高中物理 7.10能量守恒定律與能源（探究導學課型） 新人教版必修2

1、10 能量守恒定律與能源,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_(A.可能B.不可能)性。 (2)發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象之間能量的_與_,B,相互聯(lián)系,轉化,2.內容: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_為另一種形式,或者從一個物體_到別的物體,在 _或_的過程中,能量的總量_。 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_、最_、最_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,轉化,轉移,轉化,轉移,保持不變,普遍,重要,可靠,自我思悟】 1.一個叫丹尼斯李(Dennis Lee)的美國人在 美國今

2、日新聞周刊等全國性報刊上 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。 你認為這種發(fā)電機能造出來嗎?并說明原因。 提示:不能。丹尼斯李發(fā)明的發(fā)電機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)電機不能制造出來,2.如圖小朋友沿滑梯向下滑動過程中,他們身上發(fā)生了哪些能量間的轉化?小朋友的機械能守恒嗎? 提示:小朋友下滑時,重力勢能減少,動能增加,同時他們與滑梯的內能也增加;小朋友的機械能減少,一部分轉化為內能,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、_時期、_時期。自工業(yè)革命以來,煤和 _成為人類的主要能源。

3、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_和_,熱和光被其他物質吸收 之后變成周圍環(huán)境的_,我們無法把這些散失的能量收集起 來重新利用,煤炭,石油,石油,內能,光能,內能,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_,但在可利用的品質上_,從 便于利用的變成_的了。 4.能量轉化的方向性與節(jié)約能源的必要性:_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_,但還是很有必要 節(jié)約能源,雖未減少,降低了,不便于利

4、用,能量耗散,守恒,自我思悟】 有的同學認為:既然自然界總能量是守恒的,那就沒必要節(jié)約能源了。他的觀點為何不對? 提示:總能量雖然守恒,但是可利用的能量越來越少,所以人類應節(jié)約可利用能源,一、能量守恒定律的應用 規(guī)律方法 1.適用范圍:能量守恒定律是貫穿物理學的基本規(guī)律,是各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律。 2.表達式: (1)E初=E末,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)E增=E減,能量的增加量等于能量的減少量,3.應用步驟: (1)明確研究對象及研究過程。 (2)明確該過程中,哪些形式的能量在變化。 (3)確定參與轉化的能量中,哪些能量增加,哪些能量減少。 (4)列出增

5、加的能量和減少的能量之間的守恒式(或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式,微思考】 (1)行駛在水平路面上的汽車關閉發(fā)動機以后,會慢慢停止前進,該過程中汽車減少的機械能轉化為什么能?總能量還守恒嗎? 提示:汽車減少的機械能轉化為汽車、路面及周圍空氣的內能;汽車、路面及周圍空氣的總能量不變,2)機械能守恒定律與能量守恒定律有區(qū)別嗎? 提示:機械能守恒定律與能量守恒定律是兩個不同層面上的定律。機械能守恒定律是眾多能量守恒定律中的特例,只有符合一定的條件,系統(tǒng)的機械能才守恒;而系統(tǒng)的總能量一定保持不變,即能量守恒定律是無條件的,題組通關】 【示范題】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

6、 B.太陽照射到地球上的光能轉化成其他能量,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”違背了能量轉化和守恒定律,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,解題探究】(1)能量守恒定律的根本原因:能量既不會憑空_,也不會憑空_。 (2)這里的永動機是指一種什么樣的“機器”? 提示:這里的永動機是指不消耗能量而能永遠對外做功的機器,產(chǎn)生,消失,規(guī)范解答】選C。永動機是不消耗或少消耗能量,可以大量對外做功的裝置,違背能量守恒定律,A錯誤。能量不可能憑空消失,B錯誤。能量也不可能憑空產(chǎn)生,C正確,D錯誤,通關1

7、+1】 1.自由擺動的秋千擺動幅度越來越小,下列說法正確的是() A.機械能守恒 B.能量正在消失 C.只有動能和重力勢能的相互轉化 D.減少的機械能轉化為內能,但總能量守恒,解析】選D。自由擺動的秋千擺動幅度越來越小,說明機械能減少,摩擦阻力對秋千做負功,使減少的機械能轉化為內能,正確選項為D,A、B、C錯誤,2.(多選)下列說法正確的是() A.某種形式的能減少,一定存在其他形式能的增加 B.因為能量守恒,所以“能源危機”是不可能的 C.能量耗散表明,在能源的利用過程中,能量在數(shù)量上并未減少,但在可利用的品質上降低了 D.能源的利用受能量耗散的制約,所以能源的利用是有條件的,也是有代價的,

8、解析】選A、C、D。本題考查對能量守恒定律及能量耗散的理解,能量只能轉化或轉移,在轉化或轉移過程中總量不變;能量耗散表明能量在數(shù)量上并未減少,只是在可利用的品質上降低了,變式訓練】1.一質量均勻、不可伸長的繩索,重為G,A、B兩端固定在天花板上,現(xiàn)在最低點C處施加一豎直向下的力,將最低點緩慢拉至D點,在此過程中,繩的重心位置() A.逐漸升高 B.逐漸降低 C.先降低后升高 D.始終不變,解析】選A。外力對繩索做正功,繩索的機械能增加,由于繩索的動能不變,增加的必是重力勢能,重力勢能增加是重心升高的結果,故A正確,2.人身體在最佳狀態(tài)下,只能把人體化學能的25%轉化為有用的機械能。假如一位質量

9、為60 kg的登山運動員恰好具有這樣的轉化效率,若他平均每小時登高500 m,那么,他在5 h內共消耗的化學能為多少?(g取10m/s2,解析】運動員每小時增加的機械能 Ep=mgh=3105J, 運動員每小時消耗的化學能E1= =1.2106J, 5h內運動員消耗的化學能E=5E1=6106J。 答案:6106J,素養(yǎng)升華】 利用能量轉化與轉移解題的兩點注意 (1)能量既可通過做功的方式實現(xiàn)不同形式的能量之間的轉化,也可在同一物體的不同部分或不同物體間進行轉移。 (2)能量在轉化與轉移過程中,能量的總量保持不變。利用能量守恒定律解題的關鍵是正確分析有多少種能量變化,分析時避免出現(xiàn)遺漏,二、對

10、功能關系的理解 深化理解 1.功能關系概述: (1)不同形式的能量之間的轉化是通過做功實現(xiàn)的,做功的過程就是能量之間轉化(或轉移)的過程。 (2)功是能量轉化的量度。做了多少功,就有多少能量發(fā)生轉化(或轉移,2.功與能的關系:由于功是能量轉化的量度,某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉化相聯(lián)系,具體功能關系如表,微思考】 “神舟十號”飛船返回艙進入地球大氣層以后,由于它的高速下落,而與空氣發(fā)生劇烈摩擦,返回艙的表面溫度達到1000攝氏度以上。 (1)返回艙進入地球大氣層以后,哪些力做功?做什么功? 提示:重力做正功,空氣阻力做負功,2)以上過程涉及了哪些能量間的轉化? 提示:返回艙重力做的功

11、等于其重力勢能的減少量;阻力做的功等于返回艙機械能的減少量;重力與阻力做的總功等于返回艙動能的增加量,題組通關】 【示范題】(2013海南高考)一質量m=0.6kg的物體以v0=20m/s的初速度從傾角=30的斜坡底端沿斜坡向上運動。當物體向上滑到某一位置時,其動能減少了Ek=18J,機械能減少了E=3J。不計空氣阻力,重力加速度g取10m/s2,求: (1)物體向上運動時加速度的大小; (2)物體返回斜坡底端時的動能,解題探究】(1)_等于物體動能的變化。 (2)_等于物體重力勢能的變化,合外力所做的功,重力所做的功,規(guī)范解答】(1)設物體運動過程中所受的摩擦力為f,向上運動的加速度的大小為

12、a,由牛頓第二定律可知 a= 設物體的動能減少Ek時,在斜坡上運動的距離為s,由功能關系可知Ek=(mgsin+f)s E=fs 聯(lián)立式,并代入數(shù)據(jù)可得a=6m/s2,2)設物體沿斜坡向上運動的最大距離為sm,由運動學規(guī)律可得sm= 設物體返回斜坡底端時的動能為Ek,由動能定理得 Ek=(mgsin-f)sm 聯(lián)立以上各式,并代入數(shù)據(jù)可得Ek=80J 答案:(1)6m/s2(2)80J,通關1+1】 1.(拓展延伸)【示范題】中:(1)物體沿斜坡上升到最高點時,它的機械能損失了多少? (2)從上升到返回到斜坡底端過程中,系統(tǒng)共產(chǎn)生了多少內能,解析】(1)解法一:選斜坡底端高度為參考平面,物體的

13、機械能損失: E減=E1-E2= mv02-mgsmsin30=20J; 解法二:物體的機械能損失等于它克服摩擦力做的功: E減=fsm=0.1mgsm=20J。 (2)解法一:根據(jù)能量守恒定律,系統(tǒng)產(chǎn)生的內能等于物體機械能的減少量: E=E1-E3= mv02- mv2=40J,解法二:系統(tǒng)產(chǎn)生的內能等于它克服摩擦力做的功: E=2fsm=20.1mgsm=40J。 答案:(1)20J(2)40J,2.(多選)(2014桂林高一檢測)如圖所示,高h=2m的曲面固定不動。一個質量為1kg的物體,由靜止開始從曲面的頂點滑下,滑到底端時的速度大小為4m/s。g取10m/s2。在此過程中,下列說法正

14、確的是() A.物體克服摩擦力做功20 J B.物體的動能增加了8 J C.物體的重力勢能減少了20 J D.曲面對物體的支持力對物體不做功,解析】選B、C、D。根據(jù)動能定理得mgh+Wf= mv2= 142J=8 J,B對。其中重力做功WG=mgh=1102J=20 J, 故重力勢能減少20 J,C對。所以摩擦力做功Wf=8J-20 J= -12 J,A錯。支持力始終與物體的速度垂直,故支持力不做功, D對,3.(2013寧波高一檢測)蹦床運動員與床墊接觸的過程可簡化為下述模型:運動員從高處落到處于自然狀態(tài)的床墊(A位置)上,隨床墊一同向下做變速運動到達最低點(B位置),如圖。有關運動員從A

15、運動至B的過程,說法正確的是() A.運動員的機械能守恒 B.運動員的速度一直減小 C.運動員的機械能先增加后減小 D.運動員先失重后超重,解析】選D。運動員從A運動至B的過程,床墊彈力對運動員做負功,運動員的機械能轉化成了蹦床的彈性勢能,運動員的機械能不斷減小,A、C錯。該過程運動員受到的合力先是向下后向上,加速度也是先向下后向上,所以運動員先失重后超重,D對。運動員的速度是先增加后減小的,B錯,變式訓練】如圖所示,滑塊靜止于光滑水平面上,與之相連的輕質彈簧處于自然伸直狀態(tài)?，F(xiàn)用恒定的水平外力F作用于彈簧右端,在向右移動一段距離的過程中,拉力F做了10J的功。上述過程中() A.彈簧的彈性勢

16、能增加了10 J B.滑塊的動能增加了10 J C.滑塊和彈簧組成的系統(tǒng)機械能增加了10 J D.滑塊和彈簧組成的系統(tǒng)機械能守恒,解析】選C。拉力F做功既增加了彈性勢能,還增加了滑塊的動能,A、B錯;系統(tǒng)增加的機械能等于拉力F做的功,C對,D錯,素養(yǎng)升華】 應用功能關系解題的基本步驟 (1)明確研究對象。 (2)分析物體的運動過程并畫圖展示。 (3)分析力對研究對象的做功情況和能量轉化形式。 (4)根據(jù)動能定理或能量守恒定律列方程求解,資源平臺】備選角度:能量守恒定律在實際問題中的應用 【示范題】某地平均風速為5m/s,已知空氣密度是1.2 kg/m3,有一風車,它的車葉轉動時可形成半徑為12

17、 m的圓面。如果這個風車能將圓面內10%的氣流動能轉化為電能,則該風車的發(fā)電機功率是多大,標準解答】在t時間內作用于風車的氣流質量 m=r2vt, 這些氣流的動能為 Ek= mv2, 轉化成的電能為 E= mv210% 所以風車帶動發(fā)電機的功率為 P= r2v310% 代入數(shù)據(jù)得P3.4kW。 答案:3.4kW,摩擦力做功與機械能的變化 【案例剖析】(多選)(2013瓊海高一檢測)如圖所示長木板A放在光滑的水平地面上,物體B以水平速度沖上A后,由于摩擦力作用,最后停止在木板A上,則從物體B沖到木板A上到相對木板A靜止的過程中,下述說法中正確的是(,A.物體B動能的減少量等于系統(tǒng)損失的機械能 B

18、.物體B克服摩擦力做的功等于系統(tǒng)內能的增加量 C.物體B損失的機械能等于木板A獲得的動能與系統(tǒng)內能的增加量之和 D.摩擦力對物體B做的功和對木板A做的功的總和等于系統(tǒng)內能的增加量,精講精析】選C、D。物體B動能的減少量等于B克服摩擦力做的功,也等于B的機械能的減少量,A錯。摩擦力對物體B做的功等于B機械能的減少,摩擦力對木板A做的功等于A機械能的增加,故摩擦力對物體B做的功和對木板A做的功的總和等于系統(tǒng)機械能的減少量,由能量守恒定律,系統(tǒng)內能增加量等于機械能的減少量,故B錯,C、D對,名師指津】摩擦力做功不一定能引起機械能的變化 (1)由于一對相互作用的靜摩擦力的位移總是相同,而摩擦力本身等值

19、反向,所以它們做功的代數(shù)和總為零。靜摩擦力做功的過程,只引起物體間機械能的轉移,而沒有機械能轉化; (2)一對相互作用的滑動摩擦力的位移總是不同,故它們做功的代數(shù)和不為零,而且總功為負值,在數(shù)值上等于兩個物體機械能的減少量。減少的機械能轉化成了內能,自我小測】 1.(多選)如圖所示,質量為M的木塊放在光滑的水平面上,質量為m的子彈以速度v0水平射中木塊,并最終留在木塊中與木塊一起以速度v運動。已知當子彈相對木塊靜止時,木塊前進距離L,子彈進入木塊的深度為s。若木塊對子彈的阻力Ff視為恒定,則在此過程中產(chǎn)生的熱量() A.Q=Ff(L+s) B.Q= mv02- mv2 C.Q=Ffs D.Q= mv02- (M+m)v2,解析】選C、D。對木塊：FfL= Mv2 對子彈：-Ff(L+s)= mv2- mv02 聯(lián)立可得，F(xiàn)fs= mv02- (M+m)v2 依據(jù)能量轉化和守恒定律，Q= mv02- (M+m)v2 產(chǎn)生的熱量Q=Ffs，故C、D正確,2.(2014巴蜀中學高一檢測)如圖所示, 工廠利用足夠長的皮帶傳輸機把貨物從 地面運送到高出水平地面的C平臺上,C 平臺離地面的高度一定。傳輸