还剩19页未读，
继续阅读
成套系列资料，整套一键下载
选择性必修 第三册第三章 热力学定律3 能量守恒定律课堂检测
展开
这是一份选择性必修 第三册第三章 热力学定律3 能量守恒定律课堂检测，共22页。试卷主要包含了新课标要求，科学素养要求，教材研习，名师点睛，互动探究·等内容，欢迎下载使用。
第3节 能量守恒定律
一、新课标要求
1.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。
2.能用能量守恒的观点解释自然现象，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
二、科学素养要求
1.物理观念：理解能量守恒定律及永动机不可能制成
2.科学思维：体会能量守恒定律的发现历程，培养归纳总结、分析推理能力。
3.科学探究：通过了解能量守恒定律的探索过程，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛。
4.科学态度与责任：学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。
三、教材研习
要点 能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移①的过程中，能量的总量保持不变。
【自主思考】
①在热力学领域内，使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递两种。做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能。在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？
答案：提示能量的总量不会减少。
四、名师点睛
能量守恒定律的理解
（1）意义：各种形式的能可以相互转化；各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。
（2）能量守恒的两种表达：某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等；某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
五、互动探究·
探究点一、能量守恒定律
情境探究
1.某同学利用“能量守恒定律”研究汽车油耗与行驶里程的关系。已知一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时功率为P，汽车的总效率为η，所使用的汽油的热值为q（每完全燃烧单位质量的燃料释放的热量叫热值），现油箱中还有质量为m的汽油（设汽车的质量为M）。
（1）从此时到汽油消耗完，汽车还能行驶多远？
（2）从此时到汽车停下，行驶总距离为多少？
探究归纳
1.能量守恒定律的理解
（1）各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。
（2）各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤的燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
（3）与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它适用于任何物理现象和物理过程，是一切自然现象都遵守的基本规律。
2.能量守恒定律的意义
（1）找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用能量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性。
（2）突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见。
（3）具有重大实践意义，彻底粉碎了永动机的幻想。
探究应用
【典例】如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep（弹簧处在自然长度时的弹性势能为零）。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程( )
A.Ep全部转化为气体的内能
B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
【解题感悟】
利用能量守恒定律解题的方法在应用能量守恒定律处理问题时，首先要弄清系统有多少种能量相互转化，分析哪种形式的能量增加了，哪种形式的能量减少了；或者弄清哪个物体的能量增加，哪个物体的能量减少，增加量等于减少量。
【迁移应用】
1.（多选）下列关于能量转化现象的说法中，正确的是( )
A.用太阳灶烧水是光能转化为内能
B.电灯发光是电能转化为光能
C.核电站发电是电能转化为内能
D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
2. .下列对能量守恒定律的认识不正确的是( )
A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
3 如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度ℎ，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？（不计空气阻力，重力加速度为g）
5.一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，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=200 J，Ek=600 J
B.U=600 J，Ek=200 J
C.U=600 J，Ek=800 J
D.U=800 J，Ek=200 J
6.如图是水电站的发电原理图，由图可知，下列说法错误的是 ( )
A.水力发电不会造成污染
B.该装置将机械能转化为电能
C.要加大发电的功率，可采用仅“增大水落差”的方法
D.该装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能
7.如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10 m/s2，忽略大气压力及摩擦阻力的影响）
8.某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆面内10%的气流的动能转化为电能，则该风车带动的发电机功率是多少？
9.（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
10.如图所示，两个完全相同的金属球a、b，其中a球放在不导热的水平面上，b球用不导热的细线悬挂起来，现供给两球相同的热量，它们的温度分别升高了Δta、Δtb，则( )
A.Δta>Δtb
B.Δta<Δtb
C.Δta=Δtb
D.无法比较
11.人的体温是由下丘脑中特殊神经细胞监察和控制的，当下丘脑温度高于37℃时，人体散热机制(如血管舒张、出汗等)就活跃起来，已知人体温度为37℃时蒸发18 g汗水所需要能量E=4.3×103J。现有一中年人慢步行走时新陈代谢功率为35 W，此人慢步行走时的体温保持37℃，行走1 h出汗约为30.2 g，试求此人通过传导辐射等方式(不包括出汗)产生的散热功率。
12.能源问题是当前热门话题，传统的能源——煤和石油。由于储量有限，有朝一日要被开采完，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电为一例。如图表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为大坝；其下有通道，水经通道可带动发电机。涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同时，堵住通道，如图甲。潮落至最低点时放水发电，如图乙。待内外水面高度相同时，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又进水发电，如图丙。设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，海水每天涨潮两次，重力加速度g=10 m/s2，则一天内流水的平均功率为多少？
13.太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长，当太阳光照射地面时，1 m2地面上在1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103J。太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐地出现在我们的生活中。
一同学在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：
（1）该同学家每天大约需要100 kg热水，用这种热水器将这些水从25℃加热到45℃需要多长时间？[水的比热容
（2）与效率为80%的电热水器相比，他家每天可节约多少电能？
探究点二、永动机不可能制成
情境探究
1. 如图展示了一个极具想象力的设想，其大意是：上面水池中的水流下来，冲击叶轮转动；叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动；人利用打磨轮打磨工件，同时，运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一开始在上面水池中注满水，就能通过水的上下循环，使机器不停地工作。
（1）从上面水池中流下来的水，能否被水泵全部抽送到上面水池中？说明理由。
（2）这个设想曾得到不少人的赞许，并把这个装置誉为“永动机”。请运用你掌握的知识，说明这个装置是否真能“永动”。
探究归纳
1.永动机失败的原因分析
想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。
2.永动机给我们的启示
【教材拓展】
历史上最著名的永动机—魔轮
历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在13世纪提出的“魔轮”。如图甲所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘等距地安装着12根活动短杆，每根短杆的一端装有一个铁球。亨内考认为，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，右边悬臂在重力作用下会向下落，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大（在物理学上，使物体转动的力乘以力到转轴的距离叫作力矩。力矩是描述力的旋转效果的物理量，力矩越大说明旋转效果越好）；而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮转动。
甲乙
仔细分析一下就会发现，虽然魔轮右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停下来。受此启发，15世纪的意大利著名的科学家、艺术家达·芬奇也曾设计了一个相同原理的类似装置，如图乙，但试验却未获得成功。由此，达·芬奇敏锐地认识到永动机是不可能制成的，他劝告永动机的设计者们：“永恒运动的幻想家们！你们的探索是何等徒劳无功，还是去做淘金者吧。”
探究应用
【典例】大约在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”。如图所示，在斜面顶上放一块强力的磁铁，斜面上端有一个小孔，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：如果在斜坡底端放一个小铁球，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，即在能量守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是( )
A.符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题
B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律，不可能实现
【迁移应用】
1.有人设计了如图所示的“浮力永动机”，永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球，容器底部的管道内径与小球直径相等。设计者认为，左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动，管道中的小球也将被带着向上运动，一旦这个小球要上升离开管道，下一个小球就会进入管道而不使水漏出，因此永动机将永不休止地顺时针转动。你认为该“浮力永动机”能否实现永动?为什么?
2.（多选）下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B.永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.永动机不能制成的原因是技术问题
D.永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
3.如图所示是18世纪人们发明的不同形式的“永动机”，现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了，警示人们不要再做这方面的工作，试分析“永动机”不能成功的原因。
4.人类设计了各种各样的永动机，但都以失败告终，说明设计必须遵循以下什么原则( )
A.安全性
B.科学性
C.道德性
D.技术规范性
5.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是( )
A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
容积(V)
100 L
集热管的采光面积(S)
1.5 m2
效率(η)
40%
使用年限(z)
15年
选择性必修三学案
第三章 热力学定律
第3节 能量守恒定律
一、新课标要求
1.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。
2.能用能量守恒的观点解释自然现象，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
二、科学素养要求
1.物理观念：理解能量守恒定律及永动机不可能制成
2.科学思维：体会能量守恒定律的发现历程，培养归纳总结、分析推理能力。
3.科学探究：通过了解能量守恒定律的探索过程，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛。
4.科学态度与责任：学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。
三、教材研习
要点 能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移①的过程中，能量的总量保持不变。
【自主思考】
①在热力学领域内，使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递两种。做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能。在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？
答案：提示能量的总量不会减少。
四、名师点睛
能量守恒定律的理解
（1）意义：各种形式的能可以相互转化；各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。
（2）能量守恒的两种表达：某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等；某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
五、互动探究·
探究点一、能量守恒定律
情境探究
1.某同学利用“能量守恒定律”研究汽车油耗与行驶里程的关系。已知一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时功率为P，汽车的总效率为η，所使用的汽油的热值为q（每完全燃烧单位质量的燃料释放的热量叫热值），现油箱中还有质量为m的汽油（设汽车的质量为M）。
（1）从此时到汽油消耗完，汽车还能行驶多远？
（2）从此时到汽车停下，行驶总距离为多少？
答案：（1）提示设汽车匀速行驶x1，则汽车行驶x1需要的能量E=Pt=Px1v=ηqm，解得x1=mqηvP。
（2）设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为x2，则由动能定理知−Ff⋅x2=−12Mv2，又P=Ff⋅v，所以汽车行驶的总距离：x=x1+x2=mqηvP+Mv32P。
探究归纳
1.能量守恒定律的理解
（1）各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。
（2）各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤的燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
（3）与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它适用于任何物理现象和物理过程，是一切自然现象都遵守的基本规律。
2.能量守恒定律的意义
（1）找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用能量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性。
（2）突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见。
（3）具有重大实践意义，彻底粉碎了永动机的幻想。
探究应用
【典例】如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep（弹簧处在自然长度时的弹性势能为零）。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程( )
A.Ep全部转化为气体的内能
B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
答案：D
解析：当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、重力G、封闭气体对活塞向下的压力F'共同作用，其合力方向向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做功，由于容器绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变量。设最终弹簧的弹性势能为Ep'，由能量守恒定律得Ep=Ep'+活塞增加的重力势能+气体增加的内能，所以D项正确。
【解题感悟】
利用能量守恒定律解题的方法在应用能量守恒定律处理问题时，首先要弄清系统有多少种能量相互转化，分析哪种形式的能量增加了，哪种形式的能量减少了；或者弄清哪个物体的能量增加，哪个物体的能量减少，增加量等于减少量。
【迁移应用】
1.（多选）下列关于能量转化现象的说法中，正确的是( )
A.用太阳灶烧水是光能转化为内能
B.电灯发光是电能转化为光能
C.核电站发电是电能转化为内能
D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
答案：A ; B
解析：核电站发电是核能转化为电能，生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是化学能转化为内能。
2. .下列对能量守恒定律的认识不正确的是( )
A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
答案：D
解析：选项A是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；选项B是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；选项C中任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒定律；选项D中石子的机械能并没有消失，只是转化成了其他形式的能量，D符合题意。
3 如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度ℎ，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？（不计空气阻力，重力加速度为g）
答案：12mv02−(M+m)gℎ
解析：子弹和沙箱相互作用的过程中，损失的动能转化为系统内能，由能量守恒定律得
ΔU=12mv02−12(M+m)v2
由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，它们一起从最低点运动到最高点，满足机械能守恒定律，即12(M+m)v2=(M+m)gℎ
解得ΔU=12mv02−(M+m)gℎ
5.一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，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=200 J，Ek=600 J
B.U=600 J，Ek=200 J
C.U=600 J，Ek=800 J
D.U=800 J，Ek=200 J
答案：B
解析：由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积是转化为木箱与地面系统的内能，即U=60×10 J=600 J。由能量守恒定律可得Ek=W总−U=80×10 J−600 J=200 J，故B项正确。
6.如图是水电站的发电原理图，由图可知，下列说法错误的是 ( )
A.水力发电不会造成污染
B.该装置将机械能转化为电能
C.要加大发电的功率，可采用仅“增大水落差”的方法
D.该装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能
答案：D
解析：水力发电不会有污染，同时将水的机械能转化为电能，故A、B项正确；如果仅将水落差增大，那么水流到水轮机处的速度就增大，这一方法可加大发电的功率，故C项正确；由于水下落过程以及发电机装置都有摩擦，故该装置不可能将水库中储存的水的机械能全部转化为电能，因此D项错误。
7.如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10 m/s2，忽略大气压力及摩擦阻力的影响）
答案：20 J
解析：提示由能量守恒定律可知，内能的增加量等于活塞和物体重力势能的减少量。
8.某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆面内10%的气流的动能转化为电能，则该风车带动的发电机功率是多少？
答案：3.4 kW
解析：首先可以求在时间t内作用于风车的气流质量为m=πr2vtρ，这些气流的动能为12mv2，转化的电能为E=12mv2×10%，故风车带动的发电机功率为P=Et=12πr2ρv3×10%，代入数据以后得P≈3.4 kW
9.（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：A ; D
解析：这四个现象中，物体运动过程都受到阻力，汽车制动主要受制动阻力，流星坠落、降落伞下降受空气阻力，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项正确。四个物体运动过程中，汽车的动能转化为内能，流星、降落伞、条形磁铁的重力势能转化为内能或其他形式的能，总之是机械能转化为其他形式的能。D项正确。
10.如图所示，两个完全相同的金属球a、b，其中a球放在不导热的水平面上，b球用不导热的细线悬挂起来，现供给两球相同的热量，它们的温度分别升高了Δta、Δtb，则( )
A.Δta>Δtb
B.Δta<Δtb
C.Δta=Δtb
D.无法比较
答案：B
解析：两球具有内能和重力势能。它们分别吸收热量后，内能发生变化，由于受热膨胀，重力势能也会发生变化，体积膨胀时，它们的分子势能会发生变化，膨胀过程中要对空气做功，也要损失一部分能量。
对于a、b这两个金属球，因它们完全相同，故体积膨胀引起的分子势能的增大和对空气做功应该相同，由于膨胀，a球的重心将上移，故a球的重力势能将增加（看图虚线表示的a、b球），而b球的重心将下移，故b球的重力势能将减少。
因此，对于a球，吸收的热量Q应等于分子势能的增加量和对空气做功的ΔE0、重力势能的增加量ΔEpa和分子动能的增加量ΔEa之和；而对于b球，吸收的热量和重力势能的减少量之和应等于分子势能增加量和对空气做的功ΔE0与分子动能增加量ΔEb之和。很明显，ΔEb>ΔEa，b球分子动能的增量大于a球分子动能的增量，故B项正确。
11.人的体温是由下丘脑中特殊神经细胞监察和控制的，当下丘脑温度高于37℃时，人体散热机制(如血管舒张、出汗等)就活跃起来，已知人体温度为37℃时蒸发18 g汗水所需要能量E=4.3×103J。现有一中年人慢步行走时新陈代谢功率为35 W，此人慢步行走时的体温保持37℃，行走1 h出汗约为30.2 g，试求此人通过传导辐射等方式(不包括出汗)产生的散热功率。
答案：33 W
解析：此人因出汗消耗的能量
E1=mm0E=30.218×4300 J≈7214 J对应的功率P1=E1t≈2 W根据能量守恒定律，所求散热功率为P2=P−P1=33 W
12.能源问题是当前热门话题，传统的能源——煤和石油。由于储量有限，有朝一日要被开采完，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电为一例。如图表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为大坝；其下有通道，水经通道可带动发电机。涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同时，堵住通道，如图甲。潮落至最低点时放水发电，如图乙。待内外水面高度相同时，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又进水发电，如图丙。设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，海水每天涨潮两次，重力加速度g=10 m/s2，则一天内流水的平均功率为多少？
答案：100MW
解析：潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能。每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力为mg=ρSℎg=1.0×103×5.0×107×3×10 N=1.5×1012N，其重心高度变化为ℎ'=1.5 m一天内海水两进两出，故平均功率P=4mgℎ't=4×1.5×1012×1.524×3600W≈1.0×108W=100 MW
13.太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长，当太阳光照射地面时，1 m2地面上在1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103J。太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐地出现在我们的生活中。
一同学在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：
（1）该同学家每天大约需要100 kg热水，用这种热水器将这些水从25℃加热到45℃需要多长时间？[水的比热容
（2）与效率为80%的电热水器相比，他家每天可节约多少电能？
答案：（1）3.9 h（2）2.9 kW⋅h
探究点二、永动机不可能制成
情境探究
1. 如图展示了一个极具想象力的设想，其大意是：上面水池中的水流下来，冲击叶轮转动；叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动；人利用打磨轮打磨工件，同时，运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一开始在上面水池中注满水，就能通过水的上下循环，使机器不停地工作。
（1）从上面水池中流下来的水，能否被水泵全部抽送到上面水池中？说明理由。
（2）这个设想曾得到不少人的赞许，并把这个装置誉为“永动机”。请运用你掌握的知识，说明这个装置是否真能“永动”。
答案：（1）提示不能，因为高处水池中水的重力势能，只有部分转化为叶轮的动能；而叶轮的动能部分用来打磨工件及克服摩擦力做功，不会全部供给水泵用来抽水。
（2）不能，由于水从上面流到下面水池的过程中，用来打磨工件消耗能量，故流下来的水不能全部被抽送到上面水池中，随着时间的推移，上面的水越来越少，一定时间后便不再有水从上面流下来，所以这个装置不能“永动”。
探究归纳
1.永动机失败的原因分析
答案：如果没有外界热源供给热量，则有U2−U1=W，就是说，永动机对外做功，则W<0，那么一定有U22.永动机给我们的启示
答案：人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律，永动机失败为能量守恒定律的建立从反面提供了证据。
【教材拓展】
历史上最著名的永动机—魔轮
历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在13世纪提出的“魔轮”。如图甲所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘等距地安装着12根活动短杆，每根短杆的一端装有一个铁球。亨内考认为，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，右边悬臂在重力作用下会向下落，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大（在物理学上，使物体转动的力乘以力到转轴的距离叫作力矩。力矩是描述力的旋转效果的物理量，力矩越大说明旋转效果越好）；而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮转动。
甲乙
仔细分析一下就会发现，虽然魔轮右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停下来。受此启发，15世纪的意大利著名的科学家、艺术家达·芬奇也曾设计了一个相同原理的类似装置，如图乙，但试验却未获得成功。由此，达·芬奇敏锐地认识到永动机是不可能制成的，他劝告永动机的设计者们：“永恒运动的幻想家们！你们的探索是何等徒劳无功，还是去做淘金者吧。”
探究应用
【典例】大约在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”。如图所示，在斜面顶上放一块强力的磁铁，斜面上端有一个小孔，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：如果在斜坡底端放一个小铁球，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，即在能量守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是( )
A.符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题
B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律，不可能实现
答案：D
解析：该思想违背了能量守恒定律，所以该“永动机”不可能实现。
【迁移应用】
1.有人设计了如图所示的“浮力永动机”，永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球，容器底部的管道内径与小球直径相等。设计者认为，左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动，管道中的小球也将被带着向上运动，一旦这个小球要上升离开管道，下一个小球就会进入管道而不使水漏出，因此永动机将永不休止地顺时针转动。你认为该“浮力永动机”能否实现永动?为什么?
答案：不能，由能量守恒定律可知永动机是不可能制成的。
2.（多选）下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B.永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.永动机不能制成的原因是技术问题
D.永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
答案：A ; D
解析：永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因。
3.如图所示是18世纪人们发明的不同形式的“永动机”，现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了，警示人们不要再做这方面的工作，试分析“永动机”不能成功的原因。
答案：永动机违背了能量守恒定律。
4.人类设计了各种各样的永动机，但都以失败告终，说明设计必须遵循以下什么原则( )
A.安全性
B.科学性
C.道德性
D.技术规范性
答案：B
解析：永动机违背了能量守恒定律，所以必须遵循科学性原则。
5.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是( )
A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
答案：D
解析：形状记忆合金进入水后受热，形状发生改变而搅动热水，由能量守恒定律知能量来源于热水，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中。
容积(V)
100 L
集热管的采光面积(S)
1.5 m2
效率(η)
40%
使用年限(z)
15年
第3节 能量守恒定律
一、新课标要求
1.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。
2.能用能量守恒的观点解释自然现象，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
二、科学素养要求
1.物理观念：理解能量守恒定律及永动机不可能制成
2.科学思维：体会能量守恒定律的发现历程，培养归纳总结、分析推理能力。
3.科学探究：通过了解能量守恒定律的探索过程，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛。
4.科学态度与责任：学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。
三、教材研习
要点 能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移①的过程中，能量的总量保持不变。
【自主思考】
①在热力学领域内，使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递两种。做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能。在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？
答案：提示能量的总量不会减少。
四、名师点睛
能量守恒定律的理解
（1）意义：各种形式的能可以相互转化；各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。
（2）能量守恒的两种表达：某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等；某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
五、互动探究·
探究点一、能量守恒定律
情境探究
1.某同学利用“能量守恒定律”研究汽车油耗与行驶里程的关系。已知一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时功率为P，汽车的总效率为η，所使用的汽油的热值为q（每完全燃烧单位质量的燃料释放的热量叫热值），现油箱中还有质量为m的汽油（设汽车的质量为M）。
（1）从此时到汽油消耗完，汽车还能行驶多远？
（2）从此时到汽车停下，行驶总距离为多少？
探究归纳
1.能量守恒定律的理解
（1）各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。
（2）各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤的燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
（3）与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它适用于任何物理现象和物理过程，是一切自然现象都遵守的基本规律。
2.能量守恒定律的意义
（1）找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用能量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性。
（2）突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见。
（3）具有重大实践意义，彻底粉碎了永动机的幻想。
探究应用
【典例】如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep（弹簧处在自然长度时的弹性势能为零）。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程( )
A.Ep全部转化为气体的内能
B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
【解题感悟】
利用能量守恒定律解题的方法在应用能量守恒定律处理问题时，首先要弄清系统有多少种能量相互转化，分析哪种形式的能量增加了，哪种形式的能量减少了；或者弄清哪个物体的能量增加，哪个物体的能量减少，增加量等于减少量。
【迁移应用】
1.（多选）下列关于能量转化现象的说法中，正确的是( )
A.用太阳灶烧水是光能转化为内能
B.电灯发光是电能转化为光能
C.核电站发电是电能转化为内能
D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
2. .下列对能量守恒定律的认识不正确的是( )
A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
3 如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度ℎ，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？（不计空气阻力，重力加速度为g）
5.一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，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=200 J，Ek=600 J
B.U=600 J，Ek=200 J
C.U=600 J，Ek=800 J
D.U=800 J，Ek=200 J
6.如图是水电站的发电原理图，由图可知，下列说法错误的是 ( )
A.水力发电不会造成污染
B.该装置将机械能转化为电能
C.要加大发电的功率，可采用仅“增大水落差”的方法
D.该装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能
7.如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10 m/s2，忽略大气压力及摩擦阻力的影响）
8.某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆面内10%的气流的动能转化为电能，则该风车带动的发电机功率是多少？
9.（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
10.如图所示，两个完全相同的金属球a、b，其中a球放在不导热的水平面上，b球用不导热的细线悬挂起来，现供给两球相同的热量，它们的温度分别升高了Δta、Δtb，则( )
A.Δta>Δtb
B.Δta<Δtb
C.Δta=Δtb
D.无法比较
11.人的体温是由下丘脑中特殊神经细胞监察和控制的，当下丘脑温度高于37℃时，人体散热机制(如血管舒张、出汗等)就活跃起来，已知人体温度为37℃时蒸发18 g汗水所需要能量E=4.3×103J。现有一中年人慢步行走时新陈代谢功率为35 W，此人慢步行走时的体温保持37℃，行走1 h出汗约为30.2 g，试求此人通过传导辐射等方式(不包括出汗)产生的散热功率。
12.能源问题是当前热门话题，传统的能源——煤和石油。由于储量有限，有朝一日要被开采完，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电为一例。如图表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为大坝；其下有通道，水经通道可带动发电机。涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同时，堵住通道，如图甲。潮落至最低点时放水发电，如图乙。待内外水面高度相同时，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又进水发电，如图丙。设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，海水每天涨潮两次，重力加速度g=10 m/s2，则一天内流水的平均功率为多少？
13.太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长，当太阳光照射地面时，1 m2地面上在1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103J。太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐地出现在我们的生活中。
一同学在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：
（1）该同学家每天大约需要100 kg热水，用这种热水器将这些水从25℃加热到45℃需要多长时间？[水的比热容
（2）与效率为80%的电热水器相比，他家每天可节约多少电能？
探究点二、永动机不可能制成
情境探究
1. 如图展示了一个极具想象力的设想，其大意是：上面水池中的水流下来，冲击叶轮转动；叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动；人利用打磨轮打磨工件，同时，运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一开始在上面水池中注满水，就能通过水的上下循环，使机器不停地工作。
（1）从上面水池中流下来的水，能否被水泵全部抽送到上面水池中？说明理由。
（2）这个设想曾得到不少人的赞许，并把这个装置誉为“永动机”。请运用你掌握的知识，说明这个装置是否真能“永动”。
探究归纳
1.永动机失败的原因分析
想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。
2.永动机给我们的启示
【教材拓展】
历史上最著名的永动机—魔轮
历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在13世纪提出的“魔轮”。如图甲所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘等距地安装着12根活动短杆，每根短杆的一端装有一个铁球。亨内考认为，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，右边悬臂在重力作用下会向下落，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大（在物理学上，使物体转动的力乘以力到转轴的距离叫作力矩。力矩是描述力的旋转效果的物理量，力矩越大说明旋转效果越好）；而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮转动。
甲乙
仔细分析一下就会发现，虽然魔轮右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停下来。受此启发，15世纪的意大利著名的科学家、艺术家达·芬奇也曾设计了一个相同原理的类似装置，如图乙，但试验却未获得成功。由此，达·芬奇敏锐地认识到永动机是不可能制成的，他劝告永动机的设计者们：“永恒运动的幻想家们！你们的探索是何等徒劳无功，还是去做淘金者吧。”
探究应用
【典例】大约在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”。如图所示，在斜面顶上放一块强力的磁铁，斜面上端有一个小孔，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：如果在斜坡底端放一个小铁球，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，即在能量守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是( )
A.符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题
B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律，不可能实现
【迁移应用】
1.有人设计了如图所示的“浮力永动机”，永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球，容器底部的管道内径与小球直径相等。设计者认为，左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动，管道中的小球也将被带着向上运动，一旦这个小球要上升离开管道，下一个小球就会进入管道而不使水漏出，因此永动机将永不休止地顺时针转动。你认为该“浮力永动机”能否实现永动?为什么?
2.（多选）下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B.永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.永动机不能制成的原因是技术问题
D.永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
3.如图所示是18世纪人们发明的不同形式的“永动机”，现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了，警示人们不要再做这方面的工作，试分析“永动机”不能成功的原因。
4.人类设计了各种各样的永动机，但都以失败告终，说明设计必须遵循以下什么原则( )
A.安全性
B.科学性
C.道德性
D.技术规范性
5.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是( )
A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
容积(V)
100 L
集热管的采光面积(S)
1.5 m2
效率(η)
40%
使用年限(z)
15年
选择性必修三学案
第三章 热力学定律
第3节 能量守恒定律
一、新课标要求
1.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。
2.能用能量守恒的观点解释自然现象，会用能量守恒的观点分析、解决有关问题。3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。
二、科学素养要求
1.物理观念：理解能量守恒定律及永动机不可能制成
2.科学思维：体会能量守恒定律的发现历程，培养归纳总结、分析推理能力。
3.科学探究：通过了解能量守恒定律的探索过程，养成与他人合作探究的习惯，体验科学家探究规律的艰辛。
4.科学态度与责任：学习科学家执着探索的科学精神，实事求是的科学态度，培养探究科学的兴趣。
三、教材研习
要点 能量守恒定律
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移①的过程中，能量的总量保持不变。
【自主思考】
①在热力学领域内，使热力学系统内能改变的方式有做功和热传递两种。做功的过程是其他形式的能转化为内能的过程，热传递是把其他物体的内能转移为系统的内能。在能量发生转化或转移时，能量的总量会减少吗？
答案：提示能量的总量不会减少。
四、名师点睛
能量守恒定律的理解
（1）意义：各种形式的能可以相互转化；各种互不相关的物理现象可以用能量守恒定律联系在一起。
（2）能量守恒的两种表达：某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等；某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
五、互动探究·
探究点一、能量守恒定律
情境探究
1.某同学利用“能量守恒定律”研究汽车油耗与行驶里程的关系。已知一辆汽车正在平直的公路上以速度v匀速行驶，此时功率为P，汽车的总效率为η，所使用的汽油的热值为q（每完全燃烧单位质量的燃料释放的热量叫热值），现油箱中还有质量为m的汽油（设汽车的质量为M）。
（1）从此时到汽油消耗完，汽车还能行驶多远？
（2）从此时到汽车停下，行驶总距离为多少？
答案：（1）提示设汽车匀速行驶x1，则汽车行驶x1需要的能量E=Pt=Px1v=ηqm，解得x1=mqηvP。
（2）设汽油用完后汽车做匀减速运动的距离为x2，则由动能定理知−Ff⋅x2=−12Mv2，又P=Ff⋅v，所以汽车行驶的总距离：x=x1+x2=mqηvP+Mv32P。
探究归纳
1.能量守恒定律的理解
（1）各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。
（2）各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化，例如：利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤的燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
（3）与某种运动形式对应的能是否守恒是有条件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力或系统内的弹力做功；而能量守恒定律是没有条件的，它适用于任何物理现象和物理过程，是一切自然现象都遵守的基本规律。
2.能量守恒定律的意义
（1）找到了各种自然现象的公共量度——能量，从而把各种自然现象用能量规律联系起来，揭示了自然规律的多样性和统一性。
（2）突破了人们关于物质运动的机械观念的范围，从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍，它是物理学中解决问题的重要思维方法。能量守恒定律与电子的发现、达尔文的进化论并称19世纪自然科学中三大发现，其重要意义由此可见。
（3）具有重大实践意义，彻底粉碎了永动机的幻想。
探究应用
【典例】如图所示，密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞，活塞的上部封闭着气体，下部为真空，活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部，另一端固定在活塞上，弹簧被压缩后用绳扎紧，此时弹簧的弹性势能为Ep（弹簧处在自然长度时的弹性势能为零）。现绳突然断开，弹簧推动活塞向上运动，经过多次往复运动后活塞静止，气体达到平衡状态。经过此过程( )
A.Ep全部转化为气体的内能
B.Ep一部分转化成活塞的重力势能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能
D.Ep一部分转化成活塞的重力势能，一部分转化为气体的内能，其余部分仍为弹簧的弹性势能
答案：D
解析：当绳子突然断开时，活塞受弹簧的弹力F、重力G、封闭气体对活塞向下的压力F'共同作用，其合力方向向上，经多次往复运动后活塞静止时，活塞处于三力平衡状态，气体体积必减小，外力对气体做功，由于容器绝热，气体的内能增加，而活塞最终的静止位置比初始位置高，其重力势能增加，弹力与另外两个力的合力平衡，弹簧仍有形变量。设最终弹簧的弹性势能为Ep'，由能量守恒定律得Ep=Ep'+活塞增加的重力势能+气体增加的内能，所以D项正确。
【解题感悟】
利用能量守恒定律解题的方法在应用能量守恒定律处理问题时，首先要弄清系统有多少种能量相互转化，分析哪种形式的能量增加了，哪种形式的能量减少了；或者弄清哪个物体的能量增加，哪个物体的能量减少，增加量等于减少量。
【迁移应用】
1.（多选）下列关于能量转化现象的说法中，正确的是( )
A.用太阳灶烧水是光能转化为内能
B.电灯发光是电能转化为光能
C.核电站发电是电能转化为内能
D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是动能转化为内能
答案：A ; B
解析：核电站发电是核能转化为电能，生石灰放入盛有凉水的烧杯里，水温升高是化学能转化为内能。
2. .下列对能量守恒定律的认识不正确的是( )
A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
答案：D
解析：选项A是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的；选项B是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移；选项C中任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒定律；选项D中石子的机械能并没有消失，只是转化成了其他形式的能量，D符合题意。
3 如图所示为冲击摆实验装置，一质量为m的子弹以v0射入质量为M的沙箱后与沙箱合为一体，共同摆起一定高度ℎ，则整个过程中子弹和沙箱由于相互作用所产生的内能为多少？（不计空气阻力，重力加速度为g）
答案：12mv02−(M+m)gℎ
解析：子弹和沙箱相互作用的过程中，损失的动能转化为系统内能，由能量守恒定律得
ΔU=12mv02−12(M+m)v2
由于子弹和沙箱相互作用的时间极短，它们一起从最低点运动到最高点，满足机械能守恒定律，即12(M+m)v2=(M+m)gℎ
解得ΔU=12mv02−(M+m)gℎ
5.一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，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=200 J，Ek=600 J
B.U=600 J，Ek=200 J
C.U=600 J，Ek=800 J
D.U=800 J，Ek=200 J
答案：B
解析：由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积是转化为木箱与地面系统的内能，即U=60×10 J=600 J。由能量守恒定律可得Ek=W总−U=80×10 J−600 J=200 J，故B项正确。
6.如图是水电站的发电原理图，由图可知，下列说法错误的是 ( )
A.水力发电不会造成污染
B.该装置将机械能转化为电能
C.要加大发电的功率，可采用仅“增大水落差”的方法
D.该装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能
答案：D
解析：水力发电不会有污染，同时将水的机械能转化为电能，故A、B项正确；如果仅将水落差增大，那么水流到水轮机处的速度就增大，这一方法可加大发电的功率，故C项正确；由于水下落过程以及发电机装置都有摩擦，故该装置不可能将水库中储存的水的机械能全部转化为电能，因此D项错误。
7.如图所示，一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm，现在在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10 m/s2，忽略大气压力及摩擦阻力的影响）
答案：20 J
解析：提示由能量守恒定律可知，内能的增加量等于活塞和物体重力势能的减少量。
8.某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆面内10%的气流的动能转化为电能，则该风车带动的发电机功率是多少？
答案：3.4 kW
解析：首先可以求在时间t内作用于风车的气流质量为m=πr2vtρ，这些气流的动能为12mv2，转化的电能为E=12mv2×10%，故风车带动的发电机功率为P=Et=12πr2ρv3×10%，代入数据以后得P≈3.4 kW
9.（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：A ; D
解析：这四个现象中，物体运动过程都受到阻力，汽车制动主要受制动阻力，流星坠落、降落伞下降受空气阻力，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项正确。四个物体运动过程中，汽车的动能转化为内能，流星、降落伞、条形磁铁的重力势能转化为内能或其他形式的能，总之是机械能转化为其他形式的能。D项正确。
10.如图所示，两个完全相同的金属球a、b，其中a球放在不导热的水平面上，b球用不导热的细线悬挂起来，现供给两球相同的热量，它们的温度分别升高了Δta、Δtb，则( )
A.Δta>Δtb
B.Δta<Δtb
C.Δta=Δtb
D.无法比较
答案：B
解析：两球具有内能和重力势能。它们分别吸收热量后，内能发生变化，由于受热膨胀，重力势能也会发生变化，体积膨胀时，它们的分子势能会发生变化，膨胀过程中要对空气做功，也要损失一部分能量。
对于a、b这两个金属球，因它们完全相同，故体积膨胀引起的分子势能的增大和对空气做功应该相同，由于膨胀，a球的重心将上移，故a球的重力势能将增加（看图虚线表示的a、b球），而b球的重心将下移，故b球的重力势能将减少。
因此，对于a球，吸收的热量Q应等于分子势能的增加量和对空气做功的ΔE0、重力势能的增加量ΔEpa和分子动能的增加量ΔEa之和；而对于b球，吸收的热量和重力势能的减少量之和应等于分子势能增加量和对空气做的功ΔE0与分子动能增加量ΔEb之和。很明显，ΔEb>ΔEa，b球分子动能的增量大于a球分子动能的增量，故B项正确。
11.人的体温是由下丘脑中特殊神经细胞监察和控制的，当下丘脑温度高于37℃时，人体散热机制(如血管舒张、出汗等)就活跃起来，已知人体温度为37℃时蒸发18 g汗水所需要能量E=4.3×103J。现有一中年人慢步行走时新陈代谢功率为35 W，此人慢步行走时的体温保持37℃，行走1 h出汗约为30.2 g，试求此人通过传导辐射等方式(不包括出汗)产生的散热功率。
答案：33 W
解析：此人因出汗消耗的能量
E1=mm0E=30.218×4300 J≈7214 J对应的功率P1=E1t≈2 W根据能量守恒定律，所求散热功率为P2=P−P1=33 W
12.能源问题是当前热门话题，传统的能源——煤和石油。由于储量有限，有朝一日要被开采完，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电为一例。如图表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为大坝；其下有通道，水经通道可带动发电机。涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同时，堵住通道，如图甲。潮落至最低点时放水发电，如图乙。待内外水面高度相同时，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又进水发电，如图丙。设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，海水每天涨潮两次，重力加速度g=10 m/s2，则一天内流水的平均功率为多少？
答案：100MW
解析：潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能。每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力为mg=ρSℎg=1.0×103×5.0×107×3×10 N=1.5×1012N，其重心高度变化为ℎ'=1.5 m一天内海水两进两出，故平均功率P=4mgℎ't=4×1.5×1012×1.524×3600W≈1.0×108W=100 MW
13.太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长，当太阳光照射地面时，1 m2地面上在1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103J。太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐地出现在我们的生活中。
一同学在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：
（1）该同学家每天大约需要100 kg热水，用这种热水器将这些水从25℃加热到45℃需要多长时间？[水的比热容
（2）与效率为80%的电热水器相比，他家每天可节约多少电能？
答案：（1）3.9 h（2）2.9 kW⋅h
探究点二、永动机不可能制成
情境探究
1. 如图展示了一个极具想象力的设想，其大意是：上面水池中的水流下来，冲击叶轮转动；叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动；人利用打磨轮打磨工件，同时，运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一开始在上面水池中注满水，就能通过水的上下循环，使机器不停地工作。
（1）从上面水池中流下来的水，能否被水泵全部抽送到上面水池中？说明理由。
（2）这个设想曾得到不少人的赞许，并把这个装置誉为“永动机”。请运用你掌握的知识，说明这个装置是否真能“永动”。
答案：（1）提示不能，因为高处水池中水的重力势能，只有部分转化为叶轮的动能；而叶轮的动能部分用来打磨工件及克服摩擦力做功，不会全部供给水泵用来抽水。
（2）不能，由于水从上面流到下面水池的过程中，用来打磨工件消耗能量，故流下来的水不能全部被抽送到上面水池中，随着时间的推移，上面的水越来越少，一定时间后便不再有水从上面流下来，所以这个装置不能“永动”。
探究归纳
1.永动机失败的原因分析
答案：如果没有外界热源供给热量，则有U2−U1=W，就是说，永动机对外做功，则W<0，那么一定有U2
答案：人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律，永动机失败为能量守恒定律的建立从反面提供了证据。
【教材拓展】
历史上最著名的永动机—魔轮
历史上最著名的第一类永动机是法国人亨内考在13世纪提出的“魔轮”。如图甲所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘等距地安装着12根活动短杆，每根短杆的一端装有一个铁球。亨内考认为，魔轮通过安放在转轮上一系列可动的悬臂实现永动，右边悬臂在重力作用下会向下落，远离转轮中心，使得下行方向力矩加大（在物理学上，使物体转动的力乘以力到转轴的距离叫作力矩。力矩是描述力的旋转效果的物理量，力矩越大说明旋转效果越好）；而上行方向的悬臂在重力作用下靠近转轮中心，力矩减小，力矩的不平衡驱动魔轮转动。
甲乙
仔细分析一下就会发现，虽然魔轮右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停下来。受此启发，15世纪的意大利著名的科学家、艺术家达·芬奇也曾设计了一个相同原理的类似装置，如图乙，但试验却未获得成功。由此，达·芬奇敏锐地认识到永动机是不可能制成的，他劝告永动机的设计者们：“永恒运动的幻想家们！你们的探索是何等徒劳无功，还是去做淘金者吧。”
探究应用
【典例】大约在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”。如图所示，在斜面顶上放一块强力的磁铁，斜面上端有一个小孔，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：如果在斜坡底端放一个小铁球，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，即在能量守恒定律确定20年后，竟在德国取得了专利权。关于维尔金斯“永动机”，正确的认识应该是( )
A.符合理论规律，一定可以实现，只是实现时间早晚的问题
B.如果忽略斜面的摩擦，维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦，铁球质量较小，磁铁磁性又较强，则维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律，不可能实现
答案：D
解析：该思想违背了能量守恒定律，所以该“永动机”不可能实现。
【迁移应用】
1.有人设计了如图所示的“浮力永动机”，永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球，容器底部的管道内径与小球直径相等。设计者认为，左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动，管道中的小球也将被带着向上运动，一旦这个小球要上升离开管道，下一个小球就会进入管道而不使水漏出，因此永动机将永不休止地顺时针转动。你认为该“浮力永动机”能否实现永动?为什么?
答案：不能，由能量守恒定律可知永动机是不可能制成的。
2.（多选）下列关于第一类永动机的说法正确的是( )
A.永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器
B.永动机不能制成的原因是违背了热力学第一定律
C.永动机不能制成的原因是技术问题
D.永动机不能制成的原因是违背了能量守恒定律
答案：A ; D
解析：永动机是不消耗任何能量却能源源不断地对外做功的机器，这是人们的美好愿望，但它违背了能量守恒定律，这也是它不能制成的原因。
3.如图所示是18世纪人们发明的不同形式的“永动机”，现在这些“永动机”只能在博物馆中看到了，警示人们不要再做这方面的工作，试分析“永动机”不能成功的原因。
答案：永动机违背了能量守恒定律。
4.人类设计了各种各样的永动机，但都以失败告终，说明设计必须遵循以下什么原则( )
A.安全性
B.科学性
C.道德性
D.技术规范性
答案：B
解析：永动机违背了能量守恒定律，所以必须遵循科学性原则。
5.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是( )
A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
答案：D
解析：形状记忆合金进入水后受热，形状发生改变而搅动热水，由能量守恒定律知能量来源于热水，叶片吸收的能量一部分转化成叶片的动能，一部分释放于空气中。
容积(V)
100 L
集热管的采光面积(S)
1.5 m2
效率(η)
40%
使用年限(z)
15年
相关试卷
高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册1 普朗克黑体辐射理论课时作业： 这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册<a href="/wl/tb_c163319_t7/?tag_id=28" target="_blank">1 普朗克黑体辐射理论课时作业</a>，共20页。试卷主要包含了新课标要求，科学素养要求，教材研习，自主思考，名师点睛，互动探究等内容，欢迎下载使用。
高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册第二章 气体、固体和液体5 液体课时作业： 这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册<a href="/wl/tb_c163306_t7/?tag_id=28" target="_blank">第二章 气体、固体和液体5 液体课时作业</a>，共22页。试卷主要包含了新课标要求，科学素养要求，教材研习，名师点睛，互动探究等内容，欢迎下载使用。
选择性必修 第三册2 气体的等温变化复习练习题： 这是一份选择性必修 第三册<a href="/wl/tb_c163300_t7/?tag_id=28" target="_blank">2 气体的等温变化复习练习题</a>，共26页。试卷主要包含了新课标要求，科学素养要求，教材研习，名师点睛，互动探究等内容，欢迎下载使用。
