2022年高中物理同步講義(選修性必修3)第12講-能量守恒定律(原卷版)

第12講能量守恒定律目標(biāo)導(dǎo)航目標(biāo)導(dǎo)航課程標(biāo)準(zhǔn)課標(biāo)解讀1.通過有關(guān)史實，了解熱力學(xué)第一定律和能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)過程，體會科學(xué)探索中的挫折和失敗對科學(xué)發(fā)現(xiàn)的意義。2.理解能量守恒定律，能用能量守恒的觀點解釋自然現(xiàn)象。3.體會能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一。1.理解并會運用能量守恒定律。2.知道什么是第一類永動機及其不可能制成的原因。知識精講知識精講知識點能量守恒定律1．探索能量守恒的足跡2．能量守恒定律能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。3．永動機不可能制成(1)第一類永動機：不需要任何動力或燃料，卻能不斷地對外做功的機器；(2)第一類永動機由于違背了能量守恒定律，所以不可能制成?！局R拓展】1．能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化(1)各種運動形式都有對應(yīng)的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有電磁能、化學(xué)能、核能等；(2)各種形式的能，通過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；煤燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度升高，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。2．能量守恒的兩種表達(dá)(1)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等；(2)某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等。3．第一類永動機不可能制成的原因分析如果沒有外界供給熱量而對外做功，由ΔU＝W＋Q知，系統(tǒng)內(nèi)能將減小。若想源源不斷地做功，在無外界能量供給的情況下是不可能的?！炯磳W(xué)即練1】如圖所示為沖擊擺實驗裝置，一質(zhì)量為m的子彈以速度射入質(zhì)量為M的沙箱后與沙箱合為一體，共同擺起一定高度h，則整個過程中子彈和沙箱由于相互作用所產(chǎn)生的內(nèi)能為多少？（不計空氣阻力）【即學(xué)即練2】在高的光滑水平桌面上放著一個質(zhì)量的木塊，一顆質(zhì)量的鉛彈從水平方向射中木塊，把木塊打落在地面上，落地點與桌邊的水平距離。鉛彈射中木塊后留在木塊內(nèi)，鉛的比熱容J/（kg·℃），。設(shè)增加的內(nèi)能有使鉛彈溫度升高，鉛彈的溫度升高多少攝氏度？能力拓展能力拓展考法能量守恒定律【典例1】地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣象條件下到達(dá)地面的太陽輻射照度都是不相同的。下表給出了熱帶、溫帶和比較寒冷地帶的太陽平均輻射照度。若在上海地區(qū)安裝一臺太陽能熱水器。已知其采光面積為、熱轉(zhuǎn)換效率為40%，水的比熱容為J/（kg·℃）。試求：（1）此太陽能熱水器每天能吸收多少焦的太陽能？（2）設(shè)熱水器中水的溫度升高20℃，則該熱水器平均每天能提供多少熱水？地區(qū)太陽平均輻射照度熱帶、沙漠5～6溫帶3～5陽光較少地區(qū)（北歐）2～3分層提分分層提分題組A基礎(chǔ)過關(guān)練1．在一個與外界沒有熱交換的房間里打開冰箱門，冰箱正常工作，過一段時間房間內(nèi)的溫度將如何變化（）A．降低 B．升高 C．不變 D．無法確定2．下列說法中正確的是（）A．自然界的能量的總和是守恒的，所以節(jié)約能源是毫無意義的B．電源是通過靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置C．電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，是通過電流做功來實現(xiàn)的D．能量耗散表明自然界的能量總和在不斷減少3．下列說法中錯誤的是（）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4．“第一類永動機”是不可能制成的，這是因為（）A．它不符合機械能守恒定律B．它違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律C．它做功產(chǎn)生的熱不符合熱功當(dāng)量D．暫時找不到合理的設(shè)計方案和理想材料5．有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，下列說法正確的是（）A．只適用于機械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化B．只適用能量轉(zhuǎn)化過程C．“摩擦生熱”是創(chuàng)造了熱，它不符合能量守恒定律D．根據(jù)能量守恒定律，字宇宙中的能量總和不變6．熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象．所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把散失的能量重新收集、加以利用．下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是()A．能量耗散說明能量不守恒B．能量耗散不符合熱力學(xué)第二定律C．能量耗散過程中能量不守恒D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度,反映出自然界中的宏觀過程具有方向性7．下列說法中正確的是（）A．某種形式的能量減少，一定有其他形式的能量增加B．能量耗散表明，能量的總量并不守恒C．隨著科技的發(fā)展，能量是可以憑空產(chǎn)生的D．隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的8．下列關(guān)于熱學(xué)的知識敘述正確的是（）A．分子間的作用力表現(xiàn)為引力時，若分子間的距離增大，則分子力減小，分子勢能增大B．對于一定種類的大量氣體分子，在一定溫度時，處于一定速率范圍內(nèi)的分子數(shù)所占百分比是確定的C．我們可以利用高科技手段，將流散到周圍環(huán)境中的內(nèi)能重新收集起來加以利用而不引起其他變化D．氣體的狀態(tài)變化時，若溫度升高，則每個氣體分子的平均動能增加9．以下說法正確的是（）A．當(dāng)分子間距離增大時，分子間作用力減小，分子勢能增大B．某物體溫度升高，則該物體分子熱運動的總動能一定增大C．液晶顯示屏是應(yīng)用液晶的光學(xué)各向同性制成的D．自然界發(fā)生的一切過程能量都守恒，符合能量守恒定律的宏觀過程都能自然發(fā)生10．大約在1670年，英國賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設(shè)計了一種磁力“永動機”。如圖所示，在斜坡頂上放一塊強有力的磁鐵，斜坡上端有一個小孔，斜面下有一個連接小孔直至底端的彎曲軌道，維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底端放一個小鐵球，那么由于磁鐵的吸引，小鐵球就會向上運動，當(dāng)小球運動到小孔P處時，它就要掉下，再沿著斜面下的彎曲軌道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以對外做功，然后又被磁鐵吸引回到上端，到小孔P處又掉下。在以后的二百多年里，維爾金斯的永動機居然改頭換面地出現(xiàn)過多次，其中一次是在1878年，即在能量轉(zhuǎn)化和守恒定律確定20年后，竟在德國取得了專利權(quán)。關(guān)于維爾金斯“永動機”，正確的認(rèn)識應(yīng)該是（）

A．符合理論規(guī)律，一定可以實現(xiàn)，只是實現(xiàn)時間早晚的問題B．如果忽略斜面的摩擦，維爾金斯“永動機”一定可以實現(xiàn)C．如果忽略斜面的摩擦，鐵球質(zhì)量較小，磁鐵磁性又較強，則維爾金斯“永動機”可以實現(xiàn)D．違背能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，不可能實現(xiàn)題組B能力提升練1．在陽光的照射下、太陽能小風(fēng)扇快速轉(zhuǎn)動。這說明（）A．動能可以憑空產(chǎn)生B．可以制造出不消耗能量的永動機C．太陽能可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能D．太陽可以是供無窮無盡的能量，不需要節(jié)約能源2．某偏遠(yuǎn)山區(qū)為了實現(xiàn)供電，自己修建了小型水利發(fā)電站。如圖所示，若該發(fā)電站蓄水池平均每天蓄水的有效總庫容量為，發(fā)電過程中上下水庫平均水位差為。則下列說法正確的是（）A．若每天發(fā)電，則能源利用效率約為35%B．發(fā)電時下水庫出水口的水流速度可達(dá)到C．蓄水池中水的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為電能，則每天能發(fā)電約D．平均每天所發(fā)電能可供10戶居民同時用電（每戶電功率為）約3．高空形成的冰雹加速下落，并有部分熔化，以下說法中不正確的是（）A．只有重力做功，冰雹下落時機械能守恒B．冰雹的勢能轉(zhuǎn)化為冰雹的動能C．冰雹的內(nèi)能增大D．冰雹的機械能不守恒4．如圖所示，柱形容器內(nèi)封有一定質(zhì)量的空氣，光滑活塞（質(zhì)量為）與容器用良好的隔熱材料制成。活塞橫截面積為，大氣壓為，另有質(zhì)量為的物體從活塞上方的點自由下落到活塞上，并隨活塞一起到達(dá)最低點而靜止，在這一過程中，容器內(nèi)空氣內(nèi)能的改變量，外界對容器內(nèi)空氣所做的功與物體及活塞的重力勢能的變化量的關(guān)系是（）A．B．，C．，D．，5．下面幾幅圖中，有關(guān)功與內(nèi)能的說法中正確的是()A．圖1中迅速下壓活塞，棉花會燃燒起來，說明熱傳遞可以使物體的溫度升高B．圖2中重物下落帶動葉片轉(zhuǎn)動，由于葉片向水傳遞熱量而使水的溫度升高C．圖3中降落的重物使發(fā)電機發(fā)電，電流對水做功使水的溫度升高D．做功和熱傳遞都可以使物體的內(nèi)能增加6．如圖所示是某類潮汐發(fā)電示意圖。漲潮時開閘，水由通道進入海灣水庫蓄水，待水面升至最高點時關(guān)閉閘門（如圖甲），落潮時，開閘放水發(fā)電（如圖乙）。設(shè)海灣水庫面積為5.0×108m2，平均潮差為3.0m，一天漲落潮兩次，發(fā)電機的平均能量轉(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．5.2×105kW7．如圖所示，容器A、B各有一個可自由移動的輕活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定。A、B的底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱。原先，A中水面比B中的高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達(dá)到平衡。在這個過程中，大氣壓對水做功為______，水的內(nèi)能______（選填“增加”、“減小”或“不變”）。8．容器A、B的底部用一帶有閥門的細(xì)管相連，閥門關(guān)閉時A中水面較高打開閥門使水較慢流動，最終A、B中的水面相平，則在此過程中，大氣壓力對水所做的功W_______0，水的內(nèi)能的增加量_______0（選填“>”、“=”、“<”）.題組C培優(yōu)拔尖練1．一定質(zhì)量的理想氣體經(jīng)歷如圖所示的一系列過程，a→b、b→c、c→d、d→a這四段過程在p—T圖上都是直線段，其中的延長線通過坐標(biāo)原點O，垂直于，而平行于，由圖可以判斷（）A．a(chǎn)→b過程中氣體對外做功B．b→c過程中外界對氣體做功C．c→d過程中氣體從外界吸收的熱量大于氣體對外界做的功D．d→a過程中氣體體積不斷減小2．一定質(zhì)量的理想氣體的圖像中的等溫變化圖線如圖所示，A、B是雙曲線上的兩點。下列說法正確的是（）A．圖中△OAC和△OBD的面積一定相等B．氣體在狀態(tài)A的內(nèi)能一定大于在狀態(tài)B的內(nèi)能C．氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，一定向外界放出熱量D．氣體從狀態(tài)A到狀態(tài)B的過程，單位時間內(nèi)對器壁單位面積上的碰撞次數(shù)減少3．如圖所示，水平放置的密封汽缸內(nèi)的氣體被一豎直隔板分隔為左右兩部分，隔板可在汽缸內(nèi)無摩擦滑動，右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲。汽缸壁和隔板均絕熱。初始時隔板靜止，左右兩邊氣體溫度相等?，F(xiàn)給電熱絲提供一微弱電流，通電一段時間后切斷電流。當(dāng)缸內(nèi)氣體再次達(dá)到平衡時，與初始狀態(tài)相比（）A．左邊氣體分子單位時間內(nèi)撞擊活塞的次數(shù)增加B．左右兩邊氣體溫度都升高C．左邊氣體壓強增大D．右邊氣體內(nèi)能的增加量等于電熱絲放出的熱量4．構(gòu)建節(jié)約型社會體現(xiàn)在生活的方方面面，自動充電式電動車就是很好的一例：將電動車的前輪裝上發(fā)電機，發(fā)電機與蓄電池連接，當(dāng)電動車滑行時，就可以向蓄電池充電，將其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能儲存起來。現(xiàn)有某人騎車以的初動能在粗糙的水平路面上滑行，第一次關(guān)閉充電裝置，讓車自由滑行，其動能隨位移的變化關(guān)系如圖線①所示，第二次啟動充電裝置，其動能隨位移的變化關(guān)系如圖線②所示，則（）A．電動車受到的摩擦阻力為B．電動車受到的摩擦阻力為C．第二次啟動充電裝置，向蓄電池所充的電能是D．第二次啟動充電裝置，向蓄電池所充的電能是5．如圖所示，固定容器及可動活塞P都是絕熱的，中間有一導(dǎo)熱的固定隔板B，B的兩邊分別盛有氣體甲和乙?，F(xiàn)將活塞P緩慢地向B移動一段距離，已知氣體的溫度隨其內(nèi)能的增加而升高?；卮鹣铝袉栴}(1)若將活塞P緩慢地向外拉動，則甲、乙的內(nèi)能如何改變？(2)若隔板B絕熱但可以自由移動，當(dāng)活塞P緩慢地向B移動時，甲、乙的內(nèi)能如何變化？

6．從高處由靜止開始下落的水滴到達(dá)地面時的速度為，若在下落過程中，損失的機械能80%轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能使水溫升高，求此過程中水溫升高值。（已知水的比熱容J/（kg·℃），，水吸收的熱量用表