高中物理第七章機(jī)械能守恒定律第10節(jié)能量守恒定律與能源學(xué)案解析版新人教版必修2

第10節(jié)能守定與源一、能量守恒定律1．建立能量守恒定律的兩個重事實(shí)確認(rèn)了永動機(jī)的不可能性。發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象之間能量的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。2．內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。3．意義能量守恒定律的建立，是人類認(rèn)識自然的一次重大飛躍。它是最普遍、最重要、最可靠的自然規(guī)律之一，而且是大自然普遍和諧性的一種表現(xiàn)形式。二、能源和能量耗散1．能源與人類社會人類對能源的利用大致經(jīng)歷了三個時期，即柴薪時期、煤炭時期、石油時期。自工業(yè)革命以來，煤和石油成為人類的主要能源。2．能量耗散燃料燃燒時一旦把自己的熱量釋放出去，就不會再次自動聚集起來供人類重新利用。電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能又通過燈泡轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能，熱和光被其他物體吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些散失的能量收集起來重新利用。3．能源危機(jī)的含義在能源的利用過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能量在數(shù)量上雖未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了。4．能量轉(zhuǎn)化的方向性與節(jié)約能的必要性能量耗散反映了能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性。所以，能源的利用是有條件的，也是有代價的，所以自然界的能量雖然守恒，但還是很有必要節(jié)約能源。1．自主思考——判一判當(dāng)一個物體的能量減少時，一定有其他物體的能量增多?！?做功越多，能量的轉(zhuǎn)化也越多。(√)外力對物體不做功，這個物體就沒有能量。(×)煤、石油、天然氣屬于常規(guī)能源。√)電能、焦炭、氫能屬于一次能源。(×)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)一叫丹尼斯·(Dennis的美國人在《美國今日聞刊》等全國性報(bào)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(jī)。你認(rèn)為這種發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)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(jī)不消耗其他能量而源源不斷地產(chǎn)生電能，違背了能量守恒，因此這種發(fā)電機(jī)不能制造出來。(2)如圖所示是我國能源結(jié)構(gòu)的計(jì)圖，請根據(jù)此圖數(shù)據(jù)完成下面兩個問題：總結(jié)出我國能源結(jié)構(gòu)或能源現(xiàn)狀的規(guī)律。試著提出解決這種現(xiàn)狀的合理化建議。提示：①我國的能源結(jié)構(gòu)主要以煤為主；我國的能源消耗中不可再生能源占據(jù)的比例過大，結(jié)構(gòu)不合理；我國能源消耗中可再生能源的比例過小。②建議：節(jié)能降耗；開發(fā)新能源；開發(fā)可再生能(如太陽能、風(fēng)能等。能量守恒定律的應(yīng)用1．適用范圍能量守恒定律是貫穿物理學(xué)的基本規(guī)律，是各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律。2．表達(dá)式(1)＝，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)Δ＝，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(yīng)用步驟明確研究對象及研究過程。明確該過程中，哪些形式的能量在變化。確定參與轉(zhuǎn)化的能量中，哪些能量增加，哪些能量減少。列出增加的能量和減少的能量之間的守恒(初、末狀態(tài)能量相等的守恒)。[典例]如所示，一個粗細(xì)均勻的管內(nèi)裝有同種液體，液體質(zhì)量為m。在口右端用蓋板A密閉兩邊液面高度差為形管內(nèi)液體的總長度為4，先拿去蓋板，液體開始運(yùn)動，由于管壁的阻力作用，最終管內(nèi)液體停止運(yùn)動，則該過程中產(chǎn)生的內(nèi)能()111A.B.C.mgh1684

1D.2[審題指導(dǎo)(1)管內(nèi)液體至最終停止運(yùn)動時液體的重力勢能減小了。(2)系統(tǒng)機(jī)械能的減少量等于系內(nèi)能的改變量。[解]

去掉右側(cè)蓋板之后，液體向左側(cè)流動，最終兩側(cè)液面相平，液體的重力勢能減1少，減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。如圖所示，最終狀態(tài)可等效為右側(cè)的柱移到左側(cè)管中，2111即增加的內(nèi)能等于該液柱減少的重力勢能，則＝·h，故A正。8216[答案]A利用能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移解題的兩點(diǎn)注意能量既可通過做功的方式實(shí)現(xiàn)不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化，也可在同一物體的不同部分或不同物體間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。能量在轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)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(guān)鍵是正確分析有多少種能量變化，分析時避免出現(xiàn)遺漏。1．(多選行中的汽車制動后行一段距離，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(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象中所包含的相同的物理過程)．物體克服阻力做功．物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量．物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量．物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量解析：選AD這個現(xiàn)象中物運(yùn)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正。四個物體的運(yùn)動過程中，汽車是動能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能D正。2.（多選）一根輕彈簧，上端固，下端栓一個重物，處于靜止?fàn)顟B(tài)，如圖所示?，F(xiàn)用外力把它緩慢向下拉一段距離，則以下說法正確的()．向下拉的某段過程中，重力勢能的減少量可能大于彈性勢能的增加量．向下拉的任一段過程中，重力勢能的減少量一定小于彈性勢能的增加量．撤去拉力，重物P在一段運(yùn)動過程中，重力勢能的增加量一定等于彈性勢能的減少量．撤去拉力，重物P在段運(yùn)動過程中，重力勢能的增加量可能等于彈性勢能的減少量解析：選BD向拉的某段過中，彈簧的拉力等于重力和外力的和，重力勢能的減少量一定小于彈性勢能的增加量，故A誤B正確撤去拉力，重物P在運(yùn)動過程中，重力和222222彈簧的彈力做功，彈性勢能的減小量等于重力勢能的增加量和重物動能的增加量的和，故C錯誤；撤去拉力后，若某段運(yùn)動過程中，重的能變化量為0，則重力勢能增加量等于彈性勢能的減小量，故D正確對功能關(guān)系的理解1．功與能量的轉(zhuǎn)化不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實(shí)現(xiàn)的。做功的過程就是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化(或移)的過程，且做了多少，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn))。因此，功是能量轉(zhuǎn)化的量度。2．功與能的關(guān)系由于功是能量轉(zhuǎn)化的量度，某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉(zhuǎn)化相聯(lián)系，具體功能關(guān)系如下：功重力做功彈力做功合力做功其他力做功

正功負(fù)功正功負(fù)功正功負(fù)功正功負(fù)功

能的變化重力勢能減少重力勢能增加彈性勢能減少彈性勢能增加動能增加動能減少機(jī)械能增加機(jī)械能減少

表達(dá)式W＝E－W＝E－W＝E－W＝E－注：其他力指的是重力和系統(tǒng)內(nèi)彈力之外的力。[典例](多選豎直向上的恒力F作用質(zhì)量為m的體上，A從止開始運(yùn)動，升高h(yuǎn)，速度達(dá)到v，在這個過中，設(shè)阻力恒為。下列表述正確的是()1A．恒力F對物體做的功等于物體機(jī)械能的增量即＝mv＋21B．恒力F與阻力F對體做的功等于物體機(jī)械能的增量，(F－)＝＋mgh1C．物體所受合力的功，等于物機(jī)械能的增量，－－)＝mv＋1D．物體所受合力的功，等于物動能的增量，F(xiàn)－－mg)＝[解析]本中，施恒力F的物體是所述過程能量的總來源。速運(yùn)動過程終結(jié)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(nèi)能產(chǎn)11生，其量值為F，可見>mv，同時Fh>mv＋。選項(xiàng)B的含意為：物體所受除重力、22彈簧彈力以外的力對物體做的功等于物體機(jī)械能的增量，這個結(jié)果，通常又稱之為功能原理。選項(xiàng)D為能定理的具體表述。說表述各有不同，但都是能量守恒的具體反映。[答案]BD應(yīng)用功能關(guān)系解題的關(guān)鍵應(yīng)用功能關(guān)系解題的關(guān)鍵是深刻理解不同功能關(guān)系的含義：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；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；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；除重力和系統(tǒng)內(nèi)彈力之外的其他力做功是機(jī)械能變化的原因，其他力做多少功，機(jī)械能就增加多少。1.一盛水袋，某人從側(cè)面緩慢裝液體的袋壁使它變形至如圖所示位置，則此過程中袋和液體的重心()A．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人液體做正功，液體的機(jī)械能增加，液體緩慢移動可以認(rèn)為動能不變，重力勢能增加，重心升高，A正。．(多選)一質(zhì)量為m的體，在地面高h(yuǎn)處的加速度由靜止豎直下落到地面，下列說法中正確的()1A．物體的重力勢能減少mgh32B．物體的機(jī)械能減少31C．物體的動能增加3D．物體的重力做的功為解析：選BCD物從高落到地面的過程中，重力做的功為m，重力勢能減少，111選項(xiàng)A錯，正；物體的加度為g故合外力為，合外力做的功為，根據(jù)動能33311定理，物體的動能增加mgh，選項(xiàng)正確物體的重力勢能減少mgh，動能增加，故機(jī)械32能減少了mgh，選項(xiàng)正確。3，，摩擦力做功與能量的關(guān)系[典例]如所示，電動機(jī)帶動水平傳送帶以速度勻速動，一質(zhì)量為m的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(shù)為μ，當(dāng)小木塊與傳送帶相對靜止時，求：小木塊的位移。傳送帶轉(zhuǎn)過的路程。小木塊獲得的動能。摩擦過程產(chǎn)生的熱量。電動機(jī)帶動傳送帶勻速轉(zhuǎn)動輸出的總能量。[解析]小塊剛放上傳送帶時，速度為，受到傳送帶的滑動摩擦力作用，做勻加速直線運(yùn)動，達(dá)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(nèi)因摩擦產(chǎn)生一定的熱量。(1)對小木塊，相對滑動時，由＝，得＝μg，由＝，得小木塊與傳送帶相對靜止時所用的時間＝

vμg1v則小木塊的位移l＝at＝。22v(2)傳送帶始終勻速運(yùn)動，轉(zhuǎn)過路程s＝＝。μg1(3)小木塊獲得的動能E＝mv2

。1(4)摩擦過程產(chǎn)生的熱量Q＝μmg－l)＝。2(5)由能的轉(zhuǎn)化與守恒得，電動輸出的總能量轉(zhuǎn)化為小木塊的動能與摩擦產(chǎn)生的熱量，所以E＝＋Q＝mv。v11[答案](1)(2)(3)mv(4)(5)2μg221．摩擦力做功特點(diǎn)(1)無論是靜摩擦力還是滑動摩力，它們都可以做負(fù)功或做正功，也可以不做功。(2)互為作用力和反作用力的一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(fù)值。2．因摩擦而產(chǎn)生的內(nèi)能的計(jì)算Q＝·，中F指動摩擦力的大小x指發(fā)生摩擦的物體間的相對位移的小。1．(多選如所示，在光滑水面上放一輛小車，小車的左端放一只箱子，在水平恒力F作用，將箱子從小車右端拉出，如果第一次小車被固定于地面，第二次小車不固定，小車在摩擦力作用下可沿水平面運(yùn)動，在這兩種情況()．摩擦力大小不相等．所的功不相等．摩擦產(chǎn)生的熱量相等．箱子增加的動能相等解析：選BC小固定時，箱的位移等于小車的長度，設(shè)為L；小車不固定時，小車相對地面的位移設(shè)為，則箱子的位移為x＋。兩種情況下，滑動摩擦力F等于μmg，做的功分別為W＝FL＝(＋L)產(chǎn)生的熱量Q都于L增的動能分別為Δ＝()，Δ－)×(＋)。故選項(xiàng)B、C正確。2．足夠長的傳送帶以速度v勻傳動，一質(zhì)量為m的小體A由止輕放于傳送帶上，若小物體與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)為μ，如圖所示，當(dāng)物體傳送帶相對靜止時，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的能量()A．1C.4

B．21D.2解析：選D物A被放于傳送帶上即做勻加速直線運(yùn)動，加速＝＝μg勻加mvv速過程前進(jìn)的距離x＝＝。該時間內(nèi)傳送帶前進(jìn)的距離＝＝·＝。以物22μgμgμgvv1體相對傳送帶滑動距離Δ＝x＝產(chǎn)的內(nèi)能·Δ＝μmg＝mv，2μg2μg2D正。3．如圖所示，在光滑水平地面放置質(zhì)量＝2kg的長板，木板上表面與固定的光滑弧面相切。一質(zhì)量m＝1kg的滑塊自弧面上高h(yuǎn)處由止自由下，在木板上滑行＝1s后，滑塊和木塊以共同速度v