3.3 能量守恒定律 【知識精研】高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

3.3能量守恒定律問題與思考：

讓“

飲水小鴨”

“

喝”完一口水后，直立起來。直立一會兒，又會慢慢俯下身去，再“

喝”一口，然后又會直立起來。如此循環(huán)往復(fù)......

這種“飲水小鴨”玩具是一架永動機(jī)嗎？探尋能量守恒的足跡能量的概念是人類在對物質(zhì)運動規(guī)律進(jìn)行長期探索中建立起來的。能量具有不同的形式，有描述熱運動的內(nèi)能、描述機(jī)械運動的機(jī)械能、描述光輻射的光能等。不同形式的運動都可以用能量來描述。也就是說，我們可以用能量的觀念把熱、電、光、磁等都統(tǒng)一起來描述。但在科學(xué)史上人們真正以“能量”的觀念來探索各種運動形式本質(zhì)的過程卻是非常曲折的。

1798年倫福德的實驗表明熱的本質(zhì)是運動1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象法拉第1791.09-1867.081836年蓋斯發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)放出的熱量與反應(yīng)步驟無關(guān)1841年焦耳發(fā)現(xiàn)電流的熱效應(yīng)1842年邁爾表述了能量守恒定律1843年焦耳測定做功與傳熱的關(guān)系焦耳1818-18891847年亥姆霍茲在理論上概括和總結(jié)能量守恒定律能量守恒定律1.內(nèi)容：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)化為別的形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。2.意義：能量守恒定律是自然科學(xué)長期發(fā)展和進(jìn)步的結(jié)果，是普遍、和諧、可靠的自然規(guī)律之一，它揭示了宇宙運行的內(nèi)在一致性，限制了可能性的邊界，同時也為科技創(chuàng)新提供了根本原則。從蒸汽機(jī)到量子計算機(jī)，其意義始終貫穿于人類探索和改造世界的過程中。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。

永動機(jī)不可能制成問題”欄目中的飲水小鴨不是永動機(jī)。小鴨頭部的毛氈“飲水”后，水蒸發(fā)吸熱，導(dǎo)致頭部溫度降低。上段玻璃管中的乙醚蒸氣被液化，壓強(qiáng)減小，液柱上升（圖甲），小鴨重心上移，直到小鴨傾倒。處于傾倒位置的小鴨，頭部再次被浸濕，上下玻璃球內(nèi)的氣體相通，壓強(qiáng)相等，乙醚流回下玻璃球內(nèi)（圖乙），重心下移，小鴨站立。如此循環(huán)往復(fù)?？梢?，正是因為小鴨頭部“飲水”后水不斷蒸發(fā)，吸收了察覺不到的空氣的熱量，才使小鴨能夠持續(xù)工作下去。思考與討論：

早在公元1159年左右，印度一位名為婆什迦羅的數(shù)學(xué)大師，設(shè)計了一個輪子，輪子內(nèi)有曲線凹槽裝著水銀。當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時，水銀會流向每個凹槽的底部，這樣輪子的一段永遠(yuǎn)比另一端重，這樣的不平衡會讓輪子不停地轉(zhuǎn)動。這是永動機(jī)最早的設(shè)想之一。歷史上的永動機(jī)歷史上的永動機(jī)魔輪永動機(jī)13世紀(jì)法國人亨考爾設(shè)計了一個“魔輪”，通過安裝在轉(zhuǎn)輪上的一系列懸臂實現(xiàn)永動。再后來有人將水銀換成了鋼珠，將懸臂換成了擺錘，換成了扇葉，其實都是這個不平衡結(jié)構(gòu)的變體。歷史上的永動機(jī)磁力永動機(jī)軟臂永動機(jī)磁鐵版“魔輪”歷史上的永動機(jī)永動機(jī)的思想違背了能量守恒定律，無一例外地宣布失敗，1775年法國科學(xué)院宣布“不再審查有關(guān)永動機(jī)的一切設(shè)計”。小結(jié)隨堂訓(xùn)練【例題】在焦耳實驗中，質(zhì)量為6kg的鉤碼下落2m的距離，重復(fù)實驗25次，使一輪槳葉旋轉(zhuǎn)起來以攪動0.6kg的水，若水的初始溫度為15℃，問實驗后水的溫度升高到多少?答案:16.2℃學(xué)以致用某校研究性學(xué)習(xí)小組為估測太陽對地面的輻射功率，制作了一直徑為0.2m的0℃的冰球，在環(huán)境溫度為0℃時，用黑布把冰球包裹后懸吊在彈簧測力計下放在太陽光中。經(jīng)過40min后彈簧測力計示數(shù)減少了3.49N。請你幫助這個小組估算太陽光垂直照射在某一單位面積上的輻射功率。冰的熔化熱為3.35×105J/kg，g取9.8N/kg。答案:1.58×103W/m21.有關(guān)能量守恒定律，下列說法正確的是(

)A.只適用于機(jī)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，宇宙中的能量總和不變答案:D2.(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的說法正確的是(

)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，水溫升高是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能答案:AB3.2023年5月30日，搭載神舟十六號載人飛船的長征二號F遙十六運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，下列關(guān)于能量及其轉(zhuǎn)化的說法正確的是(

)A.燃料燃燒時內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能B.火箭加速升空的過程中機(jī)械能不變C.在一定條件下各種形式的能量都可以相互轉(zhuǎn)化D.能量在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過程中總會有損耗，但能量的總量可以增加答案:C4.如圖所示，小朋友坐在滑梯上勻速下滑，在這個過程中(

)A.小朋友的機(jī)械能逐漸轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的內(nèi)能，總能量不變B.因為能量是守恒的，小朋友的機(jī)械能大小不變C.由于摩擦，小朋友的褲子溫度升高，分子的平均動能增大D.由于摩擦，小朋友滑過的滑梯溫度升高，分子的平均動能增大，

但不是其中每一個分子的動能都增大答案:ACD5.下面幾幅圖中，有關(guān)功與內(nèi)能的說法正確的是(

)A.圖甲中迅速下壓活塞，棉花會燃燒起來，說明熱傳遞可以使物體的溫度升高B.圖乙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.圖丙中降落的重物使發(fā)電機(jī)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D6.(多選)如圖，長木板A放在光滑的水平地面上，物體B以水平速度v0沖上A后，由于摩擦力作用，最后停止在木板A上，則從B沖到木板A上到相對木板A靜止的過程中，下列說法正確的是(

)A.物體B動能的減少量等于系統(tǒng)損失的機(jī)械能B.物體B克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量C.物體B損失的機(jī)械能等于木板A獲得的動能與系統(tǒng)損失的機(jī)械能之和D.摩擦力對物體B做的功和對木板A做的功的總和等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量CD7.沖擊擺實驗裝置如圖，一質(zhì)量為m的子彈以v0射入質(zhì)量為m0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，重力加速度為g)8.如圖所示，一個小鐵塊沿半徑為R=0