3-3能量守恒定律(人教2019選擇性必修第三冊(cè)-)(原卷版)

第三章熱力學(xué)定律第3節(jié)能量守恒定律【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念理解并會(huì)運(yùn)用能量守恒定律.科學(xué)思維知道什么是第一類永動(dòng)機(jī)及其不可能制成的原因．科學(xué)探究探索能量守恒的足跡，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程和做功的關(guān)系科學(xué)態(tài)度與責(zé)任通過(guò)能量守恒定律知識(shí)應(yīng)用的實(shí)例，感受物理中科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的緊密聯(lián)系，體會(huì)科學(xué)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和科學(xué)意識(shí)。知識(shí)點(diǎn)一能量守恒定律【情境導(dǎo)入】如圖為一種所謂“全自動(dòng)”的機(jī)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(dòng)機(jī)？如果不是，維持表針走動(dòng)的能量是從哪兒來(lái)的？【知識(shí)梳理】1．探索能量守恒的足跡2．能量守恒定律能量既不會(huì)憑空，也不會(huì)憑空，它只能從一種形式為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量．【重難詮釋】1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，還有電磁能、化學(xué)能、核能等．(2)各種形式的能，通過(guò)某種方式可以相互轉(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(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．2．能量守恒的兩種表達(dá)(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．【典例精析】例1．(多選)下列對(duì)能量守恒定律的認(rèn)識(shí)正確的是()A．某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加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(shuō)明機(jī)械能消失了知識(shí)點(diǎn)二第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成【情境導(dǎo)入】如圖為歷史上有名的一種永動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，試回答問(wèn)題。能量可以由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，也可以從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程中遵循什么規(guī)律？【重難詮釋】第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因分析如果沒(méi)有外界供給熱量而對(duì)外做功，由ΔU＝W＋Q知，系統(tǒng)內(nèi)能將減?。粝朐丛床粩嗟刈龉?，在無(wú)外界能量供給的情況下是不可能的．【典例精析】例2．如圖所示，一演示用的“永動(dòng)機(jī)”轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用形狀記憶合金制成的葉片。輕推轉(zhuǎn)輪后，進(jìn)入熱水的葉片因伸展而“劃水”，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。離開(kāi)熱水后，葉片形狀迅速恢復(fù)，轉(zhuǎn)輪因此能轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間，下列說(shuō)法正確的是()A．轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要消耗外界能量B．轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需能量來(lái)自形狀記憶合金自身C．轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片不斷攪動(dòng)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知識(shí)點(diǎn)三氣體實(shí)驗(yàn)定律和熱力學(xué)第一定律的綜合應(yīng)用【情境導(dǎo)入】如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體由a狀態(tài)變化到b狀態(tài)，請(qǐng)?jiān)趫D像基礎(chǔ)上思考以下問(wèn)題：(1)在變化過(guò)程中是氣體對(duì)外界做功，還是外界對(duì)氣體做功？(2)在變化過(guò)程中氣體吸熱，還是向外放熱？氣體內(nèi)能如何變化？【重難詮釋】熱力學(xué)第一定律與理想氣體狀態(tài)方程結(jié)合問(wèn)題的分析思路：(1)利用體積的變化分析做功情況．氣體體積增大，氣體對(duì)外界做功；氣體體積減小，外界對(duì)氣體做功．(2)利用溫度的變化分析理想氣體內(nèi)能的變化．一定質(zhì)量的理想氣體的內(nèi)能僅與溫度有關(guān)，溫度升高，內(nèi)能增加；溫度降低，內(nèi)能減少．(3)利用熱力學(xué)第一定律判斷是吸熱還是放熱．由熱力學(xué)第一定律ΔU＝W＋Q，則Q＝ΔU－W，若已知?dú)怏w的做功情況和內(nèi)能的變化情況，即可判斷氣體狀態(tài)變化是吸熱過(guò)程還是放熱過(guò)程．【典例精析】例3．一定質(zhì)量的理想氣體，狀態(tài)從A→B→C→D→A的變化過(guò)程可用如圖所示的p－V圖線描述，其中D→A為等溫線，氣體在狀態(tài)A時(shí)溫度為T(mén)A＝300K，試求：(1)氣體在狀態(tài)C時(shí)的溫度TC；(2)若氣體在A→B過(guò)程中吸熱1000J，則在A→B過(guò)程中氣體內(nèi)能如何變化？變化了多少？知識(shí)點(diǎn)四氣體做功的計(jì)算【重難詮釋】(1)等壓變化中氣體做功的計(jì)算：由F＝pS及W＝FL可得W＝pSL＝pΔV。(2)應(yīng)用p-V圖像求氣體做功如圖所示的圖像中，圖線與橫坐標(biāo)軸圍成的面積在數(shù)值上等于系統(tǒng)在這一過(guò)程中做功的大小。如果由1變化到2，氣體對(duì)外界做功；如果由2變化到1，外界對(duì)氣體做功?！镜淅觥坷?．如圖所示，一定質(zhì)量的理想氣體從A狀態(tài)經(jīng)過(guò)一系列的變化，最終回到A狀態(tài)，已知A狀態(tài)的溫度為27℃(0℃時(shí)熱力學(xué)溫度T＝273K)，求C狀態(tài)的溫度以及全過(guò)程中氣體吸收(放出)的熱量。針對(duì)訓(xùn)練一、單選題1．某偏遠(yuǎn)山區(qū)為了實(shí)現(xiàn)供電，自己修建了小型水利發(fā)電站。如圖所示，若該發(fā)電站蓄水池平均每天蓄水的有效總庫(kù)容量為，發(fā)電過(guò)程中上下水庫(kù)平均水位差為。則下列說(shuō)法正確的是（）A．若每天發(fā)電，則能源利用效率約為35%B．發(fā)電時(shí)下水庫(kù)出水口的水流速度可達(dá)到C．蓄水池中水的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為電能，則每天能發(fā)電約D．平均每天所發(fā)電能可供10戶居民同時(shí)用電（每戶電功率為）約2．下列說(shuō)法中錯(cuò)誤的是（）A．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律只適用于物體內(nèi)能的變化B．只要有能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，就一定遵從能量守恒定律C．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然和利用自然的有力武器D．任何一種形式的能在轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過(guò)程中，消耗多少某種形式的能量，就能得到多少其他形式的能量，而能的總量保持不變3．高空形成的冰雹加速下落，并有部分熔化，以下說(shuō)法中不正確的是（）A．只有重力做功，冰雹下落時(shí)機(jī)械能守恒B．冰雹的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為冰雹的動(dòng)能C．冰雹的內(nèi)能增大D．冰雹的機(jī)械能不守恒4．一臺(tái)冷暖兩用型空調(diào)銘牌上標(biāo)有“輸入功率，制冷能力，制熱能力”的字樣，從設(shè)計(jì)指標(biāo)看，空調(diào)在制熱時(shí)，下列判斷中正確的是（）A．此過(guò)程是違反能量守恒定律的，所以銘牌上標(biāo)注的指標(biāo)一定是錯(cuò)誤的B．空調(diào)制熱時(shí)產(chǎn)生的熱量全部由電能轉(zhuǎn)化而來(lái)的C．空調(diào)制熱時(shí)放出的熱量一部分是由電能轉(zhuǎn)化而來(lái)，另一部分是從外界吸收而來(lái)的D．空調(diào)制熱時(shí)每小時(shí)消耗電能5．一定質(zhì)量的氣體在某一過(guò)程中，外界對(duì)氣體做功7.0×104J，氣體內(nèi)能減小1.3×105J，則此過(guò)程（）A．氣體從外界吸收熱量2.0×105J B．氣體向外界釋放熱量2.0×105JC．氣體從外界吸收熱量6.0×104J D．氣體向外界釋放熱量6.0×104J6．如圖所示，柱形容器內(nèi)封有一定質(zhì)量的空氣，光滑活塞（質(zhì)量為）與容器用良好的隔熱材料制成。活塞橫截面積為，大氣壓為，另有質(zhì)量為的物體從活塞上方的點(diǎn)自由下落到活塞上，并隨活塞一起到達(dá)最低點(diǎn)而靜止，在這一過(guò)程中，容器內(nèi)空氣內(nèi)能的改變量，外界對(duì)容器內(nèi)空氣所做的功與物體及活塞的重力勢(shì)能的變化量的關(guān)系是（

）A．B．，C．，D．，二、多選題7．下列關(guān)于第一類永動(dòng)機(jī)的說(shuō)法正確的是（）A．永動(dòng)機(jī)是不消耗任何能量卻能源源不斷地對(duì)外做功的機(jī)器B．永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是違背了熱力學(xué)第一定律C．永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是技術(shù)問(wèn)題D．永動(dòng)機(jī)不能制成的原因是違背了能量守恒定律8．根據(jù)熱力學(xué)第二定律，下列說(shuō)法中正確的是（）A．不可能從單一熱源吸熱并把它全部用來(lái)做功，而不引起其他變化B．沒(méi)有冷凝器，只有單一的熱源，能將從單一熱源吸收的熱量全部用來(lái)做功，而不引起其他變化的熱機(jī)是可以實(shí)現(xiàn)的C．制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣而不引起其他變化D．在火力發(fā)電中，燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部變成電能9．關(guān)于能源的開(kāi)發(fā)和利用，下列觀點(diǎn)正確的是（）A．能源是有限的，無(wú)節(jié)制地使用常規(guī)能源，是一種盲目的短期行為B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的C．能源的開(kāi)發(fā)和利用，必須同時(shí)考慮其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響D．不斷開(kāi)發(fā)新能源，是緩解能源危機(jī)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的重要途徑10．空調(diào)市場(chǎng)上有很多變頻空調(diào)，據(jù)專家介紹變頻空調(diào)比定頻的要節(jié)能，因?yàn)槎l空調(diào)開(kāi)機(jī)時(shí)就等同于汽車啟動(dòng)時(shí)，很耗能，是正常運(yùn)行的5~7倍。空調(diào)在工作時(shí)達(dá)到設(shè)定溫度就停機(jī)，等溫度高了再繼續(xù)啟動(dòng)。這樣的頻繁啟動(dòng)，耗電多，而變頻空調(diào)啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)由低到高的過(guò)程，運(yùn)行過(guò)程是自動(dòng)變速來(lái)保持室內(nèi)溫度，從開(kāi)機(jī)到關(guān)機(jī)中間不停機(jī)，而是達(dá)到設(shè)定溫度后就降到最小功率運(yùn)行，所以比較省電。閱讀上述介紹后，以下說(shuō)法合理的是（）A．變頻空調(diào)節(jié)能，運(yùn)行中不遵守能量守恒定律B．變頻空調(diào)運(yùn)行中做功少，轉(zhuǎn)化能量多C．變頻空調(diào)在同樣工作條件下運(yùn)行效率高，省電D．變頻空調(diào)與定頻空調(diào)做同樣功時(shí)，消耗同樣電能三、解答題11．在高的光滑水平桌面上放著一個(gè)質(zhì)量的木塊，一顆質(zhì)量的鉛彈從水平方向射中木塊，把木塊打落在地面上，落地點(diǎn)與桌邊的水平距離。鉛彈射中木塊后留在木塊內(nèi)，鉛的比熱容J/（kg·℃），。設(shè)增加的內(nèi)能有使鉛彈溫度升高，鉛彈的溫度升高多少攝氏度？12．用質(zhì)量為0.5kg的鐵錘，去打擊質(zhì)量為2kg的鐵塊。鐵錘以12m/s的速度與鐵塊接觸，打擊以后鐵錘的速度立即變?yōu)榱?。設(shè)每次打擊產(chǎn)生的熱量中有50%被鐵塊吸收，共打擊50次，則鐵塊溫度升高多少？［已知鐵的比熱容460J/（kg·℃）］13．地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣象條件下到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射照度都是不相同的。下表給出了熱帶、溫帶和比較寒冷地帶的太陽(yáng)平均輻射照度。若在上海地區(qū)安裝一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器。已知其采光面積為、熱轉(zhuǎn)換效率為40%，水的比熱容為J/（kg·℃）。試求：（1）此太陽(yáng)能熱水器每天能吸收多少焦的太陽(yáng)能？（2）設(shè)熱水器中水的溫度升高20℃，則該熱水器平均每天能提供多少熱水？地區(qū)太陽(yáng)平均輻射照度熱帶、沙漠5～6溫帶3～5陽(yáng)光較少地區(qū)（北歐）2～314．試計(jì)算太陽(yáng)每小時(shí)輻射到地球上的總能量是多少？這些能量相當(dāng)于多少無(wú)煙煤完全燃燒所放出的能量？（設(shè)太陽(yáng)能輻射到地球表面的平均功率為，無(wú)煙煤的燃燒值為）15．水是可再生能源，能持續(xù)地利用它來(lái)發(fā)電，為人類提供“清潔”的能源。若某水力發(fā)電站水庫(kù)的平均流量為，落差為，下落時(shí)的水流速度為，發(fā)電的效率為，求該電站的全年發(fā)電量。16．2003年上海國(guó)際車展上首次展出了利用太陽(yáng)能做能源的概念汽車。汽車上表面的光電池板裝置能把40%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，車內(nèi)電動(dòng)機(jī)又能把90%的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能作為汽車行駛的動(dòng)力，若汽車在行駛時(shí)阻力恒為，光電池板位置能自動(dòng)調(diào)節(jié)，與太陽(yáng)光照射方向始終保持垂直，已知每平方米垂直照射到電池板上太陽(yáng)光的功率為，電池板的總面積為，試求：（1）內(nèi)照射到電池板上的太陽(yáng)能；（2）汽車獲得的機(jī)械功率及汽車運(yùn)動(dòng)的最大速度。17．爆米花酥脆可口、老少皆宜，是許多人喜愛(ài)的休閑零食