14-3[综合训练]能量的转化和守恒.docx

第3节　能量的转化和守恒
1．如图所示，用绳子把一个铁锁悬挂起来，把铁锁拉到贴着鼻子的位置，稳定后松手，头不动，铁锁由开始位置a沿弧线ac向另一侧的最高点c运动，然后再从c往回运动。

（1）从a点到最低点b点的过程中，铁锁的动能、重力势能如何变化？

（2）铁锁摆回时，是否能碰到鼻子？为什么？

（3）在此过程中，机械能是否守恒？能量的总量是否守恒？

2．如图所示，足够高的粗糙水平桌面上静止一木块，轻质无弹性细线的一端系在木块上，另一端绕过定滑轮挂有托盘。往托盘中添加砝码后，木块向右做加速运动。在木块运动的过程中，请判断木块增加的动能Ek与砝码减少的重力势能Ep的大小关系，并通过完整分析阐述理由。（不计托盘质量、空气阻力、线与滑轮间的摩擦）

3．根据能量转化与守恒定律，在与外界没有热传递的条件下，物体内能的增加量与外界对物体做功多少相等。为了验证此规律，某兴趣小组设计了如图所示的实验：在容器里装一定质量的水，中间装上带有叶片的转轴，转轴上绕上绳子，绳子另一端通过滑轮与一重物相连。当重物下降时，绳子拉动转轴转动，带动叶片旋转，使容器里的水温度升高，结合水的比热容计算出水增加的内能，以此验证水的内能增加量与重物的重力做功多少是否相等。

（1）为了完成此实验，除已提供测量质量的电子天平外，还需要的测量工具有____________。
（2）兴趣小组在实验过程中发现，水内能的增加量小于重物做功的大小，请写出造成这种现象的一种原因：________________________。
（3）改进实验后，获得了如下数据。根据分析实验数据得到的规律，若使容器内相同质量水的温度升高2.5 ℃，则25 kg的重物需下降_______m。
实验
序号
重物质量/kg
下降高度/m
升高温度/℃
实验
序号
重物质量/kg
下降高度/m
升高温度/℃
1
20
5
0.5
4
10
10
0.5
2
20
10
1.0
5
30
10
1.5
3
20
15
1.5
6
40
10
2.0
（4）若容器中水的质量是0.2 kg，g取10 N/kg，水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，计算第2次实验中，当重物下降时，重物的重力做功转化为水的内能的效率。

【参考答案】
1．（1）【答案】从a点到b点，动能增加，重力势能减少。
【解析】物体动能的大小与物体的质量和速度有关，物体重力势能的大小与物体的质量和高度有关。从a点到b点，铁锁的高度减小，速度增大，所以重力势能减少，动能增加。
（2）【答案】铁锁摆回时不能碰到鼻子。铁锁从a点到c点和由c点返回的过程中，要克服空气阻力做功，铁锁的一部分机械能转化为内能。铁锁摆到最高点时，速度为零，动能为零，机械能全部转化为重力势能。由此可知，铁锁由c点返回后，重力势能小于铁锁在a点时的重力势能，能达到的高度小于a点的高度，即铁锁返回时不能到达a点，所以铁锁摆回时不能碰到鼻子。
（3）【答案】机械能不守恒，能量的总量守恒。
【解析】铁锁在摆动的过程中，有一部分机械能转化为内能，所以机械能不守恒；但根据能量守恒定律，整个过程中，能量的总量是守恒的。
2．【答案】不计托盘质量、空气阻力、线与滑轮间的摩擦，木块和砝码都会做加速运动，即木块增加了动能Ek，砝码增加了动能E′；木块在桌面上运动时克服摩擦力做功，将一部分机械能转化为内能Q，即增加了内能Q；砝码高度降低，重力势能减少了Ep。
根据能量守恒定律，综上可知，Ep = Ek＋E′＋Q，所以木块增加的动能Ek小于砝码减少的重力势能Ep。
3．（1）【答案】刻度尺、温度计
【解析】实验中需要用刻度尺测量重物下降的高度，用温度计测量水的初始温度和升高后的温度。
（2）【答案】滑轮存在摩擦
【解析】实验的过程中，由于滑轮存在摩擦、液体会散热等情况会损耗一部分能量，所以水内能的增加量小于重物做功的大小。
（3）【答案】20
【解析】由实验可知，20 kg的重物高度下降5 m，水温升高0.5 ℃，即1 kg的重物高度下降1 m，水温升高0.005 ℃；则25 kg的重物高度下降1 m，水温升高0.125 ℃，要使水温升高2.5 ℃，根据比例可知需要下降的高度为20 m。
（4）【答案】42%
【解析】第2次实验中，重物的重力
G = mg = 20 kg×10 N/kg = 200 N
第2次实验中，重物下降了10 m，则重力做功
W = Gh = 200 N×10 m = 2 000 J
0.2 kg的水温度升高1.0 ℃，增加的内能
Q = cm水Δt = 4.2×103 J/(kg·℃)×0.2 kg×1.0 ℃ = 840 J
重物的重力做功转化为水的内能的效率