2024-2025學(xué)年高中物理第4章機(jī)械能和能源第6節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒學(xué)案含解析粵教版必修2

PAGE9-第六節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.知道能量守恒定律的內(nèi)容．(重點(diǎn))2．理解能量守恒定律的準(zhǔn)確含義．(難點(diǎn))3．駕馭應(yīng)用能量守恒定律解決問(wèn)題的方法．(重點(diǎn))4．知道能量轉(zhuǎn)化的方向性．(難點(diǎn))一、能量及其轉(zhuǎn)化各種各樣的能量及轉(zhuǎn)化(1)對(duì)能量概念的初步相識(shí)a．構(gòu)成世界的基本要素為物質(zhì)、能量、信息．能量無(wú)處不在，能量轉(zhuǎn)化無(wú)時(shí)不有．b．一個(gè)物體能夠?qū)ν庾龉?，我們就說(shuō)這個(gè)物體具有能量．(2)各種各樣的能量名稱含義機(jī)械能與物體的運(yùn)動(dòng)或位置高度、形變相關(guān)的能量，表現(xiàn)為動(dòng)能、勢(shì)能內(nèi)能組成物質(zhì)的粒子(原子或分子)的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所具有的動(dòng)能和勢(shì)能的總和化學(xué)能儲(chǔ)存在化合物的化學(xué)鍵里的能量核能儲(chǔ)存在原子核內(nèi)部的能量、原子核發(fā)生核反應(yīng)(如裂變或聚變)時(shí)，會(huì)釋放出巨大的能量電磁能以各種各樣的電磁波的形式傳播的能量…………(3)能量之間的相互轉(zhuǎn)化自然界中，能量的存在形式多種多樣，這些能量之間可以相互轉(zhuǎn)化．我們所消耗的能量，無(wú)論是食物還是電，大部分是太陽(yáng)能輻射到地球后轉(zhuǎn)化而來(lái)的．二、能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律1．內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消逝，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)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過(guò)程中其總量不變．2．意義揭示了自然界各種運(yùn)動(dòng)形式不僅具有多樣性，而且具有統(tǒng)一性，能量既不能無(wú)中生有，也不能殲滅，只能在肯定條件下相互轉(zhuǎn)化．三、能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性自然界中，很多現(xiàn)象的發(fā)生、發(fā)展都具有方向性，能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移也具有方向性．1．燒火生熱：化學(xué)能通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但是內(nèi)能不會(huì)自發(fā)地重新轉(zhuǎn)化為化學(xué)能．2．熱傳導(dǎo)：熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，但熱量卻不能自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體．1．思索推斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)做功的過(guò)程就是能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程． ()(2)做功越多，能量的轉(zhuǎn)化也越多． ()(3)物體做了多少功，就有多少能量消逝． ()(4)當(dāng)一個(gè)物體的能量削減時(shí)，肯定有其他物體的能量增多． ()(5)自然界中的任何改變過(guò)程都滿意能量守恒． ()(6)能量守恒過(guò)程外力做功必為零． ()(7)熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳遞到低溫物體，而不會(huì)自發(fā)地從低溫物體傳遞到高溫物體． ()(8)熱傳導(dǎo)的過(guò)程具有方向性． ()(9)機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而內(nèi)能不能自發(fā)的全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能． ()【提示】(1)√(2)√(3)×物體做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化．(4)√(5)√(6)×能量守恒過(guò)程外力做功不必為零．(7)√(8)√(9)√2．(多選)一個(gè)質(zhì)量為m的物體以a＝2g的加速度豎直向下運(yùn)動(dòng)，則在此物體下降h高度的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是()A．物體的重力勢(shì)能削減了2mghB．物體的動(dòng)能增加了2mghC．物體的機(jī)械能保持不變D．物體的機(jī)械能增加了mghBD[物體以a＝2g的加速度向下運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明除重力外，還有其他力對(duì)物體做正功．物體下降h，重力勢(shì)能削減mgh，A錯(cuò)誤．動(dòng)能增加2mgh，B正確．物體的機(jī)械能增加mgh，C錯(cuò)誤，D正確．]3．我們絕不會(huì)看到：一個(gè)放在水平地面上的物體，靠降低溫度，可以把內(nèi)能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使這個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來(lái)．其緣由是()A．這違反了能量守恒定律B．在任何條件下內(nèi)能都不行能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，只有機(jī)械能才會(huì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C．機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性，內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能是有條件的D．以上說(shuō)法均不正確C[機(jī)械能和內(nèi)能可以相互轉(zhuǎn)化，但必需通過(guò)做功來(lái)實(shí)現(xiàn)．因?yàn)楦鞣N有關(guān)熱的物理過(guò)程都具有方向性，所以內(nèi)能不行能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，同時(shí)不引起其他改變．]能量守恒定律的理解和應(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．能量守恒定律的理解某種形式的能削減，肯定存在其他形式的能增加，且削減量和增加量肯定相等．某個(gè)物體的能量削減，肯定存在其他物體的能量增加，且削減量和增加量肯定相等．3．能量守恒定律的表達(dá)式(1)從不同狀態(tài)看，E初＝E末．(2)從能的轉(zhuǎn)化角度看，ΔE增＝ΔE減．(3)從能的轉(zhuǎn)移角度看，ΔEA增＝ΔEB減．4．能量守恒定律應(yīng)用的關(guān)鍵步驟(1)明確探討對(duì)象和探討過(guò)程．(2)找全參加轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的能量，明確哪些能量增加，哪些能量削減．(3)列出增加量和削減量之間的守恒式．【例1】如圖所示，皮帶的速度是3m/s，兩圓心的距離s＝4.5m，現(xiàn)將m＝1kg的小物體輕放在左輪正上方的皮帶上，物體與皮帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝0.15，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶將物體從左輪運(yùn)輸?shù)接逸喺戏綍r(shí)，求：(g取10m/s2)(1)小物體獲得的動(dòng)能Ek；(2)這一過(guò)程摩擦產(chǎn)生的熱量Q；(3)這一過(guò)程電動(dòng)機(jī)消耗的電能E.思路點(diǎn)撥：①物塊先加速后勻速，由Ek＝eq\f(1,2)mv2求Ek，由Q＝μmg·Δx求熱量．②由能量守恒E電＝Ek＋Q求得．[解析](1)設(shè)小物體與皮帶達(dá)到共同速度時(shí)，物體相對(duì)地面的位移為s′μmgs′＝eq\f(1,2)mv2，解得s′＝3m<4.5m即物體可與皮帶達(dá)到共同速度，此時(shí)Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)×1×32J＝4.5J.(2)由μmg＝ma得a＝1.5m/s2，由v＝at得t＝2s，則Q＝μmg(vt－s′)＝0.15×1×10×(6－3)J＝4.5J.(3)由能量守恒知E電＝Ek＋Q＝4.5J＋4.5J＝9J.[答案](1)4.5J(2)4.5J(3)9J利用能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移解題的兩點(diǎn)留意：(1)能量既可通過(guò)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．(2)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改變，分析時(shí)避開(kāi)出現(xiàn)遺漏．1.如圖所示，一小孩從公園中粗糙的滑梯上自由加速滑下，其能量的改變狀況是()A．重力勢(shì)能減小，動(dòng)能不變，機(jī)械能減小，總能量減小B．重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能減小，總能量不變C．重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能增加，總能量增加D．重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能守恒，總能量不變B[由能量守恒定律可知，小孩在下滑過(guò)程中總能量守恒，故A、C均錯(cuò)；由于摩擦力要做負(fù)功，機(jī)械能不守恒，故D錯(cuò)；下滑過(guò)程中重力勢(shì)能向動(dòng)能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化，故只有B正確．]功能關(guān)系的理解與應(yīng)用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(guò)做功實(shí)現(xiàn)的．做功的過(guò)程就是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化(或轉(zhuǎn)移)的過(guò)程，且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化(或轉(zhuǎn)移)．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詳細(xì)形式的能量轉(zhuǎn)化相聯(lián)系，詳細(xì)功能關(guān)系如下：功能的改變表達(dá)式重力做功正功重力勢(shì)能削減重力勢(shì)能改變WG＝Ep1－Ep2負(fù)功重力勢(shì)能增加彈力做功正功彈性勢(shì)能削減彈性勢(shì)能改變W彈＝Ep1－Ep2負(fù)功彈性勢(shì)能增加合力做功正功動(dòng)能增加動(dòng)能改變W合＝Ek2－Ek1負(fù)功動(dòng)能削減除重力(或系統(tǒng)內(nèi)彈力)外其他力做功正功機(jī)械能增加機(jī)械能改變W外＝E2－E1負(fù)功機(jī)械能削減【例2】如圖所示，在光滑的水平面上，有一質(zhì)量為M的長(zhǎng)木塊以肯定的初速度向右勻速運(yùn)動(dòng)，將質(zhì)量為m的小鐵塊無(wú)初速度地輕放到長(zhǎng)木塊右端，小鐵塊與長(zhǎng)木塊間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，當(dāng)小鐵塊在長(zhǎng)木塊上相對(duì)長(zhǎng)木塊滑動(dòng)L時(shí)與長(zhǎng)木塊保持相對(duì)靜止，此時(shí)長(zhǎng)木塊對(duì)地的位移為l，求這個(gè)過(guò)程中：(1)小鐵塊增加的動(dòng)能；(2)長(zhǎng)木塊削減的動(dòng)能；(3)系統(tǒng)機(jī)械能的削減量；(4)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量．思路點(diǎn)撥：①由W合＝ΔEk分析小鐵塊及長(zhǎng)木板動(dòng)能的改變．②由W外＝ΔE分析系統(tǒng)機(jī)械能的削減量，由能量守恒分析系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量．[解析]畫(huà)出這一過(guò)程兩物體位移示意圖，如圖所示．(1)依據(jù)動(dòng)能定理得μmg(l－L)＝ΔEk即小鐵塊動(dòng)能的增加量等于滑動(dòng)摩擦力對(duì)小鐵塊做的功．(2)摩擦力對(duì)長(zhǎng)木塊做負(fù)功，依據(jù)功能關(guān)系得ΔEkM＝－μmgl，即長(zhǎng)木塊削減的動(dòng)能等于長(zhǎng)木塊克服摩擦力做的功μmgl.(3)系統(tǒng)機(jī)械能的削減量等于系統(tǒng)克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.(4)m、M間相對(duì)滑動(dòng)的位移為L(zhǎng)，依據(jù)能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力對(duì)系統(tǒng)做的總功等于系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，也等于系統(tǒng)削減的機(jī)械能．[答案](1)μmg(l－L)(2)μmgl(3)μmgL(4)μmgL1公式W＝F·s·cosθ中s均指物體對(duì)地位移.2兩物體間滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的內(nèi)能Q＝f·s相對(duì)，s相對(duì)指兩接觸面間的相對(duì)位移或相對(duì)路程.2．(多選)如圖所示，質(zhì)量為M的木塊放在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的子彈以速度v0沿水平方向射中木塊，并最終留在木塊中與木塊一起以速度v運(yùn)動(dòng)．已知當(dāng)子彈相對(duì)木塊靜止時(shí)，木塊前進(jìn)距離為l，子彈進(jìn)入木塊的深度為d，若木塊對(duì)子彈的阻力f視為恒定，則下列關(guān)系式中正確的是()A．fl＝eq\f(1,2)Mv2B．fd＝eq\f(1,2)Mv2C．fd＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)(M＋m)v2D．f(l＋d)＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)mv2ACD[畫(huà)出運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖，從圖中不難看出，當(dāng)木塊前進(jìn)距離為l，子彈進(jìn)入木塊的深度為d時(shí)，子彈相對(duì)于地面發(fā)生的位移為l＋d.由牛頓第三定律知，子彈對(duì)木塊的作用力大小也為f.子彈對(duì)木塊的作用力對(duì)木塊做正功，由動(dòng)能定理得f·l＝eq\f(1,2)Mv2 ①木塊對(duì)子彈的作用力對(duì)子彈做負(fù)功，由動(dòng)能定理得－f·(l＋d)＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0) ②由①②得f·d＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)(M＋m)v2所以，本題正確選項(xiàng)為A、C、D.]能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性1.關(guān)于方向性的理解：能量守恒定律指明各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過(guò)程中總和不變．但是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移并不是隨意的，而是具有方向性的，詳細(xì)表現(xiàn)在：(1)機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性．①機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不行能自動(dòng)地、并不引起任何改變地全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．②機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能不須要特地的裝置，而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能卻須要困難的技術(shù)手段，比如利用熱機(jī)等進(jìn)行轉(zhuǎn)化．(2)熱傳遞的方向性：在熱傳遞過(guò)程中，內(nèi)能可以自發(fā)地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，但不能自發(fā)地從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移，內(nèi)能的轉(zhuǎn)移也具有方向性．例如，內(nèi)能要從低溫物體傳到高溫物體，必須要通過(guò)做功的方式來(lái)進(jìn)行，如冰箱、空調(diào)制冷等．散失到四周環(huán)境中的內(nèi)能不能回收再重新利用．2．關(guān)于“自發(fā)”的理解“自發(fā)”是指不須要任何第三者的介入、不會(huì)對(duì)任何第三者產(chǎn)生任何影響，也就是指沒(méi)有任何外界的影響或幫助．熱量會(huì)從高溫物體傳向低溫物體，這就是“自發(fā)”的方向．機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這個(gè)過(guò)程是“自發(fā)”的方向，但相反的過(guò)程不行能自發(fā)地進(jìn)行而不引起任何改變．【例3】十九大報(bào)告提出了“推動(dòng)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展”的理念，以下做法中不符合這個(gè)理念的是()A．夏每天氣燥熱，空調(diào)的溫度調(diào)得越低越好B．把家里不好用的燃?xì)鉄崴鲹Q成太陽(yáng)能熱水器C．出行時(shí)，假如條件允許的話，盡可能選擇公共交通工具D．日常生活中，做到順手關(guān)燈，關(guān)掉較長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)用的電腦和電視A[夏每天氣燥熱，空調(diào)溫度調(diào)得越低電能消耗越多，造成不必要的能源奢侈，選項(xiàng)A不符合“綠色發(fā)展、低碳發(fā)展”的理念；燃?xì)鉄崴飨牡娜細(xì)馐遣恍性偕茉?，太?yáng)能熱水器運(yùn)用的太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，屬于綠色能源；選擇公交出行有利于減小碳排放，削減污染；順手關(guān)燈等習(xí)慣有利于節(jié)約能源，選項(xiàng)B、C、D都符合“綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展”的理念．]分析能量形式以及能量轉(zhuǎn)化的方向.搞清晰是何種形式的能向何種形式的能的轉(zhuǎn)化.抓住能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量守恒這一重要規(guī)律，即滿意E1＝E2＋E損失.3．關(guān)于能量和能源，下列說(shuō)法正確的是()A．由于自然界的能量守恒，所以不須要節(jié)約能源B．在利用能源的過(guò)程中，能量在數(shù)量上并未削減，但能量品質(zhì)降低了C．能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中沒(méi)有方向性D．人類在不斷地開(kāi)發(fā)和利用新能源，所以能量可以被創(chuàng)建B[自然界中能量守恒，但仍需節(jié)約能源，在利用能源過(guò)程中，品質(zhì)降低這是能源危機(jī)更深層的理解；能量轉(zhuǎn)化具有方向性，不能被創(chuàng)建．]1．關(guān)于能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，下列說(shuō)法中正確的是()A．能源應(yīng)用的過(guò)程就是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程B．化石能源的能量歸根結(jié)底來(lái)自于太陽(yáng)能，因此化石能源恒久不會(huì)枯竭C．在廣袤的農(nóng)村推廣沼氣前景廣袤、意義重大，既變廢為寶，削減污染，又大量節(jié)約能源D．隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤炭資源將取之不盡、用之不竭C[能源應(yīng)用過(guò)程并不單純是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，各種轉(zhuǎn)化形式均可為人類服務(wù)，A錯(cuò)誤；化石能源的能量雖然來(lái)自太陽(yáng)能，但要經(jīng)過(guò)數(shù)億年的地質(zhì)演化才能形成，且儲(chǔ)量有限，為不行再生能源，B錯(cuò)誤；在廣袤農(nóng)村推廣沼氣對(duì)改善農(nóng)村環(huán)境、節(jié)約能源意義重大，功在當(dāng)代，利在千秋，C正確；無(wú)論技術(shù)先進(jìn)與否，煤炭資源不行能取之不盡、用之不竭，D錯(cuò)誤．故選C.]2．(多選)在體育競(jìng)賽項(xiàng)目