xiàn)能量轉化。電磁感應中的能量轉化根據(jù)法拉第電磁感應定律，變化的磁場會在回路中產生感應電動勢。這一現(xiàn)象是電能和磁能之間相互轉化的基礎。電阻元件中的能量消耗在電路中，電阻元件將電能轉化為內能，以熱的形式耗散。電阻的大小決定了能量轉化的效率。電容元件中的能量儲存電容元件能夠儲存電能，其儲存的能量與電容值和電壓的平方成正比。在交流電路中，電容的充放電過程實現(xiàn)了電能的儲存和釋放。電感元件中的能量儲存電感元件能夠儲存磁能，其儲存的能量與電感值和電流的平方成正比。在交流電路中，電感的自感現(xiàn)象和互感現(xiàn)象實現(xiàn)了磁能的儲存和傳遞。電阻、電容和電感元件中能量消耗與儲存電磁波的能量電磁波是電場和磁場交替變化并相互激發(fā)而形成的，具有能量。電磁波的能量與其振幅、頻率和波長有關。電磁波傳播過程中的能量傳遞電磁波在傳播過程中，其能量會隨著時間和空間的推移而傳遞。這種能量傳遞方式無需介質，可在真空中進行。電磁波的輻射、反射、折射等現(xiàn)象都是其能量傳遞的表現(xiàn)。電磁波傳播過程中能量傳遞能量守恒定律在光學中應用05光在反射時，入射角等于反射角，反射光和入射光的能量之和等于入射光的能量。反射定律與能量守恒光在折射時，入射角和折射角的正弦之比等于兩種介質的折射率之比，折射光和反射光的能量之和等于入射光的能量。折射定律與能量守恒當光從光密介質射向光疏介質時，如果入射角大于或等于臨界角，會發(fā)生全反射現(xiàn)象，此時全部入射光能量被反射回原介質中。全反射與能量守恒光的反射、折射和全反射過程中能量分配光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象中能量變化在干涉現(xiàn)象中，光波在空間某些區(qū)域相互加強，在另一些區(qū)域相互減弱，形成明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的能量分布與光波的振幅和相位有關。衍射現(xiàn)象中的能量傳播衍射是光波遇到障礙物或小孔后偏離直線傳播的現(xiàn)象。在衍射過程中，光波的能量會重新分布，形成新的光強分布。偏振現(xiàn)象中的能量轉換偏振是橫波特有的現(xiàn)象，光波是橫波，因此具有偏振性。在偏振現(xiàn)象中，光波的能量會隨著偏振方向的變化而發(fā)生變化。干涉現(xiàn)象中的能量分布激光是通過受激輻射產生的光放大現(xiàn)象。在激光產生過程中，泵浦源提供的能量被工作物質吸收并轉換為光能，最終形成高亮度、高方向性的激光束。激光的產生與能量轉換激光具有單色性好、亮度高、方向性強等特點，因此在許多領域得到廣泛應用。在這些應用中，激光的能量被轉換為其他形式的能量，如熱能、電能、機械能等。例如，在激光切割中，激光的能量被轉換為熱能用于熔化材料；在激光測距中，激光的能量被轉換為電能用于測量距離。激光應用中的能量轉換激光產生及應用中能量轉換能量守恒定律在原子物理中應用06衰變能原子核衰變時釋放的能量，等于衰變前后原子核的靜能差。衰變能的分配衰變能主要以動能、γ光子和中微子的形式釋放。其中，動能包括反沖核的動能和新核的動能；γ光子攜帶的能量以電磁輻射的形式釋放；中微子則帶走部分能量。衰變能計算根據(jù)愛因斯坦質能方程和動量守恒定律，可以計算原子核衰變過程中釋放的能量和分配情況。原子核衰變過程中能量釋放與分配裂變能重核裂變時釋放的能量，等于裂變前后原子核的靜能差。聚變能輕核聚變時釋放的能量，等于聚變前后原子核的靜能差。能量計算根據(jù)愛因斯坦質能方程，可以計算輕核聚變和重核裂變反應中釋放的能量。同時，還需要考慮反應過程中的各種能量損失和轉化效率。輕核聚變和重核裂變反應中能量計