3.3 能量守恒定律（原卷版）

第3節(jié)能量守恒定律【知識(shí)梳理與方法突破】能量守恒定律與永動(dòng)機(jī)不可能制成1.能量守恒定律的理解（1）各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，還有電磁能、化學(xué)能、原子能等。（2）各種形式的能，通過(guò)某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化，例如：利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤的燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車(chē)剎車(chē)后，輪子溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。（3）與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能是否守恒是有條件的。例如，物體的機(jī)械能守恒，必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功；而能量守恒定律是沒(méi)有條件的，它適用于任何物理現(xiàn)象和物理過(guò)程，是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。2.能量守恒定律的意義（1）找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量，從而把各種自然現(xiàn)象用能量規(guī)律聯(lián)系起來(lái)，揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。（2）突破了人們關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種運(yùn)動(dòng)形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性。能量守恒定律比機(jī)械能守恒定律更普遍，它是物理學(xué)中解決問(wèn)題的重要思維方法。能量守恒定律與電子的發(fā)現(xiàn)、達(dá)爾文的進(jìn)化論并稱19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)，其重要意義由此可見(jiàn)。（3）具有重大實(shí)踐意義，徹底粉碎了永動(dòng)機(jī)的幻想。3.永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析如果沒(méi)有外界熱源供給熱量，則有U2?U1=W4.永動(dòng)機(jī)給我們的啟示人類(lèi)利用和改造自然時(shí)，必須遵循自然規(guī)律，永動(dòng)機(jī)失敗為能量守恒定律的建立從反面提供了證據(jù)。【例】下列說(shuō)法中錯(cuò)誤的是（）A．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律只適用于物體內(nèi)能的變化B．只要有能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，就一定遵從能量守恒定律C．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然和利用自然的有力武器D．任何一種形式的能在轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過(guò)程中，消耗多少某種形式的能量，就能得到多少其他形式的能量，而能的總量保持不變【針對(duì)訓(xùn)練】A、B兩裝置，均由一支一端封閉、一端開(kāi)口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊萜骱退y槽組成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他條件都相同．將兩管抽成真空后，開(kāi)口向下豎直插人水銀槽中（插入過(guò)程沒(méi)有空氣進(jìn)入管內(nèi)），水銀柱上升至圖示位置停止．假設(shè)這一過(guò)程水銀與外界沒(méi)有熱交換，則下列說(shuō)法正確的是A．A中水銀的內(nèi)能增量大于B中水銀的內(nèi)能增量B．B中水銀的內(nèi)能增量大于A中水銀的內(nèi)能增量C．A和B中水銀體積保持不變，故內(nèi)能增量相同D．A和B中水銀溫度始終相同，故內(nèi)能增量相同【對(duì)點(diǎn)檢測(cè)】1．如圖所示是某類(lèi)潮汐發(fā)電示意圖。漲潮時(shí)開(kāi)閘，水由通道進(jìn)入海灣水庫(kù)蓄水，待水面升至最高點(diǎn)時(shí)關(guān)閉閘門(mén)（如圖甲），落潮時(shí)，開(kāi)閘放水發(fā)電（如圖乙）。設(shè)海灣水庫(kù)面積為5.0×108m2，平均潮差為3.0m，一天漲落潮兩次，發(fā)電機(jī)的平均能量轉(zhuǎn)化效率為10%，則一天內(nèi)發(fā)電的平均功率約為（ρ海水＝1.0×103kg/m3，g取10m/s2）（）A．2.6×104kW B．5.2×104kW C．2.6×105kW D．5.2×105kW2．為了探究能量轉(zhuǎn)化和守恒，小明將小鐵塊綁在橡皮筋中部，并讓橡皮筋穿入鐵罐，兩端分別固定在罐蓋和罐底上，如圖所示．讓該裝置從不太陡的斜面上A處滾下，到斜面上B處停下，發(fā)現(xiàn)橡皮筋被卷緊了，接著鐵罐居然能從B處自動(dòng)滾了上去．下列關(guān)于該裝置能量轉(zhuǎn)化的判斷正確的是A．從A處滾到B處，主要是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能B．從A處滾到B處，主要是彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能C．從B處滾到最高處，主要是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能D．從B處滾到最高處，主要是彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能3．自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，下列說(shuō)法正確的是()A．機(jī)械能守恒B．機(jī)械能在減少C．總能量守恒D．只有動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化E．減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒4．下述做法不能改善空氣質(zhì)量的是()A．以煤等燃料作為主要生活燃料B．利用太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫能等能源替代化石能源C．鼓勵(lì)私人購(gòu)買(mǎi)和使用汽車(chē)代替公交車(chē)D．限制使用電動(dòng)車(chē)E．大量使用核能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電5．關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的說(shuō)法中正確的是

（

）A．舉重運(yùn)動(dòng)員把重物舉起來(lái)，體內(nèi)的一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能B．電流通過(guò)電阻絲使電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C．內(nèi)燃機(jī)的做功沖程是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能D．煤炭燃燒的過(guò)程中能量不守恒6．太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)化是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)能利用形式，從有關(guān)資料獲悉，在晴天時(shí)，垂直于陽(yáng)光的地球表面接收到的光輻射為。如圖所示，有一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器，可將接收到的光輻射的50%用來(lái)升高水溫，如果該熱水器接受陽(yáng)光垂直照射的有效面積始終是2m2，晴天曬1h，其水箱中50kg水的溫度能升高多少攝氏度？[水的比熱容]7．圖是歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的幾種永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案示意圖：圖（a）是想利用短桿上的重球產(chǎn)生的作用，使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；圖（b）是想利用像燈芯那樣的棉線把水吸到高處，再流下沖擊輪子的葉片，使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；圖（c）是想利用重物在水中受浮力作用而上升，帶動(dòng)輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。請(qǐng)仔細(xì)分析這些永動(dòng)機(jī)的設(shè)想，指出它們不可能實(shí)現(xiàn)的原因。8．如圖所示，容器A、B中各有一個(gè)可自由移動(dòng)的活塞?；钊旅媸撬?，上面為大氣，大氣壓恒定。A、B間用帶有閥門(mén)K的管道相連，整個(gè)裝置與外界隔熱。A容器的橫截面面積大于B容器的橫截面面積，A的液面高于B的液面。開(kāi)啟閥門(mén)后，A中的水逐漸流向B，直至兩邊液面相平。在這個(gè)過(guò)程中大氣壓是否對(duì)水做功？水的內(nèi)能會(huì)怎樣變化？第3節(jié)能量守恒定律【知識(shí)梳理與方法突破】能量守恒定律與永動(dòng)機(jī)不可能制成1.能量守恒定律的理解（1）各種運(yùn)動(dòng)形式都有對(duì)應(yīng)的能：機(jī)械運(yùn)動(dòng)有機(jī)械能，分子的熱運(yùn)動(dòng)有內(nèi)能，還有電磁能、化學(xué)能、原子能等。（2）各種形式的能，通過(guò)某種力做功可以相互轉(zhuǎn)化，例如：利用電爐取暖或燒水，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；煤的燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車(chē)剎車(chē)后，輪子溫度升高，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。（3）與某種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的能是否守恒是有條件的。例如，物體的機(jī)械能守恒，必須是只有重力或系統(tǒng)內(nèi)的彈力做功；而能量守恒定律是沒(méi)有條件的，它適用于任何物理現(xiàn)象和物理過(guò)程，是一切自然現(xiàn)象都遵守的基本規(guī)律。2.能量守恒定律的意義（1）找到了各種自然現(xiàn)象的公共量度——能量，從而把各種自然現(xiàn)象用能量規(guī)律聯(lián)系起來(lái)，揭示了自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性。（2）突破了人們關(guān)于物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械觀念的范圍，從本質(zhì)上表明了各種運(yùn)動(dòng)形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性。能量守恒定律比機(jī)械能守恒定律更普遍，它是物理學(xué)中解決問(wèn)題的重要思維方法。能量守恒定律與電子的發(fā)現(xiàn)、達(dá)爾文的進(jìn)化論并稱19世紀(jì)自然科學(xué)中三大發(fā)現(xiàn)，其重要意義由此可見(jiàn)。（3）具有重大實(shí)踐意義，徹底粉碎了永動(dòng)機(jī)的幻想。3.永動(dòng)機(jī)失敗的原因分析如果沒(méi)有外界熱源供給熱量，則有U2?U1=W4.永動(dòng)機(jī)給我們的啟示人類(lèi)利用和改造自然時(shí)，必須遵循自然規(guī)律，永動(dòng)機(jī)失敗為能量守恒定律的建立從反面提供了證據(jù)。【例】下列說(shuō)法中錯(cuò)誤的是（）A．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律只適用于物體內(nèi)能的變化B．只要有能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，就一定遵從能量守恒定律C．能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然和利用自然的有力武器D．任何一種形式的能在轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過(guò)程中，消耗多少某種形式的能量，就能得到多少其他形式的能量，而能的總量保持不變【答案】A【詳解】各種形式的能都可以相互轉(zhuǎn)化，并不是只適用于物體內(nèi)能的變化，且有能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，就一定遵從能量守恒定律，A錯(cuò)誤，符合題意，BCD正確，不符合題意。【針對(duì)訓(xùn)練】A、B兩裝置，均由一支一端封閉、一端開(kāi)口且?guī)в胁Ａ莸墓軤钊萜骱退y槽組成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他條件都相同．將兩管抽成真空后，開(kāi)口向下豎直插人水銀槽中（插入過(guò)程沒(méi)有空氣進(jìn)入管內(nèi)），水銀柱上升至圖示位置停止．假設(shè)這一過(guò)程水銀與外界沒(méi)有熱交換，則下列說(shuō)法正確的是A．A中水銀的內(nèi)能增量大于B中水銀的內(nèi)能增量B．B中水銀的內(nèi)能增量大于A中水銀的內(nèi)能增量C．A和B中水銀體積保持不變，故內(nèi)能增量相同D．A和B中水銀溫度始終相同，故內(nèi)能增量相同【答案】B【詳解】選B.由于水銀與外界沒(méi)有熱交換，大氣壓力對(duì)水銀做功，一部分轉(zhuǎn)化為水銀的重力勢(shì)能，一部分轉(zhuǎn)化為水銀的內(nèi)能，兩種情況下管中進(jìn)入的水銀量相等，故大氣將槽中水銀面向下壓的距離相等，因此大氣壓力做功相等，圖A管中水銀的重力勢(shì)能比圖B的大，因此A中水銀的內(nèi)能增量比B中小，B正確．【對(duì)點(diǎn)檢測(cè)】1．如圖所示是某類(lèi)潮汐發(fā)電示意圖。漲潮時(shí)開(kāi)閘，水由通道進(jìn)入海灣水庫(kù)蓄水，待水面升至最高點(diǎn)時(shí)關(guān)閉閘門(mén)（如圖甲），落潮時(shí)，開(kāi)閘放水發(fā)電（如圖乙）。設(shè)海灣水庫(kù)面積為5.0×108m2，平均潮差為3.0m，一天漲落潮兩次，發(fā)電機(jī)的平均能量轉(zhuǎn)化效率為10%，則一天內(nèi)發(fā)電的平均功率約為（ρ海水＝1.0×103kg/m3，g取10m/s2）（）A．2.6×104kW B．5.2×104kW C．2.6×105kW D．5.2×105kW【答案】B【詳解】利用潮汐發(fā)電，就是水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，水能轉(zhuǎn)化電能的效率是10%，一次漲潮，退潮后水壩內(nèi)水的勢(shì)能增加W水=G△h=mg△h=ρ水Vg△h=ρ水Shg△h=ρ水Sgh△h△h為水的重心下降的高度，即△h=1.5m則水的勢(shì)能可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躓電=W水×10%=ρ水Sgh△h×10%=1.0×103kg/m3×5.0×108m2×10N/kg×3m×（1.5m）×0.1J=2.25×1012J每天2次漲潮，則該電站一天能發(fā)電4.5×1012J，所以每天的平均功率為P==5.2×104kW故ACD錯(cuò)誤，B正確。故選B。2．為了探究能量轉(zhuǎn)化和守恒，小明將小鐵塊綁在橡皮筋中部，并讓橡皮筋穿入鐵罐，兩端分別固定在罐蓋和罐底上，如圖所示．讓該裝置從不太陡的斜面上A處滾下，到斜面上B處停下，發(fā)現(xiàn)橡皮筋被卷緊了，接著鐵罐居然能從B處自動(dòng)滾了上去．下列關(guān)于該裝置能量轉(zhuǎn)化的判斷正確的是A．從A處滾到B處，主要是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能B．從A處滾到B處，主要是彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能C．從B處滾到最高處，主要是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能D．從B處滾到最高處，主要是彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能【答案】D【詳解】A、鐵罐從不太陡的斜面上A處滾下，到斜面上B處停下，A處與B處動(dòng)能相同，重力勢(shì)能減少，橡皮筋被卷緊了橡皮筋的彈性勢(shì)能增加，即從A處滾到B處，主要是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，A錯(cuò)誤B、理由同A選項(xiàng)，B選項(xiàng)錯(cuò)誤C、從B處滾到最高處，重力勢(shì)能增加，橡皮筋的彈性勢(shì)能減少，即橡皮筋的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能，C選項(xiàng)錯(cuò)誤D、理由同C選項(xiàng)，D選項(xiàng)正確故選D3．自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，下列說(shuō)法正確的是()A．機(jī)械能守恒B．機(jī)械能在減少C．總能量守恒D．只有動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化E．減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒【答案】BCE【詳解】自由擺動(dòng)的秋千擺動(dòng)幅度越來(lái)越小，說(shuō)明機(jī)械能在減少，減少的機(jī)械能通過(guò)克服阻力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量不變，故BCE選項(xiàng)正確、AD錯(cuò)誤．故選BCE．4．下述做法不能改善空氣質(zhì)量的是()A．以煤等燃料作為主要生活燃料B．利用太陽(yáng)能、風(fēng)能和氫能等能源替代化石能源C．鼓勵(lì)私人購(gòu)買(mǎi)和使用汽車(chē)代替公交車(chē)D．限制使用電動(dòng)車(chē)E．大量使用核能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電【答案】ACD【詳解】以煤等燃料作為主要生活燃料時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量空氣污染物；私人汽車(chē)代替公交車(chē)會(huì)使汽油消耗量增加，帶來(lái)的空氣污染物增多；限制使用電動(dòng)車(chē)對(duì)改善空氣質(zhì)量無(wú)影響；太陽(yáng)能、核能、風(fēng)能和氫能等屬于清潔能源，可以減少污染物排放．故選ACD．5．關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的說(shuō)法中正確的是

（

）A．舉重運(yùn)動(dòng)員把重物舉起來(lái)，體內(nèi)的一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能B．電流通過(guò)電阻絲使電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C．內(nèi)燃機(jī)的做功沖程是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能D．煤炭燃燒的過(guò)程中能量不守恒【答案】ABC【詳解】A．舉重運(yùn)動(dòng)員舉起重物，使重物的重力勢(shì)能變大，消耗了自身的化學(xué)能，A正確；B．電流通過(guò)電阻絲，電流做功把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，B正確；C．內(nèi)燃機(jī)中的燃料燃燒，對(duì)外做功，把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，C正確；D．煤炭燃燒的過(guò)程是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總能量也是守恒的，D錯(cuò)。故選ABC。6．太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)化是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)能利用形式，從有關(guān)資料獲悉，在晴天時(shí)，垂直于陽(yáng)光的地球表面接收到的光輻射為。如圖所示，有一臺(tái)太陽(yáng)能熱水器，可將接收到的光輻射的50%用來(lái)升高水溫，如果該熱水器接受陽(yáng)光垂直照射的有效面積始終是2m2，晴天曬1h，其水箱中50kg水的溫度能升高多少攝氏度？[水的比熱容]【答案】20.6【詳解】依題意，可求得1h太陽(yáng)能熱水器可以接受的太陽(yáng)能為水吸收的熱量為則水箱中50kg水升高的溫度為7．圖是歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)的幾種永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案示意圖：圖（a）是想利用短桿上的重球產(chǎn)生的作用，使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；圖（b）是想利用像燈芯那樣的棉線把水吸到高處，再流下沖擊輪子的葉片，使輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)；圖（c）是想利用重物在水中受浮力作用而上升，帶動(dòng)輪子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。請(qǐng)仔細(xì)分析這些永動(dòng)機(jī)的設(shè)想，指出它們不可能實(shí)現(xiàn)的原因。【詳解】不消耗能量而能永遠(yuǎn)對(duì)外做功的機(jī)器違反了能量守恒定律永動(dòng)機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)能保持轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于摩擦力的存在，將有一部分能量以熱量的形式散失掉，即能量是不可能無(wú)中生有的，所以自然界中不可能存在永動(dòng)機(jī)