粤教版物理必修2第4章 第6节 能量的转化与守恒.docx
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粤教版物理必修2第4章第6节能量的转化与守恒
第六节 能量的转化与守恒
学习目标
知识脉络
1.知道能量守恒定律的内容．（重点）
2．理解能量守恒定律的确切含义．（难点）
3．掌握应用能量守恒定律解决问题的方法．（重点）
4．知道能量转化的方向性．（难点）
能量及其转化
各种各样的能量及转化
（1）对能量概念的初步认识
a．构成世界的基本要素为物质、能量、信息．能量无处不在，能量转化无时不有．
b．一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量．
（2）各种各样的能量
名称
含义
机械能
与物体的运动或位置高度、形变相关的能量，表现为动能、势能
内能
组成物质的粒子（原子或分子）的无规则运动所具有的动能和势能的总和
化学能
储存在化合物的化学键里的能量
核能
储存在原子核内部的能量、原子核发生核反应（如裂变或聚变）时，会释放出巨大的能量
电磁能
以各种各样的电磁波的形式传播的能量
…
……
（3）能量之间的相互转化
自然界中，能量的存在形式多种多样，这些能量之间可以相互转化．我们所消耗的能量，无论是食物还是电，大部分是太阳能辐射到地球后转化而来的．
1．做功的过程就是能量转化的过程．（√）
2．做功越多，能量的转化也越多．（√）
3．物体做了多少功，就有多少能量消失．（×）
不同形式能量间的相互转化是通过什么实现的？
在某一过程中能量转化了多少是通过什么来衡量的？
【提示】 物体通过做功，可以使不同形式的能量之间发生转化，做功的过程就是能量转化的过程．做了多少功，就有多少能量发生转化．因此，可以用做功的多少确定不同形式的能量转化的多少．
如图4 6 1所示，发生雪崩时，山顶的积雪以排山倒海之势滚落下来．
图4 6 1
探讨1：
重力做功引起什么能的改变？
合外力做功引起什么能的改变？
【提示】 重力做功引起重力势能的改变，合外力做功引起动能的改变．
探讨2：
除重力之外的其它力做功引起什么能的改变？
【提示】 除重力之外的其它力做功引起机械能的改变．
1．功与能量的转化
不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的．做功的过程就是各种形式的能量之间转化（或转移）的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化（或转移）．因此，功是能量转化的量度．
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
能的变化
表达式
重力做功
正功
重力势能减少
重力势
能变化
WG＝Ep1－Ep2
负功
重力势能增加
弹力做功
正功
弹性势能减少
弹性势
能变化
W弹＝Ep1－Ep2
负功
弹性势能增加
合力做功
正功
动能增加
动能
变化
W合＝Ek2－Ek1
负功
动能减少
除重力（或系统内弹力）外其他力做功
正功
机械能增加
机械能变化
W外＝E2－E1
负功
机械能减少
1．（多选）一个质量为m的物体以a＝2g的加速度竖直向下运动，则在此物体下降h高度的过程中，下列说法正确的是（ ）
A．物体的重力势能减少了2mgh
B．物体的动能增加了2mgh
C．物体的机械能保持不变
D．物体的机械能增加了mgh
【解析】 物体以a＝2g的加速度向下运动，说明除重力外，还有其他力对物体做正功．物体下降h，重力势能减少mgh，A错误．动能增加2mgh，B正确．物体的机械能增加mgh，C错误，D正确．
【答案】 BD
2．（多选）在体育比赛项目中，高台跳水是我国运动员的强项．质量为m的跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设水对他的阻力大小恒为F，那么在他减速下降高度为h的过程中，下列说法正确的是（g为当地的重力加速度）（ ）
图4 6 2
A．他的动能减少了Fh－mgh
B．他的重力势能增加了mgh
C．他的机械能减少了（F－mg）h
D．他的机械能减少了Fh
【解析】 由动能定理，ΔEk＝mgh－Fh，动能减少了Fh－mgh，A选项正确；他的重力势能减少了mgh，B选项错误；他的机械能减少了ΔE＝Fh，C选项错误，D选项正确．
【答案】 AD
3．如图4 6 3所示，小球以60J的初动能从A点出发沿粗糙斜面向上运动，在上升到B点的过程中，小球的动能损失了50J，机械能损失了10J，则小球继续向上运动至最高点C再运动至出发点A时的动能为多少？
图4 6 3
【解析】 小球在由A点到B点的过程中，动能的损失量对应于克服合外力所做的功，机械能的损失量对应于克服摩擦力所做的功．
由动能定理得：
WG＋Wf＝ΔEk＝－50J
由功能原理得：
Wf＝ΔE＝－10J
故WG＝－40J
所以Wf∶WG＝1∶4
小球在由B点到C点的过程中，动能减少10J，由动能定理得：
WG′＋Wf′＝ΔE′k＝－10J
又：
Wf′∶WG′＝1∶4
可得：
Wf′＝－2J
所以，上升过程中小球克服摩擦力做的功为12J，一上一下，全过程小球克服摩擦力做的功为24J.
在小球运动的全过程中由动能定理得：
Wf总＝Ekt－Ek0
小球运动至出发点A时的动能为：
Ekt＝Wf总＋Ek0＝－24J＋60J＝36J.
【答案】 36J
功和能的区别
虽然功与能紧密相连，但是他们之间有严格的区别：
功是力在空间上的积累，是过程量；而能反映了物体对外做功的一种本领，与物体所处的状态对应，是状态量．
能量转化与守恒定律
1．内容
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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，在转化或转移过程中其总量不变．
2．意义
揭示了自然界各种运动形式不仅具有多样性，而且具有统一性，能量既不能无中生有，也不能消灭，只能在一定条件下相互转化．
1．当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多．（√）
2．自然界中的任何变化过程都满足能量守恒．（√）
3．能量守恒过程外力做功必为零．（×）
一个叫丹尼斯·李（DennisLee）的美国人在《美国今日》《新闻周刊》等全国性报刊上刊登大幅广告，在全美各地表演，展示其号称无需任何能源的发电机．
DennisLee和他的永动机
图4 6 4
你认为这种发电机能造出来吗？
并说明原因．
【提示】 不能．丹尼斯·李发明的发电机不消耗其他能量而源源不断地产生电能，违背了能量守恒定律，因此这种发电机不能制造出来．
“神舟十号”飞船返回舱进入地球大气层以后，由于它的高速下落，而与空气发生剧烈摩擦，返回舱的表面温度达到1000摄氏度．
图4 6 5
探讨1：
进入大气层很长一段时间，返回舱加速下落，返回舱表面温度逐渐升高．该过程动能和势能怎么变化？
机械能守恒吗？
【提示】 该过程动能增加，势能减少，机械能不守恒．
探讨2：
返回舱表面温度越高，内能越大．该过程中什么能向什么能转化？
机械能和内能的总量变化吗？
【提示】 该过程机械能向内能转化．根据能量守恒定律，机械能和内能的总量不变．
1．表达式及含义
ΔE1＝－ΔE2
某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量一定与增加量相等
ΔEA＝－ΔEB
物体A的能量减少，物体B的能量增加，且减少量与增加量一定相等
2.意义
（1）能量转化与守恒定律是自然界最普遍、最重要、最基本的规律之一，反映了自然现象的普遍联系，揭示了自然界是相互联系、相互统一的．
（2）能量转化与守恒定律是普遍适用的，对宏观世界与微观世界，高速运动与低速运动等都成立．
3．应用步骤
能量转化与守恒定律是贯穿整个物理学的规律之一，是学习物理学的一条主线，运用能量的观点解释物理现象及解决物理问题简单、方便．应用时可按以下步骤进行：
（1）首先分析系统的能量，弄清哪种形式的能量在增加，哪种形式的能量在减少．
（2）分别列出减少的能量和增加的能量．
（3）根据能量守恒定律列方程ΔE减＝ΔE增求解．
4．如图4 6 6所示，一小孩从公园中粗糙的滑梯上自由加速滑下，其能量的变化情况是（ ）
图4 6 6
A．重力势能减小，动能不变，机械能减小，总能量减小
B．重力势能减小，动能增加，机械能减小，总能量不变
C．重力势能减小，动能增加，机械能增加，总能量增加
D．重力势能减小，动能增加，机械能守恒，总能量不变
【解析】 由能量守恒定律可知，小孩在下滑过程中总能量守恒，故A、C均错；由于摩擦力要做负功，机械能不守恒，故D错；下滑过程中重力势能向动能和内能转化，故只有B正确．
【答案】 B
5．足够长的传送带以速度v匀速传动，一质量为m的小物体A由静止轻放于传送带上，若小物体与传送带之间的动摩擦因数为μ，如图4 6 7所示，当物体与传送带相对静止时，转化为内能的能量为（ ）
图4 6 7
A．mv2B．2mv2
C.
mv2D.
mv2
【解析】 物体A被放于传送带上即做匀加速直线运动，加速度a＝
＝μg，匀加速过程前进的距离x1＝
＝
.
该时间内传送带前进的距离x2＝vt＝v·
＝
.
所以物体相对传送带滑动距离Δx＝x2－x1＝
.
故产生的内能Q＝μmg·Δx＝μmg·
＝
mv2，D正确．
【答案】 D
6.如图4 6 8所示，质量为m的小铁块A以水平速度v0从左侧冲上质量为M、长为l置于光滑水平面C上的木板B，刚好不从木板上掉下，已知A、B间的动摩擦因数为μ，此时木板对地位移为s，求这一过程中：
【导学号：
35390076】
图4 6 8
（1）木板增加的动能；
（2）小铁块减少的动能；
（3）系统机械能的减少量．
【解析】
（1）对B根据动能定理得：
μmgs＝
Mv2－0，
即EkB＝μmgs.
（2）滑动摩擦力对小铁块A做负功，根据动能定理可知：
ΔEkA＝－μmg（s＋l）．
即小铁块减少的动能为
－ΔEkA＝
mv
－
mv2＝μmg（s＋l）．
（3）系统机械能的减少量应为小物块动能的减少与木板B获得的动能之差．
ΔE减＝fl＝μmgl.
【答案】
（1）μmgs
（2）μmg（s＋l） （3）μmgl
摩擦力对A做的功大于摩擦力对B做的功，所以A的动能减少大于B的动能的增加，两者之差等于产生的内能，体现了能量转化与守恒的特点.该内能也应等于滑动摩擦力与两物体间相对位移的乘积，即Q＝f滑·s相对.
能量转化和转移的方向性
自然界中，许多现象的发生、发展都具有方向性，能量的转化和转移也具有方向性．
1．烧火生热：
化学能通过燃烧转化为内能，但是内能不会自发地重新转化为化学能．
2．热传导：
热量可以自发地从高温物体传向低温物体，但热量却不能自发地从低温物体传递到高温物体．
1．热量会自发地从高温物体传递到低温物体，而不会自发地从低温物体传递到高温物体．（√）
2．热传导的过程具有方向性．（√）
3．机械能可以全部转化为内能，而内能不能自发的全部转化为机械能．（√）
热量能自发地从高温物体传给低温物体的，我们所说的“自发地”指的是没有任何的外界影响或者帮助．
电冰箱是让“热”由低温环境传递到高温环境．这是不是自发进行的？
说明理由．
图4 6 9
【提示】 电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体，在该过程中电冰箱要消耗电能．电冰箱能够把热量从低温物体传给高温物体，一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了，相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高．
探讨：
如图4 6 10所示，把小球拉到一定角度后释放，小球在竖直平面内来回摆动，我们观察到它的摆动幅度越来越小，最后停止摆动．机械能消失了吗？
若没有消失，转化成了什么？
能否让这种能自发的转化为机械能使小球动起来呢？
图4 6 10
【提示】 机械能没有消失，而是转化为小球和空气的内能，不可能使内能自发转化为机械能使小球摆动．
1．关于方向性的理解：
能量守恒定律指明各种形式的能量可以相互转化，并且在转化或转移过程中总和不变．但是能量的转化和转移并不是任意的，而是具有方向性的，具体表现在：
（1）机械能与内能转化的方向性．
①机械能可以全部转化为内能，但内能不可能自动地、并不引起任何变化地全部转化为机械能．
②机械能转化为内能不需要专门的装置，而内能要转化为机械能却需要复杂的技术手段，比如利用热机等进行转化．
（2）热传递的方向性：
在热传递过程中，内能可以自发地从高温物体向低温物体转移，但不能自发地从低温物体向高温物体转移，内能的转移也具有方向性．例如，内能要从低温物体传到高温物体，必须要通过做功的方式来进行，如冰箱、空调制冷等．散失到周围环境中的内能不能回收再重新利用．
2．关于“自发”的理解
“自发”是指不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，也就是指没有任何外界的影响或帮助．热量会从高温物体传向低温物体，这就是“自发”的方向．机械能可以全部转化为内能，这个过程是“自发”的方向，但相反的过程不可能自发地进行而不引起任何变化．
7．我们绝不会看到：
一个放在水平地面上的物体，靠降低温度，可以把内能自发地转化为动能，使这个物体运动起来．其原因是（ ）
A．这违反了能量守恒定律
B．在任何条件下内能都不可能转化为机械能，只有机械能才会转化为内能
C．机械能和内能的转化过程具有方向性，内能转化成机械能是有条件的
D．以上说法均不正确
【解析】 机械能和内能可以相互转化，但必须通过做功来实现．因为各种有关热的物理过程都具有方向性，所以内能不可能全部转化成机械能，同时不引起其他变化．
【答案】 C
8．十八大报告提出了“推进绿色发展、循环发展、低碳发展”的理念，以下做法中不符合这个理念的是（ ）
A．夏天天气炎热，空调的温度调得越低越好
B．把家里不好用的燃气热水器换成太阳能热水器
C．出行时，如果条件允许的话，尽可能选择公共交通工具
D．日常生活中，做到随手关灯，关掉较长时间不使用的电脑和电视
【解析】 夏天天气炎热，空调温度调得越低电能消耗越多，造成不必要的能源浪费，选项A不符合“绿色发展、低碳发展”的理念；燃气热水器消耗的燃气是不可再生能源，太阳能热水器使用的太阳能取之不尽用之不竭，属于绿色能源；选择公交出行有利于减小碳排放，减少污染；随手关灯等习惯有利于节约能源，选项B、C、D都符合“绿色发展、循环发展、低碳发展”的理念．
【答案】 A
9．关于能量和能源，下列说法正确的是（ ）
A．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
B．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但能量品质降低了
C．能量在转化过程中没有方向性
D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
【解析】 自然界中能量守恒，但仍需节约能源，在利用能源过程中，品质降低这是能源危机更深层的理解；能量转化具有方向性，不能被创造．
【答案】 B
分析能量形式以及能量转化的方向.搞清楚是何种形式的能向何种形式的能的转化.抓住能量转化过程中能量守恒这一重要规律，即满足E1＝E2＋E损失.
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