高中物理課件：《能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)歷程》（滬科版選修3-3）

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歡迎進(jìn)入物理課堂 典例1 風(fēng)沿水平方向以速度v垂直吹向一直徑為d的風(fēng)車葉輪 設(shè)空氣密度為 風(fēng)的動(dòng)能有50 轉(zhuǎn)化為風(fēng)車的動(dòng)能 風(fēng)車帶動(dòng)水車將水提高h(yuǎn)的高度 效率為80 則單位時(shí)間內(nèi)最多可提升水的質(zhì)量為 思路點(diǎn)撥 風(fēng)車帶動(dòng)水車做功的過(guò)程 是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水的重力勢(shì)能的過(guò)程 在討論這個(gè)問(wèn)題時(shí)要緊緊圍繞能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系 標(biāo)準(zhǔn)解答 在時(shí)間t內(nèi)吹在風(fēng)車上的空氣的質(zhì)量為風(fēng)的動(dòng)能根據(jù)題意 則答案 變式訓(xùn)練 一物體以某一初速度沿某一固定粗糙的斜面上滑過(guò)程中 整個(gè)系統(tǒng)一定是 A 機(jī)械能的減少量等于內(nèi)能增加量與重力勢(shì)能增加量之和B 機(jī)械能的減少量等于內(nèi)能的增加量C 動(dòng)能的減少量等于重力勢(shì)能的增加量D 動(dòng)能的減少量等于內(nèi)能的增加量 解析 選B 從能量轉(zhuǎn)化方面看 上滑過(guò)程動(dòng)能在減少 重力勢(shì)能和內(nèi)能在增加 從能量轉(zhuǎn)化和守恒定律看 減少的能量應(yīng)該等于增加的能量 所以動(dòng)能的減少量應(yīng)該等于內(nèi)能的增加量與重力勢(shì)能的增加量之和 故C D項(xiàng)錯(cuò) 從做功方面看 有摩擦力做功 所以物體的機(jī)械能不守恒 一方面摩擦力做負(fù)功使機(jī)械能減少有 E Wf 另一方面摩擦生熱使內(nèi)能增大 有 U Wf 所以有 E U即機(jī)械能的減少量等于內(nèi)能的增加量 故A錯(cuò) B對(duì) 典例2 行駛中的汽車制動(dòng)后滑行一段距離 最后停下 流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰 降落傘在空中勻速下降 條形磁鐵在下落過(guò)程中穿過(guò)閉合線圈 線圈中產(chǎn)生電流 上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過(guò)程是A 物體克服阻力做功B 物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C 物體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量D 物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 思路點(diǎn)撥 解答本題應(yīng)把握以下三點(diǎn) 自主解答 選A D 這四個(gè)現(xiàn)象中物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程都受到阻力作用 汽車主要是制動(dòng)阻力 流星 降落傘是空氣阻力 條形磁鐵下落受到磁場(chǎng)阻力 因而物體都克服阻力做功 A項(xiàng)對(duì) 四個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 汽車是動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能 流星 降落傘 條形磁鐵是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能 總之是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能 D項(xiàng)對(duì) 故選A D 變式訓(xùn)練 汽車關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后恰能沿斜坡勻速運(yùn)動(dòng) 在這一過(guò)程中 A 汽車的機(jī)械能守恒B 汽車的動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化C 機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 總能量逐漸減少D 機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 總能量不變 解析 選D 汽車在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后能勻速運(yùn)動(dòng) 說(shuō)明汽車和斜坡之間一定有摩擦力作用 所以汽車的機(jī)械能不守恒 一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但能的總量保持不變 故應(yīng)選D 1 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 能量正在消失C 只有動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化D 減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但總能量守恒 解析 選D 自由擺動(dòng)的秋千 在擺動(dòng)過(guò)程中要克服摩擦阻力做功 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 但總能量守恒 2 下列過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化屬于原子能轉(zhuǎn)化為電能的是 A 石油燃燒B 植物的光合作用C 核電站發(fā)電D 太陽(yáng)能電池供電 解析 選C 石油燃燒是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的過(guò)程 植物的光合作用是光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程 太陽(yáng)能電池供電是光能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程 核電站是利用核反應(yīng)釋放的能量來(lái)發(fā)電的 故C正確 3 2009 全國(guó)高考 如圖 水平放置的密封汽缸內(nèi)被一豎直隔板分隔為左右兩部分 隔板可在汽缸內(nèi)無(wú)摩擦滑動(dòng) 右側(cè)氣體內(nèi)有一電熱絲 汽缸壁和隔板均絕熱 初始時(shí)隔板靜止 左右兩邊氣體溫度相等 現(xiàn)給電熱絲提供一微弱電流 通電一段時(shí)間后切斷電源 當(dāng)缸內(nèi)氣體再次達(dá)到平衡時(shí) 與初始狀態(tài)相比 A 右邊氣體溫度升高 左邊氣體溫度不變B 左右兩邊氣體溫度都升高C 左邊氣體壓強(qiáng)增大D 右邊氣體內(nèi)能的增加量等于電熱絲放出的熱量 解析 選B C 通電后 右邊氣體吸收熱量 溫度升高 壓強(qiáng)增大 推動(dòng)隔板 對(duì)左邊氣體做功 由熱力學(xué)第一定律可知左邊氣體溫度升高 內(nèi)能增加 壓強(qiáng)變大 A錯(cuò) B C對(duì) 由于右邊氣體吸熱的同時(shí) 膨脹對(duì)左邊氣體做功 所以內(nèi)能的增加小于電熱絲放出的熱量 D錯(cuò) 4 在光滑水平面上停放一木塊 一子彈水平射穿木塊 對(duì)此過(guò)程 下列說(shuō)法中正確的是 A 摩擦力 子彈與木塊間 對(duì)木塊做的功等于木塊動(dòng)能的增加量B 摩擦力對(duì)木塊做的功完全轉(zhuǎn)化為木塊的內(nèi)能C 子彈減少的機(jī)械能等于子彈與木塊增加的內(nèi)能D 子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的動(dòng)能與內(nèi)能之和 解析 選A 對(duì)木塊由動(dòng)能定理可判斷出選項(xiàng)A正確 子彈克服摩擦力做功而減少的機(jī)械能 轉(zhuǎn)化為木塊 子彈的內(nèi)能和木塊的動(dòng)能 故選A 5 一物體靜止在升降機(jī)的地板上 在升降機(jī)加速上升的過(guò)程中 地板對(duì)物體的支持力所做的功等于 A 物體勢(shì)能的增加量B 物體動(dòng)能的增加量C 物體動(dòng)能的增加量加上物體勢(shì)能的增加量D 物體動(dòng)能的增加量加上克服重力所做的功 解析 選C D 在升降機(jī)加速上升的過(guò)程中 物體的重力mg 地板對(duì)物體的支持力N 重力對(duì)其做負(fù)功 支持力對(duì)其做正功 設(shè)升降機(jī)上升高度為h 由動(dòng)能定理知WN mgh Ek WN mgh Ek 其中mgh為物體勢(shì)能的增加量 也等于物體克服重力所做的功 Ek為物體動(dòng)能的增加量 6 太陽(yáng)向地球表面每平方米輻射光能的功率是1 4kW 今要用凹面鏡制成的太陽(yáng)灶燒水 并要使初溫為20 質(zhì)量為5kg的水在1200s內(nèi)沸騰 則太陽(yáng)灶中凹面鏡受光照面積的直徑至少應(yīng)該是多少 設(shè)太陽(yáng)灶的總效率為50 解析 設(shè)凹面鏡的直徑為d 在t 1200s內(nèi)太陽(yáng)輻射到凹面鏡的能量根據(jù)能量守恒可知 50 E cm t 1 3188 106d2 50 4 2 103 5 100 20 d 1 6m 答案 1 6m 一 選擇題 本大題共5小題 每小題5分 共25分 每小題至少一個(gè)選項(xiàng)符合題意 1 下列對(duì)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)不正確的是 A 某種形式的能量減少 一定存在其他形式能量的增加B 某個(gè)物體的能量減少 必然有其他物體的能量增加C 不需要任何外界的動(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器 永動(dòng)機(jī)是不可能制成的D 石子從空中落下 最后停止在地面上 說(shuō)明機(jī)械能消失了 解析 選D A選項(xiàng)是指不同形式的能量間的轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量是守恒的 B選項(xiàng)是指能量在不同的物體間發(fā)生轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)移過(guò)程中是守恒的 這正好是能量守恒定律的兩個(gè)方面 轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移 任何永動(dòng)機(jī)都是不可能制成的 它違背了能量守恒守律 所以A B C正確 D選項(xiàng)中石子的機(jī)械能在變化 比如受空氣阻力作用 機(jī)械能可能減少 但機(jī)械能并沒(méi)有消失 能量守恒定律表明能量既不會(huì)創(chuàng)生 也不會(huì)消失 故D是錯(cuò)的 2 第一類永動(dòng)機(jī) 是不可能制成的 這是因?yàn)?A 它不符合機(jī)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(shí)找不到合理的設(shè)計(jì)方案和理想材料 解析 選B 第一類永動(dòng)機(jī)不可能制成的原因是違背了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律 故B項(xiàng)正確 3 運(yùn)動(dòng)員跳傘后 在某一段時(shí)間內(nèi)以8m s2的加速度下降 在該過(guò)程中 A 重力勢(shì)能只轉(zhuǎn)化為動(dòng)能B 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C 機(jī)械能守恒D 系統(tǒng)的總能量守恒 解析 選B D 物體加速度為8m s2 說(shuō)明物體除受重力以外還受阻力作用 克服阻力做功 機(jī)械能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能 但總能量守恒 4 如圖所示 A B是兩個(gè)完全相同的鐵球 A放在絕熱板上 B用絕熱繩懸掛 現(xiàn)只讓它們吸收熱量 當(dāng)它們升高相同的溫度時(shí) 它們所吸收的熱量分別為QA QB 則 A QA QBB QAQBD 無(wú)法確定QA QB的大小 解析 選C 當(dāng)A B兩球升高相同的溫度時(shí) 根據(jù)熱脹冷縮原理可知 A B球重心發(fā)生變化 A球重心升高的高度等于B球重心降低的高度 且在此過(guò)程中A球克服重力做功 B球受到重力 重力對(duì)其做正功 且由題意分析在吸熱過(guò)程中 它們升高相同的溫度 內(nèi)能增量 U相同 由熱力學(xué)第一定律 U Q W知 QA U WA QB U WB 由于WA0 所以QA QB 5 如圖為焦耳實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖 用絕熱性能良好的材料將容器包好 重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器里的水 引起水溫升高 關(guān)于實(shí)驗(yàn) 下列說(shuō)法正確的是 A 這個(gè)裝置可測(cè)定熱功當(dāng)量B 做功增加了水的熱量C 做功增加了水的內(nèi)能D 功和熱量是完全等價(jià)的 無(wú)區(qū)別 解析 選A C 做功和熱傳遞都可以使物體的內(nèi)能發(fā)生變化 焦耳實(shí)驗(yàn)中是通過(guò)做功來(lái)增加水的內(nèi)能 所以C選項(xiàng)正確 就物體的內(nèi)能發(fā)生變化來(lái)說(shuō) 做功和熱傳遞是等效的 這是研究熱功當(dāng)量的前提 通過(guò)焦耳實(shí)驗(yàn)可測(cè)定熱功當(dāng)量 所以A選項(xiàng)正確 熱量通常是指熱傳遞 如吸熱 放熱 過(guò)程中內(nèi)能的改變量 是用來(lái)量度熱傳遞過(guò)程中物體內(nèi)能增減的多少 一個(gè)物體的內(nèi)能是無(wú)法測(cè)定的 而在某種過(guò)程中物體內(nèi)能的變化卻是可以測(cè)定的 熱量就是用來(lái)測(cè)定內(nèi)能變化的一個(gè)物理量 所以選項(xiàng)B和D是錯(cuò)誤的 二 非選擇題 本大題共3小題 共25分 6 8分 如圖所示 一個(gè)質(zhì)量為20kg的絕熱汽缸豎直放置 絕熱活塞的質(zhì)量為5kg 處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)被封閉氣體的高度為50cm 現(xiàn)在在活塞上方加一15kg的物體 待穩(wěn)定后 被封閉氣體的高度變?yōu)?0cm 求在這一過(guò)程中氣體的內(nèi)能增加多少 g取10m s2 不考慮活塞受到的大氣壓力及摩擦阻力 解析 由能的轉(zhuǎn)化與守恒定律可知 內(nèi)能的增加等于活塞和物體重力勢(shì)能的減少 U E M m gh 15 5 10 50 40 10 2J 20J 答案 20J 7 8分 水能不產(chǎn)生污染物 是一種清潔能源 位于美國(guó)和加拿大交界處的尼亞加拉瀑布流量可達(dá)到每秒6000m3 而且一年四季流量穩(wěn)定 瀑布落差50m 若利用這一資源發(fā)電 設(shè)其效率為50 估算發(fā)電機(jī)的輸出功率 g取10m s2 解析 水力發(fā)電的基本原理是水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能 1 每秒鐘流下的水的質(zhì)量為 m V 1 103 6000kg 6 106kg 2 每秒鐘水減少的機(jī)械能為 E mgh 6 106 10 50J 3 109J 3 設(shè)發(fā)電機(jī)的輸出功率為P t 1s則E Pt解得 P 3 109 50 W 1 5 109W 答案 1 5 109W 8 2010 菏澤高二檢測(cè) 9分 如圖所示 一個(gè)半徑R 0 3m的半球狀容器 一小鐵塊由邊緣的A點(diǎn)從靜止開(kāi)始沿內(nèi)壁下滑 當(dāng)滑到容器底部的B點(diǎn)時(shí) 容器內(nèi)壁所受壓力為小鐵塊自重的1 25倍 在它下滑的過(guò)程中內(nèi)能增量的80 被鐵塊吸收 那么鐵塊溫度升高多少攝氏度 鐵的比熱容是462J kg g取10m s2 解析 小鐵塊滑到B點(diǎn)時(shí)滿足 v為小鐵塊在B點(diǎn)的速度 F 1 25mg 從A點(diǎn)滑到B點(diǎn) 由能的轉(zhuǎn)化和守恒定律 聯(lián)立 式得 t 4 5 10 3 答案 4 5 10 3 1 一個(gè)鐵塊沿斜面勻速滑下 關(guān)于鐵塊的機(jī)械能和內(nèi)能的變化 下列判斷中正確的是 A 鐵塊的機(jī)械能和內(nèi)能都不變B 鐵塊的機(jī)械能減少 內(nèi)能不變C 鐵塊的機(jī)械能增加 內(nèi)能增加D 鐵塊的機(jī)械能減少 內(nèi)能增加 解析 選D 鐵塊沿斜面勻速下滑時(shí) 動(dòng)能不變勢(shì)能減小 所以鐵塊的機(jī)械能一定減少 鐵塊沿斜面能勻速滑下 斜面一定是不光滑的 鐵塊下滑時(shí)克服摩擦力做功 鐵塊損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為鐵塊和斜面的內(nèi)能 因此鐵塊的溫度會(huì)略有升高 內(nèi)能增加 故D正確 2 下列設(shè)想符合能量守恒定律的是 A 利用永久磁鐵間的作用力造一臺(tái)永遠(yuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)器B 做成一條船利用河水的能量逆水航行C 通過(guò)太陽(yáng)照射飛機(jī)使飛機(jī)起飛D 不用任何燃料使河水升溫 解析 選B C D 利用磁場(chǎng)能可能使磁鐵所具有的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能 但由于摩擦力的不可避免性 動(dòng)能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 使轉(zhuǎn)動(dòng)停止 故A錯(cuò) 讓船先靜止在水中 設(shè)計(jì)一臺(tái)水力發(fā)電機(jī)使船獲得足夠電能 然后把電能轉(zhuǎn)化為船的動(dòng)能使船逆水航行 同理可利用光能的可轉(zhuǎn)化性和電能的可收集性 使光能轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的動(dòng)能 實(shí)現(xiàn)飛機(jī)起飛 故B C正確 設(shè)計(jì)水壩利用河水的重力勢(shì)能發(fā)電 一部分重力勢(shì)能通過(guò)水輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能 另外電能也可轉(zhuǎn)化為內(nèi)能使水升溫 故D正確 3 如圖所示 密閉絕熱器內(nèi)有一絕熱的具有一定質(zhì)量的活塞 活塞的上部封閉著氣體 下部為真空 活塞與器壁間的摩擦忽略不計(jì) 置于真空中的輕彈簧一端固定于容器的底部 另一端固定在活塞上 彈簧被壓縮后用繩扎緊 此時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能為EP 彈簧處在自然長(zhǎng)度時(shí)的彈性勢(shì)能為零 現(xiàn)繩突然斷開(kāi) 彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng) 經(jīng)過(guò)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止 氣體達(dá)到平衡狀態(tài) 經(jīng)過(guò)此過(guò)程 A EP全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能B EP一部分轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢(shì)能 其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能C EP全部轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢(shì)能和氣體的內(nèi)能D EP一部分轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢(shì)能 一部分轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能 其余部分仍為彈簧的彈性勢(shì)能 解析 選D 當(dāng)繩子突然斷開(kāi)時(shí) 活塞受彈簧的彈力F 活塞的重力G 封閉氣體對(duì)活塞向下的壓力F 的共同作用 如圖所示 其合力向上 經(jīng)多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止時(shí) 活塞處于三力平衡狀態(tài) 氣體體積必減小 外力對(duì)氣體做正功 由于絕熱 所做的功全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能 氣體的內(nèi)能 增加 而活塞最終的靜止位置比初始位置高 其重力勢(shì)能增加 最終彈力與另外兩個(gè)力的合力平衡 彈簧仍有形變 設(shè)最終彈簧的彈性勢(shì)能為EP 由能量守恒定律得EP EP 活塞增加的重力勢(shì)能 氣體增加的內(nèi)能 所以D選項(xiàng)正確 4 雨滴從400m高處由靜止開(kāi)始下落 設(shè)它受到的阻力大小為重力的0 7倍 雨滴落地前所產(chǎn)生的內(nèi)能有30 為其吸收 則落地前雨滴溫度可升高多少 g取10m s2 水的比熱容c 4 2 103J kg 解析 落地前因摩擦產(chǎn)生的熱量Q kmgh 設(shè)溫度升高了 t 由雨滴落地前產(chǎn)生內(nèi)能的30 為其吸收而溫度升高 得nQ cm t 由以上兩式可解得 t 0 2 答案 0 2 5 用鉆頭在鐵塊上鉆孔時(shí) 可用注入冷卻水的方法以防止鉆頭溫度的大幅度升高 今注入20 的水5kg 10min后水的溫度上升到100 并有部分冷卻水變成了水蒸氣 如果已知鉆頭的功率為10kW 鉆頭做功有2 3轉(zhuǎn)變成了水和水蒸氣的內(nèi)能 則有多少水變成了水蒸氣 已知水的比熱容c 4 2 103J kg 100 時(shí)水的汽化熱L 2 26 106J kg 解析 鉆頭做的功為W總 Pt 6 106J 而水的內(nèi)能增量為 E cm t Lm 4 2 103 5 100 20 J 2 26 106J kgm 1 68 106J 2 26 106J kgm 由能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律 可知 E W總 即1 68 106J 2 26 106J kgm 6 106 J m 1 03kg 答案 有1 03kg水變成水蒸氣 本部分內(nèi)容講解結(jié)束 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來(lái)學(xué)校和回家的路上要注意安全