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)水車做功的過程 是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為水的重力勢能的過程 在討論這個(gè)問題時(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 上滑過程動(dòng)能在減少 重力勢能和內(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(dòng)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(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) 在這一過程中 A 汽車的機(jī)械能守恒B 汽車的動(dòng)能和勢能相互轉(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)幅度越來越小 下列說法正確的是 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)化為熱能的過程 植物的光合作用是光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程 太陽能電池供電是光能轉(zhuǎn)化為電能的過程 核電站是利用核反應(yīng)釋放的能量來發(fā)電的 故C正確 3 2009 全國高考 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)此過程 下列說法中正確的是 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)加速上升的過程中 地板對(duì)物體的支持力所做的功等于 A 物體勢能的增加量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 在該過程中 A 重力勢能只轉(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) 下列說法正確的是 A 這個(gè)裝置可測定熱功當(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)中是通過做功來增加水的內(nèi)能 所以C選項(xiàng)正確 就物體的內(nèi)能發(fā)生變化來說 做功和熱傳遞是等效的 這是研究熱功當(dāng)量的前提 通過焦耳實(shí)驗(yàn)可測定熱功當(dāng)量 所以A選項(xiàng)正確 熱量通常是指熱傳遞 如吸熱 放熱 過程中內(nèi)能的改變量 是用來量度熱傳遞過程中物體內(nèi)能增減的多少 一個(gè)物體的內(nèi)能是無法測定的 而在某種過程中物體內(nèi)能的變化卻是可以測定的 熱量就是用來測定內(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 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 通過太陽照射飛機(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 利用磁場能可能使磁鐵所具有的磁場能轉(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能發(fā)電 一部分重力勢能通過水輪機(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)彈簧的彈性勢能為EP 彈簧處在自然長度時(shí)的彈性勢能為零 現(xiàn)繩突然斷開 彈簧推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng) 經(jīng)過多次往復(fù)運(yùn)動(dòng)后活塞靜止 氣體達(dá)到平衡狀態(tài) 經(jīng)過此過程 A EP全部轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能B EP一部分轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢能 其余部分仍為彈簧的彈性勢能C EP全部轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢能和氣體的內(nèi)能D EP一部分轉(zhuǎn)化成活塞的重力勢能 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能 解析 選D 當(dāng)繩子突然斷開時(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)最終彈簧的彈性勢能為EP 由能量守恒定律得EP EP 活塞增加的重力勢能 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 來學(xué)校和回家的路上要注意安全 同學(xué)們 來學(xué)校和回家的路上要注意安全