第1章 能量

第一章机电能量转换的基本原理现代人类的生产和生活中，最主要的动力能源是电能。

实现机械能与电能转换的装置统称为机电能量转换装置．．．．．．．．，以下简称机电装置。

它们大小不一，品种繁多，按其功能的不同可分为三大类：(1)机电信号变换器．．．．．．．。

它们是实现机电信号变换的装置，是在功率较小的信号下工作的传感器，通常应用于测量和控制装置中。

例如拾音器、扬声器、旋转变压器等；(2)动铁换能器．．．．．。

它们是通电流激磁产生力，使动铁有限位移的装置。

例如继电器、电磁铁等。

常用继电器的原理图如图1-1(a)；(a) (b)图1—1把继电器作为两端口装置(3)机电能量持续转换装置．．．．．．．．．．。

例如电动机发电机等。

直流电动机的原理图加图1-2(a)。

4uf(a) (b)图1-2把直流电动机作为三端口装置机电装置实现机电能量转换的形式，大体有四种：①电致伸缩与压电效应：②磁致伸缩；③电场力；④电磁力。

前两种功率很小，又是不可逆的。

应用第三种形式——电场力来实现机电能量转换的装置称为静电式机电装置．．．．．．．，只能得到不大的力和功率。

实用上绝大多数的机电装置是应用第四种形式——电磁力来实现机电能量转换的，称为电磁式机电装．．．．．．置．。

本书以电磁式机电装置作为主要研究对象。

下面不加说明的机电装置仅指电磁式机电装置，或是电磁式与静电式两种机电装置。

它们都是由载流的电系统，可动的机械系统和作为耦合媒介与储存能量的电磁场三部分组成；队总体看，它们每个又都有固定的和可动的两大部件。

严格说，耦合电磁场应该是电场和磁场的综合体。

但在机电装置中，电频率较低，可动部件的运动速度大大低于光速，这样不仅可以忽略不计电磁辐射，认为机电装置是质量守恒的物理系统；而且可以把电场和磁场分别考虑，认为它们是彼此独立的。

因此在电磁式机电装置中耦合电磁场仅是磁场，但在静电式机电装置中耦合场仅是电场。

在分析研究时，机电装置总可以归纳成具有若干个电端5口和机械端口的装置。

基础物理学教程目录•引言•第一章：力和运动– 1.1 力的概念– 1.2 运动的描述•第二章：能量和功– 2.1 能量的概念– 2.2 功的概念•第三章：热学– 3.1 温度和热量– 3.2 热传递•第四章：力学波动– 4.1 波动的特性– 4.2 波动现象的应用引言基础物理学是自然科学中的核心学科之一，主要研究物质和能量的基本性质及其相互关系。

掌握基础物理学的理论和方法，有助于我们更好地理解自然现象、解决实际问题，甚至推动科学技术的发展。

本教程将系统介绍基础物理学的核心概念和基本原理，帮助读者建立起扎实的物理学知识基础。

第一章：力和运动1.1 力的概念力是基础物理学的核心概念之一，指导物体发生运动并改变其状态。

本节将详细介绍力的概念及其相关性质。

力可以通过力的三要素来描述，即大小、方向和作用点。

力的大小用牛顿（N）作为单位，在物理学中，力的大小通常用矢量表示，矢量的方向表示力的方向。

同时，力还有一个重要的特性：力的作用点。

力的作用点是指力作用的具体位置，不同的作用点可能会导致不同的物体运动。

例如，沿着物体的中心点施加力和沿着物体的边缘施加力，可产生不同的运动效果。

因此，了解力的作用点是理解物体运动的关键。

1.2 运动的描述运动是物理学中的基本概念之一，指物体在空间中随时间变化的位置。

本节将介绍运动的描述方法以及与运动相关的重要物理量。

在描述运动时，我们通常使用位移、速度和加速度等物理量。

位移是指物体从初始位置到最终位置所经过的路径长度，用矢量表示。

速度是指物体在单位时间内移动的位移，用矢量表示，常用的单位有米每秒（m/s）。

加速度是指物体在单位时间内速度的变化率，用矢量表示，常用的单位有米每二次方秒（m/s²）。

根据位移、速度和加速度之间的关系，我们可以通过数学方程进行运动描述。

例如，当物体做匀速运动时，位移与速度成正比，可以用简单的数学公式表示。

当物体做变速运动时，加速度的不断改变会导致速度的变化，因此需要使用更复杂的数学模型。

第一章量子力学的诞生1.1设质量为m 的粒子在谐振子势2221)(x m x V ω=中运动，用量子化条件求粒子能量E 的可能取值。

提示：利用 )]([2,,2,1,x V E m p n nh x d p -===⋅⎰ )(x V解：能量为E 的粒子在谐振子势中的活动范围为 a x ≤ （1） 其中a 由下式决定：2221)(a m x V E a x ω===。

a - 0 a x由此得 2/2ωm E a =， （2）a x ±=即为粒子运动的转折点。

有量子化条件h n a m a m dx x a m dx x m E m dx p aaaa==⋅=-=-=⋅⎰⎰⎰+-+-222222222)21(22πωπωωω得ωωπm n m nh a 22==（3）代入（2），解出 ,3,2,1,==n n E n ω （4）积分公式：c au aua u du u a ++-=-⎰arcsin22222221.2设粒子限制在长、宽、高分别为c b a ,,的箱内运动，试用量子化条件求粒子能量的可能取值。

解：除了与箱壁碰撞外，粒子在箱内作自由运动。

假设粒子与箱壁碰撞不引起内部激发，则碰撞为弹性碰撞。

动量大小不改变，仅方向反向。

选箱的长、宽、高三个方向为z y x ,,轴方向，把粒子沿z y x ,,轴三个方向的运动分开处理。

利用量子化条件，对于x 方向，有()⎰==⋅ ,3,2,1,xx xn hn dx p即 h n a p x x =⋅2 （a 2：一来一回为一个周期）a h n p x x 2/=∴,同理可得， b h n p y y 2/=, c h n p z z 2/=,,3,2,1,,=z y x n n n粒子能量⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=++=222222222222)(21c n bn an m p p p mE z y x zyxn n n z y x π ,3,2,1,,=z y x n n n1.3设一个平面转子的转动惯量为I ，求能量的可能取值。

第2课时化学反应的内能变化与焓变[核心素养发展目标] 1.变化观念：能辨识化学反应中的能量转化形式，形成能量可以相互转化的观念，理解焓变的含义、表示方法。

2.模型认知：建立从定性到定量描述化学反应中的能量变化的思维模型，掌握热化学方程式的书写方法和意义。

一、化学反应的内能变化1．内能2．用内能理解化学反应的能量变化(1)若U(反应产物)＞U(反应物)，反应吸收能量；若U(反应产物)＜U(反应物)，反应释放能量。

(2)内能变化与反应热的关系化学反应体系与环境进行能量交换的两种形式是热和功。

根据能量守恒定律，化学反应中内能的变化等于反应热和功的加和，即：ΔU＝Q＋W。

如反应前后体系体积不变且没有做电功等其他功，化学反应的反应热等于化学反应前后体系内能的变化，用公式表示：ΔU＝Q。

(3)内能变化与放热反应和吸热反应的关系如果反应后体系的内能是增加的，则Q＞0，反应吸热。

如果反应后体系的内能是减少的，则Q＜0，反应放热。

(1)化学反应体系与环境进行能量交换的形式只有热能()(2)根据能量守恒定律，化学反应中内能变化等于反应热和功的加和，即ΔU＝Q＋W()(3)内能绝对值可以通过理论计算或实验测定得知()(4)化学反应过程中内能的变化量就是反应热()答案(1)×(2)√(3)×(4)×在恒温恒容的密闭体系中，H2(g)与I2(g)反应生成HI(g)，该反应体系的内能变化如图所示(没做电功等)，解答下列问题：(1)该反应体系的ΔU______(填“＞”“＜”或“＝”，下同)0。

(2)W______0。

(3)该反应体系的反应热Q＝________。

(4)下列关于该反应的叙述正确的是________(填序号)。

①反应物的总能量比反应产物的总能量高13 kJ②破坏反应物中化学键所需的能量低于形成反应产物中化学键释放的能量③反应物化学键中储存的总能量比反应产物化学键中储存的总能量高④该反应不需要提供能量就能发生反应⑤反应开始前体系的内能等于反应物化学键中储存的总能量答案(1)＜(2)＝(3)－13 kJ(4)①②③二、化学反应的焓变1．焓与反应焓变(1)焓(2)反应焓变2．反应焓变与反应热的关系(1)对于等压条件下进行的化学反应，如果反应中物质的能量变化全部转化为热能，则反应焓。

姓名，年级：时间：第2节功和能1。

知道机械功的原理,理解使用任何机械都不能省功．2。

知道能量的定义，知道对应于不同的运动形式具有不同的能量． 3.理解功是能量转化的量度，会用能量的观点分析和解决问题．［学生用书P5]一、机械功的原理1．内容：使用任何机械时，动力对机械所做的功总是等于机械克服阻力所做的功．2．表达式：W动＝W阻＝W有用＋W额外或写成W输入＝W输出＋W损失．3．结论：功的原理是机械的基本原理,是机械做功所遵循的基本规律．实际上，使用任何机械都不能省功，反而费功．1．(1）如果考虑摩擦和机械自身的重力,功的原理就不适用了．( ）(2）实际上，使用任何几何机械都不能省功．( )(3)使用任何机械都不能既省力同时又省距离．( )提示：(1）×（2）√（3)√二、做功和能的转化1．能的概念:如果一个物体能够对别的物体做功，我们就说这个物体具有能量．2．功和能之间的关系：做功的过程就是能量转化的过程．做了多少功，就表示有多少能从一种形式转化为另一种形式．因此，功是能量转化的量度．3．机械做功的本质:做功的机械是传递能量、实现能量转化的装置．机械做功,只能将能量从一个物体转移到另一个物体,或者将一种形式的能量转化为另一种形式的能量．2．(1)能够做功的物体具有能量．( ）(2)机械能够对外做功是因为机械能够产生能量．（）(3)能量的转化并不一定需要做功来完成．( ）提示：（1）√（2)×（3)×机械功原理的理解及应用[学生用书P6］1．对功的原理表达式的理解（1)不使用机械时:W输入＝W输出（或W动＝W阻）．（2）使用机械时：W动＝W阻＝W有用＋W额外（或W输入＝W输出＋W损失）．（3)功的意义①W动＝W总表示动力对机械做的功；②W阻表示机械克服所有阻力做的功；③W有用＝W输出表示机械克服有用阻力做的功；④W额外＝W损失表示机械克服额外阻力做的功．2．“不省功"的理解(1）等于（即理想机械),是指使用机械做的功与不使用机械而直接用手所做的功是相等的．(2)大于，即费功(即非理想机械)，是指使用机械做的功比不使用机械而直接用手所做的功多．3．机械在生活中的应用（1）省力机械：千斤顶、螺丝刀、斜面、钳子、扳手、开瓶器等．(2)省位移的机械：自行车、理发剪、筷子、鱼竿等．(3）不省力也不省位移,只改变工作方式的机械：定滑轮、等臂杠杆等．命题视角1 机械功原理的理解（多选)对于机械做功,下列说法中正确是( )A．使用机械时，输入功可以大于、小于或等于机械克服阻力做的功B．使用机械时，输入功一定不能小于输出功C．使用机械时，动力对机械做的功一定不能小于输出功D．使用机械时，动力对机械做的功等于机械输出功和损失功之和[解析］根据功的原理，动力对机械做的功即输入功等于机械克服阻力所做的功，选项A 错误；而机械克服阻力所做的功包括输出功和损失功两部分，所以动力对机械做的功等于输出功和损失功之和，且一定不小于输出功,选项B、C、D正确．[答案] BCD命题视角2 机械功原理的应用如图所示,甲、乙、丙三位建筑工人用三种不同的方法把水泥从一楼运到三楼,根据图中的数据分析，这三种方法中：(1）所做的有用功分别是多少？(2)哪种方法所做的总功最多，是多少？哪种方法所做的总功最少，是多少？[解题探究] （1)题目中三种不同方法的目的是什么？（2）三种方法中有用阻力和无用阻力分别是什么力?［解析] （1）甲、乙、丙三位工人都是将重为400 N的水泥从一楼运到三楼，有用阻力相同,都为水泥的重力，故三人所做的有用功都为W有用＝G水泥h＝400×6 J＝2 400 J.(2)工人甲做的总功为W＝（G水泥＋G桶＋G人）h＝(400＋20＋400）×6 J＝4 920 J甲工人乙做的总功为W＝（G水泥＋G桶＋G滑轮)h＝(400＋20＋10)×6 J＝2 580 J乙工人丙做的总功为W＝（G水泥＋G口袋＋G滑轮)h＝（400＋5＋10）×6 J＝2 490 J丙可见，工人甲做的总功最多,为4 920 J，工人丙做的总功最少，为2 490 J。