千古探寻守恒量
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午 操寻寻恒量 。江苏省东海县第二中学王克亮 在物理变化的过程中．常存在着某些不变的关系或 不变的量，在讨论一个物理变化过程时，对其中的各个量 或量的变化关系进行分析．寻找到整个过程中或过程发 生前后存在着的不变关系或不变的量．则成为研究这一 变化的过程的中心。这就是物理学中最常用到的一种思 维方法——守恒法 守恒定律从一个侧面揭示了自然界中某一物理量不 能创造．不能消灭．只能传递或由一种形式转化为另一种 形式的客观本质 Ｉ 追寻守恒 缘由 牛顿运动定律阐明了自然界中的前因后果关系．人 们还可用它预见一些简单事物的未来。但是物理学研究 的是多姿多彩的自然界，面对自然界的千变万化，如果都 用牛顿定律来研究，有时存在很大的困难，因此我们迫切 需要找到解决问题的新途径。 Ｉ追寻守恒ｌ 述 自然界中存在着多种守恒的因素。长期以来，人们为 追寻守恒量做出了不懈的努力 早在力学初步形成时就 已有了能量守恒思想的萌芽。例如，伽利略研究斜面问题 和摆的运动．惠更斯研究完全弹性碰撞等都涉及能量守 恒问题 永动机不可能实现的历史教训．从反面提供了能量 守恒的例证，成为导致建立能量守恒原理的重要线索 另外，在化学、生物学、热学、电磁学等方面，科学家们 也做了大量的研究工作，德国的迈尔、赫姆霍兹和英国的 焦耳都对能量转化与守恒定律做出过明确的叙述 能量 转化与守恒定律是自然界基本规律之一。恩格斯对这一 规律的发现给予了崇高的评价．把它和达尔文进化论及 细胞学说并列为三大自然发现 人们在研究静电现象时，由摩擦起电、感应带电、接 触起电的过程分析得到了电荷守恒定律。 在中学物理中．涉及到的守恒问题主要有能量守恒、 机械能守恒和电荷守恒。
１．机械能守恒定律 在系统内只有重力做功或弹簧弹力做功的情况下． 物体的动能和势能发生相互转化．但机械能的总量保持 不变。 ０量 如图１所示，试以伽利略斜面理想实验为例， 说明不同形式的机械能之间可以相互转化．且转化过程 中能的总量保持不变。
图１ 在伽利略的斜面理想实验中，当小球从斜面 滚下时，小球的高度在降低，而速度却在增大，小球的势 能转化为动能：当小球滚上另一斜面时．小球的高度在增 加，而速度却在减小，小球的动能又转化为势能。小球能 达到与起始点相同的高度，说明在转化过程中．能的总量 保持不变 （ 点评伽并 略斜面理想实验－说明：不同形式的机械 能之间可以相互转化。转化过程中能的总量保持不变。 ０２试说明下列物体的机械能转化情况，转化过 程中机械能的总量是否保持不变？ （１）将石子竖直上抛，石子上升到最高点后又落回原处； （２）小球落到竖直放置的弹簧上．并将弹簧压缩。 脚（１）石子上升阶段，高度增加，速度减小，石 子的动能向势能转化；石子下落阶段，高度降低，速度增 大．石子的势能向动能转化。若不考虑空气阻力，石子在 空中运动的全过程中机械能的总量保持不变 （２）小球下落过程中，在接触弹簧前，高度降低，速度 增大，小球的势能向动能转化；在接触弹簧到弹簧弹力与 小球重力相等的过程中，高度降低，速度继续增大，弹簧 被压缩．小球的势能向动能和弹簧的势能转化；在小球继 续下落的过程中．小球高度降低。速度减小，弹簧进一步 被压缩．小球的势能和动能向弹簧的势能转化。若不考虑 空气阻力。小球与弹簧的机械能总量保持不变。 点许分析 化情况 这是分析不．同移式酶执凝熊 褥姆倦罐蕊 蒸础 ２．能量守恒定律 能量既不会消灭．也不会创生．它只会从一种形式转 化为其他形式．或者从一个物体转移到另一个物体。而在 转化和转移的过程中。能量的总量保持不变。这就是能量 守恒定律 ｏ３约在１６７０年，英国赛斯特城的主教约翰．维尔 金斯设计了一种磁力“永动机”．如图２所示，在斜坡顶上 放一块强有力的磁铁．斜坡上端有一个ｄ，：ｆＬ，斜面下有一 个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在 斜坡底放一个小铁球．那么由于磁铁的吸引，小铁球就会 向上运动．当小球运动到小孔Ｐ处时，它就要掉下，再沿着 斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端ｐ，由于有速度而可以对 外做功．然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔Ｐ处又掉下。 在以后的二百多年里．维尔金斯的“永动机”居然改 头换面地出现过多次．其中一次是在１８７８年，即在能量转 化和守恒定律确定２０年后．而且竞在德国取得了专利权！ 图２ 请你分析一下．维尔金斯的“永动机”能实现吗？ 维尔金斯的“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，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提 供能量．所以维尔金斯“永动机”不可能实现。 点评 阿一部机器．只 而不能无中生
ｏ４试说明下列现象中能量是怎样转化的： Ａ．在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度 越来越小，最后停止。 Ｂ．电风扇通电后开始转动．断电后转动着的风扇又慢 慢停下来。 Ｃ．火药爆炸产生燃气．子弹在燃气的推动下从枪膛发 射出去．射穿一块钢板。速度减小。 Ｄ．用柴油机带动发电机发电．供给电动水泵抽水。把 水从低处抽到高处。 爨 Ａ．在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之 后，速度越来越小，最后停止。这一过程中，汽车所受的阻 力做负功，机械能转化为内能。 Ｂ．电风扇通电后开始转动．电流做功，电能转化为机 械能．有一部分转化为内能：断电后转动着的风扇又慢慢 停下来．阻力做负功，机械能转化为内能。 Ｃ．火药爆炸产生燃气．化学能转化为内能：子弹在燃 气的推动下从枪膛发射出去．推力做功，内能转化为机械 能；子弹射穿一块钢板，速度减小，阻力做负功，机械能转 化为内能。 Ｄ．用柴油机带动发电机发电，化学能转化为机械能， 又转化为电能：发电机发电后供给电动水泵抽水，电流做 功．电能转化为机械能；电动水泵把水从低处抽到高处， 水泵对水做功，使水泵的机械能传递给水。 点评
持不变。 ３．电荷守恒定律 电荷守恒定律：电荷既不能创造，也不能消灭，只能 从一个物体转移到另一个物体．或者从物体的一部分转 移到另一部分．在转移的过程中，电荷的总量保持不变。 ■ ５ 毛皮与橡胶棒摩擦后，毛皮带正电，这是因为 （ ） Ａ．毛皮上的一些电子转移到橡胶棒上 Ｂ．毛皮上的一些正电荷转移到橡胶棒上 Ｃ．橡胶棒上的一些电子转移到毛皮上 Ｄ．橡胶棒上的一些正电荷转移到毛皮上 鼢 中性的物体若缺少了电子就带正电，若多余 了电子就带负电 由于毛皮的原子核束缚电子的本领比 橡胶棒弱，在摩擦的过程中，毛皮上的一些电子转移到橡 胶棒上，缺少了电子的毛皮带正电。而正电荷是原子核内 的质子，不能自由移动，所以Ａ项正确。 点许 另一个物体上，并没有创造电。 ｏ船如图３所示， 、 、ｃ是三个安装在绝缘支架上 的金属体，其中Ｃ球带正电，Ａ、 两个完全相同的枕形导体 不带电。 图３ （１）如何悦４带负电、 特等量的正电？ （２）如何倪４、Ｂ都带等量负电７ ．（３）如何侥４、Ｂ都带等量正电？ （４）上述的三个过程中是创造了电荷吗？ 隧 （１） 曰紧密靠拢，让Ｇ靠近Ａ，则在Ａ端感应 出负电荷。曰端感应出等量正电荷，马上把Ａ与曰分开后，Ａ 带负电，Ｂ带等量的正电（注意此过程是先３－￣ＡＢ，后移Ｃ）。 （２）把Ａ 紧密靠拢，让Ｃ靠近Ａ。则在Ａ端感应出负电 荷。 端感应出等量正电荷，再用手摸一下Ａ或Ｂ，则Ｂ所带 的正电荷就被中和．而Ａ端的负电荷不变．移去Ｃ以后再把 Ａ与８分开．则Ａ和曰就带等量负电荷（注意此过程是先移 Ｃ，后分ＡＢ）。 （３）把ＡＢ紧密靠拢，让Ｃ靠近Ａ，则在Ａ端感应出负电 荷． 端感应出等量正电荷．把Ａ与 分开后再用手摸一下 Ａ，则Ａ所带的负电荷就被中和，再把Ａ与Ｂ接触一下。Ａ和Ｂ 就带等量正电荷。 （４）没有。电荷既不能创造，也不能消灭，只能从一个 物体转移到另一个物体．或者从物体的一部分转移到另
１．能量守恒解读“明珠线” ■ ７ 随着人类能量消耗的迅速增加，如何有效地
提高能量利用率是人类所面临的一项重要任务。如图４是 上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案．与站台连接的轨 道有一个小的坡度。请你从提高能量利用效率的角度，分 析这种设计的优点。
图４ 列车进站时，利用上坡使部分动能转化为重 力势能，减少因为刹车而损耗的机械能；列车出站时利用 下坡把储存的重力势能又转化为动能，起到节能作用。 口点许
２．能量守恒解读“风力发电” ｏ８ ２０１０年２月２２日，上海东海大桥风力发电示范
工程第３２、３３标号的风机在拖轮拖带下由海事局巡逻艇护 航．历时ｔ＝６ ｈ在海上“行走”约ｓ＝５４ ｋｍ．安全抵达海上风电 场施工吊装现场，如图５所示。风电是利用风能使风机的 叶片转动。带动发电装置发电的。该风电场共有３４台发电 风机，总装机容量电功率为 １．０２ｘｌ０５ｋＷ，每台风机每年 正常工作的时间约为Ｔ＝２￣１０３ｈ。试估算以下问题： 圈５ （１）假设风机被拖轮匀速拖动，拖轮的输出功率为
：４×１０ ｗ．则第３２、３３标号的风机被拖动时受到的阻力为 多大？ （２）假设风能转换为电能的效率为叼＝０．５，则每台风机 每年利用的自然界风能为多少？ （３）风力发电可有效推进低碳排放，假设一台风机利 用风力每发ｌ度电，相当于节约用煤ｍ＝０．３ ｋｇ，则一台风机 正常工作时每年可节约多少煤？
猢（Ｉ）风机的移动速度 ＝ ｔ： ｍ／ｓ＝２５ｍ／ｓ
受到的阻力厂－ ：—４ｘ—１０４ Ｎ
：１．６×１０４ Ｎ
口 ２．５
（２）每台风机的输入功率Ｐ风＝ ＝ １０ Ｗ 每台风机每年利用的风能Ｅ ＝ＰＴ＝６ｘ１０６ｘ７．２￣１０６ Ｊ＝ ４．３２ｘ１０ Ｊ （３）一台风机的发电功率 ＝ ｗ＿３×ｌ０６Ｗ
一台风机正常工作时每年可节约用 Ｍ＝ＰｏＴｍ＝３ｘ １０ ｘ２ｘ１０３ｘ０．３ ｋｇ＝１．８￣１０６ ｋｇ 点许像本题中水力发电、风力发电 瀑布和潮汐 能等发电现象都是紧密联系生活生 产的好素材 也是考 查的热 最问题。¨¨这些流体类物质在 能量转化过程， 建立对应模型，它们的相同点与伛剐点是大家学 分清楚的。
３．能量守恒解读家用电器 ｏ９下面列出了不同品牌的电视机、电风扇、空调
机和电冰箱铭牌上的主要项目，试判断（ ） ５４ ｃｍ彩色电视 机工作电压 １７０ Ｖ一２４０ Ｖ 工作频率５０ Ｈｚ 额定功率８５Ｗ Ａ ＢＣ一６５Ｂ电冰箱 额定电压２２０ Ｖ 工作频率５０ Ｈｚ 额定功率７Ｏ Ｗ 耗电量０．５０ ｋＷ・ Ｉ ２４ ｈ Ｂ ＫＦＲ一３３ＧＷ空词 机 额定电压２２０ Ｖ 工作频率５０ 制冷／制热电流： ６．２Ａ／６．２Ａ Ｄ （１）正常工作时，其中功率最大的是（ ） （２）根据铭牌上提供的信息，判断在１２小时内正常使 用的电冰箱与连续运转的电风扇消耗电能的情况是 （ ） Ａ．电冰箱比电风扇多 Ｂ．电风扇比电冰箱多 Ｃ．电风扇与电冰箱一样多 Ｄ．电冰箱比电风扇可能多．也可能少 灞 由表格（铭牌）数据知，正常工作时电视机功 率为８５ ｗ，电冰箱的功率为７０ Ｗ，电风扇的功率为６５ Ｗ，空 调机的功率为Ｐ＝Ｕ／＝１ ３６４ Ｗ．因此．功率最大的是空调 机，故第（１）小题中Ｄ对。依据电冰箱铭牌可知，冰箱在１２ 小时内耗电０．２５ ｋＷ・ｈ．而电风扇在１２／］＇时内耗电Ｗ＝Ｐｔ＝ ０．７８ ｋＷ・ｈ，故第（２）小题中Ｂ项正确。 答案：（１）Ｄ；（２）Ｂ。 点许针对上述信息题的特点可知，同学们要多看 课外书籍，扩大知识面、，开阔视野和思维空间。要重视各 学科知识的相互渗透、相互融合荔 善于把相荧的跨学科知 识归类、梳理。以“点（ 热 点。 带“面 （知识面）”。 ４．电荷守恒解读微观粒子 ◇Ｉｏ已知盯＋介子、耵一介子都是由一个夸克（夸克 或夸克ｄ）和一个反夸克（反夸克 或反夸克ａ）组成的，它们 的带电量如下表所示，表中ｅ为元电荷。
