3.3 能量守恒定律 【知識精研】高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

3.3能量守恒定律問題與思考：

讓“

飲水小鴨”

“

喝”完一口水后，直立起來。直立一會(huì)兒，又會(huì)慢慢俯下身去，再“

喝”一口，然后又會(huì)直立起來。如此循環(huán)往復(fù)......

這種“飲水小鴨”玩具是一架永動(dòng)機(jī)嗎？探尋能量守恒的足跡能量的概念是人類在對物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行長期探索中建立起來的。能量具有不同的形式，有描述熱運(yùn)動(dòng)的內(nèi)能、描述機(jī)械運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能、描述光輻射的光能等。不同形式的運(yùn)動(dòng)都可以用能量來描述。也就是說，我們可以用能量的觀念把熱、電、光、磁等都統(tǒng)一起來描述。但在科學(xué)史上人們真正以“能量”的觀念來探索各種運(yùn)動(dòng)形式本質(zhì)的過程卻是非常曲折的。

1798年倫福德的實(shí)驗(yàn)表明熱的本質(zhì)是運(yùn)動(dòng)1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象法拉第1791.09-1867.081836年蓋斯發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)放出的熱量與反應(yīng)步驟無關(guān)1841年焦耳發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(yīng)1842年邁爾表述了能量守恒定律1843年焦耳測定做功與傳熱的關(guān)系焦耳1818-18891847年亥姆霍茲在理論上概括和總結(jié)能量守恒定律能量守恒定律1.內(nèi)容：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為別的形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。2.意義：能量守恒定律是自然科學(xué)長期發(fā)展和進(jìn)步的結(jié)果，是普遍、和諧、可靠的自然規(guī)律之一，它揭示了宇宙運(yùn)行的內(nèi)在一致性，限制了可能性的邊界，同時(shí)也為科技創(chuàng)新提供了根本原則。從蒸汽機(jī)到量子計(jì)算機(jī)，其意義始終貫穿于人類探索和改造世界的過程中。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。

永動(dòng)機(jī)不可能制成問題”欄目中的飲水小鴨不是永動(dòng)機(jī)。小鴨頭部的毛氈“飲水”后，水蒸發(fā)吸熱，導(dǎo)致頭部溫度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸氣被液化，壓強(qiáng)減小，液柱上升（圖甲），小鴨重心上移，直到小鴨傾倒。處于傾倒位置的小鴨，頭部再次被浸濕，上下玻璃球內(nèi)的氣體相通，壓強(qiáng)相等，乙醚流回下玻璃球內(nèi)（圖乙），重心下移，小鴨站立。如此循環(huán)往復(fù)?？梢姡且?yàn)樾▲嗩^部“飲水”后水不斷蒸發(fā)，吸收了察覺不到的空氣的熱量，才使小鴨能夠持續(xù)工作下去。思考與討論：

早在公元1159年左右，印度一位名為婆什迦羅的數(shù)學(xué)大師，設(shè)計(jì)了一個(gè)輪子，輪子內(nèi)有曲線凹槽裝著水銀。當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水銀會(huì)流向每個(gè)凹槽的底部，這樣輪子的一段永遠(yuǎn)比另一端重，這樣的不平衡會(huì)讓輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。這是永動(dòng)機(jī)最早的設(shè)想之一。歷史上的永動(dòng)機(jī)歷史上的永動(dòng)機(jī)魔輪永動(dòng)機(jī)13世紀(jì)法國人亨考爾設(shè)計(jì)了一個(gè)“魔輪”，通過安裝在轉(zhuǎn)輪上的一系列懸臂實(shí)現(xiàn)永動(dòng)。再后來有人將水銀換成了鋼珠，將懸臂換成了擺錘，換成了扇葉，其實(shí)都是這個(gè)不平衡結(jié)構(gòu)的變體。歷史上的永動(dòng)機(jī)磁力永動(dòng)機(jī)軟臂永動(dòng)機(jī)磁鐵版“魔輪”歷史上的永動(dòng)機(jī)永動(dòng)機(jī)的思想違背了能量守恒定律，無一例外地宣布失敗，1775年法國科學(xué)院宣布“不再審查有關(guān)永動(dòng)機(jī)的一切設(shè)計(jì)”。小結(jié)隨堂訓(xùn)練【例題】在焦耳實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量為6kg的鉤碼下落2m的距離，重復(fù)實(shí)驗(yàn)25次，使一輪槳葉旋轉(zhuǎn)起來以攪動(dòng)0.6kg的水，若水的初始溫度為15℃，問實(shí)驗(yàn)后水的溫度升高到多少?答案:16.2℃學(xué)以致用某校研究性學(xué)習(xí)小組為估測太陽對地面的輻射功率，制作了一直徑為0.2m的0℃的冰球，在環(huán)境溫度為0℃時(shí)，用黑布把冰球包裹后懸吊在彈簧測力計(jì)下放在太陽光中。經(jīng)過40min后彈簧測力計(jì)示數(shù)減少了3.49N。請你幫助這個(gè)小組估算太陽光垂直照射在某一單位面積上的輻射功率。冰的熔化熱為3.35×105J/kg，g取9.8N/kg。答案:1.58×103W/m21.有關(guān)能量守恒定律，下列說法正確的是(

)A.只適用于機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化B.只適用能量轉(zhuǎn)化過程C.“摩擦生熱”是創(chuàng)造了熱，它不符合能量守恒定律D.根據(jù)能量守恒定律，宇宙中的能量總和不變答案:D2.(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的說法正確的是(

)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)能答案:AB3.2023年5月30日，搭載神舟十六號載人飛船的長征二號F遙十六運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，下列關(guān)于能量及其轉(zhuǎn)化的說法正確的是(

)A.燃料燃燒時(shí)內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能B.火箭加速升空的過程中機(jī)械能不變C.在一定條件下各種形式的能量都可以相互轉(zhuǎn)化D.能量在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程中總會(huì)有損耗，但能量的總量可以增加答案:C4.如圖所示，小朋友坐在滑梯上勻速下滑，在這個(gè)過程中(

)A.小朋友的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能，總能量不變B.因?yàn)槟芰渴鞘睾愕?，小朋友的機(jī)械能大小不變C.由于摩擦，小朋友的褲子溫度升高，分子的平均動(dòng)能增大D.由于摩擦，小朋友滑過的滑梯溫度升高，分子的平均動(dòng)能增大，

但不是其中每一個(gè)分子的動(dòng)能都增大答案:ACD5.下面幾幅圖中，有關(guān)功與內(nèi)能的說法正確的是(

)A.圖甲中迅速下壓活塞，棉花會(huì)燃燒起來，說明熱傳遞可以使物體的溫度升高B.圖乙中重物下落帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，由于葉片向水傳遞熱量而使水的溫度升高C.圖丙中降落的重物使發(fā)電機(jī)發(fā)電，電流對水做功使水的溫度升高D.做功和熱傳遞都可以使物體的內(nèi)能增加D6.(多選)如圖，長木板A放在光滑的水平地面上，物體B以水平速度v0沖上A后，由于摩擦力作用，最后停止在木板A上，則從B沖到木板A上到相對木板A靜止的過程中，下列說法正確的是(

)A.物體B動(dòng)能的減少量等于系統(tǒng)損失的機(jī)械能B.物體B克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量C.物體B損失的機(jī)械能等于木板A獲得的動(dòng)能與系統(tǒng)損失的機(jī)械能之和D.摩擦力對物體B做的功和對木板A做的功的總和等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量CD7.沖擊擺實(shí)驗(yàn)裝置如圖，一質(zhì)量為m的子彈以v0射入質(zhì)量為m0的沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定高度h，則整個(gè)過程中子彈和沙箱由于相互作用所產(chǎn)生的內(nèi)能為多少?(不計(jì)空氣阻力，重力加速度為g)8.如圖所示，一個(gè)小鐵塊沿半徑為R=0