高考物理 能量守恒定律知识和经典试题解析

问题1：对于能量的认识，初中阶段形成怎样的知识基础？答：如图所示，初中阶段在人教版八年级下册第十一章和北师大版八年级全一册第六章中，第一次明确提出了能量的概念：物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量（energy），简称能。能量的单位与功的单位相同，也是焦耳。与此同时，我们定义了动能、重力势能和弹性势能，并通过如图所示的实验，定性探究了影响动能和重力势能大小的因素；还明确了动能、重力势能和弹性势能的和被称为机械能。在研究热现象的过程中，我们明确了内能的含义；在研究电现象的过程中，我们知道用电器在电路中工作时会消耗电能；而原子核分裂或者结合时释放出的能量称为核能。我们还知道，按照一定标准，可以将生活中的能源进行分类，如图所示。问题2：对于能量的认识，高中阶段经历了怎样的进阶？答：在高中阶段的学习中，我们不仅对一些能量给出定量的定义，并能够用力做功的多少量度能量的变化：①动能Ek合外力做的功量度物体动能的变化W合=∆Ek。②重力势能Ep=±mgh，重力势能具有相对性，h为相对于零势能面的高度，在零势能面以上，取“+”，在零势能面以下，取“-”；重力做功的多少量度重力势能的变化WG=

-∆Ep。④机械能E机=

Ek

+

Ep，除掉重力和弹簧弹力之外的力做功的多少量度机械能的变化W除G和F

=∆E。⑤电势能（即电能）Ep，电势能也具有相对性，电场力做功的多少量度电势能的变化WE=

-∆Ep。⑥内能—物体内所有分子动能和势能的总和。研究内能的变化更有普遍意义，滑动摩擦力做功可以引起系统内能的变化，也就是我们经常提到的“摩擦生热”，Q=fs相，其中s相的是指两个物体发生相对滑动的路程。电路中有电流通过时也可以引起内能的变化，也就是我们常说“焦耳热”即Q=I2Rt。⑦核能。关于核能的本质以及如何定量计算原子核裂变或者聚变过程中释放核能多少将在《5.3

核力与结合能》和《5.4核裂变和核聚变》中详细介绍。通过以上问题的讨论，相信你对“功是能量转化的量度”这句话一定有了更加生动的理解。问题3：如何深入理解太阳能、风能、水能和核能？答：太阳以电磁波的形式向外辐射的能量被称为太阳能。在任何温度下，物体都以发射电磁波的形式向外传递能量，这种热传递的方式称为热辐射。太阳表面的温度约为6000℃，它以辐射的形式向外发射大量不同频率的电磁波，其中的一小部分传到地球，为地球上一切的生命现象提供能源。人类所需的绝大部分能量比如风能、水能、生物的化学能等等都直接或间接地来自太阳。在第五章《原子核》的学习中我们将深入了解太阳的能量来源是太阳内部聚变反应释放的核能。子问题1：如何估算太阳的辐射功率？答：利用如图所示的实验装置，可以估算地球表面单位时间单位面积上接收到的太阳能量。将此装置放置在太阳下，让阳光垂直照射水面，假设水的质量为m，比热容为c，水面的横截面积为S，用温度计测量可得t时间内水的温度上升了∆T℃。则水升温吸收到的热量Q=cm∆T。忽略水吸热后与外界发生的热交换，则地球表面单位面积、单位时间内接收到的太阳能量为cm∆T/st。实验测得，这一数值约为1.36×103J/s·m2。利用上述数据还进一步估算太阳的辐射功率P，过程如下：已知太阳到地球的距离为r，太阳光传播到达地面的过程中能量有效率为η（到达地球表面的阳光只有部分可以穿过大气层，另一部分被大气层反射）。则t时间内太阳辐射的能量为Pt，可以想象太阳光的辐射是球面辐射，地球位于距离太阳半径为r的球面上，这个球面上单位面积接收到的太阳的能量为pt/4πr2，所以所以有子问题2：如何估算风力发电的功率？答：如图所示为常见的风力发电装置。假设该地区的风速为v，空气的密度为

ρ，风力发电叶片的长度为r，风能转化为电能的效率为η。风能的本质是空气流动的动能。如图所示，任取一段时间∆t，在∆t时间内，高为v∆t的圆柱体内的所有空气都将流过风力发电的叶片，因此∆t时间内风力发电机接收到的风能就是圆柱体内空气的动能。圆柱体内空气的质量m=ρV=ρSv∆t=ρπr2v∆t，空气的动能为：则此风力发电机发电的功率为：在上述两个子问题的讨论中，结论并不重要，重要的是问题解决过程中的两个关键模型—“辐射的球体模型”和“流体的柱体模型”，这两个模型是物理学中研究很多类似情境实际问题的关键。问题4：什么是能量守恒定律？答：如图所示，初中阶段对于能量守恒定律的学习是在人教版九年级全一册的第十四章和北师大版八年级全一册第七章中。高中阶段对能量守恒定律的描述与初中阶段并无差别：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，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其他物体，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。问题5：对于守恒定律的理解，高中阶段是如何逐渐深入的？答：能量守恒定律的数学表达式形式为：E1=E2初中阶段的学习中没有讨论能量的定量定义，因此上述表达式意义不大。在高中不同阶段的学习中，能量守恒定律以不同的形式出现。比如：①必修2，机械能守恒定律—当物体运动过程中只有重力或者弹簧弹力做功时，物体的动能和重力势能（或弹性势能）在相互转化，机械能的总量保持不变。机械能守恒定律的数学表达式为：Ek1+

Ep1=Ek2+

Ep2②必修3，闭合电路的欧姆定律—电源消耗的电能一部分消耗在内电路中，一部分消耗在外电路中：EIt

=U内It

+

U外It③选择性必修2，楞次定律—感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量变化。楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象的具体表现。④选择性必修1，光的传播过程中同样遵循能量守恒定律。如动图中所示，随着入射角的逐渐增大，折射光逐渐减弱，反射光逐渐增强。⑤选择性必修3热力学第一定律是能量守恒定律在涉及热现象的过程中的具体表述，其数学表达式为：∆U

=

W

+

Q随着本册书后续的学习，我们还将进一步体会能量守恒定律在研究很多物理现象时的作用和价值。问题6：既然自然界所有过程遵循能量守恒定律，为什么还要节约能源？答：热力学第二定律表明：自然界中一切与热有关的现象都具有方向性，是不可逆的。因此某些能量的转化过程中是不