2018-2019学年高中物理 第4章 能量守恒与可持续发展 4.3 能量的转化与守恒 4.4 能源与可持续发展学案 沪科版必修2.doc

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4.3　能量的转化与守恒 4.4　能源与可持续发展 [学习目标]　1.掌握能量守恒定律．知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一.2.了解能量转化和转移的方向性，认识人类珍惜和保护能源和资源的必要性.3.了解我国能源状况，认识能源与环境协调发展的必要性.4.掌握各种功能关系，会应用功能关系和能量守恒定律解决问题． 一、能量的转化与守恒 1．能量的多样性：自然界中能量的形式有多种，如：机械能、内能、电磁能、光能、化学能、核能、生物能等，各种不同形式的能量可以相互转化． 2．能量守恒定律： (1)内容：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量不变． (2)能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的规律，它宣布第一类永动机(不消耗能量而连续不断地对外做功，或者消耗少量能量而做大量的功的机器)是不可能(填“可能”或“不可能”)制成的． 二、能源与可持续发展 1．能量的转化效率 (1)任何机器都不可能(填“可能”或“不可能”)将输入的能量全部转化为有用的能量． (2)能量的转化效率＝. (3)机器的能量转化效率一定小于(填“一定小于”或“可以等于”)100%. 2．能量转化和转移的方向性 研究和事实都表明：能量的转化和转移具有方向性，或者说，能量的转化和转移具有不可逆性． 3．第二类永动机不违反(填“违反”或“不违反”)能量守恒定律，但违反(填“违反”或“不违反”)能量转化和转移的不可逆性，因此不可能制成． 4．能源开发、利用与环境保护 (1)煤、石油、天然气等化石燃料是目前所用的主要能源，是不可(填“可以”或“不可”)再生的． (2)能源的可持续发展战略：尽可能地开发和利用各种新能源，千方百计地提高不可再生能源的合理利用率和转化效率，并且厉行节约，避免浪费． [即学即用] 1．判断下列说法的正误． (1)任何能量之间的转化都遵循能量守恒定律．(√) (2)因为能量守恒，所以我们不需要节能．() (3)能量的转化和转移具有不可逆性．(√) (4)任何机器的能量转化效率都低于100%.(√) (5)第一类永动机不能制成是因为违反了能量守恒定律．(√) (6)第二类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律．() 2．一个质量为60 kg的登山运动员，他登山时平均每小时登高500 m(竖直高度)，已知人体内将化学能转化为机械能的效率为25%，那么他在3 h内消耗的化学能为________J．(g取10 m/s2) 答案　3.6106 J 解析　3 h内增加的机械能ΔE＝mgh＝60105003 J＝9105 J 消耗的化学能E＝＝＝3.6106 J. 一、对能量守恒定律的理解 [导学探究]　(1)在验证机械能守恒定律的实验中，计算结果发现，重物减少的重力势能的值总大于增加的动能的值，即机械能的总量在减少．机械能减少的原因是什么？减少的部分机械能是消失了吗？ (2)请说明下列现象中能量是如何转化或转移的？ ①植物进行光合作用． ②放在火炉旁的冰融化变热． ③电流通过灯泡，灯泡发光． 答案　(1)机械能减少的原因是由于要克服摩擦阻力和空气阻力做功，机械能转化成了内能．不是． (2)①光能转化为化学能 ②内能由火炉转移到冰 ③电能转化为光能 [知识深化] 1．适用范围：能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律． 2．能量守恒定律的理解 某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等． 某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等． 例1　(多选)从光滑斜面上滚下的物体，最后停止在粗糙的水平面上，说明(　　) A．在斜面上滚动时，只有动能和势能的相互转化 B．在斜面上滚动时，有部分势能转化为内能 C．在水平面上滚动时，总能量正在消失 D．在水平面上滚动时，机械能转化为内能，总能量守恒 答案　AD 解析　在斜面上滚动时，只有重力做功，只发生动能和势能的相互转化；在水平面上滚动时，有摩擦力做功，机械能转化为内能，总能量是守恒的． 二、能量守恒定律的应用 1．能量守恒定律的表达式 (1)从不同状态看，E初＝E末． (2)从能的转化角度看，ΔE增＝ΔE减． (3)从能的转移角度看，ΔEA增＝ΔEB减． 2．能量守恒定律应用的关键步骤： (1)明确研究对象和研究过程． (2)找全参与转化或转移的能量，明确哪些能量增加，哪些能量减少． (3)列出增加量和减少量之间的守恒式． 例2　如图1所示，皮带的速度是3 m/s，两圆心的距离s＝4.5 m，现将m＝1 kg的小物体轻放在左轮正上方的皮带上，物体与皮带间的动摩擦因数μ＝0.15，电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时，求：(g取10 m/s2) 图1 (1)小物体获得的动能Ek； (2)这一过程摩擦产生的热量Q； (3)这一过程电动机多消耗的电能E. 答案　(1)4.5 J　(2)4.5 J　(3)9 J 解析　(1)设小物体与皮带达到共同速度时，物体相对地面的位移为s′. μmgs′＝mv2，解得s′＝3 m<4.5 m， 即物体可与皮带达到共同速度，此时 Ek＝mv2＝132 J＝4.5 J. (2)由μmg＝ma得a＝1.5 m/s2，由v＝at得t＝2 s， 则Q＝μmg(vt－s′)＝0.15110(6－3) J＝4.5 J. (3)由能量守恒知，这一过程电动机多消耗的电能 E＝Ek＋Q＝4.5 J＋4.5 J＝9 J. 三、功能关系的理解与应用 1．功能关系概述 (1)不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是能量之间转化的过程． (2)功是能量转化的量度．做了多少功，就有多少能量发生转化． 2．功与能的关系：由于功是能量转化的量度，某种力做功往往与某一种具体形式的能量转化相联系，具体功能关系如下： 功 能量转化 关系式 重力做功 重力势能的改变 WG＝－ΔEp 弹力做功 弹性势能的改变 WF＝－ΔEp 合外力做功 动能的改变 W合＝ΔEk 除重力、系统内弹力以外的其他力做功 机械能的改变 W＝ΔE机 两物体间滑动摩擦力对物体系统做功 内能的改变 fs相对＝Q 例3　如图2所示，在竖直平面内有一半径为R的圆弧轨道，半径OA水平、OB竖直，一个质量为m的小球自A的正上方P点由静止开始自由下落，小球沿轨道到达最高点B时恰好对轨道没有压力．已知AP＝2R，重力加速度为g，则小球从P到B的运动过程中(　　) 图2 A．重力做功2mgR B．机械能减少mgR C．合外力做功mgR D．克服摩擦力做功mgR 答案　D 解析　重力做功与路径无关，所以WG＝mgR，选项A错；小球在B点时所受重力提供向心力，即mg＝m，所以v＝，从P点到B点，由动能定理知：W合＝mv2＝mgR，故选项C错；根据能量守恒知：机械能的减少量为|ΔE|＝|ΔEp|－|ΔEk|＝mgR，故选项B错；克服摩擦力做的功等于机械能的减少量，故选项D对． 例4　如图3所示，在光滑的水平面上，有一质量为M的长木块以一定的初速度向右匀速运动，将质量为m的小铁块无初速度地轻放到长木块右端，小铁块与长木块间的动摩擦因数为μ，当小铁块在长木块上相对长木块滑动L时与长木块保持相对静止，此时长木块对地的位移为l，求这个过程中： 图3 (1)小铁块增加的动能； (2)长木块减少的动能； (3)系统机械能的减少量； (4)系统产生的热量． 答案　(1)μmg(l－L)　(2)μmgl　(3)μmgL　(4)μmgL 解析　画出这一过程两物体位移示意图，如图所示． (1)根据动能定理得μmg(l－L)＝ΔEk 即小铁块动能的增加量等于滑动摩擦力对小铁块做的功． (2)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系得ΔEkM＝－μmgl，即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgl. (3)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL. (4)m、M间相对滑动的位移为L，根据能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量，也等于系统减少的机械能． 1．(能源的利用)关于能源的开发和应用，下列说法中正确的是(　　) A．能源应用的过程就是内能转化为机械能的过程 B．化石能源的能量归根结底来自于太阳能，因此化石能源永远不会枯竭 C．在广大的农村推广沼气前景广阔、意义重大，既变废为宝，减少污染，又大量节约能源 D．随着科学技术的发展，煤炭资源将取之不尽、用之不竭 答案　C 解析　能源应用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程，各种转化形式均可为人类服务，A错误；化石能源的能量虽然来自太阳能，但要经过数亿年的地质演变才能形成，且储量有限，为不可再生能源，B错误；在广大农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大，功在当代，利在千秋，C正确；无论技术先进与否，煤炭资源不可能取之不尽、用之不竭，D错误． 2．(功能关系)(多选)如图4所示，质量为M的木块放在光滑的水平面上，质量为m的子弹以速度v0沿水平方向射中木块，并最终留在木块中与木块一起以速度v运动．已知当子弹相对木块静止时，木块前进距离为l，子弹进入木块的深度为d，若木块对子弹的阻力f视为恒定，则下列关系式中正确的是(　　) 图4 A．fl＝Mv2 B．fd＝Mv2 C．fd＝mv02－(M＋m)v2 D．f(l＋d)＝mv02－mv2 答案　ACD 解析　画出运动过程示意图，从图中不难看出，当木块前进距离为l，子弹进入木块的深度为d时，子弹相对于地面发生的位移为l＋d.由牛顿第三定律知，子弹对木块的作用力大小也为f. 子弹对木块的作用力对木块做正功，由动能定理得fl＝Mv2① 木块对子弹的作用力对子弹做负功，由动能定理得－f(l＋d)＝mv2－mv02② 由①②得fd＝mv02－(M＋m)v2 所以，本题正确选项为A、C、D. 3．(能量守恒定律的应用)如图5所示，一物体质量m＝2 kg，在倾角θ＝37的斜面上的A点以初速度v0＝3 m/s下滑，A点距弹簧上端B的距离AB＝4 m．当物体到达B后将弹簧压缩到C点，最大压缩量BC＝0.2 m，然后物体又被弹簧弹上去，弹到最高位置为D点，D点距A点AD＝3 m．挡板及弹簧质量不计，g取10 m/s2，sin 37＝0.6，cos 37＝0.8.求：(小数点后保留两位小数) 图5 (1)物体与斜面间的动摩擦因数μ； (2)弹簧的最大弹性势能Epm. 答案　(1)0.52　(2)24.46 J 解析　(1)物体从开始位置A点到最后D点的过程中，弹性势能没有发生变化，动能和重力势能减少，机械能的减少量为 ΔE＝ΔEk＋ΔEp＝mv02＋mglADsin 37① 物体克服摩擦力产生的热量为Q＝fs② 其中s为物体的路程，即s＝5.4 m f＝μmgcos 37③ 由能量守恒定律可得ΔE＝Q④ 由①②③④式解得μ≈0.52. (2)物体由A到C的过程中， 动能减小ΔEk＝mv02⑤ 重力势能减少ΔEp′＝mglACsin 37⑥ 摩擦生热Q′＝flAC＝μmgcos 37lAC⑦ 由能量守恒定律得弹簧的最大弹性势能为 Epm＝ΔEk＋ΔEp′－Q′⑧ 联立⑤⑥⑦⑧解得Epm≈24.46 J. 一、选择题 考点一　能源的利用 1．利用能源的过程实质上是(　　) A．能量的消失过程 B．能量的创造过程 C．能量不守恒的过程 D．能量转化或转移并且耗散的过程 答案　D 解析　利用能源的过程实质上是能量转化或转移的过程，在能源的利用过程中能量是耗散的，A、B、C错误，D正确． 2．能源在“两型”社会的建设中有着重要的意义，节约用电应成为现代公民的行为准则．下列用电方式中属于科学、合理地节约用电的是(　　) A．家电尽量长时间待机 B．用节能灯替换白炽灯 C．楼道、走廊照明灯尽量不采用声、光控制 D．不要清除冰箱内的冰、霜 答案　B 解析　待机浪费电，家电尽量不要长时间待机，才属于科学、合理地节约用电，故A错误；用节能灯替换白炽灯，可节约用电，故B正确；楼道、走廊照明灯采用声、光控制，才属于科学、合理地节约用电，故C错误；清除冰箱内的冰、霜，能够提高冰箱的工作效率，才属于科学、合理地节约用电，故D错误． 考点二　功能关系 3．(多选)如图1所示，木块静止在光滑水平桌面上，一子弹(可视为质点)水平射入木块的深度为d时，子弹与木块相对静止，在子弹入射的过程中，木块沿桌面移动的距离为s，木块对子弹的平均阻力为f，那么在这一过程中正确的是(　　) 图1 A．木块的机械能增量为fs B．子弹的机械能减少量为f(s＋d) C．系统的机械能减少量为fd D．系统的机械能减少量为f(s＋d) 答案　ABC 解析　木块机械能的增量等于子弹对木块的作用力f做的功fs，A对；子弹机械能的减少量等于动能的减少量，即子弹克服阻力做的功f(s＋d)，B对；系统增加的机械能等于力f做的总功，即ΔE＝fs－f(s＋d)＝－fd， 故机械能减少量为fd，C对，D错． 【考点】各种功能关系及应用 【题点】各种功能关系及应用 4．(多选)如图2所示，在粗糙的桌面上有一个质量为M的物块，通过轻绳跨过定滑轮与质量为m的小球相连，不计轻绳与滑轮间的摩擦，在小球下落的过程中，下列说法正确的是(　　) 图2 A．小球的机械能守恒 B．物块与小球组成的系统机械能守恒 C．若小球匀速下降，小球减少的重力势能等于物块M与桌面间摩擦产生的热量 D．若小球加速下降，小球减少的机械能大于物块M与桌面间摩擦产生的热量 答案　CD 解析　由于绳子对小球做负功，因此小球的机械能减小，A错误；由于桌面粗糙，摩擦力对M做负功，因此物块与小球组成的系统机械能减小，B错误；若小球匀速下降，根据能量守恒，小球减小的重力势能没有转化为动能，而是完全转化为物块M与桌面间摩擦产生的热量，C正确；若小球加速下降，则小球减小的机械能一部分转化为摩擦产生的热量，另一部分转化为M的动能，因此D正确． 【考点】各种功能关系及应用 【题点】各种功能关系及应用 考点三　能量守恒定律的应用 5．两块完全相同的木块A、B，其中A固定在水平桌面上，B放在光滑的水平桌面上，两颗同样的子弹以相同的水平速度射入两木块，穿透后子弹的速度分别为vA、vB，在子弹穿透木块过程中因克服摩擦力产生的热量分别为QA、QB，设木块对子弹的摩擦力大小一定，则(　　) A．vA>vB，QA>QB B．vAvB，QA＝QB 答案　D 解析　两颗同样的子弹穿透木块的过程中，摩擦阻力f相同，子弹相对木块滑动的距离相同，所以摩擦力做功过程中产生的内能Q＝fΔs相同，根据能量守恒定律有：mv2＝QA＋mv，mv2＝QB＋mv＋mBv′2，由以上两式可知vA>vB，综上所述选项D正确． 6．(多选)质量为m1、m2的两物体，静止在光滑的水平面上，质量为m的人站在m1上用恒力F拉绳子，经过一段时间后，两物体的速度大小分别为v1和v2，位移分别为s1和s2，如图3所示，则这段时间内此人所做的功的大小等于(　　) 图3 A．Fs2 B．F(s1＋s2) C.m2v22＋(m＋m1)v12 D.m2v22 答案　BC 解析　根据能量守恒可知，人通过做功消耗的化学能将全部转化为物体m1和m2的动能以及人的动能，所以人做的功的大小等于F(s1＋s2)，也等于m2v22＋(m＋m1)v12，即B、C正确． 二、非选择题 7．(能量的利用)一台水轮发电机组，每秒有2.0 m3的水流过水轮机，若河坝水位高度差是20 m，则水每秒对水轮机最多能做多少功？若有40%的机械能转化为电能，问发电机的输出功率为多大？(水的密度ρ＝103 kg/m3，g取10 N/kg) 答案　4105 J　1.6105 W 解析　若使水对水轮机做功最多，则把水的重力势能全部转化为水轮机的机械能．则每秒对水轮机做功为W＝mgh＝ρgVh＝10310220 J＝4105 J 由P＝得P出＝＝＝1.6105 W.