2017_2018學年高中物理第四章機械能和能源第六、八節(jié)能量的轉化與守恒能源的利用與開發(fā)教學案粵教版.docx

第六、八節(jié)能量的轉化與守恒_能源的利用與開發(fā)1能量轉化與守恒定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移的過程中其總量保持不變。2能量的轉化或轉移具有方向性，能量的利用過程是不可逆的。3第一類永動機因違背能量轉化與守恒定律是不可能制造成的。4煤、石油、天然氣統(tǒng)稱為化石能源，為不可再生能源；太陽能、風能、水能為可再生能源。一、各種各樣的能量及其轉化(1)自然界中存在著機械能、內能、電能、電磁能、核能和化學能等不同形式的能量。(2)能量的存在形式多種多樣，而且不同形式的能量可以相互轉化。二、能量轉化與守恒定律(1)內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移的過程中其總量不變。這就是能量轉化與守恒定律。(2)第一類永動機違背了能量轉化與守恒定律。三、能量轉化和轉移的方向性(1)能量轉化和轉移具有方向性，如燒火生熱，化學能通過燃燒轉化為內能，但內能不會自發(fā)地重新轉化為化學能。(2)能量在被利用的過程中，總存在一定的損失，不可能100%地被利用。四、能源的利用與開發(fā)1能源及其分類(1)概念：在一定條件下能夠提供可利用能量的物質資源，都可以稱為能源。(2)分類：煤、石油、天然氣統(tǒng)稱為化石能源。一次能源：直接取之于自然界，未經人類加工轉換的能源，如煤、石油、天然氣、水能、風能、生物能、海洋能等。一次能源按是否能夠再生，分為可再生能源(水能、風能等)和不可再生能源(石油、煤等)。二次能源：從一次能源直接或間接轉化而來的能源。如：電能、氫能、焦炭等。2能源危機與環(huán)境保護(1)我國能源消耗以煤為主，約占能源消費總量的75%，且能源使用效率低。隨著我國經濟的迅速增長和大眾文化生活水平的提高，能源消耗量將急劇增加，能源的需求和供應的矛盾更為突出，能源短缺的現象更為嚴重。(2)能源的大量使用在給人類帶來文明和繁榮的同時，也給人類的生存環(huán)境帶來災難。酸雨、溫室效應、臭氧層的破壞、城市熱島效應、土壤酸性化、生態(tài)平衡的破壞等對人類已不再陌生。這些又帶來了海平面升高、暴雨和干旱增多等災害，嚴重威脅著人類及各種生物的生存。3能源的開發(fā)(1)新能源：核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能、生物能、氫能等。(2)新能源儲量豐富、清潔而無污染，開發(fā)新能源，研究清潔能源是緩解當前能源危機及保護和改善人類生存環(huán)境的有效措施。1自主思考判一判(1)當一個物體的能量減少時，一定有其他物體的能量增多。()(2)做功越多，能量的轉化也越多。()(3)外力對物體不做功，這個物體就沒有能量。()(4)煤、石油、天然氣屬于常規(guī)能源。()(5)電能、焦炭、氫能屬于一次能源。()(6)冒起的煤煙和散開的炭灰可以重新合成一堆煤炭。()2合作探究議一議(1) 一個叫丹尼斯李(Dennis Lee)的美國人在美國今日新聞周刊等全國性報刊上刊登大幅廣告，在全美各地表演，展示其號稱無需任何能源的發(fā)電機。圖461你認為這種發(fā)電機能造出來嗎？提示：不能。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的規(guī)律之一，物體間只能發(fā)生能量的轉化或轉移，但總能量不變，任何事物都不可能違背能量守恒定律。丹尼斯李發(fā)明的發(fā)電機不消耗其他能量而源源不斷地產生電能，違背了能量守恒，因此這種發(fā)電機不能制造出來。(2)圖462如圖462所示是我國能源結構的統(tǒng)計圖，請根據此圖數據完成下面兩個問題：總結出我國能源結構或能源現狀的規(guī)律。試著提出解決這種現狀的合理化建議。提示：我國的能源結構主要以煤為主；我國的能源消耗中不可再生能源占據的比例過大，結構不合理；我國能源消耗中可再生能源的比例過小。建議：節(jié)能降耗；開發(fā)新能源；開發(fā)可再生能源(如太陽能、風能等)。能量守恒定律的應用1適用范圍能量守恒定律是貫穿物理學的基本規(guī)律，是各種自然現象中普遍適用的一條規(guī)律。2表達式(1)E初E末，初狀態(tài)各種能量的總和等于末狀態(tài)各種能量的總和。(2)E增E減，增加的那些能量的增加量等于減少的那些能量的減少量。3應用步驟(1)明確研究對象及研究過程。(2)明確該過程中，哪些形式的能量在變化。(3)確定參與轉化的能量中，哪些能量增加，哪些能量減少。(4)列出增加的能量和減少的能量之間的守恒式(或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式)。典例如圖463所示，一個粗細均勻的U形管內裝有同種液體，液體質量為m。在管口右端用蓋板A密閉，圖463兩邊液面高度差為h，U形管內液體的總長度為4h，先拿去蓋板，液體開始運動，由于管壁的阻力作用，最終管內液體停止運動，則該過程中產生的內能為()A.mghB.mghC.mgh D.mgh審題指導(1)管內液體至最終停止運動時，液體的重力勢能減小了。(2)系統(tǒng)機械能的減少量等于系統(tǒng)內能的改變量。解析去掉右側蓋板之后，液體向左側流動，最終兩側液面相平，液體的重力勢能減少，減少的重力勢能轉化為內能。如圖所示，最終狀態(tài)可等效為右側h的液柱移到左側管中，即增加的內能等于該液柱減少的重力勢能，則Qmghmgh，故A正確。答案A利用能量轉化與轉移解題的兩點注意(1)能量既可通過做功的方式實現不同形式的能量之間的轉化，也可在同一物體的不同部分或不同物體間進行轉移。(2)能量在轉化與轉移過程中，能量的總量保持不變。利用能量守恒定律解題的關鍵是正確分析有多少種能量變化，分析時避免出現遺漏。1(多選)行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產生電流。上述不同現象中所包含的相同的物理過程是()A物體克服阻力做功B物體的動能轉化為其他形式的能量C物體的勢能轉化為其他形式的能量D物體的機械能轉化為其他形式的能量解析：選AD這四個現象中物體運動過程中都受到阻力作用，汽車主要受摩擦阻力，流星、降落傘受空氣阻力，條形磁鐵下落受磁場阻力，因而物體都克服阻力做功，A正確。四個物體的運動過程中，汽車是動能轉化成了內能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉化成其他形式的能，總之機械能轉化成了其他形式的能，D正確。2.如圖464所示，滑塊從A點由靜止開始沿曲面下滑，過O點后滑至右邊曲面B點時的速度恰好等于0，O點附近光滑，滑塊經過O點時不發(fā)生碰撞。若滑塊從B點以某一速度v沿原路徑往回滑，到達A點時的速度也恰好為0。求A、B兩點間的高度差。(假設滑塊從A點到B點與從B點到A點因摩擦而產生的內能相同)圖464解析：答案：對功能關系的理解1功與能量的轉化不同形式的能量之間的轉化是通過做功實現的。做功的過程就是各種形式的能量之間轉化(或轉移)的過程，且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉化(或轉移)。因此，功是能量轉化的量度。2功與能的關系由于功是能量轉化的量度，某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉化相聯(lián)系，具體功能關系如下：功能的變化表達式重力做功正功重力勢能減少WGEp1Ep2負功重力勢能增加彈力做功正功彈性勢能減少W彈Ep1Ep2負功彈性勢能增加合力做功正功動能增加W合Ek2Ek1負功動能減少其他力做功正功機械能增加W他E2E1負功機械能減少注：其他力指的是重力和系統(tǒng)內彈力之外的力。典例(多選)豎直向上的恒力F作用在質量為m的物體A上，使A從靜止開始運動，升高h，速度達到v，在這個過程中，設阻力恒為F阻。則下列表述正確的是()A恒力F對物體做的功等于物體機械能的增量，即Fhmv2mghB恒力F與阻力F阻對物體做的功等于物體機械能的增量，即(FF阻)hmv2mghC物體所受合力的功，等于物體機械能的增量，即(FF阻mg)hmv2mghD物體所受合力的功，等于物體動能的增量，即(FF阻mg)hmv2解析本題中，施恒力F的物體是所述過程能量的總來源。加速運動過程終結時，物體的動能、重力勢能均得到增加。除此之外，在所述過程中，因阻力的存在，還將有內能產生，其量值為F阻h，可見Fhmv2，同時，Fhmv2mgh。選項B的含意為：物體所受除重力、彈簧彈力以外的力對物體做的功等于物體機械能的增量，這個結果，通常又稱之為功能原理。選項D為動能定理的具體表述。雖說表述各有不同，但都是能量守恒的具體反映。答案BD應用功能關系解題的關鍵應用功能關系解題的關鍵是深刻理解不同功能關系的含義：(1)重力做功是物體重力勢能變化的原因，重力做多少功，重力勢能就減少多少；(2)彈力做功是彈簧彈性勢能變化的原因，彈力做多少功，彈性勢能就減少多少；(3)合力做功是物體動能變化的原因，合力做多少功，動能就增加多少；(4)除重力和系統(tǒng)內彈力之外的其他力做功是機械能變化的原因，其他力做多少功，機械能就增加多少。1.一個盛水袋，某人從側面緩慢推裝液體的袋壁使它變形至如圖465所示位置，則此過程中袋和液體的重心將()圖465A逐漸升高B逐漸降低C先降低再升高D始終不變解析：選A人對液體做正功，液體的機械能增加，液體緩慢移動可以認為動能不變，重力勢能增加，重心升高，A正確。2(多選)一質量為m的物體，在距地面高h處以g的加速度由靜止豎直下落到地面，下列說法中正確的是()A物體的重力勢能減少mghB物體的機械能減少mghC物體的動能增加mghD物體的重力做的功為mgh解析：選BCD物體從高h處落到地面的過程中，重力做的功為mgh，重力勢能減少mgh，選項A錯誤，D正確；物體的加速度為g，故合外力為mg，合外力做的功為mgh，根據動能定理，物體的動能增加mgh，選項C正確；物體的重力勢能減少mgh，動能增加mgh，故機械能減少了mgh，選項B正確。摩擦力做功與能量的關系典例如圖466所示，電動機帶動水平傳送帶以速度v勻速傳動，一質量為m的小木塊由靜止輕放在傳送帶上。若小木塊與傳送帶之間的動摩擦因數為，當小木塊與傳送帶相對靜止時，求：圖466(1)小木塊的位移。(2)傳送帶轉過的路程。(3)小木塊獲得的動能。(4)摩擦過程產生的熱量。(5)電動機帶動傳送帶勻速轉動輸出的總能量。解析小木塊剛放上傳送帶時，速度為0，受到傳送帶的滑動摩擦力作用，做勻加速直線運動，達到與傳送帶相同的速度后不再受摩擦力。整個過程中小木塊獲得一定的動能，系統(tǒng)內因摩擦產生一定的熱量。(1)對小木塊，相對滑動時，由mgma，得ag，由vat，得小木塊與傳送帶相對靜止時所用的時間t，則小木塊的位移lat2。(2)傳送帶始終勻速運動，轉過的路程svt。(3)小木塊獲得的動能Ekmv2。(4)摩擦過程產生的熱量Qmg(sl)mv2。(5)由能的轉化與守恒得，電動機輸出的總能量轉化為小木塊的動能與摩擦產生的熱量，所以E總EkQmv2。答案(1)(2)(3)mv2(4)mv2(5)mv21摩擦力做功特點(1)無論是靜摩擦力還是滑動摩擦力，它們都可以做負功或做正功，也可以不做功。(2)互為作用力和反作用力的一對靜摩擦力所做的總功為零；而互為作用力和反作用力的一對滑動摩擦力所做的總功一定為負值。2因摩擦而產生的內能的計算QFfx相，其中Ff指滑動摩擦力的大小，x相指發(fā)生摩擦的物體間的相對位移的大小。1如圖467所示，一滑塊從 h高處的a點沿傾斜軌道ab滑入水平軌道bc，滑塊與軌道的動摩擦因數處處相同?；瑝K在a、c兩點時的速度大小均為v，ab與bc長度相等。已知重力加速度為g，不計空氣阻力，忽略在連接處b點的能量損失。則滑塊從a 到c 的運動過程中()圖467A在ab段的加速度大于在bc段的加速度B在ab段的運動時間大于在bc段的運動時間C在ab段損失的機械能大于在bc段損失的機械能D經過b點時的速度大于 解析：選D滑塊從a到b、從b到c過程，由運動學關系得x，由于ab與bc的x相等，可得滑塊在ab段的加速度等于在bc段的加速度，選項A錯誤；由公式xt，可得滑塊在ab段的運動時間等于在bc段的運動時間，選項B錯誤；滑塊克服摩擦力做的功等于滑塊機械能的損失，設ab段的傾角為，滑塊在ab段克服摩擦力做的功為W1mgxcos ，滑塊在bc段克服摩擦力做的功為W2mgx，可見W1W2，故滑塊在ab段損失的機械能小于在bc段損失的機械能，選項C錯誤；滑塊在ab段損失的機械能E1mghmv2mvb2，在bc段損失的機械能E2mvb2mv2，由于E1E2，則有mghmv2mvb2，選項D正確。2足夠長的傳送帶以速度v勻速傳動，一質量為m的小物體A由靜止輕放于傳送帶上，若小物體與傳送帶之間的動摩擦因數為，如圖468所示，當物體與傳送帶相對靜止時，轉化為內能的能量為()圖468Amv2 B2mv2C.mv2 D.mv2解析：選D物體A被放于傳送帶上即做勻加速直線運動，加速度ag，勻加速過程前進的距離x1。該時間內傳送帶前進的距離x2vtv。所以物體相對傳送帶滑動距離xx2x1。故產生的內能Qmgxmgmv2，D正確。3如圖469所示，在光滑水平地面上放置質量M2 kg的長木板，木板上表面與固定的光滑弧面相切。一質量m1 kg的小滑塊自弧面上高h處由靜止自由滑下，在木板上滑行t1 s后，滑塊和木塊以共同速度v1 m/s勻速運動，g取10 m/s2。求：圖469(1)滑塊與木塊間的摩擦力大小Ff；(2)滑塊下滑的高度h；(3)滑塊與木板相對滑動過程中產生的熱量Q。解析：(1)對木板：FfMa1由運動學公式，有va1t，解得Ff2 N。(2)對滑塊：Ffma2設滑塊滑上木板時的速度是v0，則vv0a2t，v03 m/s。由機械能守恒定律有mghmv02，h m0.45 m。(3)根據功能關系有：Qmv02(Mm)v2132 J(12)12 J3 J答案：(1)2 N(2)0.45 m(3)3 J1一個物體沿粗糙斜面勻速滑下，則下列說法中正確的是()A物體機械能不變，內能不變B物體機械能減少，內能不變C物體機械能減少，內能增加，機械能與內能總量減少D物體機械能減少，內能增加，機械能與內能總量不變解析：選D物體沿粗糙斜面勻速滑下，由于摩擦，內能增加，機械能減少，由能量守恒可知，機械能轉化成內能，但機械能和內能的總量不變。故A、B、C錯誤，D正確。2在今年上海的某活動中引入了全國首個戶外風洞飛行體驗裝置，體驗者在風力作用下漂浮在半空。若減小風力，體驗者在加速下落過程中()A失重且機械能增加B失重且機械能減少C超重且機械能增加D超重且機械能減少解析：選B據題意，體驗者漂浮時受到的重力和風力平衡；在加速下降過程中，風力小于重力，即重力對體驗者做正功，風力做負功，體驗者的機械能減??；加速下降過程中，加速度方向向下，體驗者處于失重狀態(tài)，故選項B正確。3一質量均勻、不可伸長的繩索，重為G，A、B兩端固定在天花板上，現在最低點C處施加一豎直向下的力，將最低點緩慢拉至D點，在此過程中，繩的重心位置()圖1A逐漸升高B逐漸降低C先降低后升高 D始終不變解析：選A外力對繩索做正功，繩索的機械能增加，由于繩索的動能不變，增加的必是重力勢能，重力勢能增加是重心升高的結果，故A正確。4(多選)在最近幾年的空調市場上出現一個新寵變頻空調，據專家介紹變頻空調比定頻的要節(jié)能，因為定頻空調開機時就等同于汽車啟動時，很耗能，是正常運行的57倍?？照{在工作時達到設定溫度就停機，等溫度高了再繼續(xù)啟動。這樣的頻繁啟動，耗電多，而變頻空調啟動時有一個由低到高的過程，而運行過程是自動變速來保持室內溫度，從開機到關機中間不停機。而是達到設定溫度后就降到最小功率運行，所以比較省電。閱讀上述介紹后，探究以下說法中合理的是()A變頻空調節(jié)能，運行中不遵守能量守恒定律B變頻空調運行中做功少，轉化能量多C變頻空調在同樣工作條件下運行效率高，省電D變頻空調與定頻空調做同樣功時，消耗同樣電能解析：選CD自然界的一切過程都遵守能量守恒定律，A錯。功是能量轉化的量度，做同樣功，消耗同樣電能，B錯、D對。由變頻空調的工作特點可知省電的原理是效率高，C對。5. (多選)如圖2所示是流星在夜空中發(fā)出明亮的光焰。此時會有人在內心里許下一個美好的愿望。有些流星是外太空物體被地球強大引力吸引墜落到地面的過程中同空氣發(fā)生劇烈摩擦造成的。下列相關說法正確的是()圖2A流星同空氣摩擦時部分機械能轉化為內能B引力對流星做正功則其動能增加，機械能守恒C當流星的速度方向與空氣阻力和重力的合力不在同一直線上時，流星做曲線運動D流星物體進入大氣層后做斜拋運動解析：選AC流星同空氣摩擦時部分機械能轉化為內能，A正確；引力對流星做正功，除了重力之外還有其他力做功，機械能不守恒，B錯誤；當流星的速度方向與空氣阻力和重力的合力不在同一直線上時，流星做曲線運動，C正確，D錯誤。6(多選)懸崖跳水是一項極具挑戰(zhàn)性的極限運動，需要運動員具有非凡的膽量和過硬的技術。跳水運動員進入水中后受到水的阻力而做減速運動，設質量為m的運動員剛入水時的速度為v，水對他的阻力大小恒為F，那么在他減速下降深度為h的過程中，下列說法正確的是(g為當地的重力加速度)()A他的動能減少了(Fmg)hB他的重力勢能減少了mghmv2C他的機械能減少了FhD他的機械能減少了mgh解析：選AC在進入水中的過程中，由動能定理，mghFhEkEk，所以動能的減少量為EkEk(Fmg)h，故A正確；重力勢能的減少量等于重力所做的功，即mgh，故B錯誤；克服阻力所做的功等于機械能的減少量，即等于Fh，故C正確，D錯誤。7如圖3所示是某類潮汐發(fā)電示意圖。漲潮時開閘，水由通道進入海灣水庫蓄水，待水面升至最高點時關閉閘門(如圖甲)，落潮時，開閘放水發(fā)電(如圖乙)。設海灣水庫面積為5.0108 m2，平均潮差為3.0 m，一天漲落潮兩次，發(fā)電機的平均能量轉化效率為10%，則一天內發(fā)電的平均功率約為(海水1.0103 kg/m3，g取10 m/s2)()圖3A2.6104 kW B5.2104 kWC2.6105 kW D5.2105 kW解析：選B放水發(fā)電時，海水的重力勢能減少，其中10%轉化為電能。一天內提供的重力勢能為Ep2mgh2Vgh21.01035.01083.0101.5 J4.51013 J，則一天內發(fā)電的平均功率為P5.2104 kW。故選項B正確。8(多選)一顆子彈以某一水平速度擊中了靜止在光滑水平面上的木塊，并從中穿出。對于這一過程，下列說法正確的是()A子彈減少的機械能等于木塊增加的機械能B子彈和木塊組成的系統(tǒng)機械能的損失量等于系統(tǒng)產生的熱量C子彈減少的機械能等于木塊增加的動能與木塊增加的內能之和D子彈減少的動能等于木塊增加的動能與子彈和木塊增加的內能之和解析：選BD子彈射穿木塊的過程中，由于相互間摩擦力的作用使得子彈的動能減少，木塊獲得動能，同時產生熱量，且系統(tǒng)產生的熱量在數值上等于系統(tǒng)機械能的損失。A選項沒考慮系統(tǒng)增加的內能，C選項應考慮的是系統(tǒng)(子彈、木塊)內能的增加，C錯。9(多選)在離水平地面h高處將一質量為m的小球水平拋出，在空中運動的過程中所受空氣阻力大小恒為f，落地時小球距拋出點的水平距離為x，速率為v，那么，在小球運動的過程中()A重力做功為mghB克服空氣阻力做的功為fC落地時，重力的瞬時功率為mgvD重力勢能和機械能都逐漸減少解析：選AD重力做功為WGmgh，A正確?？諝庾枇ψ龉εc經過的路程有關，而小球經過的路程大于，故克服空氣阻力做的功大于f，B錯誤。落地時，重力的瞬時功率為重力與沿重力方向的分速度的乘積，故落地時重力的瞬時功率小于mgv，C錯誤。重力做正功，重力勢能減少，空氣阻力做負功，機械能減少，D正確。10.如圖4所示，質量為m的滑塊以一定初速度滑上傾角為的固定斜面，同時施加一沿斜面向上的恒力Fmgsin ；已知滑塊與斜面間的動摩擦因數tan ，取出發(fā)點為參考點，能正確描述滑塊運動到最高點過程中產生的熱量Q、滑塊動能Ek、勢能Fp、機械能E隨時間t和位移x關系的是()圖4解析：選C根據滑塊與斜面間的動摩擦因數tan 可知，滑動摩擦力等于重