3.3 能量守恒定律-学案

2/53.3能量守恒定律【学习目标】1．掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义。会用能量守恒的观点分析物理现象。2．能综合运用学过的知识，用能量守恒定律进行有关计算，分析、解决有关问题。【学习重难点】能量转化和守恒定律的理解及综合应用。【学习过程】一、探索能量守恒的足迹1．不同形式的能描述下图分别主要描写的是什么形式的能。（）（）（）（）2．能量之间的转化判断下图分别是哪几种能量之间的相互转化。（）（）（）（）3．能量守恒观念的形成二、能量守恒定律在力学中，当系统只有_____________________________做功时，系统的动能与势能会发生相互转化，而动能与势能的总量保持不变，这就是______________守恒定律。在热力学领域内，做功和热传递可以改变系统的内能，即系统内能与系统外的能量会发生转化或转移，但能的总量不会改变。____________________________，实际上就是内能与其他能量发生转化时的能量守恒定律。1．能量守恒定律：能量既不会___________________，也不会________________，它只能从一种形式___________另一种形式，或者从一个物体___________另一个物体，而在___________或___________过程中，能量的总量__________________。2．能量守恒定律的意义：（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。（4）机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。三、永动机不可能制成1．永动机：_________________________________________，这种机器叫永动机。2．人类对永动机的追求阅读材料：螺旋永动机：著名科学家达·芬奇早在15世纪就提出过永动机不可能的思想，他曾设计过一种转轮。在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定要失败的。他写道：“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！”滚球永动机：17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，转轮直径达4.3米，有40个各重23千克的钢球沿转轮辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台机器是靠惯性来维持短时运动的。软臂永动机：19世纪有人设计了一种特殊机构，它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。磁力永动机：大约在1570年，意大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。A是一个磁石，铁球G受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的E处，从小洞B落下，经曲面BFC返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。3．第一类永动机概念：不需要任何动力或燃料，却能源源不断地对外做功。结果：无一例外地归于失败。原因：_____________________________________________________。4．永动机给我们的启示人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律。【练习巩固】1．判断（1）各种能量之间可以转移或转化，但总量保持不变。（√）（2）第一类永动机因违背能量守恒定律，所以不可能制成。（√）（3）自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，减少的机械能转化为内能，但总能量守恒。（√）2．第一类永动机违反了什么而不能制成（）A．违反了热力学第一定律B．违反了机械能守恒定律C．违反了能量守恒定律D．以上说法都不对答案：C3．如图所示容器中，A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定。A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡。在这个过程中，下面说法正确的是（）A．大气压力对水做功，水的内能增加B．水克服大气压力做功，水的内能减少C．大气压力对水不做功，水的内能不变D．大气压力对水不做功，水的内能增加答案：D4．重1000kg的气锤从2.5m高处落下，打在质量为20kg的铁块上，要使铁块的温度升高40℃以上，气锤至少应落下多少次？（设气锤撞击铁块时做的功有60%用来升高铁块的温度，g取10m/s2，铁的比热容c＝4.62×102J/（kg•℃））答案：25次5．一木箱静止于水平面上，现在用一个80N的水平推力推动木箱前进10m，木箱受到的摩擦力为60N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是（）A．U＝200J，Ek＝600JB．U＝600J，Ek＝200JC．U＝600J，Ek＝800JD．U＝800J，Ek＝200J答案：B6．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法中正确的是（）A．秋千的机械能守恒B．秋千的能量正在消失C．只有动能和重力势能的相互转化D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒答案：D7．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它（）A．不符合热力学第一定律B．做功产生的热量太少C．由于有摩擦、热损失等因素的存在D．找不到合适的材料和合理的设计方案答案：A8．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（）A．物体克服阻力做功B．物体的动能转化为其他形式的能量C．物体的势能转化为其他形式的能量D．物体的机械能转化为其他形式的能量答案：AD第三章23A组·基础达标1．在一个与外界没有热交换的房间内打开冰箱门，冰箱正常工作，过一段时间房间内的温度将()A．降低 B．升高C．不变 D．无法确定【答案】B【解析】取房间内气体及电冰箱(有散热装置)为系统，冰箱消耗电能，对系统做功，系统总内能增加，房间内温度升高，B正确．2．压力锅结构如图所示，盖好锅盖，将压力阀套在出气孔上，给压力锅加热，当锅内气体压强达到一定值时，气体就把压力阀顶起．假定在压力阀被顶起时，停止加热，锅内气体对压力阀及外界做功1.5J，并向外界释放了2.5J的热量，则下列说法中正确的是()A．锅内原有气体的内能没有发生变化B．锅内原有气体的内能增加了3JC．锅内原有气体的内能减少了3JD．锅内原有气体的内能减少了4J【答案】D【解析】由于锅内气体对外界做功1.5J，则W＝－1.5J，并向外界释放了2.5J的热量，则Q＝－2.5J，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，故内能ΔU＝－1.5J＋(－2.5J)＝－4J，故气体的内能减少4J，D正确．3．如图所示，直立容器内部有被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，抽出隔板，加热气体使两部分气体均匀混合，设在此过程中气体吸热为Q，气体内能增量为ΔU，则()A．ΔU＝Q B．ΔU＜QC．ΔU＞Q D．无法比较【答案】B【解析】A、B两部分气体密度不同，混合后其重力势能将发生变化，刚开始时A、B气体的合重心在中线下方，均匀混合后重心在中线上，重心上升了，所以气体的重力势能增加了，由能量守恒定律知，吸收的热量一部分增加气体的内能，一部分增加重力势能，即Q＝ΔU＋ΔEp，所以Q＞ΔU，故B正确．4．如图所示容器中，A、B部分各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下是水，上为空气，大气压恒定．A、B底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热．原先A中水面比B中高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流动，最后达到平衡．在这个过程中，下面说法正确的是()A．大气压力对水做功，水的内能增加B．水克服大气压力做功，水的内能减少C．大气压力对水不做功，水的内能不变D．大气压力对水不做功，水的内能增加【答案】D【解析】由W＝p·S·Δh＝p·ΔV可知大气压力对A、B两管中水做功的代数和为零，但由于水的重心下降，重力势能减小，由能量守恒定律可知水的内能增加，D正确．5．恒温的水池中，有一气泡缓慢上升，在此过程中，气泡的体积会逐渐增大，不考虑气泡内气体分子势能的变化，下列说法中正确的是()A．气泡内的气体对外界做功B．气泡内的气体内能增加C．气泡内的气体与外界没有热传递D．气泡内气体分子的平均动能减小【答案】A【解析】气泡体积增大，对外做功，由于温度不变，因此分子平均动能不变，气体的内能不变，根据ΔU＝W＋Q可知，气体吸收热量，A正确，B、C、D错误．6．如图为某种椅子与其升降部分的结构示意图，M、N两筒间密闭了一定质量的气体，M可沿N的内壁上下滑动，设筒内气体不与外界发生热交换，在M向下滑动的过程中()A．外界对气体做功，气体内能增大B．外界对气体做功，气体内能减小C．气体对外界做功，气体内能增大D．气体对外界做功，气体内能减小【答案】A【解析】本题考查了热力学第一定律，理解做功和热传递可以改变物体的内能．筒内气体不与外界发生热交换，M向下滑动的过程中，外界对气体做功，由热力学第一定律可知气体内能增大，A正确．7．(多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象中所包含的相同的物理过程是()A．物体克服阻力做功B．物体的动能转化为其他形式的能量C．物体的势能转化为其他形式的能量D．物体的机械能转化为其他形式的能量【答案】AD【解析】这四个现象中，物体运动过程都受到阻力，汽车主要是制动阻力，流星坠落和降落伞降落是空气阻力，条形磁铁下落过程受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确．四个物体运动过程中，汽车是动能转化为内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化为内能或其他形式的能，总之都是机械能转化为其他形式的能，D正确．8．(多选)景颇族的祖先发明的点火器如图所示，用牛角做套筒，木制推杆前端粘着艾绒，猛推推杆，艾绒即可点燃，对筒内封闭的气体，在此压缩过程中的下列说法中不正确的是()A．气体温度升高，压强不变B．气体温度升高，压强变大C．气体对外界做正功，气体内能增加D．外界对气体做正功，气体内能减少【答案】ACD【解析】由于套筒内封闭着一定质量的气体，当猛推推杆时推杆迅速压缩气体，外界对气体做正功．由于这一过程进行得很快，可以看成是一个近似的绝热过程，即整个系统来不及向外界传递热量．根据热力学第一定律，这时外力做的功只能用来增加气体的内能，这就使气体分子的运动加剧，引起气体分子平均动能增加，气体温度升高．所以艾绒即刻被点燃．由于被封闭的气体质量不变，温度升高，而体积变小，则由气体状态方程知压强变大．故B选项正确，其他选项都错误．9．(多选)如图所示，用绝热活塞把绝热容器隔成容积相同的两部分，先把活塞锁住，将质量和温度都相同的理想气体氢气和氧气分别充入容器的两部分，然后提起销子，使活塞可以无摩擦地滑动，当活塞平衡时()A．氢气的温度不变 B．氢气的压强减小C．氢气的体积增大 D．氧气的温度升高【答案】BCD【解析】理想气体氢气和氧气的质量虽然相同，但由于氢气的摩尔质量小，故氢气物质的量多，又体积和温度相同，eq\f(pV,T)＝C，所以氢气产生的压强大，当拔掉销子后，会推动活塞向氧气一方移动，这时氢气对外做功，又无热传递，由ΔU＝W＋Q可知，氢气内能减少，温度降低，对氧气而言，外界对它做功，体积减小，根据热力学第一定律ΔU＝W＋Q，无热传递的情况下，氧气内能增加，温度升高．10．(多选)如图所示，绝热的容器内密闭一定质量的气体(不考虑分子间的作用力)，用电阻丝缓慢对其加热时，绝热活塞无摩擦地上升，下列说法正确的是()A．单位时间内气体分子对活塞碰撞的次数减少B．电流对气体做功，气体对外做功，气体内能可能减少C．电流对气体做功，气体对外做功，其内能一定增加D．电流对气体做的功一定大于气体对外做的功【答案】ACD【解析】由题意知，气体压强不变，活塞上升，体积增大，由eq\f(pV,T)＝C知，气体温度升高，内能一定增加，由能的转化和守恒知，电流对气体做功一定大于气体对外做功，B错误，C、D正确．由气体压强的微观解释知温度升高，气体分子与活塞碰一次对活塞的冲击力增大；而压强不变，单位时间内对活塞的冲击力不变．因此单位时间内对活塞的碰撞次数减少，A正确．B组·能力提升11．一定质量的理想气体由状态a沿abc变化到状态c，吸收了340J的热量，