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教學(xué)案新人教版必修2

PAGEPAGE4第10節(jié)能量守恒定律與能源一、能量守恒定律┄┄┄┄┄┄┄┄①1．建立能量守恒定律的兩類重要事實(shí)(1)確認(rèn)了永動機(jī)的不可能性。(2)發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化。2．定律內(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(gè)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．機(jī)械能守恒定律與能量守恒定律的關(guān)系機(jī)械能守恒定律是普遍的能量守恒定律在特定背景下的一種特殊表現(xiàn)形式。[說明]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。①[填一填]指出下列現(xiàn)象中能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移情況：(1)植物的光合作用；________________________________________________________________________(2)雨天時(shí)出現(xiàn)雷電；________________________________________________________________________(3)人在跑步時(shí)，身體發(fā)熱；________________________________________________________________________(4)手搖發(fā)電機(jī)發(fā)電使燈泡發(fā)光；________________________________________________________________________(5)風(fēng)吹動帆船前進(jìn)。________________________________________________________________________解析：(1)植物利用太陽光進(jìn)行化學(xué)合成，是光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；(2)出現(xiàn)雷電時(shí)，發(fā)出震耳欲聾的響聲、耀眼的強(qiáng)光并放出熱量，是電能變?yōu)槁暡?、?nèi)能和光能；(3)人跑步時(shí)身體發(fā)熱，是身體劇烈運(yùn)動時(shí)，加速人體內(nèi)新陳代謝的生理機(jī)能，是人體內(nèi)儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；(4)發(fā)電機(jī)的動能轉(zhuǎn)化為電能，電能使燈泡發(fā)光，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為燈絲的光能和內(nèi)能；(5)空氣的流動形成風(fēng)，風(fēng)具有機(jī)械能，帆船前進(jìn)具有的仍是機(jī)械能，是風(fēng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)移給帆船，是機(jī)械能的轉(zhuǎn)移。答案：見解析二、能源和能量耗散┄┄┄┄┄┄┄┄②1．能源與人類社會人類對能源的利用大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期，即柴薪時(shí)期、煤炭時(shí)期、石油時(shí)期。自工業(yè)革命以來，煤和石油成為人類的主要能源。2．能量的耗散燃料燃燒時(shí)把自己的熱量釋放出去，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，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用，這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。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。[說明]能量的耗散反映了能量轉(zhuǎn)化的方向性，所以能源的利用是有條件的，也是有代價(jià)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。②[判一判]1．煤自古至今都是人類的主要能源(×)2．能量耗散表明能量正在逐漸消失(×)3．自然界總能量雖然不變，但我們?nèi)孕枰泄?jié)能意識(√)1.對能量守恒定律的理解(1)某種形式的能量減少，一定存在另外形式的能量增加，且減少量和增加量相等。(2)某個(gè)物體的能量減少，一定存在別的物體的能量增加，且減少量和增加量相等。(3)初狀態(tài)的各種能量總和等于末狀態(tài)的各種能量總和。2．解題步驟(1)分清共有多少種形式的能(如動能、勢能、電能、內(nèi)能等)在變化。(2)明確哪種形式的能量增加，哪種形式的能量減少。(3)減少的總能量一定等于增加的總能量，據(jù)此列出方程：ΔE減＝ΔE增。3．注意因?yàn)槟芰渴睾愣傻膶挿盒?，在不涉及機(jī)械能之外的內(nèi)能、電能、光能、核能等能量的轉(zhuǎn)化時(shí)，一般不用能量守恒定律解題，而是用動能定理或機(jī)械能守恒定律。[典型例題]例1.下列說法正確的是()A．隨著科技的發(fā)展，永動機(jī)是可以制成的B．太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但輻射到宇宙空間的能量都消失了C．“既要馬兒跑，又不讓馬兒吃草”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，說明能量可以憑空產(chǎn)生[解析]永動機(jī)違背了能量守恒定律，所以永動機(jī)是永遠(yuǎn)不可能制成的，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；太陽輻射到宇宙空間的能量并沒有消失，而是轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，馬和其他動物，包括人要運(yùn)動，必須消耗能量，動物的能量來源是食物中儲存的生物質(zhì)能，選項(xiàng)C正確；所謂“全自動”手表，其內(nèi)部是有能量轉(zhuǎn)化裝置的，一般是一個(gè)擺錘，當(dāng)人戴著手表活動時(shí)，使擺錘不停擺動，給游絲(彈簧)補(bǔ)充能量，才會維持手表的走動，如果把這種表放在桌面上靜置幾天，它也是會停的，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。[答案]C例2.如圖所示，滑塊從A點(diǎn)由靜止開始沿曲面下滑，過O點(diǎn)后滑至右邊曲面B點(diǎn)時(shí)的速度恰好等于0，O點(diǎn)附近光滑，滑塊經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)不發(fā)生碰撞。若滑塊從B點(diǎn)以某一速度v(2)假設(shè)射到大氣頂層的太陽能只有43%到達(dá)地面，另外57%被大氣吸收和反射而未到達(dá)地面，你能由此估算出太陽輻射的功率嗎(日地距離r＝1.5×1013cm)?[解析](1)圓筒內(nèi)的水經(jīng)過2min照射后，增加的內(nèi)能ΔE＝Q＝cmΔt解得ΔE＝2.52×103J每分鐘獲得的能量為eq\f(ΔE,2)＝1.26×103J/min圓筒橫截面積S＝3×10－2m2＝3×102cm2地球上每平方厘米每分鐘獲得的能量為eq\f(ΔE,2S)＝4.2J/(min·cm2)(2)上述能量也相當(dāng)于以太陽為球心，以日地距離r為半徑的球面上每分鐘每平方厘米獲得的能量，設(shè)太陽輻射的功率為P，則eq\f(P×60,4πr2)×43%＝eq\f(ΔE,2S)，其中r＝1.5×1013cm解得P＝4.6×1026W[答案](1)4.2J/(min·cm2)(2)4.6×1026W[即時(shí)鞏固]3．(2016·莒縣高一檢測)一水電站，水流的落差為20m，水流沖擊水輪發(fā)電機(jī)后，水流的能有20%轉(zhuǎn)化為電能，若發(fā)電機(jī)的功率為200kW，則每分鐘的水流量是多少？(g取10m/s2)解析：設(shè)1分鐘水的流量為Q，則在1分鐘內(nèi)水流的質(zhì)量m＝Qρ，在1分鐘內(nèi)水流減少的重力勢能ΔEp＝mgh＝Qρgh由題意可知：發(fā)動機(jī)的功率P＝eq\f(ΔEp×20%,t)整理得Q＝eq\f(Pt,ρgh×20%)，代入數(shù)據(jù)得：Q＝300m3。答案：300m3

1．(2016·銀川高一檢測)如圖所示，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(jī)械能減小B．重力勢能減小，動能增加，機(jī)械能減小C．重力勢能減小，動能增加，機(jī)械能增加D．重力勢能減小，動能增加，機(jī)械能守恒解析：選B由于摩擦力做負(fù)功，機(jī)械能不守恒，D錯(cuò)誤；下滑過程中重力勢能轉(zhuǎn)化為動能和內(nèi)能，所以機(jī)械能減小，B正確，A、C錯(cuò)誤。2．關(guān)于能源的利用中，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(nóng)村的環(huán)境溫度C．煤炭和石油產(chǎn)品燃燒會造成空氣污染和溫室效應(yīng)D．能量耗散表明能源的利用是有條件的，也是有代價(jià)的解析：選A自然界的能量守恒，但能量在利用過程中，可利用的品質(zhì)在逐漸降低，因此，必須節(jié)約能源，A錯(cuò)誤，C、D正確；城市工業(yè)、交通急劇發(fā)展使得城市接收了過多耗散的能量，使城市溫度升高，B正確。3．水流從高處落下，對水輪機(jī)做3×108J的功，對這句話理解正確的是()A．水流在對水輪機(jī)做功前，具有3×108J的能量B．水流在對水輪機(jī)做功時(shí)，具有3×108J的能量C．水流在對水輪機(jī)做功后，具有3×108J的能量D．水流在對水輪機(jī)做功的過程中，3×108J的能量轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)的動能解析：選D功不是能量，功是能量轉(zhuǎn)化的量度。水流在對水輪機(jī)做功的過程中，水流的能量減少了，減少的能量，一部分轉(zhuǎn)化成水輪機(jī)的動能，一部分轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，系統(tǒng)總能量是不變的，D正確。4．[多選]關(guān)于“能量耗散”的下列說法中，正確的是()A．能量在轉(zhuǎn)化過程中，有一部分能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用，這種現(xiàn)象叫做能量的耗散B．能量在轉(zhuǎn)化過程中變少的現(xiàn)象叫做能量的耗散C．能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能量的總量并未減少，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，而自然界的能量是守恒的D．能量耗散表明，各種能量在不轉(zhuǎn)化時(shí)是守恒的，但在轉(zhuǎn)化時(shí)是不守恒的解析：選AC由“能量耗散”定義知道，能在轉(zhuǎn)化過程中品質(zhì)下降，總量不變，A、C正確；B、D違背了能量守恒定律，B、D錯(cuò)誤。5．(2016·福建月考)某海灣共占面積1.0×107m2，漲潮時(shí)水深20m，此時(shí)關(guān)上水壩閘門，可使水位保持20m不變，退潮時(shí)，壩外水位降至18m，假如利用此水壩建水力發(fā)電站，且重力勢能轉(zhuǎn)化為電能的效率為10%，每天有兩次漲潮，問該電站一天能發(fā)出多少電能(g＝10m/s2)解析：設(shè)Δh為退潮時(shí)水減少的深度，S為海灣的面積。利用潮汐發(fā)電，就是水的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，水能轉(zhuǎn)化為電能的效率是10%，一次漲潮，退潮后水壩內(nèi)水的勢能增加：W水＝G·eq\f(1,2)Δh＝eq\f(1,2)mgΔh＝eq\f(1,2)ρ水VgΔh＝eq\f(1,2)ρ水SΔhgΔh＝eq\f(1,2)ρ水SgΔh2則水的勢能可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽篧電＝ηW水每天2次漲潮，則該電站一天能發(fā)電W＝2W電＝2ηW水＝2×eq\f(1,2)ηρ水SgΔh2＝10%×1.0×103×1.0×107×10×22J＝4×1010J答案：電站一天能發(fā)出4×1010J電能。[基礎(chǔ)練]一、選擇題1．下列現(xiàn)象屬于能量的耗散的是()A．利用水流能發(fā)電產(chǎn)生電能B．電能在燈泡中變成光能C．電池的化學(xué)能變成電能D．火爐把屋子烤暖解析：選D能量耗散主要指其他形式的能量最終轉(zhuǎn)化成環(huán)境的內(nèi)能后，不能再次被收集起來重新利用，D正確。2．關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的說法錯(cuò)誤的是()A．舉重運(yùn)動員舉起重物，體內(nèi)的一部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能B．電流通過電阻絲使電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C．內(nèi)燃機(jī)做功的過程是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程D．做功過程是能量轉(zhuǎn)化過程，某過程做了10J的功，一定有10J的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化解析：選C運(yùn)動員舉高重物過程中，消耗了體內(nèi)存儲的化學(xué)能，通過對重物做功使重物的機(jī)械能增加，A正確；電流通過電阻絲時(shí)，電流做功，使電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，B正確；內(nèi)燃機(jī)中燃料燃燒膨脹，對外做功，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，C錯(cuò)誤；功是能量轉(zhuǎn)化的量度，D正確。3．[多選]一質(zhì)量為m的物體，在距地面高h(yuǎn)處以eq\f(1,3)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eq\f(1,3)mghB．物體的機(jī)械能減少eq\f(2,3)mghC．物體的動能增加eq\f(1,3)mghD．物體的重力做的功為mgh解析：選BCD物體從高h(yuǎn)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(xiàng)A錯(cuò)誤，D正確；物體的加速度為eq\f(1,3)g，故合外力為eq\f(1,3)mg，合外力做的功為eq\f(1,3)mgh，根據(jù)動能定理，物體的動能增加eq\f(1,3)mgh，選項(xiàng)C正確；物體的重力勢能減少mgh，動能增加eq\f(1,3)mgh，故機(jī)械能減少了eq\f(2,3)mgh，選項(xiàng)B正確。4．將小球豎直上拋，經(jīng)一段時(shí)間落回拋出點(diǎn)，若小球所受的空氣阻力大小不變，對其上升過程和下降過程損失的機(jī)械能進(jìn)行比較，下列說法中正確的是()A．上升過程損失的機(jī)械能大于下降過程損失的機(jī)械能B．上升過程損失的機(jī)械能小于下降過程損失的機(jī)械能C．上升過程損失的機(jī)械能等于下降過程損失的機(jī)械能D．無法比較解析：選C上升過程和下降過程中空氣阻力均做負(fù)功，Wf＝－Ffh，因此上升損失的機(jī)械能與下降損失的機(jī)械能大小相等，C正確。5．一質(zhì)量均勻不可伸長的繩索，重為G，A、B兩端固定在天花板上，如圖所示。今在最低點(diǎn)C施加一豎直向下的力，將繩索緩慢拉至D點(diǎn)。在此過程中，繩索AB的重心位置將()A．升高B．降低C．先降低后升高D．始終不變解析：選A物體的重心不一定在物體上，對于一些不規(guī)則的物體要確定重心是比較困難的，本題繩索的重心是不容易標(biāo)出的，因此，要確定重心的變化，只有通過別的途徑確定。當(dāng)用力將繩索緩慢地從C點(diǎn)拉到D點(diǎn)，外力在不斷的做功，而繩索的動能不增加，因此外力做功必定使繩索的重力勢能增加，故繩索的重心位置將升高，A正確。二、非選擇題6．風(fēng)力發(fā)電是一種環(huán)保的電能獲取方式。圖為某風(fēng)力發(fā)電機(jī)外觀圖，現(xiàn)設(shè)計(jì)的每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率為40kW。實(shí)驗(yàn)測得風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能的效率約為20%，空氣的密度是1.29kg/m3，當(dāng)?shù)厮斤L(fēng)速約為10m/s。問風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片長度約為多少時(shí)才能滿足設(shè)計(jì)要求？解析：設(shè)葉片長度為r，則葉片轉(zhuǎn)動的面積S＝πr2。取時(shí)間t內(nèi)作用到面積為S的葉片上的空氣流為研究對象，如圖所示。這部分空氣流的質(zhì)量m＝ρV＝ρSvt，空氣流的動能Ek＝eq\f(1,2)mv2，電功率P＝eq\f(Ek×20%,t)＝eq\f(1,10)ρπr2v3，得r＝eq\r(\f(10P,ρπv3))≈9.94m。答案：9.94m[提能練]一、選擇題1．(2016·酒泉高一檢測)有人設(shè)想在夏天用電冰箱來降低房間的溫度。他的辦法是：關(guān)好房間的門窗，然后打開冰箱的所有門讓冰箱運(yùn)轉(zhuǎn)，且不考慮房間內(nèi)外熱量的傳遞。則開機(jī)后，室內(nèi)的溫度將()A．升高B．保持不變C．開機(jī)時(shí)降低，停機(jī)時(shí)又升高D．開機(jī)時(shí)升高，停機(jī)時(shí)降低解析：選A電冰箱的壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，室內(nèi)的溫度將升高，故A正確。2．[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(jī)械能等于木塊增加的機(jī)械能B．子彈和木塊組成的系統(tǒng)機(jī)械能的損失量等于系統(tǒng)內(nèi)能的增加量C．子彈減少的機(jī)械能等于木塊增加的動能和內(nèi)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系統(tǒng)增加的內(nèi)能之和解析：選BD由于子彈穿過木塊的過程中，子彈與木塊有相對位移，由能量守恒定律可得，子彈減少的動能轉(zhuǎn)化為木塊的動能和子彈與木塊系統(tǒng)增加的內(nèi)能，A、C錯(cuò)誤，B、D正確。3．[多選]質(zhì)量為m1、m2的兩物體，靜止在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的人站在m1上用恒力F拉連接著m2的繩子，經(jīng)過一段時(shí)間后，兩物體的速度大小分別為v1和v2，位移分別為x1和x2，如圖所示，則這段時(shí)間內(nèi)此人所做的功的大小等于()A．Fx2B．F(x1＋x2)C.eq\f(1,2)m2veq\o\al(2,2)＋eq\f(1,2)(m＋m1)veq\o\al(2,1)D.eq\f(1,2)m2veq\o\al(2,2)解析：選BC根據(jù)能量守恒可知，人通過做功消耗的化學(xué)能將全部轉(zhuǎn)化為物體m1和m2的動能以及人的動能，所以人做的功的大小等于F(x1＋x2)＝eq\f(1,2)m2veq\o\al(2,2)＋eq\f(1,2)(m＋m1)veq\o\al(2,1)，B、C正確。4．[多選]構(gòu)建和諧、節(jié)約型社會的思想深得民心，也體現(xiàn)在生活的方方面面。自動充電式電動車就是很好的一例：電動車的前輪裝有發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與蓄電池連接，當(dāng)電動車滑行時(shí)，就可以向蓄電池充電，將其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能儲存起來。現(xiàn)有某人騎車以500J的初動能在粗糙的水平路面上滑行，第一次關(guān)閉充電裝置，讓車自由滑行，其動能隨位移的變化關(guān)系如圖線①所示；第二次啟動充電裝置，其動能隨位移的變化關(guān)系如圖線②所示，則()A．電動車受到的摩擦阻力為50NB．電動車受到的摩擦阻力為83NC．第二次啟動充電裝置，向蓄電池所充的電能是200JD．第二次啟動充電裝置，向蓄電池所充的電能是300J解析：選AC當(dāng)關(guān)閉充電裝置，讓車自由滑行時(shí)，電動車的動能全部用來克服摩擦力做功，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，有Ek＝Ffx1，解得Ff＝50N，A正確；當(dāng)啟動充電裝置滑行時(shí)，電動車的動能一部分克服摩擦力做功，另一部分轉(zhuǎn)化為蓄電池的電能，根據(jù)能量守恒有Ek＝Ffx2＋E電，故E電＝Ek－Ffx2＝200J，C正確。二、非選擇題5．(2016·黃浦區(qū)高一檢測)節(jié)能混合動力車是一種可以利用汽油及所儲存電能作為動力來