高中物理2案：第七章 13 能量守恒定律與能源 含解析

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學案13能量守恒定律與能源［學習目標定位]1.了解各種不同形式的能，知道能量守恒定律確立的兩類重要事實.2.能夠敘述能量守恒定律的內容，會用能量守恒的觀點分析、解釋一些實際問題.3。了解能量耗散，知道能源短缺和環(huán)境惡化問題，增強節(jié)約能源和環(huán)境保護意識．一、能量守恒定律1．建立能量守恒定律的兩個重要事實:(1)確認了永動機的不可能（選填“可能”或“不可能”)性．（2）發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象之間能量的相互聯(lián)系和轉化．2．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別的物體,在轉化或轉移的過程中,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．電池中的化學能轉化為電能,電能又通過燈泡轉化成內能和光能，熱和光被其他物質吸收之后變成周圍環(huán)境的內能，我們無法把這些散失的能量收集起來重新利用．3．能源危機的含義：在能源的利用過程中,即在能量的轉化過程中，能量在數(shù)量上雖未減少,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．4．能量轉化的方向性與節(jié)約能源的必要性：能量耗散反映了能量轉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.一、能量守恒定律［問題設計]1．在驗證機械能守恒定律的實驗中，重物帶著紙帶下落時，計算結果發(fā)現(xiàn)，減少的重力勢能的值大于增加的動能的值，即機械能的總量在減少．原因就是存在紙帶和打點計時器之間的摩擦力和空氣的阻力等．是不是考慮了各種摩擦和阻力后這部分能量就消失了呢？答案不是．它轉化成了機械能以外的其他形式的能量,除重力或彈力做功外,其他任何力對物體做功使物體的機械能增加或減少的過程,實質上都是其他形式的能與機械能相互轉化的過程，在轉化的過程中，能的總量是不變的．這是大自然的一條普遍規(guī)律,而機械能守恒定律只是這一條普遍規(guī)律的一種特殊情況．2．請說明下列現(xiàn)象中能量是如何轉化的？(1)植物進行光合作用．（2)放在火爐旁的冰融化變熱．（3)電流通過燈泡,燈泡發(fā)光．答案(1)光能轉化為化學能．(2）內能由火爐轉移到冰．(3）電能轉化為光能．[要點提煉]1．能量守恒定律的理解某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加,且減少量和增加量一定相等．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．2．能量守恒定律的表達式（1)從不同狀態(tài)看，E初＝E終．(2）從能的轉化角度看，ΔE增＝ΔE減．（3）從能的轉移角度看，ΔEA增＝ΔEB減．二、能源和能量耗散[問題設計]既然能量是守恒的，不可能消滅,為什么我們還要節(jié)約能源？答案在能量的轉化和轉移過程中，能的總量是守恒的，但能量的品質卻降低了，即可被人直接利用的能減少了．［要點提煉］1．能源:指能夠提供可利用能量的物質，它是人類社會活動的物質基礎．2．能量耗散:流散的內能無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象．（1）能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉化過程中，能量在數(shù)量上雖未減少，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．這是能源危機的深層次的含意，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．（2)能量的耗散從能量轉化的角度反映出自然界中宏觀過程的方向性．三、功能關系的理解1．功和能的關系可以從以下兩個方面來理解：(1）不同形式的能量之間的轉化通過做功來實現(xiàn)，即做功的過程就是能量轉化的過程；（2）做了多少功就有多少能量從一種形式轉化為另一種形式，即能量轉化的多少可用做功的多少來量度．2．常用的幾種功能關系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WG＝－ΔEp＝Ep1－Ep2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W彈＝－ΔEp＝Ep1－Ep2負功彈性勢能增加合力做功正功動能增加動能變化W合＝ΔEk＝Ek2－Ek1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W其他＝ΔE＝E2－E1負功機械能減少兩物體間滑動摩擦力對物體系統(tǒng)做功內能變化Ffx相對＝Q注意功和能的本質不同,并且功和能也不能相互轉化，而只能是通過做功實現(xiàn)能量的轉化．一、對能量守恒定律的理解例1下列關于能量守恒定律的認識正確的是(）A．某種形式的能減少,一定存在其他形式的能增加B．某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機械——永動機不可能制成D．石子從空中落下，最后靜止在地面上，說明機械能消失了解析根據能量守恒定律可知，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失．能量只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到其他物體,A、B對，D錯．永動機違背了能量守恒定律，故它不可能制造出來，C對．答案ABC二、能量守恒定律的應用例2如圖1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，兩邊液面高度差為h，U形管內液體的總長度為4h，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（)圖1A。eq\f（1，16)mgh B。eq\f（1,8）mghC。eq\f(1，4)mgh D.eq\f(1，2）mgh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eq\f(1,2）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Q＝eq\f(1,8)mg·eq\f（1，2)h＝eq\f(1,16)mgh，故A正確．答案A三、對功能關系的理解及應用例3如圖2所示，在光滑的水平面上，有一質量為M的長木塊以一定的初速度向右勻速運動,將質量為m的小鐵塊無初速度地輕放到長木塊右端，小鐵塊與長木塊間的動摩擦因數(shù)為μ，當小鐵塊在長木塊上相對長木塊滑動L時與長木塊保持相對靜止，此時長木塊對地的位移為l，求這個過程中圖2(1)系統(tǒng)產生的熱量;(2）小鐵塊增加的動能；(3)長木塊減少的動能；（4)系統(tǒng)機械能的減少量．解析畫出這一過程兩物體位移示意圖，如圖所示．(1）m、M間相對滑動的位移為L，根據能量守恒定律,有Q＝μmgL，即摩擦力對系統(tǒng)做的總功等于系統(tǒng)產生的熱量．(2)根據動能定理有μmg(l－L)＝eq\f（1，2)mv2－0，其中（l－L）為小鐵塊相對地面的位移，從上式可看出ΔEkm＝μmg(l－L)，說明摩擦力對小鐵塊做的正功等于小鐵塊動能的增加量．（3)摩擦力對長木塊做負功,根據功能關系,得ΔEkM＝－μmgl，即長木塊減少的動能等于長木塊克服摩擦力做的功μmgl.(4)系統(tǒng)機械能的減少量等于系統(tǒng)克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.答案(1)μmgL(2）μmg（l－L)(3)μmgl（4）μmgL一、能量守恒定律的表達式E初＝E終或ΔE增＝ΔE減或ΔEA增＝ΔEB減．二、能源和能量耗散1．能源：能夠提供可利用能量的物質．2．能量耗散：指能量在轉化過程中，可利用的品質降低．它反映出自然界中宏觀過程的方向性．三、功能關系的理解1．功是能量轉化的量度．2．常用的幾種功能關系．1．（對能量守恒定律的理解)利用能源的過程實質上是(）A．能量的消失過程B．能量的創(chuàng)造過程C．能量不守恒的過程D．能量轉化或轉移并且耗散的過程答案D解析利用能源的過程實質上是能量轉化或轉移的過程，在能源的利用過程中能量是耗散的,A、B、C錯誤，D正確．2．(能量守恒定律的應用)一顆子彈以某一速度擊中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．子彈減少的機械能等于木塊增加的動能與木塊和子彈增加的內能之和答案BD3．（對功能關系的理解)某人將重物由靜止開始舉高h,并使物體獲得速度v，則下列說法中不正確的是（)A．物體所受合外力對它做的功等于物體動能的增加B．此人對物體做的功等于物體動能和重力勢能的增加量C．物體所受合外力做的功等于物體動能和重力勢能的增加量D．克服重力做的功等于物體重力勢能的增加量答案C解析由動能定理知，合外力做的功等于物體動能的改變量，故A正確,C錯誤；人給物體的力對物體做的功等于物體機械能的改變量，B正確;重力做負功,克服重力做的功等于物體重力勢能的增加量,D正確．4．(功能關系的應用)如圖3所示，斜面的傾角為θ，質量為m的滑塊距擋板P的距離為s0，滑塊以初速度v0沿斜面上滑，滑塊與斜面間的動摩擦因數(shù)為μ，滑塊所受摩擦力小于重力沿斜面向下的分力．若滑塊每次與擋板相碰均無機械能損失,求滑塊經過的總路程．圖3答案eq\f(1,μ)(eq\f（v\o\al(2，0）,2gcosθ）＋s0tanθ）解析滑塊最終要停在斜面底部，設滑塊經過的總路程為s,對滑塊運動的全程應用能量守恒定律,全程所產生的熱量為Q＝eq\f(1,2)mveq\o\al（2，0)＋mgs0sinθ又因為全程產生的熱量等于克服摩擦力所做的功，即Q＝μmgscosθ解以上兩式可得s＝eq\f（1,μ）（eq\f(v\o\al（2,0)，2gcosθ）＋s0tanθ）。題組一對能量守恒定律的理解1．下列說法正確的是(）A．隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的B．太陽照射到地球上的光能轉化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了C．“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的D．有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量是可以憑空產生的答案C解析永動機是指不消耗或少消耗能量而可以大量對外做功的裝置,歷史上曾出現(xiàn)過各式各樣的所謂永動機的發(fā)明,結果都以失敗告終,原因就是違背了能量守恒定律．人類只能發(fā)現(xiàn)規(guī)律、利用規(guī)律，但絕不可以創(chuàng)造規(guī)律、改變規(guī)律、違背規(guī)律行事，既使以后科技再發(fā)達，也要受自然規(guī)律的制約，所以永動機是永遠不可能制成的,A錯．太陽輻射大量的能量，地球只吸收了極小的一部分,就形成了風、云、雨、雪,使萬物生長，但輻射到宇宙空間的能量也沒有消失，一定是轉化成了別的能量,B錯．馬和其他動物，包括人,要運動,必須消耗能量，運動的能量來源是食物中儲存的化學能，C對．所謂“全自動”手表內部還是有能量轉化裝置的，一般是一個擺錘,當人戴著手表活動時，擺錘不停擺動，給游絲彈簧補充能量,維持手表的走動,如果把這種表放在桌面上靜置多天，它一定會停擺的，D錯．故選C.2．市面上出售一種裝有太陽能電扇的帽子(如圖1所示)．在陽光的照射下，小電扇快速轉動，能給炎熱的夏季帶來一絲涼爽．該裝置的能量轉化情況是（)圖1A．太陽能→電能→機械能B．太陽能→機械能→電能C．電能→太陽能→機械能D．機械能→太陽能→電能答案A解析電池板中太陽能轉化為電能,小電動機中電能轉化為機械能．3．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．上述不同現(xiàn)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答案AD解析三個現(xiàn)象中物體運動過程中都受到阻力，汽車主要受到制動阻力,流星、降落傘受到空氣阻力,因而物體都克服阻力做功，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,總之是機械能轉化為其他形式的能，D對．4．在最近幾年的空調市場上出現(xiàn)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5～7倍．空調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,消耗同樣電能答案CD解析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．題組二對能源的開發(fā)與利用的理解5．關于能源的利用,下列說法不正確的是（)A．自然界的能量守恒，所以不需要節(jié)約能源B．一座城市的能量耗散使其環(huán)境溫度略高于周圍農村的環(huán)境溫度C．煤炭和石油產品燃燒會造成空氣污染和溫室效應D．能量耗散表明能源的利用是有條件的,也是有代價的答案A解析自然界的能量守恒，但能量在利用過程中，可利用的品質在逐漸降低，因此，必須節(jié)約能源，A錯,C、D對．城市工業(yè)、交通急劇發(fā)展使得城市過多接收了耗散的能量，使城市溫度升高，B對．故選A。6．關于能源的開發(fā)和節(jié)約，你認為以下觀點錯誤的是(）A．能源是有限的，無節(jié)制地利用常規(guī)能源,如石油之類，是一種盲目的短期行為B．根據能量守恒定律,擔心能源枯竭實在是一種杞人憂天的表現(xiàn)C．能源的開發(fā)利用，必須要同時考慮對環(huán)境的影響D．和平利用核能是目前開發(fā)新能源的一項有效途徑答案B解析雖然能量守恒,但由于能量耗散現(xiàn)象的存在，可利用能源仍存在減少問題，故要節(jié)約能源和開發(fā)新能源．7．關于能量耗散,下列說法中正確的是（)A．能量耗散是指在一定條件下,能量在轉化過程中總量減少了B．能量耗散表明能量守恒定律具有一定的局限性C．能量耗散表明在能源的利用過程中，能量在數(shù)量上越來越少D．能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中宏觀過程的方向性答案D解析能量耗散是不可避免的，但是能量耗散也遵守能量守恒定律,故選D.題組三對功能關系的理解8．將質量為m的小球在距地面高度為h處拋出．拋出時的速度大小為v0，小球落到地面時的速度大小為2v0.若小球受到的空氣阻力不能忽略，則對于小球下落的整個過程中,下列說法正確的是(）A．小球克服空氣阻力做的功小于mghB．重力對小球做的功等于mghC．合外力對小球做的功小于mveq\o\al（2，0）D．合外力對小球做的功等于mveq\o\al(2,0）答案AB解析由題意可知，小球落地時的速度比拋出時大,即從拋出到落地的過程中,動能變大了．根據動能定理W合＝ΔEk，則W合>0,即重力所做的功大于阻力所做的功．而這個過程中重力對小球做的功為WG＝mgh，所以A、B正確．從拋出到落地的過程中，合外力做的功等于小球動能的變化量,即W合＝eq\f(1，2）m(2v0)2－eq\f(1，2）mveq\o\al（2,0）＝eq\f（3，2）mveq\o\al(2，0）>mveq\o\al（2,0），故C、D均錯．9．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?shù)氐闹亓铀俣龋ǎ〢．他的動能減少了(F－mg）hB．他的重力勢能減少了mgh－eq\f（1,2）mv2C．他的機械能減少了FhD．他的機械能減少了mgh答案AC解析在進入水中的過程中,由動能定理，mgh－Fh＝Ek′－Ek,所以動能的減少量為Ek－Ek′＝(F－mg）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．10．如圖2為我國交通運輸部北海救助飛行隊直升機在執(zhí)行救助任務．直升機通過繩索用恒力F豎直向上拉起救助