高中物理 第5章 热力学定律 第2节 能量的转化与守恒知识导航素材 鲁科版选修3-3（通用）

高中物理 第5章 热力学定律 第2节 能量的转化与守恒知识导航素材 鲁科版选修3-3（通用）

第2节 能量的转化与守恒 ‎ 思维激活 曾经有人试图制造一台“永久”的发电机,设计思想如下:先利用外界供给的电能,使电动机转动,再让电动机带动发电机发电,发电机发出电后,一部分电供给电动机继续使用,电动机不再利用外界供给的电能;一部分电供给用户使用.这样,一旦这个发电机发出电来,它就可以不再使用外界的能量,自己“源源不断”地发出电来.你学过能的转化和守恒的知识后分析一下,看看这样的“永动机”能实现吗?‎ 提示：只要电动机不再利用外界供给的电能,而又把一部分电供给用户使用,那么,电动机很快就会停止运转.‎ 自主整理 ‎1.大量事实证明:各种形式的能可以相互转化,并且在转化过程中____________.‎ ‎2.能量守恒定律:能量既不会凭空____________,也不会凭空____________,它只能从一种形式____________为另一种形式,或者从一个物体____________到另外的物体,在转化或转移过程中其总量____________.‎ ‎3.能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的规律之一.‎ 高手笔记 对能量守恒定律可从以下几个方面来理解:‎ ‎(1)内容:能量既不能凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为别的形式,或从一个物体转移到别的物体,在转化和转移过程中其总量不变.‎ ‎(2)能的转化一定要通过做功过程来实现,而能量转化要通过某种形式的传递来完成.‎ ‎(3)各种形式的能在转化和转移中总量守恒,无需任何条件,而某种或几种形式的能的守恒是有条件的,如机械能守恒.‎ ‎(4)根据能量守恒定律,一切不消耗能量而又不停地向外做功的“永动机”是永远不可能制成的.‎ ‎(5)不同的运动形式对应着不同的能量,在物体运动中,能量转化是无时不在的.用能量转化和守恒解决物理问题是物理学中的一种重要方法,在思考问题时要注意这种能量观点.‎ 名师解惑 理解能量守恒定律的发现及其意义 剖析：(1)能量守恒思想的萌芽 能量守恒思想是建立在自然科学发展的基础上的.从16世纪到18世纪,经过伽利略、牛顿、惠更斯、莱布尼兹以及伯努利等许多物理学家的认真研究,使动力学得到了较大的发展,他们都各自提出自己的观点.但由于当时科学发展水平的限制,人们还不懂得给不同运动形式以统一量度的方法,因此提出的观点或进行的实验都只是守恒思想的萌芽.‎ ‎(2)能量守恒定律的准备 ‎18世纪末和19世纪初,各种自然现象之间的联系相继被发现.伦福德·戴维的摩擦生热实验否定了“热质说”,把物体内能的变化与机械运动联系起来.1800年发明伏打电池之后不久,又发现了电流的热效应、磁效应和其他一些电磁现象.这个时期,电流的化学效应也被发现,并被用来进行电镀.在生物学界,证明了动物维持体温和进行机械运动的能量跟它摄取食物的化学能有关.自然科学的这些成就,使能量守恒定律的建立在理论上的准备基本就绪,科学思想也趋于成熟.能量转化与守恒定律,已犹如一轮喷薄欲出的红日.‎ ‎(3)能量守恒定律的确定 能量守恒定律的确定,是在19世纪中叶由迈尔、焦耳和亥姆霍兹等人完成的.‎ 德国医生迈尔是从生理学开始对能量进行研究的.1842年,他从“无不生有,有不生无”的哲学观念出发，表达了能量转化和守恒的思想.他分析了25种能量的转化和守恒的现象,成为世界上首先阐述能量守恒思想的人.‎ 英国物理学家焦耳从1840年到1878年的将近40年的时间里,研究了电流的磁效应,压缩空气的温度升高以及电、化学和机械作用之间的联系,做了400多次实验,用各种方法测定了热和功之间的当量关系,为能量守恒定律的发现奠定了坚实的实验基础.‎ ‎1847年,当焦耳宣布他的能量观点的时候,德国学者亥姆霍兹在柏林也宣读了同样课题的论文.在这篇论文中,他分析了化学能、机械能、电磁能、光能等不同形式能量的转化和守恒,并且把这个结果跟永动机不可能制造成功联系起来.他认为不可能无中生有地创造一个永久的推动力,机器只能转化能量, 不能创造和消灭能量.亥姆霍兹在论文里对能量守恒定律作了清晰、全面而且概括的论述,使这一定律为人们广泛接受.‎ 在19世纪中叶,还有一些人也致力于能量守恒的研究.他们从不同的角度出发,彼此独立地进行研究,却几乎同时发现了这一伟大的定律.因此,能量守恒定律的发现是科学发展的必然结果.‎ ‎(4)能量守恒定律的意义及其对科学研究的指导作用 能量转化与守恒定律的意义有这样几方面:首先,它反映了关于能量不可创造和不可消灭的普遍规律;其次,它概括了一切物理现象(力学的、热学的、电磁学的和光学的等),说明所有这些现象都可以用能量转化和守恒的观点去研究,揭示了不同运动形式之间的统一性;第三,它的建立也促进了对自然现象的辩证观点的发展,因为自然辩证法认为:自然界中的一切现象都是相互联系的.‎ 关于这条定律对科学研究的指导作用,可概括为开发新应用,指导新理论,预言新事物,启迪新发明等方面.‎ 讲练互动 ‎【例1】 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光焰;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 解析：这四个现象中物体运动过程都受到阻力作用,汽车主要是制动阻力,流星、降落伞是空气阻力,条形磁铁下落受到磁场阻力.因而物体都克服阻力做功,A项对.四个物体运动过程中,汽车是动能转化成了其他形式的能,流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能,总之是机械能转化成了其他形式的能,D项对.‎ 答案：AD 绿色通道 本题立意新颖,以生活学习中常见的现象为背景,考查学生分析、归纳、总结能力,而涉及的物理原理并不难,重要考查能力,这正是高考命题的趋向.‎ 变式训练 ‎1．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是（ ）‎ A.机械能守恒 B.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：D ‎【例2】 图‎5-2-1‎所示的容器中,A、B各有一个可自由移动的轻活塞,活塞下面是水,上面是空气,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（ ）‎ 图‎5-2-1‎ A.大气压力对水做功,水的内能不变 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 解析：首先考虑大气压力对水是否做功.打开阀门K后,根据连通器原理,最后A、B两管中的水面将相平,即A中的水面下降,B中的水面上升.设A管的横截面积为S1,水面下降的距离为h1,B管的横截面积为S2,水面上升的距离为h2.由于水的总体积保持不变,所以A管中下降的水的体积等于B管中上升的水的体积,即S1h1=S2h2,‎ A管中的水受到向下的大气压力,与水面下降的方向相同,所以大气压力对水做正功.设大气压强为p0,对水做功为W1,有W1=F1h1=p0S1h1.‎ B管中的水也受到向下的大气压力,与水面上升的方向相反,所以大气压力对水做负功.用W2表示大气压力做的功,有W2=-F2h2=-p0S2h2.‎ 大气压力对水做的总功为：W=W1+W2=p0S1h1-p0S2h2‎ 因为S1h1=S2h2,所以W=0,即大气压力对水不做功.‎ 再来考虑水的内能是否改变的问题.打开阀门K后,A中的水逐渐向B中流,即A中的水的重力做正功,B中的水的重力做负功,但从最后的效果看,是A管中高度为h1的水移至B管中高度为h2的地方,如图‎5-2-2‎所示,即水从高处流向低处,所以在这个过程中水的重力做正功.同时,整个装置是绝热的,与外界没有热量交换,由能量的转化和守恒定律可知,一种形式的能的减少,必定产生等量的其他形式的能量,即水减少的机械能完全转化为水的内能.‎ 图‎5-2-2‎ 答案：D 黑色陷阱 往往犯这样的错误：认为物体的内能与宏观的动能、势能无关，其实内能与机械能之间可以发生相互转化,如重力势能与内能之间的转化,而摩擦生热则是动能与内能之间的转化,符合能量守恒定律.‎ 变式训练 ‎2.如图‎5-2-3‎所示，A、B是两个完全相同的铁球，A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂，现只让它们吸收热量，当它们升高相同的温度时，它们所吸收的热量分别为QA、QB，则（ ）‎ 图‎5-2-3‎ A.QA=QB B.QAQB D.无法确定QA、QB的大小 解析：当A、B两球升高相同的温度时，根据热胀冷缩原理可知，A、B球重心发生变化，A球重心升高的高度等于B球重心降低的高度，且在此过程中A球克服重力做功，B球受到重力对其做正功，且由题意分析在吸热过程中，它们升高相同的温度，内能增量ΔU相同，由热力学第一定律ΔU=Q+W知，QA=ΔU-WA，QB=ΔU-WB，由于WA<0，WB>0，所以QA>QB.‎ 答案：C 体验探究 ‎【问题】一位同学设计了一个自动工作的机器方案：把一根毛细管直立在水里，然后水能从低处上升到高处.把毛细管弯曲，在管口下方安装一个叶轮，利用从毛细管中滴出的水冲击叶轮，使叶轮不停地转动（图‎5-2-4‎）.‎ 图‎5-2-4‎ 试评价论证这个设计方案.‎ 导思：1.能的转化和守恒定律：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，这就是能的转化和守恒定律.‎ ‎2.人类通过对大量的实践经验进行总结得知，要获得一种能量，一定需要利用另一种能量通过做功的方式进行转化，能量不能被创生，即不可能设计、创造出一种不消耗任何能量而能源源不断地对外做功的永动机.‎ 探究:对机械设计方案的可行性评价与论证，可以从是否符合物理原理出发.这个方案从表面上看似乎可行，实际上违背了能的转化和守恒定律，是不可能实现的.因为这个方案如果能实现，就构成了可以不消耗能量而永远运动的机械（永动机）.大量的科学事实已证明，永动机是不可能制成的.‎ 从力学原理作进一步的论证：液体在毛细管内的上升高度，由表面张力的拉引作用与液柱重力相平衡的条件决定.在低于液柱上升高度h处把毛细管弯曲，根据液体能传递压强的特性，表面张力的合力仍会对液柱产生向上的拉力，由于这个拉力大于管内竖直部分（h′）水柱的重力，因此水能越过弯管顶流到管口，如图‎5-2-5‎甲所示.‎ 图5-2-5‎ 为了考查水能否从管口流出，可取管口处一平截面PP′（如图‎5-2-5‎甲）.在截面PP′上方，两边水柱的压强相平衡，而在PP′截面下方高h″的水柱产生的压强，则需由管口处水的表面张力合力的压强来平衡.因此，水流到管口处必然形成向上凹进去的弯月面（如图5-2-5乙）.所以，在毛细管中的水，虽然能越过弯曲的管顶，但不会从管口流出.‎ 探究结论：从能量守恒定律作出的判决与从力学原理的分析是一致的，所以，这位同学的设计方案不可行.‎