第三節(jié)能量守恒定律1．不同形式的能之間可以相互轉(zhuǎn)化，例如，電流通過導體時，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，燃料燃燒時，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，酷熱的燈絲發(fā)光，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為光能。2．各種形式的能相互轉(zhuǎn)化過程中守恒，能量守恒定律的內(nèi)容為：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消逝，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量不變。3．能量守恒定律是自然界中的一條普遍規(guī)律，恩格斯把這肯定律稱為“宏大的運動根本定律〞，并把這肯定律和細胞學說、達爾文的生物進化論稱為19世紀自然科學的三大發(fā)覺。4．第一類永動機是指不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功的機器，它不行能造成的緣由是違反了能量守恒定律。5．能量守恒定律的發(fā)覺在物理學理論的開展上使經(jīng)典物理學從閱歷科學開展成完整的理論科學，在哲學上為辯證唯物主義自然觀供應了自然科學根底，揭示了自然界中各種不同的運動形式是相互聯(lián)系的，且在轉(zhuǎn)化過程數(shù)量上保持守恒。所以，能量守恒定律論證了物質(zhì)運動的不滅性和統(tǒng)一性。能量守恒定律1．能量守恒定律的內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消逝，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。2．對能量守恒定律的理解(1)能量的存在形式及相互轉(zhuǎn)化各種運動形式都有對應的能：機械運動有機械能，分子的熱運動有內(nèi)能，還有諸如電磁能、化學能、原子能等。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，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；列車剎車后，輪子溫度上升，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。(2)與某種運動形式對應的能是否守恒是有條件的，例如，物體的機械能守恒，必需是只有重力做功；而能量守恒定律是沒有條件的，它是一切自然界現(xiàn)象都遵守的根本規(guī)律。(3)能量守恒定律的重要意義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)象用定量規(guī)律聯(lián)系起來，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)運動的機械觀念的范圍，從本質(zhì)上說明白各種運動形式之間相互轉(zhuǎn)化的可能性。能量守恒定律比機械能守恒定律更普遍，它是物理學中解決問題的重要思維方法。③能量守恒定律與細胞學說、達爾文的生物進化論并稱19世紀自然科學中三大發(fā)覺。(1)在能量轉(zhuǎn)化過程中，要正確理解能量轉(zhuǎn)化的量度——功，能量轉(zhuǎn)化是通過做功完成的。(2)熱力學第肯定律、機械能守恒定律都是能量守恒的詳細表達。1．[多項選擇]以下關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象的說法中，正確的選項是()A．用太陽灶燒水是太陽能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B．電燈發(fā)光是電能轉(zhuǎn)化為光能C．核電站發(fā)電是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能D．生石灰放入盛有涼水的燒杯里，水溫上升是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能解析：選AB核電站是核能轉(zhuǎn)化為電能，生石灰使水溫上升是化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以C、D錯誤；太陽灶燒水是利用太陽能給水加熱。即太陽能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，所以A正確；電燈是將電能轉(zhuǎn)化為光能的裝置，所以B項正確。第一類永動機不行能造成1．第一類永動機不需要任何動力或燃料卻能不斷對外做功的機器。2．第一類永動機不行能造成的緣由分析假如沒有外界熱源供應熱量，由熱力學第肯定律有Q＝0，ΔU＝W，就是說假如系統(tǒng)的內(nèi)能削減，那么W<0，系統(tǒng)對外做功是要以內(nèi)能的削減為代價的。假如不消耗內(nèi)能，應有ΔU＝0，由熱力學第肯定律可知Q＝－W，這說明，要想源源不斷地對外做功，物體必需從熱源不斷地吸取熱量(Q>0)，因此，在無外界能量供應的前提下，這是不行能的。能量守恒定律是自然界中普遍適用的規(guī)律，任何能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程都遵循此規(guī)律。第一類永動機違反了能量守恒定律，所以第一類永動機永久也不行能造成。2．(江蘇高考)如下圖，一演示用的“永動機〞轉(zhuǎn)輪由5根輕桿和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，輕桿的末端裝有用外形記憶合金制成的葉片。輕推轉(zhuǎn)輪后，進入熱水的葉片因伸展而“劃水〞，推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動。離開熱水后，葉片外形快速恢復，轉(zhuǎn)輪因此能較長時間轉(zhuǎn)動。以下說法正確的選項是()A．轉(zhuǎn)輪依靠自身慣性轉(zhuǎn)動，不需要消耗外界能量B．轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動所需能量來自外形記憶合金自身C．轉(zhuǎn)動的葉片不斷攪動熱水，水溫上升D．葉片在熱水中汲取的熱量肯定大于在空氣中釋放的熱量解析：選D外形記憶合金從熱水中汲取熱量后，伸展劃水時一局部熱量轉(zhuǎn)變?yōu)樗娃D(zhuǎn)輪的動能，另一局部釋放到空氣中，依據(jù)能量守恒定律可知只有D項正確。熱學中的能量守恒問題[例1]如下圖，A、B是兩個完全相同的鐵球，初溫相同。A放在絕熱板上，B用絕熱繩懸掛。現(xiàn)只讓它們吸熱，當它們上升相同的溫度時，吸熱分別為QA、QB，那么()A．QA＝QB B．QA<QBC．QA>QB D．無法確定[解析]A、B上升相同的溫度，依據(jù)Q＝cmΔt可知，升溫需要的能量是相同的。由于受熱膨脹，A的重心上升，重力勢能增加，吸熱QA一局部用于升溫，一局部用于增加重力勢能ΔEP，即QA＝Q＋ΔEp；B的重心降低，重力勢能減小，吸熱QB和削減的重力勢能ΔEp共同用于升溫，即Q＝QB＋ΔEp，明顯QA>QB，故C選項正確。[答案]C借題發(fā)揮(1)重力勢能的變化是此題的關(guān)鍵，無論能量怎樣變化，能量總是守恒的。(2)熱力學過程中，系統(tǒng)做功狀況有時表現(xiàn)得很不明顯，需要認真分析，然后通過系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化狀況來進行推斷。能量守恒定律的綜合應用[例2]風沿水平方向以速度v垂直吹向始終徑為d的風車葉輪上，設空氣密度為ρ。假設風的動能有50%轉(zhuǎn)化為風車的動能，風車帶動水車將水提高h的高度，效率為80%，求單位時間內(nèi)最多可提升的水的質(zhì)量。[解析]設時間t內(nèi)提升水的質(zhì)量為M，在時間t內(nèi)吹到風車上的空氣質(zhì)量為m風，那么：m風＝eq\f(vtπd2,4)ρ其動能Ek風＝eq\f(1,2)m風v2由能量守恒定律有Ek風×50%×80%＝Mgh聯(lián)立解得eq\f(M,t)＝eq\f(πd2v3ρ,20gh)，即單位時間內(nèi)提升水的質(zhì)量為eq\f(πd2v3ρ,20gh)。[答案]eq\f(πd2v3ρ,20gh)借題發(fā)揮利用能量守恒定律解題必需認真分析能量的轉(zhuǎn)化方向，理清能量轉(zhuǎn)化中對應的功，真正理解：(1)某種形式的能削減，肯定有其他形式的能增加，且削減量和增加量肯定相等。(2)某一物體的能量削減，肯定存在其他物體的能量增加，且削減量和增加量肯定相等。1．[多項選擇]以下設想中，符合能的轉(zhuǎn)化和守恒的有()A．利用永磁鐵和軟鐵的作用，做一架機器永久地運動下去B．制造一架飛機，不帶燃料，利用太陽能就能飛行C．做成一只船，利用水的流淌，逆水行駛，不用其他力D．利用核動力，駛離太陽系解析：選BD由能的轉(zhuǎn)化和守恒定律知第一類永動機不行能制成，由此可得B、D正確。2．自由搖擺的秋千搖擺幅度越來越小，以下說法正確的選項是()A．機械能守恒B．能量正在消逝C．只有動能和重力勢能之間相互轉(zhuǎn)化D．削減的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但總能量守恒解析：選D秋千搖擺的幅度越來越小，說明機械能有所削減，機械能削減并不代表能量消逝了，而是轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，這個能量就是內(nèi)能，能量仍舊是守恒的，故D正確。3．一個鐵塊沿斜面勻速滑下，關(guān)于物體的機械能和內(nèi)能的變化，以下推斷中正確的選項是()A．物體的機械能和內(nèi)能都不變B．物體的機械能削減，內(nèi)能不變C．物體的機械能增加，內(nèi)能增加D．物體的機械能削減，內(nèi)能增加解析：選D鐵塊沿斜面勻速下滑時，動能不變、勢能減小，所以鐵塊的機械能肯定削減。鐵塊沿斜面能勻速滑下，這斜面肯定是不光滑的，鐵塊下滑時要克服摩擦力做功，鐵塊損失的機械能轉(zhuǎn)化為鐵塊和斜面的內(nèi)能，因此鐵塊的溫度會略有上升，內(nèi)能會增加。故D正確。4．假設在一個完全密封絕熱的室內(nèi)，放一臺翻開門的電冰箱，然后遙控接通電源，令電冰箱工作一段較長的時間后再遙控斷開電源，等室內(nèi)各處溫度到達平衡時，室內(nèi)氣溫與接通電源前相比()A．肯定上升B．肯定降低C．肯定不變D．可能上升，可能降低，也可能不變解析：選A冰箱工作時，要給它輸送電能，據(jù)能量守恒定律，消耗的電能，通過冰箱轉(zhuǎn)化為密封絕熱的室內(nèi)系統(tǒng)的內(nèi)能，絕熱的室內(nèi)系統(tǒng)的內(nèi)能比通電前大，溫度上升，A正確。5．[多項選擇]文藝復興時期意大利的達·芬奇(LeonardodaVinci，1452－1519)設計如下圖的裝置。他設計時認為，在輪子轉(zhuǎn)動過程中，右邊的小球總比左邊的小球離輪心更遠些，在兩邊不均衡的力矩作用下會使輪子沿箭頭方向轉(zhuǎn)動不息，而且可以不斷地向外輸出能量。但試驗結(jié)果卻是否認的。達·芬奇敏銳地由此得出結(jié)論：永動機是不行能實現(xiàn)的。以下有關(guān)的說法中正確的選項是()A．假如沒有摩擦力和空氣阻力，該裝置就能永不停息地轉(zhuǎn)動，并在不消耗能量的同時不斷地對外做功B．假如沒有摩擦力和空氣阻力，忽視碰撞中能量的損耗，并給它一個初速度就能永不停息地轉(zhuǎn)動，但在不消耗能量的同時，并不能對外做功C．右邊全部小球施加于輪子的動力矩并不大于左邊全部小球施于輪子的阻力矩，所以不行能在不消耗能量的同時，不斷地對外做功D．在現(xiàn)代科學技術(shù)比擬興旺的今日，這種裝置可以實現(xiàn)它永不停息的轉(zhuǎn)動，在不消耗其它能量的根底上，而且還能源源不斷地對外做功解析：選BC機器對外做功，就必需消耗能量，永動機違反了能量守恒定律，是不行能實現(xiàn)的。A、D錯誤，B、C正確。6．[多項選擇]一顆子彈以某一水平速度擊中了靜止在光滑水平面上的木塊，未從木塊中穿出。對于這一過程，以下說法中正確的選項是()A．子彈削減的機械能等于木塊增加的機械能B．子彈削減的動量等于木塊增加的動量C．子彈削減的機械能等于木塊增加的動能與增加的內(nèi)能之和D．子彈削減的動能等于木塊增加的動能與子彈和木塊的內(nèi)能增量之和解析：選BD子彈擊木塊未穿出，它們之間摩擦生熱，子彈削減的機械能一局部轉(zhuǎn)化為子彈和木塊的內(nèi)能，A、C錯誤；子彈木塊系統(tǒng)合外力為零，動量守恒，能量也守恒，B、D正確。7．如下圖，有兩個同樣的球，其中a球放在不導熱的水平面上，b球用不導熱的細線懸掛起來，假設使a、b兩球汲取相同的熱量，那么兩球上升的溫度()A．Δta>Δtb B．Δta<ΔtbC．Δta＝Δtb D．無法比擬解析：選B兩球受熱后，體積都要膨脹，a球因球的重心略微上升，克服重力做功而消耗一局部熱量，用來提高球體溫度的熱量小于汲取的熱量；b球因球的重心略微降低，一局部重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，用來提高球體溫度的熱量大于汲取的熱量。故a球上升的溫度Δta小于b球上升的溫度Δtb，B正確。8．[多項選擇]行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最終停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出光明的光焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，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程是()A．物體克服阻力做功B．物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C．物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量D．物體的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量解析：選AD這四個現(xiàn)象中物體運動過程都受到阻力作用，汽車主要受制動阻力，流星、降落傘受空氣阻力，條形磁鐵下落受磁場阻力。因而物體都克服阻力做功，A項對；四個物體運動過程中，汽車是動能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之是機械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，D項對。9.如下圖，直立容器內(nèi)部被隔板隔開的A，B兩局部氣體，A的密度小，B的密度大，加熱氣體，并使兩局部氣體混合勻稱，設此過程中氣體吸熱為Q，氣體內(nèi)能的增量為ΔU，那么()ABA．ΔU＝Q B．ΔU<QC．ΔU>Q D．無法比擬解析：選B因A局部氣體密度小，B局部氣體密度大，以整體氣體為討論對象，開頭時，氣體的重心在中線以下，混合勻稱后，氣體的重心應在中線上，所以有重力做負功，使氣體的重力勢能增大，由能量守恒定律可知，汲取的熱量Q有一局部增加氣體的重力勢能，另一局部增加內(nèi)能。故正確答案為B。10.一小滑塊放在如下圖的凹形斜面上，用力F沿斜面對下拉小滑塊，小滑塊沿斜面運動了一段距離。假設在這過程中，拉力F所做的功的大小(肯定值)為A，斜面對滑塊的作用力所做的功的大小為B，重力做功的大小為C，空氣阻力做功的大小為D。當用這些量表達時，小滑塊的動能的轉(zhuǎn)變(指末態(tài)動能減去初態(tài)動能)等于多少？滑塊的重力勢能的轉(zhuǎn)變等于多少？滑塊機械能(指動能與重力勢能之和)轉(zhuǎn)變了多少？解析：依據(jù)動能定理，動能的轉(zhuǎn)變等于外力做功的代數(shù)和，其中做負功的有空氣阻力，斜面對滑塊的作用力的功(因彈力不做功，實際上為摩擦阻力的功)，因此ΔEk＝A－B＋C－D；依據(jù)重力做功與重力勢能的關(guān)系，重力勢能的削減等于重力做的功，因此ΔEp＝－C；滑塊機械能的轉(zhuǎn)變等于重力之外的其他力做的功，因此ΔE＝A－B－D。答案：ΔEk＝A－B＋C－D；ΔEp＝－C；ΔE＝A－B－D11．一輛汽車功率為29.4kW，以10m×107J/kg，那么汽車行駛50km的路需消耗多少汽油？解析：汽車行駛50km所用時間t＝eq\f(50×103,10)s＝5×103s。W＝Pt×103×5×103×108J。設消耗汽油質(zhì)量為m