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高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 能量守恒定律多媒体教学ppt课件
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这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第三册3 能量守恒定律多媒体教学ppt课件，共29页。PPT课件主要包含了目录索引等内容，欢迎下载使用。
1.理解能量守恒定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。(物理观念)2.会用能量守恒定律分析解决有关问题。(科学思维)3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。(物理观念)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
一、能量守恒定律1.内容:能量既不会凭空 ,也不会凭空 ,它只能从一种形式 为其他形式,或者从一个物体 到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的 保持不变。 2.意义(1)各种形式的能可以相互 。 (2)各种互不相关的物理现象可以用 定律联系在一起。
二、永动机不可能制成1.永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。2.永动机不可能制成的原因:违背了 定律。 3.意义:正是历史上设计永动机的 ,才使后人的思考走上了正确的道路。
情境链接有一种所谓的“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。这是不是一种永动机?如果不是,你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗?
提示 不是永动机。手表戴在手上,手运动的能量一部分转化为手表的能量。
教材拓展阅读教材P57思考与讨论,想一想所有关于永动机的设计都失败了,这给我们什么样的启示?
提示 人类利用和改造自然时,必须遵循自然规律,永动机的失败促成了能量守恒定律的建立。
易错辨析(1)某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加。( )(2)能量既可以转移又可以转化,故能量的总量是可以变化的。( )(3)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。( )(4)永动机不能制成是技术还不够成熟。( )
提示能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。
提示永动机不能制成是因为其违反了能量守恒定律。
探究点一 能量守恒定律
某轻质细绳一端固定在天花板上,另一端系一质量为m的小球,如图所示。使小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动,试分析小球摆动过程中的能量转化情况。
要点提示 小球摆动过程中,重力势能和动能相互转化的同时,机械能不断地转化为内能。
1.能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能量:机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有诸如电磁能、化学能、原子能等。各种形式的能量,通过做功可以相互转化,例如:利用电炉取暖或烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升高,机械能转化为内能。2.守恒条件与某种运动形式对应的能量是否守恒是有条件的,例如:物体的机械能守恒,必须是只有重力或系统内弹力做功;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵循的基本规律。
3.能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量,从而把各种自然现象用能量规律联系起来,揭示了自然规律的多样性和统一性。(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围,从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍,它是物理学中解决问题的重要思维方法。(3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。特别提示 能量守恒定律是自然界中普遍适用的规律,凡是遇到涉及能量的转化和转移问题时可优先考虑使用其解决。
4.热力学第一定律与能量守恒定律的关系热力学第一定律ΔU=Q+W中,热传递的过程是能量的转移,一个系统转移出多少热量,另一个系统就收获多少热量,总和不变。做功的过程是机械能和内能的转化,外界对系统做了多少功,就消耗了多少机械能,同时系统也就增加了多少内能,能量是守恒的。总之,热力学第一定律其实就是能量守恒定律在热学中的体现。
【例1】 如图所示,密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部,另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳拉紧,此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡状态。经过此过程( )A.Ep全部转化为气体的内能B.Ep一部分转化成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能D.Ep一部分转化成活塞的重力势能,一部分转化为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
解析 当绳子突然断开时,活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F'共同作用,其合力向上,经多次往复运动后活塞静止时,活塞处于三力平衡状态,气体体积必减小,外力对气体做正功,由于容器绝热,气体的内能增加,而活塞最终的静止位置比初始位置高,其重力势能增加,最终弹力与另外两个力的合力平衡,弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性势能为Ep',由能量守恒定律得Ep=Ep'+活塞增加的重力势能+气体增加的内能,所以D选项正确。
1.如图所示,一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5 kg,处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm,现在在活塞上方加质量为15 kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm。g取10 m/s2,忽略大气压力及摩擦阻力的影响。求在这一过程中气体增加的内能。
答案 20 J解析 由能量守恒定律可知,内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少, ΔU=ΔE=(m+m物)gh=(5+15)×10×(50-40)×10-2 J=20 J。
探究点二 永动机不可能制成
有人设计了如图所示的“浮力永动机”,永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球,容器底部的管道内径与小球直径相等。设计者认为,左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动,管道中的小球也将被带着向上运动,一旦这个小球要上升离开管道,下一个小球就会进入管道而不使水漏出,因此永动机将永不休止地顺时针转动。你认为该“浮力永动机”能否实现永动?为什么?
要点提示 由能量守恒定律可知是不可能的。在此装置中容器最下部的球所受水的压力大,且大于容器中其他球所受的浮力之和,故无法自动向上运动。
1.第一类永动机人们把设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机械叫作第一类永动机,第一类永动机是不可能制成的。2.第一类永动机失败的原因分析如果没有外界供给能量,则有U2-U1=W,就是说,如果系统内能减少,即U2
A.一定不可能实现B.如果忽略斜面的摩擦,维尔金斯“永动机”一定可以实现C.如果忽略斜面的摩擦,铁球质量较小,磁铁磁性又较强,则维尔金斯“永动机”可以实现D.违背了能量守恒定律
解析 维尔金斯“永动机”不可能实现,因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中,磁场力对小球做正功,使小球增加了机械能;但小球下落时,同样也受到磁场力,而且磁场力做负功,这个负功与上升过程的正功相互抵消,可见,即使忽略摩擦,要想在Q处对外做功,也是没有能量来源的,所以维尔金斯“永动机”不可能实现。故选A、D。
2.玩具饮水鸟如图所示。在鸟的面前放上一杯水,用手把鸟嘴浸到水里,鸟“喝”了一口后,又直立起来。之后,无需人的干预,小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水,然后又会直立起来。就这样周而复始,小鸟不停地点头“喝”水,成为一台神奇的永动机。根据所学物理知识,试分析饮水鸟上下运动的能量来源是 。当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后,小鸟还能上下运动吗? (选填“能”或“不能”)。
解析 饮水鸟的结构如图所示,其大致原理是先在鸟嘴上滴一些水,水分蒸发吸热使得头部气压小于肚子的气压,从而使肚子中的部分液体被压入头部,使鸟的重心上移,鸟的身体变得不稳开始倾斜,倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面,从而使头部的液体又回流到肚子中,使鸟身体再回到开始时的竖直状态,而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水,之后鸟回到竖直状态后,鸟嘴的水分蒸发,重复刚才的过程。综上所述,饮水鸟上下运动的能量来源是周围空气的内能,当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后,由于不能造成头部和肚子的压强差,小鸟显然不能再上下运动了。
1.(永动机的理解)第一类永动机是不可能制成的,这是因为它( )A.不符合能量守恒定律B.做功产生的热量太少C.由于有摩擦、热损失等因素的存在D.找不到合适的材料和合理的设计方案
解析 第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功的机器,故违背了能量守恒定律。
2.(能量守恒定律的理解)(多选)下列关于能量转化现象的说法正确的是( )A.用太阳灶烧水是光能转化为内能B.风车发电是风的动能转化为电能C.核电站发电是电能转化为内能D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里,水温升高是动能转化为内能
解析 C选项中是核能转化为电能,D选项中是化学能转化为内能,A、B选项正确。
3.(能量守恒定律)汽车关闭发动机后,沿斜面匀速下滑的过程中( )A.汽车的机械能守恒B.汽车的动能和势能相互转化C.汽车的机械能转化成内能,汽车的总能量减少D.汽车的机械能逐渐转化为内能,汽车的总能量守恒
解析 汽车能匀速下滑,一定受阻力作用,克服阻力做功,机械能转化为内能,一部分内能散发出去,汽车的总能量减少。
4.(能量守恒定律)(多选)(2023山东青岛平度高二月考)如图所示,汽缸放置在水平地面上,质量为m 的活塞将汽缸分成甲、乙两气室,两气室中均充有气体,汽缸、活塞均绝热且不漏气。开始时活塞被销钉固定,现将销钉拔掉,活塞最终静止在原位置下方h 处,设活塞移动前后甲气室中气体内能的变化量为ΔE,不计气体重心改变的影响,重力加速度为g,下列说法正确的是( )A.甲气室中气体体积减小,温度升高B.ΔE>mghC.ΔE
1.理解能量守恒定律,知道能量守恒定律是自然界普遍遵循的基本规律。(物理观念)2.会用能量守恒定律分析解决有关问题。(科学思维)3.知道什么是第一类永动机及其不可能制成的原因。(物理观念)
基础落实·必备知识全过关
重难探究·能力素养全提升
学以致用·随堂检测全达标
一、能量守恒定律1.内容:能量既不会凭空 ,也不会凭空 ,它只能从一种形式 为其他形式,或者从一个物体 到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的 保持不变。 2.意义(1)各种形式的能可以相互 。 (2)各种互不相关的物理现象可以用 定律联系在一起。
二、永动机不可能制成1.永动机:不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机器。2.永动机不可能制成的原因:违背了 定律。 3.意义:正是历史上设计永动机的 ,才使后人的思考走上了正确的道路。
情境链接有一种所谓的“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。这是不是一种永动机?如果不是,你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗?
提示 不是永动机。手表戴在手上,手运动的能量一部分转化为手表的能量。
教材拓展阅读教材P57思考与讨论,想一想所有关于永动机的设计都失败了,这给我们什么样的启示?
提示 人类利用和改造自然时,必须遵循自然规律,永动机的失败促成了能量守恒定律的建立。
易错辨析(1)某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加。( )(2)能量既可以转移又可以转化,故能量的总量是可以变化的。( )(3)违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。( )(4)永动机不能制成是技术还不够成熟。( )
提示能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。
提示永动机不能制成是因为其违反了能量守恒定律。
探究点一 能量守恒定律
某轻质细绳一端固定在天花板上,另一端系一质量为m的小球,如图所示。使小球在竖直平面内摆动,经过一段时间后,小球停止摆动,试分析小球摆动过程中的能量转化情况。
要点提示 小球摆动过程中,重力势能和动能相互转化的同时,机械能不断地转化为内能。
1.能量的存在形式及相互转化各种运动形式都有对应的能量:机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有诸如电磁能、化学能、原子能等。各种形式的能量,通过做功可以相互转化,例如:利用电炉取暖或烧水,电能转化为内能;煤燃烧,化学能转化为内能;列车刹车后,轮子温度升高,机械能转化为内能。2.守恒条件与某种运动形式对应的能量是否守恒是有条件的,例如:物体的机械能守恒,必须是只有重力或系统内弹力做功;而能量守恒定律是没有条件的,它是一切自然现象都遵循的基本规律。
3.能量守恒定律的重要意义(1)找到了各种自然现象的公共量度——能量,从而把各种自然现象用能量规律联系起来,揭示了自然规律的多样性和统一性。(2)突破了人们关于物质运动的机械观念的范围,从本质上表明了各种运动形式之间相互转化的可能性。能量守恒定律比机械能守恒定律更普遍,它是物理学中解决问题的重要思维方法。(3)具有重大实践意义,即彻底粉碎了永动机的幻想。特别提示 能量守恒定律是自然界中普遍适用的规律,凡是遇到涉及能量的转化和转移问题时可优先考虑使用其解决。
4.热力学第一定律与能量守恒定律的关系热力学第一定律ΔU=Q+W中,热传递的过程是能量的转移,一个系统转移出多少热量,另一个系统就收获多少热量,总和不变。做功的过程是机械能和内能的转化,外界对系统做了多少功,就消耗了多少机械能,同时系统也就增加了多少内能,能量是守恒的。总之,热力学第一定律其实就是能量守恒定律在热学中的体现。
【例1】 如图所示,密闭绝热容器内有一绝热的具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁间的摩擦忽略不计。置于真空中的轻弹簧一端固定于容器的底部,另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳拉紧,此时弹簧的弹性势能为Ep(弹簧处在自然长度时的弹性势能为零)。现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡状态。经过此过程( )A.Ep全部转化为气体的内能B.Ep一部分转化成活塞的重力势能,其余部分仍为弹簧的弹性势能C.Ep全部转化成活塞的重力势能和气体的内能D.Ep一部分转化成活塞的重力势能,一部分转化为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能
解析 当绳子突然断开时,活塞受弹簧的弹力F、活塞的重力G、封闭气体对活塞向下的压力F'共同作用,其合力向上,经多次往复运动后活塞静止时,活塞处于三力平衡状态,气体体积必减小,外力对气体做正功,由于容器绝热,气体的内能增加,而活塞最终的静止位置比初始位置高,其重力势能增加,最终弹力与另外两个力的合力平衡,弹簧仍有形变。设最终弹簧的弹性势能为Ep',由能量守恒定律得Ep=Ep'+活塞增加的重力势能+气体增加的内能,所以D选项正确。
1.如图所示,一个质量为20 kg的绝热汽缸竖直放置,绝热活塞的质量为5 kg,处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm,现在在活塞上方加质量为15 kg的物体,待稳定后,被封闭气体的高度变为40 cm。g取10 m/s2,忽略大气压力及摩擦阻力的影响。求在这一过程中气体增加的内能。
答案 20 J解析 由能量守恒定律可知,内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少, ΔU=ΔE=(m+m物)gh=(5+15)×10×(50-40)×10-2 J=20 J。
探究点二 永动机不可能制成
有人设计了如图所示的“浮力永动机”,永动机的传动绳上均匀地固定了许多密度小于水的小球,容器底部的管道内径与小球直径相等。设计者认为,左边容器里的小球受到浮力的作用向上运动,管道中的小球也将被带着向上运动,一旦这个小球要上升离开管道,下一个小球就会进入管道而不使水漏出,因此永动机将永不休止地顺时针转动。你认为该“浮力永动机”能否实现永动?为什么?
要点提示 由能量守恒定律可知是不可能的。在此装置中容器最下部的球所受水的压力大,且大于容器中其他球所受的浮力之和,故无法自动向上运动。
1.第一类永动机人们把设想中的不需要任何动力或燃料,却能不断地对外做功的机械叫作第一类永动机,第一类永动机是不可能制成的。2.第一类永动机失败的原因分析如果没有外界供给能量,则有U2-U1=W,就是说,如果系统内能减少,即U2
A.一定不可能实现B.如果忽略斜面的摩擦,维尔金斯“永动机”一定可以实现C.如果忽略斜面的摩擦,铁球质量较小,磁铁磁性又较强,则维尔金斯“永动机”可以实现D.违背了能量守恒定律
解析 维尔金斯“永动机”不可能实现,因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中,磁场力对小球做正功,使小球增加了机械能;但小球下落时,同样也受到磁场力,而且磁场力做负功,这个负功与上升过程的正功相互抵消,可见,即使忽略摩擦,要想在Q处对外做功,也是没有能量来源的,所以维尔金斯“永动机”不可能实现。故选A、D。
2.玩具饮水鸟如图所示。在鸟的面前放上一杯水,用手把鸟嘴浸到水里,鸟“喝”了一口后,又直立起来。之后,无需人的干预,小鸟直立一会儿就会自己俯下身去使鸟嘴浸入水中“喝”水,然后又会直立起来。就这样周而复始,小鸟不停地点头“喝”水,成为一台神奇的永动机。根据所学物理知识,试分析饮水鸟上下运动的能量来源是 。当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后,小鸟还能上下运动吗? (选填“能”或“不能”)。
解析 饮水鸟的结构如图所示,其大致原理是先在鸟嘴上滴一些水,水分蒸发吸热使得头部气压小于肚子的气压,从而使肚子中的部分液体被压入头部,使鸟的重心上移,鸟的身体变得不稳开始倾斜,倾斜的过程中肚子中的玻璃管口脱离液面,从而使头部的液体又回流到肚子中,使鸟身体再回到开始时的竖直状态,而刚才倾斜的过程中鸟嘴刚好又沾到了水,之后鸟回到竖直状态后,鸟嘴的水分蒸发,重复刚才的过程。综上所述,饮水鸟上下运动的能量来源是周围空气的内能,当饮水鸟的嘴不能再“喝”到水后,由于不能造成头部和肚子的压强差,小鸟显然不能再上下运动了。
1.(永动机的理解)第一类永动机是不可能制成的,这是因为它( )A.不符合能量守恒定律B.做功产生的热量太少C.由于有摩擦、热损失等因素的存在D.找不到合适的材料和合理的设计方案
解析 第一类永动机是指不消耗能量而且还能对外做功的机器,故违背了能量守恒定律。
2.(能量守恒定律的理解)(多选)下列关于能量转化现象的说法正确的是( )A.用太阳灶烧水是光能转化为内能B.风车发电是风的动能转化为电能C.核电站发电是电能转化为内能D.生石灰放入盛有凉水的烧杯里,水温升高是动能转化为内能
解析 C选项中是核能转化为电能,D选项中是化学能转化为内能,A、B选项正确。
3.(能量守恒定律)汽车关闭发动机后,沿斜面匀速下滑的过程中( )A.汽车的机械能守恒B.汽车的动能和势能相互转化C.汽车的机械能转化成内能,汽车的总能量减少D.汽车的机械能逐渐转化为内能,汽车的总能量守恒
解析 汽车能匀速下滑,一定受阻力作用,克服阻力做功,机械能转化为内能,一部分内能散发出去,汽车的总能量减少。
4.(能量守恒定律)(多选)(2023山东青岛平度高二月考)如图所示,汽缸放置在水平地面上,质量为m 的活塞将汽缸分成甲、乙两气室,两气室中均充有气体,汽缸、活塞均绝热且不漏气。开始时活塞被销钉固定,现将销钉拔掉,活塞最终静止在原位置下方h 处,设活塞移动前后甲气室中气体内能的变化量为ΔE,不计气体重心改变的影响,重力加速度为g,下列说法正确的是( )A.甲气室中气体体积减小,温度升高B.ΔE>mghC.ΔE
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