【同步備課】2020年高中物理教學設計(新人教必修二)7.10《能量守恒定理與能源》2

第10節(jié)

能量守恒定律與能源備課參考備課參考科學概念的作用在于它具有概括多種自然現(xiàn)象的力量，能量就是從千差萬別的各種自然現(xiàn)象中抽象出來的概念。能量從更深的層次上反映了物質(zhì)運動和相互作用的本質(zhì)。能量守恒定律是人們生疏自然的重要工具。能量關(guān)系到人們的衣食住行，關(guān)系到國家的興盛發(fā)達。能源的開發(fā)和利用，是關(guān)系人類生存和進展的一個重大的社會問題。我們應直立科學的世界觀，形成可持續(xù)進展的意識。

各種形式能量的相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)實生活的閱歷告知我們，各種形式的能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。例如：在摩擦生熱的現(xiàn)象中，克服摩擦力做多少功，就有多少機械能轉(zhuǎn)化成等量的內(nèi)能；通過電流的導線變熱，電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能；燃料燃燒生熱，化學能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能；灼熱的燈絲發(fā)光，內(nèi)能轉(zhuǎn)化成光能。試驗證明，在這些轉(zhuǎn)化過程中，能量都是守恒的。

科學家對能量守恒的探究對于能量守恒，科學家進行了長期的探究：1801年，戴維發(fā)覺了電流的化學效應；1820年，奧斯特發(fā)覺了電流的磁效應；1821年，塞貝克發(fā)覺了溫差電現(xiàn)象；1831年，法拉第發(fā)覺了電磁感應現(xiàn)象；1840年，焦耳發(fā)覺了電流的熱效應；1842年，邁爾表述了能量守恒定律，并計算出熱功當量的數(shù)值；1843年，焦耳測定了熱功當量的數(shù)值。從而，確立了電化學、電和磁、電和熱、力和熱等自然現(xiàn)象之間的聯(lián)系。1847年，亥姆霍茲在理論上概括和總結(jié)了能量守恒定律?！l(fā)覺能量守恒定律的歷史表明，能量守恒定律的發(fā)覺不是偶然的它是人類對自然生疏進展到肯定階段的產(chǎn)物；除了物理學外，別的學科對能量守恒定律的發(fā)覺也有貢獻。

關(guān)于能量守恒定律能量既不會毀滅，也不會創(chuàng)生，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。這就是能量守恒定律。能量守恒定律是經(jīng)過人類的長期探究在19世紀確立的。恩格斯曾經(jīng)把這肯定律稱為“宏大的運動基本規(guī)律”，認為它的發(fā)覺是19世紀連同細胞學說、達爾文的生物進化論在內(nèi)的自然科學的三大發(fā)覺之一。能量守恒定律自建立以來，就是人們生疏自然、改造自然的有力武器。這個定律把廣泛的自然科學技術(shù)領(lǐng)域聯(lián)系起來使不同領(lǐng)域的科學工作者具有了一系列的共同語言，并取得了很多重大成就?，F(xiàn)在，能量守恒定律仍舊是我們爭辯自然科學的強有力的武器之一。

為什么要節(jié)省能源教材在本節(jié)“思考與爭辯”欄目中提出了這樣的問題：“既然能量是守恒的，不行能毀滅，為什么我們還要節(jié)省能源？”這一問題值得爭辯。其實，節(jié)省能源主要是出于以下兩方面的考慮：①

能源短缺在近二三百年以來，人類相繼創(chuàng)造了蒸汽機、內(nèi)燃機、電動機等動力機械，使生產(chǎn)力得到了飛速進展。但是，能源的消耗也急劇增長。爭辯人員估量，依據(jù)目前的石油開采和消耗速度，地球上的石油貯存將在百年內(nèi)用完；煤的儲量稍多一些，但也將在二百多年的時間內(nèi)采完?？梢韵胂螅偃鐩]有了石油和煤炭，汽車、飛機、輪船和鐵路上的內(nèi)燃機車都不能開動，火力發(fā)電廠將停止發(fā)電，人類的社會生活將會癱瘓。②

能量耗散宏觀過程具有肯定的方向性，例如：兩種氣體放在一個容器內(nèi)，總會均勻地混合到一起，但不會再自發(fā)地分別開來。在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中也是如此，例如：摩擦力做功的過程，要損耗機械能而生熱，產(chǎn)生的熱不行能全部用來做機械功；熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而不行能從低溫物體傳向高溫物體又不產(chǎn)生其他影響；燃料燃燒時一旦把自己的熱量釋放出去，它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(zhuǎn)化為電能，它又通過燈泡轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能，我們也無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用。這些實例說明，在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量是守恒的，但能量的品質(zhì)卻降低了，可被人類直接利用的能量在漸漸削減，這就是能量耗散現(xiàn)象。所以。能量雖然守恒，但我們還要節(jié)省能源。

能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移方向性的進一步說明在物理學中，能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移的方向性是用熱力學其次定律來表述的。熱力學其次定律有多種表述，兩種最常見的表述形式是：開爾文表述——不行能從單一熱源吸熱，使之完全變成有用的功，而不引起其他變化。克勞修斯表述——不行能把熱量從低溫物體傳到高溫物體，而不引起其他變化。熱力學其次定律使人們生疏到，自然界中進行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性?？梢?，不消耗任何能量而能不斷做功，或者少消耗能量而能做更多功的機器（第一類永動機）是不行能的；從單一熱源吸熱，使之完全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響的機器（其次類永動機）也是不行能的。前者違反了能量守恒定律，后者盡管不違反能量守恒定律，但是卻違反反映能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移方向性的規(guī)律——熱力學其次定律。對于熱力學其次定律，以及反映功、熱量跟內(nèi)能變化之間定量關(guān)系的熱力學第肯定律，我們將在物理選修模塊中深化爭辯。

能源的開發(fā)和利用目前，對能源的開發(fā)和利用已越來越受到人們的極大關(guān)注。我們不僅要留意節(jié)省能源，還要重視能源的合理開發(fā)。節(jié)省能源的方法有：接受高效鍋爐，節(jié)省燃料；接受高溫高壓蒸汽輪機，提高熱機效率；充分利用廢氣余熱，提高燃料利用率；從能源直接得到電能，提高發(fā)電效率；等等。在合理開發(fā)和節(jié)省使用煤、石油、自然氣等常規(guī)能源的同時，要大力開發(fā)核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能等新能源。

對功是能量轉(zhuǎn)化的量度的再生疏能量轉(zhuǎn)化是與做功緊密地聯(lián)系在一起的。力做功時，必定伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，而且功與能量轉(zhuǎn)化的量值是相等的。這一等量關(guān)系不僅供應了計算功的大小的另一種途徑，而且涉及功與能的其他物理量也可能在這一等量關(guān)系中求出。在力學中，常涉及以下幾種力的功引起的相應的能量變化的等量關(guān)系：合外力所做的功或外力所做功的代數(shù)和等于物體或物體系動能的變化——動能定理；除了重力和彈力外，其他力對物體系所做的功等于物體系機械能的變化——功能原理；重力或彈力對物體所做的功與重力勢能或彈性勢能的變化數(shù)值相等；兩物體間滑動摩擦力對物體系所做的功與物體系增加的內(nèi)能數(shù)值相等。典型例題本節(jié)學問的應用主要涉及對能量守恒定律和能源問題的理解，以及有關(guān)能量轉(zhuǎn)化、能源開發(fā)和利用問題的計算。例1試說明下列現(xiàn)象中能量是怎樣轉(zhuǎn)化的：A.在水平大路上行駛的汽車，發(fā)動機熄火之后，速度越來越小，最終停止。B.電風扇通電后開頭轉(zhuǎn)動，斷電后轉(zhuǎn)動著的風扇又漸漸停下來。C.火藥爆炸產(chǎn)生燃氣，子彈在燃氣的推動下從槍膛放射出去，射穿一塊鋼板，速度減小。D.用柴油機帶動發(fā)電機發(fā)電，供應電動水泵抽水，把水從低處抽到高處。提示從能量的種類和做功狀況加以分析。解析A.在水平大路上行駛的汽車，發(fā)動機熄火之后，速度越來越小，最終停止。這一過程中，汽車所受的阻力做負功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。B.電風扇通電后開頭轉(zhuǎn)動，電流做功，電能轉(zhuǎn)化為機械能，有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；斷電后轉(zhuǎn)動著的風扇又漸漸停下來，阻力做負功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。C.火藥爆炸產(chǎn)生燃氣，化學能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；子彈在燃氣的推動下從槍膛放射出去，推力做功，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能；子彈射穿一塊鋼板，速度減小，阻力做負功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。D.用柴油機帶動發(fā)電機發(fā)電，化學能轉(zhuǎn)化為機械能，又轉(zhuǎn)化為電能；發(fā)電機發(fā)電后供應電動水泵抽水，電流做功，電能轉(zhuǎn)化為機械能；電動水泵把水從低處抽到高處，水泵對水做功，使水泵的機械能傳遞給水。點悟做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。各種能量可以相互轉(zhuǎn)化，而在轉(zhuǎn)化過程中，能量的總量則保持不變。圖1DABC例2一質(zhì)量均勻、不行伸長的繩索，重為G，A、B圖1DABCA.漸漸上升B.漸漸降低C.先降低后上升D.始終不變提示從外力做功引起繩索重力勢能的變化進行分析。解析外力對繩索做功，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上升的結(jié)果。正確選項為A。圖2點悟本題繩索重心的具體位置很難確定，且往往會錯誤地認為：外力將繩索向下拉，繩索的重心會漸漸降低。這里，我們應用功能原理，對問題作出了正確的推斷。圖2例3約在1670年，英國賽斯特城的主教約翰·維爾金斯設計了一種磁力“永動機”，如圖2所示，在斜坡頂上放一塊強有力的磁鐵，斜坡上端有一個小孔，斜面下有一個連接小孔直至底端的彎曲軌道。維爾金斯認為：假如在斜坡底放一個小鐵球，那么由于磁鐵的吸引，小鐵球就會向上運動，當小球運動到小孔P處時，它就要掉下，再沿著斜面下的彎曲軌道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以對外做功，然后又被磁鐵吸引回到上端，到小孔P處又掉下。在以后的二百多年里，維爾金斯的永動機竟然改頭換面地消滅過多次，其中一次是在1878年，即在能量轉(zhuǎn)化和守恒定律確定20年后，而且竟在德國取得了專利權(quán)！請你分析一下，維爾金斯“永動機”能實現(xiàn)嗎?提示運用能量守恒定律進行分析。解析維爾金斯“永動機”不行能實現(xiàn)，由于它違反了能量守恒定律。小球上升過程中，磁場力對小球做正功，使小球增加了機械能；但小球下落時，同樣也受到磁場力，而且磁場力做負功，這個負功與上升過程的正功相互抵消?？梢姡S爾金斯“永動機”不行能源源不斷向外供應能量，所以維爾金斯“永動機”不行能實現(xiàn)。點悟能量守恒定律告知我們：任何一部機器，只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能無中生有地制造能量，那種不消耗能量的所謂“永動機”是不行能造成的。人類利用自然，必需遵循自然規(guī)律，而不是去研制永久無法實現(xiàn)的“永動機”。例4隨著人類能量消耗的快速增加，如何有效地提高能量利用率是人類所面臨的一項重要任務。上海“明珠線”某輕軌車站的設計方案將站臺抬高了一些，與站臺連接的軌道有一個小的坡度。請你從提高能量利用效率的角度，分析這種設計的優(yōu)點。提示從能量轉(zhuǎn)化的角度分析如何提高能量的利用率。解析列車進站時，利用上坡使部分動能轉(zhuǎn)化為重力勢能加以儲存，削減了因剎車而損耗的機械能；列車出站時，利用下坡把儲存的重力勢能又轉(zhuǎn)化為動能，起到節(jié)能的作用，從而提高了能量的利用率。點悟節(jié)省能源是涉及社會可持續(xù)進展的重大問題，應當引起人們的極大關(guān)注。上?！懊髦榫€”某輕軌車站的上述設計方案，正是從節(jié)省能源的角度提出的。這里，我們看到了物理規(guī)律與實際生活的親密聯(lián)系及其發(fā)揮的重要作用。例5下列說法正確的是（）A.熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體B.只要對熱機不斷改革，就可使熱機把它得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能C.不行能從單一熱源吸取熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化D.凡是不違反能量守恒定律的過程都肯定能實現(xiàn)提示用反映能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移方向性的規(guī)律——熱力學其次定律進行推斷。解析熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而不會自發(fā)地才低溫物體傳給高溫物體，但假如有外界的影響或者掛念，熱量也能從低溫物體傳到高溫物體。例如：電冰箱消耗了電能，對致冷系統(tǒng)做了功，能夠不斷地把冰箱內(nèi)（低溫）的熱量傳給外界的空氣（高溫）。熱機不能把它得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，由于熱機必需有熱源和冷凝器，熱機工作時總要向冷凝器散熱，不行避開地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量。依據(jù)熱力學其次定律，不行能從單一熱源吸取熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。不違反能量守恒定律，但違反熱力學其次定律的過程，同樣不能實現(xiàn)?？梢姡_選項為C。圖3A圖3ABC例6如圖3所示，小球以60J的初動能從A點動身沿粗糙斜面對上運動，在上升到B點的過程中，小球的動能損失了50J，機械能損失了10J，則小球連續(xù)向上運動至最高點C再運動至動身點A時的動能為多少？提示由于斜面粗糙，小球克服摩擦力做功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以小球的機械能不守恒，可應用動能定理和功能原理求解。解析小球在由A點到B點的過程中，動能的損失量對應于克服合外力所做的功，機械能的損失量對應于克服摩擦力所做的功。由動能定理得WG+WF=△Ek=－50J，由功能關(guān)系得WF=△E=－10J，又F︰G=WF︰WG，由以上三式可得

F︰G=1︰4。小球在由B點到C點的過程中，動能削減10J，由動能定理得WG’+WF’=△Ek’=－10J，又WF’︰WG’=F︰G=1︰4，由以上兩式可得WF’=－2J。所以，上升過程中小球克服摩擦力做功12J，一上一下，全過程小球克服摩擦力做功24J。在小球運動的全過程中由動能定理得

=Ekt－Ek0，解得小球運動至動身點A時的動能為Ekt=+Ek0=－24J+60J=36J。點悟本題涉及功與能的幾個對應關(guān)系。爭辯動能的變化，只要看合外力做了多少功（本題中即為重力與摩擦力所做功之和）；爭辯機械能的變化，只要看除重力、彈力以外的力總共做了多少功（本題中即為摩擦力所做的功）。必需弄清各種能量的變化與什么力所做的功相對應，否則可能亂套公式而出錯。課本習題解析1.家用電飯鍋是把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，洗衣機是把電能轉(zhuǎn)化為動能，等等。2.(1)

依題意可知，三峽水庫其次期蓄水后，用于發(fā)電的水流量每秒為

1.35×104m3－3

500m3=10每秒鐘轉(zhuǎn)化為的電能是mgh×20%=ρVgh×20%=1.0×103×1.0×104×10×135×20%J/s=2.7×109J/s，發(fā)電功率最大是2.7×109W=2.7×106kW。(2)

設三口之家每戶的家庭生活用電功率為1kW，考慮到不是每家同時用1kW的電，我們平均每家同時用電0.5kW，則三峽發(fā)電站能供應

戶=5.8×106戶用電，人口數(shù)為3×5.8×106人≈17×106人，即可供17個百萬人口城市的生活用電。鞏固練習能源是人類社會活動的物質(zhì)基礎。人類利用能源大致經(jīng)受了三個時期，依次是（）A.柴薪時期、煤炭時期、石油時期

B.柴薪時期、石油時期、煤炭時期C.煤炭時期、石油時期、電力時期D.畜力時期、熱力時期、電力時期關(guān)于能量耗散，下列說法中正確的是（）能量耗散是指在肯定條件下，能量在轉(zhuǎn)化過程中總量削減了能量耗散表明，能量守恒定律具有肯定的局限性能量耗散表明，在能源的利用過程中，能量在數(shù)量上并未削減，但在可利用的品質(zhì)上降低了能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度，反映出自然界中宏觀過程的方向性下列說法中正確的是（）A.不同形式能量的轉(zhuǎn)化是通過做功來實現(xiàn)的B.做功的過程總是伴隨著能量的變化C.某種形式的能量增加10J，肯定有其他形式的能量削減10JD.某個物體的能量削減10J，肯定有其他物體的能量增加10J運動員把原來靜止的足球踢出去，使足球獲得100J的動能。則在運動員踢球的過程中，運動員消耗的體能（）A.等于100J

B.大于100J

C.小于100J

D.無法確定斜面的高是0.6m，傾角是37°，質(zhì)量是1kg的物體由頂端滑到底端。已知動摩擦因數(shù)是0.5，g取10m/s2，在這個過程中產(chǎn)生多少熱量？水能是可再生能源，可用來發(fā)電為人類供應清潔的能源。若一水力發(fā)電站水庫平均流量為Q

m3/s，落差為h

m。試回答和計算：水力發(fā)電過程是什么能之間的轉(zhuǎn)化？設發(fā)電效率為η，則全年的發(fā)電量為多少？（用kW·h來表示）OEks(aOEks(a)O(b)O(c)O(d)圖4EkEkEksssA.(a)

圖

B.(b)

圖

C.(c)

圖

D.(d)

圖9.小球質(zhì)量為m，在距地面h高度處以v0的初速度豎直向上拋出，設空氣阻力恒為F，且小于mg，小球與地面碰撞過程中不損失機械能，則小球在整個過程中經(jīng)受的路程是多少？10.