高中物理 《能量守恒定律与能源》文字素材4 新人教版必修2

用心 爱心 专心1 能量守恒定律与能源能量守恒定律与能源 理解领悟 科学概念的作用在于它具有概括多种自然现象的能力 能量就是从千差万别的各种自 然现象中抽象出来的概念 能量从更深的层次上反映了物质运动和相互作用的本质 能量 守恒定律是人们认识自然的重要工具 能量关系到人们的衣食住行 关系到国家的兴旺发 达 能源的开发和利用 是关系人类生存和发展的一个重大的社会问题 我们应竖立科学 的世界观 形成可持续发展的意识 基础级基础级 1 各种形式能量的相互转化各种形式能量的相互转化 现实生活的经验告诉我们 各种形式的能量是可以相互转化的 例如 在摩擦生热的 现象中 克服摩擦力做多少功 就有多少机械能转化成等量的内能 通过电流的导线变热 电能转化成内能 燃料燃烧生热 化学能转化成内能 灼热的灯丝发光 内能转化成光能 实验证明 在这些转化过程中 能量都是守恒的 2 科学家对能量守恒的探索科学家对能量守恒的探索 对于能量守恒 科学家进行了长期的探索 1801 年 戴维发现了电流的化学效应 1820 年 奥斯特发现了电流的磁效应 1821 年 塞贝克发现了温差电现象 1831 年 法 拉第发现了电磁感应现象 1840 年 焦耳发现了电流的热效应 1842 年 迈尔表述了能量 守恒定律 并计算出热功当量的数值 1843 年 焦耳测定了热功当量的数值 从而 确立 了电化学 电和磁 电和热 力和热等自然现象之间的联系 1847 年 亥姆霍兹在理论上 概括和总结了能量守恒定律 发现能量守恒定律的历史表明 能量守恒定律的发现不是偶然的它是人类对自然认识 发展到一定阶段的产物 除了物理学外 别的学科对能量守恒定律的发现也有贡献 3 关于能量守恒定律关于能量守恒定律 能量既不会消灭 也不会创生 它只会从一种形式转化为其他形式 或者从一个物体 转移到另一个物体 而在转化和转移的过程中 能量的总量保持不变 这就是能量守恒定 律 能量守恒定律是经过人类的长期探索在 19 世纪确立的 恩格斯曾经把这一定律称为 伟大的运动基本规律 认为它的发现是 19 世纪连同细胞学说 达尔文的生物进化论在 内的自然科学的三大发现之一 能量守恒定律自建立以来 就是人们认识自然 改造自然的有力武器 这个定律把广 泛的自然科学技术领域联系起来使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言 并取 得了许多重大成就 现在 能量守恒定律仍然是我们研究自然科学的强有力的武器之一 4 为什么要节约能源为什么要节约能源 教材在本节 思考与讨论 栏目中提出了这样的问题 既然能量是守恒的 不可能 消灭 为什么我们还要节约能源 这一问题值得讨论 其实 节约能源主要是出于以下 两方面的考虑 能源短缺 在近二三百年以来 人类相继发明了蒸汽机 内燃机 电动机等动力 机械 使生产力得到了飞速发展 但是 能源的消耗也急剧增长 研究人员估计 按照目 前的石油开采和消耗速度 地球上的石油储藏将在百年内用尽 煤的储量稍多一些 但也 将在二百多年的时间内采完 可以想象 如果没有了石油和煤炭 汽车 飞机 轮船和铁 路上的内燃机车都不能开动 火力发电厂将停止发电 人类的社会生活将会瘫痪 能量耗散 宏观过程具有一定的方向性 例如 两种气体放在一个容器内 总会 用心 爱心 专心2 均匀地混合到一起 但不会再自发地分离开来 在能量的转化和转移过程中也是如此 例 如 摩擦力做功的过程 要损耗机械能而生热 产生的热不可能全部用来做机械功 热量 只能自发地从高温物体传给低温物体 而不可能从低温物体传向高温物体又不产生其他影 响 燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去 它就不会再次自动聚集起来供人类重新利用 电池中的化学能转化为电能 它又通过灯泡转化为内能和光能 我们也无法把这些内能收 集起来重新利用 这些实例说明 在能量的转化和转移过程中 能量的总量是守恒的 但 能量的品质却降低了 可被人类直接利用的能量在逐渐减少 这就是能量耗散现象 所以 能量虽然守恒 但我们还要节约能源 发展级发展级 5 能量转化和能量转移方向性的进一步说明能量转化和能量转移方向性的进一步说明 在物理学中 能量转化和能量转移的方向性是用热力学第二定律来表述的 热力学第 二定律有多种表述 两种最常见的表述形式是 开尔文表述 不可能从单一热源吸热 使之完全变成有用的功 而不引起其他变化 克劳修斯表述 不可能把热量从低温物体传到高温物体 而不引起其他变化 热力学第二定律使人们认识到 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 可见 不消耗任何能量而能不断做功 或者少消耗能量而能做更多功的机器 第一类永动 机 是不可能的 从单一热源吸热 使之完全变成有用的功而不产生其他影响的机器 第 二类永动机 也是不可能的 前者违背了能量守恒定律 后者尽管不违背能量守恒定律 但是却违背反映能量转化和能量转移方向性的规律 热力学第二定律 对于热力学第二定律 以及反映功 热量跟内能变化之间定量关系的热力学第一定律 我们将在物理选修模块中深入研究 6 能源的开发和利用能源的开发和利用 目前 对能源的开发和利用已越来越受到人们的极大关注 我们不仅要注意节约能源 还要重视能源的合理开发 节约能源的办法有 采用高效锅炉 节约燃料 采用高温高压蒸汽轮机 提高热机效 率 充分利用废气余热 提高燃料利用率 从能源直接得到电能 提高发电效率 等等 在合理开发和节约使用煤 石油 天然气等常规能源的同时 要大力开发核能 太阳 能 风能 地热能 海洋能等新能源 7 对功是能量转化的量度的再认识对功是能量转化的量度的再认识 能量转化是与做功紧密地联系在一起的 力做功时 必然伴随着能量的转化 而且功 与能量转化的量值是相等的 这一等量关系不仅提供了计算功的大小的另一种途径 而且 涉及功与能的其他物理量也可能在这一等量关系中求出 在力学中 常涉及以下几种力的 功引起的相应的能量变化的等量关系 合外力所做的功或外力所做功的代数和等于物体或物体系动能的变化 动能定理 除了重力和弹力外 其他力对物体系所做的功等于物体系机械能的变化 功能原 理 重力或弹力对物体所做的功与重力势能或弹性势能的变化数值相等 两物体间滑动摩擦力对物体系所做的功与物体系增加的内能数值相等 应用链接 本节知识的应用主要涉及对能量守恒定律和能源问题的理解 以及有关能量转化 能 源开发和利用问题的计算 用心 爱心 专心3 基础级基础级 例例 1 1 试说明下列现象中能量是怎样转化的 A 在水平公路上行驶的汽车 发动机熄火之后 速度越来越小 最后停止 B 电风扇通电后开始转动 断电后转动着的风扇又慢慢停下来 C 火药爆炸产生燃气 子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去 射穿一块钢板 速度减 小 D 用柴油机带动发电机发电 供给电动水泵抽水 把水从低处抽到高处 提示提示 从能量的种类和做功情况加以分析 解析解析 A 在水平公路上行驶的汽车 发动机熄火之后 速度越来越小 最后停止 这 一过程中 汽车所受的阻力做负功 机械能转化为内能 B 电风扇通电后开始转动 电流做功 电能转化为机械能 有一部分转化为内能 断 电后转动着的风扇又慢慢停下来 阻力做负功 机械能转化为内能 C 火药爆炸产生燃气 化学能转化为内能 子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去 推 力做功 内能转化为机械能 子弹射穿一块钢板 速度减小 阻力做负功 机械能转化为 内能 D 用柴油机带动发电机发电 化学能转化为机械能 又转化为电能 发电机发电后供 给电动水泵抽水 电流做功 电能转化为机械能 电动水泵把水从低处抽到高处 水泵对 水做功 使水泵的机械能传递给水 点悟点悟 做功的过程就是能量转化或转移的过程 各种能量可以相互转化 而在转化过 程中 能量的总量则保持不变 例例 2 2 一质量均匀 不可伸长的绳索 重为G A B两端固定在 天花板上 如图 5 66 所示 现在最低点C处施加一竖直向下的力 将最低点缓慢拉至D点 在此过程中 绳的重心位置 A 逐渐升高 B 逐渐降低 C 先降低后升高 D 始终不变 提示提示 从外力做功引起绳索重力势能的变化进行分析 解析解析 外力对绳索做功 绳索的机械能增加 由于绳索的动能不变 增加的必是重力 势能 重力势能增加是重心升高的结果 正确选项为 A 点悟点悟 本题绳索重心的具体位置很难确定 且往往会错误地认为 外力将绳索向下拉 绳索的重心会逐渐降低 这里 我们应用功能原理 对问题作出了正确的判断 例例 3 3 约在 1670 年 英国赛斯特城的主教约翰 维尔金斯设计了 一种磁力 永动机 如图 5 67 所示 在斜坡顶上放一块强有力的磁 铁 斜坡上端有一个小孔 斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道 维尔金斯认为 如果在斜坡底放一个小铁球 那么由于磁铁的吸引 小 铁球就会向上运动 当小球运动到小孔P处时 它就要掉下 再沿着斜 面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q 由于有速度而可以对外做功 然后又 被磁铁吸引回到上端 到小孔P处又掉下 在以后的二百多年里 维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次 其中一次是在 1878 年 即在能量转化和守恒定律确定 20 年后 而且竟在德国取得了专利权 请你分析一下 维尔金斯 永动机 能实现吗 提示提示 运用能量守恒定律进行分析 解析解析 维尔金斯 永动机 不可能实现 因为它违背了能量守恒定律 小球上升过程 中 磁场力对小球做正功 使小球增加了机械能 但小球下落时 同样也受到磁场力 而 且磁场力做负功 这个负功与上升过程的正功相互抵消 可见 维尔金斯 永动机 不可 图 5 67 图 5 66 D AB C 用心 爱心 专心4 能源源不断向外提供能量 所以维尔金斯 永动机 不可能实现 点悟点悟 能量守恒定律告诉我们 任何一部机器 只能使能量从一种形式转化为另一种 形式 而不能无中生有地制造能量 那种不消耗能量的所谓 永动机 是不可能造成的 人类利用自然 必须遵循自然规律 而不是去研制永远无法实现的 永动机 例例 4 4 随着人类能量消耗的迅速增加 如何有效地提高能量利用率是人类所面临的一 项重要任务 上海 明珠线 某轻轨车站的设计方案将站台抬高了一些 与站台连接的轨 道有一个小的坡度 请你从提高能量利用效率的角度 分析这种设计的优点 提示提示 从能量转化的角度分析如何提高能量的利用率 解析解析 列车进站时 利用上坡使部分动能转化为重力势能加以储存 减少了因刹车而 损耗的机械能 列车出站时 利用下坡把储存的重力势能又转化为动能 起到节能的作用 从而提高了能量的利用率 点悟点悟 节约能源是涉及社会可持续发展的重大问题 应该引起人们的极大关注 上海 明珠线 某轻轨车站的上述设计方案 正是从节约能源的角度提出的 这里 我们看到 了物理规律与实际生活的密切联系及其发挥的重要作用 发展级发展级 例例 5 5 下列说法正确的是 A 热量能够从高温物体传到低温物体 但不能从低温物体传到高温物体 B 只要对热机不断改革 就可使热机把它得到的全部内能转化为机械能 C 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 而不引起其他变化 D 凡是不违背能量守恒定律的过程都一定能实现 提示提示 用反映能量转化和能量转移方向性的规律 热力学第二定律进行判断 解析解析 热量会自发地从高温物体传给低温物体 而不会自发地才低温物体传给高温物 体 但如果有外界的影响或者帮助 热量也能从低温物体传到高温物体 例如 电冰箱消 耗了电能 对致冷系统做了功 能够不断地把冰箱内 低温 的热量传给外界的空气 高 温 热机不能把它得到的全部内能转化为机械能 因为热机必须有热源和冷凝器 热机工 作时总要向冷凝器散热 不可避免地要由工作物质带走一部分热量 根据热力学第二定律 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 而不引起其 他变化 不违背能量守恒定律 但违背热力学第二定律的过程 同样不能实现 可见 正确选项为 C 点悟点悟 热力学第二定律是关于热量传递不可逆性的一条基本规律 对热力学第二定律 的正确理解是 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性 例例 6 6 如图 5 68 所示 小球以 60J 的初动能从A点出发沿粗糙 斜面向上运动 在上升到B点的过程中 小球的动能损失了 50J 机 械能损失了 10J 则小球继续向上运动至最高点C再运动至出发点A 时的动能为多少 提示提示 由于斜面粗糙 小球克服摩擦力做功 机械能转化为内能 所以小球的机械能 不守恒 可应用动能定理和功能原理求解 解析解析 小球在由A点到B点的过程中 动能的损失量对应于克服合外力所做的功 机 械能的损失量对应于克服摩擦力所做的功 由动能定理得 WG WF Ek 50J 由功能原理得 WF E 10J 图 5 68 A B C 用心 爱心 专心5 又 F G WF WG 由以上三式可得 F G 1 4 小球在由B点到C点的过程中 动能减少 10J 由动能定理得 WG WF Ek 10J 又 WF WG F G 1 4 由以上两式可得 WF 2J 所以 上升过程中小球克服摩擦力做功 12J 一上一下 全过程小球克服摩擦力做功 24J 在小球运动的全过程中由动能定理得 总F W Ekt Ek0 解得小球运动至出发点A时的动能为 Ekt 总F W Ek0 24J 60J 36J 点悟点悟 本题涉及功与能的几个对应关系 研究动能的变化 只要看合外力做了多少功 本题中即为重力与摩擦力所做功之和 研究机械能的变化 只要看除重力 弹力以外的 力总共做了多少功 本题中即为摩擦力所做的功 必须弄清各种能量的变化与什么力所做 的功相对应 否则可能乱套公式而出错 课本习题解读 p 30 p 30 问题与练习问题与练习 1 家用电饭锅是把电能转化为内能 洗衣机是把电能转化为动能 等等 2 1 依题意可知 三峡水库第二期蓄水后 用于发电的水流量每秒为 1 35 104m3 3 500m3 10 000m3 s 每秒钟转化为的电能是 mgh 20 Vgh 20 1 0 103 1 0 104 10 135 20 J s 2 7 109 J s 发电功率最大是 2 7 109W 2 7 106kW 2 设三口之家每户的家庭生活用电功率为 1kW 考虑到不是每家同时用 1kW 的电 我们平均每家同时用电 0 5kW 则三峡发电站能供给 5 0 109 2 6 户 5 8 106户 用电 人口数为 3 5 8 106人 17 106人 即可供 17 个百万人口城市的生活用电 3 请按题目要求思考 练习巩固 5 10 基础级基础级 1 能源是人类社会活动的物质基础 人类利用能源大致经历了三个时期 依次是 A 柴薪时期 煤炭时期 石油时期 B 柴薪时期 石油时期 煤炭时期 C 煤炭时期 石油时期 电力时期 D 畜力时期 热力时期 电力时期 2 关于能量耗散 下列说法中正确的是 A 能量耗散是指在一定条件下 能量在转化过程中总量减少了 B 能量耗散表明 能量守恒定律具有一定的局限性 C 能量耗散表明 在能源的利用过程中 能量在数量上并未减少 但在可利用的品 用心 爱心 专心6 质上降低了 D 能量耗散从能量转化的角度 反映出自然界中宏观过程的方向性 3 下列说法中正确的是 A 不同形式能量的转化是通过做功来实现的 B 做功的过程总是伴随着能量的变化 C 某种形式的能量增加 10J 一定有其他形式的能量减少 10J D 某个物体的能量减少 10J 一定有其他物体的能量增加 10J 4 下列说法中正确的是 A 弹簧的弹力做功 10J 弹簧的