知識講解 能量守恒定律與能源

1、.能量守恒定律與能源【學習目的】1理解能量的概念，知道各種不同形式的能量2明確能量守恒的含義3知道能源的合理利用及能量耗散的概念【要點梳理】要點一、能量要點詮釋： 1概念：一個物體可以對外做功，我們就說這個物體具有能量如：運動的物體可以推動與其接觸的另一個物體一起向前運動，對被推動的物體做功，說明運動的物體具有能量又如流動的河水、被舉高的重物、被壓縮的彈簧、高溫高壓氣體等都能對外做功，因此都具有能量 2形式：能量有各種不同的形式運動的物體具有動能；被舉高的重物具有重力勢能；發(fā)生彈性形變的物體具有彈性勢能；由大量粒子構成的系統(tǒng)具有內能另外自然界中還存在如化學能、電能、光能、太陽能、風能、潮汐能、

2、原子能等不同形式的能 不同形式的能與物體的不同運動形式相對應，如機械能對應機械運動；內能與大量微觀粒子的熱運動相對應 3能量的轉化：各種不同形式的能量可以互相轉化，而且在轉化過程中總量保持不變也就是說當某個物體的能量減少時，一定存在其他物體的能量增加，且減少量一定等于增加量；當某種形式的能量減少時，一定存在其他形式的能量增加，且減少量一定等于增加量 4功是能量轉化的量度 不同形式的能量之間的轉化是通過做功實現(xiàn)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 如舉重運發(fā)動把重物舉起來，對重物做了功這一過程中，運發(fā)動通過做功消耗了

3、體內的化學能，轉化為重物的重力勢能并且，運發(fā)動做了多少功，就有多少化學能轉化為重力勢能能量的詳細值往往無多大意義，我們關心的大多是能量的變化量，能量的變化必須通過做功才能實現(xiàn)，某種力做功往往與某一詳細的能量變化相聯(lián)絡，即所謂功能關系力學中常見力做功與能量轉化的對應關系如下：功能的變化表達式重力做功正功重力勢能減少重力勢能變化負功重力勢能增加彈力做功正功彈性勢能減少彈性勢能變化負功彈性勢能增加合力做功正功動能增加動能變化負功動能減少除重力或系統(tǒng)內彈力外其他力做功正功機械能增加機械能變化負功機械能減少要點二、能量守恒定律要點詮釋： 1內容：能量既不會消滅，也不會產生，它只會從一種形式轉化為其他形式

4、，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化和轉移過程中，能量的總量保持不變，這個規(guī)律叫做能量守恒定律 2表達式：； 3利用能量守恒定律解題的根本思路某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加，且減少量一定和增加量相等某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等4利用能量守恒定律解題應注意的問題：該定律是貫穿整個物理學的根本規(guī)律之一，是學習物理的一條主線要分清系統(tǒng)中有多少種形式的能量，發(fā)生哪些轉移和轉化 滑動摩擦力與相對間隔 的乘積在數(shù)值上等于產生的內能，即要點三、能源要點詮釋： 指可以提供可利用能量的物質，它是人類社會活動的物質根底 1分類：從人類開發(fā)能源的歷史

5、劃分： 常規(guī)能源：已被廣泛應用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等 新能源：指目前尚未被人類大規(guī)模利用而有待進一步研究、開發(fā)和利用的能源，如核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能等 從使用分類： 一次能源：未經人工加工的能源，如煤、石油、天然氣、水能、風能、生物質能、海洋能等 二次能源：從一次能源直接或間接轉化來的能源如：電能、氫能、焦炭 從能否再生分類： 可再生能源：水流能、風能等 不可再生能源：石油、煤等 從對環(huán)境的影響分類：清潔能源也稱“綠色環(huán)保能源：太陽能、風能等 非清潔能源：煤、石油、天然氣等2常規(guī)能源和新能源的轉化方式：要點四、能源的開發(fā)要點詮釋： 1能源的開發(fā)作為常規(guī)能源的煤炭、石油、

6、天然氣等面臨枯竭，節(jié)能和開發(fā)新的能源已是人類必須面對的實際問題能源對造福人類具有極其重要的意義，節(jié)約每一份能源，不僅能進步能源的利用價值，對于維護人類賴以生存的環(huán)境也有不可無視的作用新的能源有待于人類去開發(fā)，如核能的利用、太陽能的利用等，還有許多艱辛的工作需要去做 1為什么煤、石油和天然氣被人們稱為不可再生能源? 由于煤、石油和天然氣都是幾億年以前的生物遺體形成的，所以人們也稱它們?yōu)榛剂嫌捎谶@些能源是不能再次消費，也不可能重復使用的，所以稱為非再生能源 2人類利用能源的過程及新能源的開發(fā)和利用 人類利用能源大致經歷的三個時期是：柴薪時期、煤炭時期、石油時期 有待開發(fā)和利用的新能源主要指：太

7、陽能、地熱能、風能、水能、核能 3人類與能源的關系。 能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善人類社會每一次重大的經濟飛躍和產業(yè)革命，都與新的能源和動力裝置的利用親密相關能源消耗的多少已經成為衡量一個國家或地區(qū)經濟開展程度的重要標志所以說人類離不開能源但能源的大量使用會給環(huán)境帶來極大的破壞，例如人類在利用化石燃料的過程中產生的煙塵，污染大氣，造成酸雨和溫室效應，對人類造成危害 4自然界中自發(fā)的能量的轉化和轉移具有方向性 熱量可以自發(fā)的由高溫物體傳遞給低溫物體，但不能自發(fā)的由低溫物體傳遞給高溫物體 冒出的煤煙和散開的炭灰不可能又重新組合成一堆煤炭 散失到周圍環(huán)境中的內能不能回收重新利用。2能量耗散

8、燃料燃燒時一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會自動聚集起來供人類重新利用；電池中的化學能轉化為電能，它又通過燈泡轉化為內能和光能，熱和光被其他物質吸收之后變成周圍環(huán)境的內能，我們也無法把這些內能搜集起來重新利用這種現(xiàn)象叫做能量的耗散 能量耗散說明，在能源的利用過程中，即在能量的轉化過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了這是能源危機更深層次的含意，也是“自然界的能量雖然守恒，但還是要節(jié)約能源的根本原因要點四、功能原理要點詮釋： 1. 功能原理1推導由動能定理可以知道，外力對物體做功的代數(shù)和等于物體動能的增量，可表示為：這里說的外力包括作用于物體上的全

9、部做功的力，可分為三部分：系統(tǒng)內的重力、彈力；系統(tǒng)內的摩擦力；系統(tǒng)外物體對它的作用力，那么動能定理的表達式可寫成又因為：所以有：等式的右邊為動能的增量跟勢能增量的和，即為物體機械能的增量，即：2內容表述除重力、彈簧彈力以外力對物體做功的代數(shù)和，等于物體機械能的增量。這就是功能原理。即2、功能原理與動能定理的區(qū)別與聯(lián)絡功能原理、動能定理都是“功是能量轉化的量度這一功能本質關系的表達。只是考察對象不同。動能定理考察物體動能的變化，功能原理考察物體機械能的變化，從功能原理我們知道，外力和系統(tǒng)內摩擦力做功，將引起系統(tǒng)機械能的變化，但這機械能不會消失，也不能創(chuàng)生，只是由機械能和其它形式的能之間發(fā)生轉換。

10、【典型例題】類型一、摩擦力做功與產生內能的關系例1、如下圖，A物體放在B物體的左側，用程度恒力F將A拉至B的右端，第一次B固定在地面上，F(xiàn)做功為，產生熱量為，第二次讓B在光滑地面上自由滑動，F(xiàn)做功為，產生熱量為，那么應有 A BCDFBA思路點撥：此題牽扯到摩擦力做功問題，需要考察摩擦力做功特點，并輔助動能定理加以解決。解析：當B固定時， 當B不固定時，木塊A、B的位移關系為 對A應用動能定理：對B應用動能定理：兩式相加得所以：答案：A總結升華：摩擦力做功與產生內能的關系：1靜摩擦力做功的過程中，只有機械能的互相轉移靜摩擦力起著傳遞機械能的作用，而沒有內能的產生。2滑動摩擦力做功的過程中，能量

11、的轉移由兩個方向，一是互相摩擦的物體之間機械能的轉移；二是機械能轉化為內能，轉化為內能的量值等于機械能的減少量，表達式為舉一反三【變式】在一光滑的程度面上有一長木板，質量為M，板足夠長。一質量為m、速度為的小滑塊滑上長木板，最后獲得共同速度，此時長木板挪動了的間隔 ，滑塊在木板上挪動了的間隔 ，求此過程中產生的熱量是 A B C D答案：ABC解析：對M應用動能定理：故A對。對m應用動能定理：故B選項正確。由能量守恒轉化為內能的量值等于機械能的減少量，即，故C選項正確，D錯誤。類型二、功能關系的應用例2、面積很大的水池，水深為H，水面上浮著一正方體木塊，木塊邊長為，且 a H，密度為水的，質量

12、為，開場時，木塊靜止，有一半沒入水中，如圖甲所示，現(xiàn)用力F將木塊緩慢地壓到池底，不計摩擦，求1從開場到木塊剛好完全沒入水的過程中，力F所做的功。2假設將該木塊放在底面為正方形邊長為a的盛水足夠深的長方體容器中，開場水面靜止時，水高也為H，如圖乙所示，現(xiàn)用一個向下的力F將木塊緩慢地壓到容器底部，假設水不會沉著器中溢出，不計摩擦。求全過程F所做的功。圖甲Ha圖乙H思路點撥：此題考察變力做功問題，變力做功一是應用動能定理可以求出，再就是可以根據(jù)功能關系來求出，在此題我們應用功能關系來求解。解析：1木塊靜止，有一半沒入水中，所以有=解得=因水池面積很大，可忽略因木塊壓入水中所引起的水深變化，木塊剛好完

13、全沒入水中時，圖中原來處于劃斜線區(qū)域的水被排開，結果等效于使這部分程度鋪于水面，這部分水的質量為m，其勢能的改變量為： 木塊勢能的改變量為： 根據(jù)功能關系知力F所做的功：2 因容器水面面積為2a2，只是木塊底面積的2倍，不可忽略因木塊壓入水中所引起的水深變化， 木塊向下壓，水面就升高，木塊剛好完全沒入水中時，圖乙中原來處于下方劃斜線區(qū)域的水被排開到上方劃斜線區(qū)域。由于木塊橫截面積是容器的1/2，由體積關系有2a2H+ a2=2 a2H，即2H+=2H解得H=H+，所以H=H-H=所以當木塊上底面與水面平齊時，水面上升a/4，木塊下降a/4，也就是說木塊下降a/4，同時把它新占據(jù)的下部V/4體積

14、的水重心升高3a/4，這部分水的質量為/2，其勢能的改變量為： 木塊勢能的改變量為： 由功能關系可得這一階段壓力所做的功壓力繼續(xù)把木塊壓到容器底部，在這一階段，木塊重心下降，同時底部被木塊所占空間的水重心升高，這部分水的質量為2m，其勢能的改變量為： 木塊勢能的改變量為： 由功能關來自 xkb123 系可得這一階段壓力所做的功整個過程壓力做的總功為：總結升華：用功能關系時解題，一是注意前后能量的變化，二是注意都是哪些力做了功，分別做的什么功，最后的總功是多少。舉一反三【高清課程：能量守恒定律與能源 例題4】【變式】在程度地面上平鋪n塊磚，每塊磚的質量為m，厚度為h，如將磚一塊一塊地疊放起來，至

15、少做多少功?【答案】類型三、能量轉化和守恒定律例3、行駛中的汽車制動后滑行一段間隔 ，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出亮堂的火焰；降落傘在空中勻速下降。上述不同現(xiàn)象所包含的一樣物理過程是 A物體抑制阻力做功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思路點撥：此題考察學生綜合分析才能，從假設干不同的現(xiàn)象中分析找出一樣的規(guī)律。解析：汽車主要是制動阻力，流星、降落傘是空氣阻力，因此物體都是抑制阻力做功，A對；三個物體運動過程中，汽車是動能轉化成了內能，流星、降落傘是重力勢能轉化成其他形式的能，總之是機械能轉化成了其他形式的能，D對。答案：AD總

16、結升華：自然界中各種形式的能之間都可以互相轉化，但在轉化過程中具有方向性。舉一反三【高清課程：能量守恒定律與能源 例題1】【變式】一小孩從公園中粗糙的滑梯上自由加速滑下，其能量的變化情況是 A重力勢能減小，動能不變，機械能減小，總能量減小B重力勢能減小，動能增加，機械能減小，總能量不變C重力勢能減小，動能增加，機械能增加，總能量增加D重力勢能減小，動能增加，機械能守恒，總能量不變【答案】B類型四、能量轉化與守恒定律的應用例4、飛機場上運送行李的裝置為一程度放置的環(huán)形傳送帶，傳送帶的總質量為M，其俯視圖如下圖?，F(xiàn)開啟電動機，傳送帶達穩(wěn)定運行的速度后，將行李依次輕輕放到傳送帶上。假設有n件質量均為

17、m的行李需通過傳送帶運送給旅客。假設在轉彎處行李與傳送帶無相對滑動，忽略皮帶輪、電動機損失的能量。求從電動機開啟，到運送完行李需要消耗的電能為多少?思路點撥：在此問題中必須知道“需要消耗的電能分別是什么，都是轉化為哪幾種形式的能量了，分別轉化了多少，是我們解題的關鍵。解析：設行李與傳送帶間的動摩擦因數(shù)為，那么傳送帶與行李間由于摩擦產生的總熱量由運動學公式得：又聯(lián)立解得： 由能量守恒得：所以：總結升華：在傳送帶運送行李的過程中，消耗的電能分成了三部分，一部分是傳送帶的動能，一部分是行李的動能，還有一部分是由于行李和傳送帶之間的摩擦轉化的內能，這一部分在解題時容易無視，在解決問題時要注意。舉一反三

18、【變式1】如下圖，繃緊的傳送帶與程度面間的夾角=30°，傳送帶在電動機的帶動下，始終保持v =2m/s的速率運行. 現(xiàn)把一質量為m =10kg的工件可看為質點輕輕放在傳送帶的底端，經時間t=1.9s，工件被傳送到h =1.5m的高處，取g =10m/s2求：1工件與傳送帶間的動摩擦因數(shù)；2電動機由于傳送工件多消耗的電能.解析：1圖中斜面長設工件經時間t1速度到達v，做勻加速運動的位移工件速度達v后做勻速運動的位移為 勻加速運動的加速度 工件受的支持力 由牛頓第二定律，有 解得動摩擦因數(shù) 2在時間t1內：皮帶運動位移 工件箱對皮帶位移摩擦發(fā)熱 工件增加的動能 工件增加的勢能電動機多消耗的電能解得W=230J【高清課程：能量守恒定律與能源 例題6】【變式2】某地平均風速為5 m/s，空氣密度是1.2 kg/m3，有一風車，它的車葉轉動時可形成半徑為12 m的圓面假如這個風車能將圓面內10%的氣流動能轉變?yōu)殡娔埽敲丛擄L車帶動的發(fā)電機功率是多大？ 【答案】3.4 kW.類型五、能源和能量耗散例5、以下說法正確的選項是 A煤、石油、天然氣等燃料最初來源可追溯到太陽能B汽油是一種清潔能源C水能是可再生能源D煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的思路點撥：此題考察能源與環(huán)境問題解析：煤、石油、天然氣等