第2章 第3节 能量守恒定律 第4节 能源与可持续发展.docx
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第2章第3节能量守恒定律第4节能源与可持续发展
第3节 能量守恒定律
第4节 能源与可持续发展
学习目标
知识脉络
1.理解机械能守恒定律的内容、条件、公式，会应用机械能守恒定律解决实际问题．（重点、难点）
2．知道能量守恒定律，能应用能量守恒定律分析能的转化现象．（重点）
3．了解能量转化和转移的方向性，了解能源开发和可持续发展的意义．
4．知道热力学第二定律，了解热机效率问题.
机械能守恒定律
1．机械能
物体的动能和势能之和叫机械能．
2．机械能守恒定律
（1）内容：
在只有重力做功的情况下，物体的动能与势能可以发生相互转化，但机械能的总量保持不变．
（2）适用条件：
只有重力做功．
（3）表达式：
Ek2＋Ep2＝Ek1＋Ep1或
mv
＋mgh2＝
mv
＋mgh1.
1．合力为零，物体的机械能一定守恒．（×）
2．合力做功为零，物体的机械能一定守恒．（×）
3．只有重力做功，物体的机械能一定守恒．（√）
如图2 3 1所示，大型的过山车在轨道上翻转而过．过山车从最低点到达最高点时，动能和势能怎样变化？
忽略轨道和空气阻力，机械能是否守恒？
图2 3 1
【提示】 动能减少，重力势能增加，忽略轨道和空气阻力，过山车机械能守恒．
探讨1：
请同学想一想，小桶如图2 3 2由静止释放，返回来会不会碰到额头？
图2 3 2
【提示】 不会．因机械能守恒，摆回时的高度不会超过原来的高度．
探讨2：
质量为m的小球，以速度v斜向上抛离高为H的桌面．如图2 3 3，经过A点时所具有的机械能是多少？
（以桌面为零势能面，不计空气阻力）
图2 3 3
【提示】 以桌面为零势能面，小球在抛出点的机械能为
mv2，由于机械能守恒，故在A点的机械能为
mv2.
1．机械能守恒的判断
（1）用做功来判断：
分析物体或物体受力情况（包括内力和外力），明确各力做功的情况，若对物体或系统只有重力或弹簧弹力做功，没有其他力做功或其他力做功的代数和为零，则机械能守恒．
（2）用能量转化来判定：
若系统中只有动能和势能的相互转化，无机械能与其他形式能的转化，则系统机械能守恒．
2．表达式及特点
表达式
特点
Ek1＋Ep1＝Ek2＋Ep2或E初＝E末
（从不同状态看）即初状态的机械能等于末状态的机械能
Ek2－Ek1＝Ep1－Ep2或ΔEk＝－ΔEp
（从转化角度看）即过程中动能的增加量等于势能的减少量
EA2－EA1＝EB1－EB2或ΔEA＝－ΔEB
（从转移角度看）即系统只有A、B两物体时，A增加的机械能等于B减少的机械能
3．应用机械能守恒定律解题的一般步骤
（1）正确选取研究对象（物体或系统），确定研究过程；
（2）进行受力分析，考查守恒条件；
（3）选取零势能平面，确定初、末状态机械能；
（4）运用守恒定律，列出方程求解．
1．在物体自由下落的过程中，下列说法正确的是（ ）
【导学号：
45732047】
A．动能增大，势能减小，机械能增大
B．动能减小，势能增大，机械能不变
C．动能增大，势能减小，机械能不变
D．动能不变，势能减小，机械能减小
【解析】 在自由下落过程中，只有重力做功，物体的机械能守恒，重力势能不断减小，动能不断增大，选项C正确．
【答案】 C
2．一个质量为m的滑块，以初速度v0沿光滑斜面向上滑行，当滑块从斜面底端滑到高为h的地方时，以斜面底端为参考平面，滑块的机械能是（ ）
A.
mv
B．mgh
C.
mv
＋mghD.
mv
－mgh
【解析】 在整个过程中，只有重力做功，机械能守恒，总量都是
mv
，因在高度h处，速度可能不为零，所以B项错误；C、D也错误．
【答案】 A
3.如图2 3 4所示，质量m＝70kg的运动员以10m/s的速度，从高h＝10m的滑雪场上A点沿斜坡自由滑下，一切阻力可忽略不计，以B点所在的水平面为参考平面，g取10m/s2，求：
【导学号：
45732048】
图2 3 4
（1）运动员在A点时的机械能；
（2）运动员到达最低点B时的速度大小；
（3）若运动员继续沿斜坡向上运动，他能到达的最大高度．
【解析】
（1）EA＝
mv
＋mgh＝10500J.
（2）由机械能守恒得
mv
＝
mv
＋mgh
所以vB＝10
m/s.
（3）由机械能守恒得
mgH＝
mv
＋mgh
得H＝15m.
【答案】
（1）10500J
（2）10
m/s （3）15m
1．无论直线运动还是曲线运动，机械能守恒定律都可应用，且仅需考虑始、末状态，而不必考虑所经历的过程．
2．应用机械能守恒定律解题，一定要注意考查守恒条件．
能量守恒定律
1．能量的转化
自然界存在着各种不同形式的能量——机械能（动能和势能）、内能、电能、化学能、核能等，各种不同形式的能量可以相互转化．
2．能量守恒定律
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保持不变，这就是能量守恒定律．它是自然界最普遍、最基本的规律之一．
1．自然界中的任何变化过程都满足能量守恒．（√）
2．永动机不可能制成．（√）
3．能量守恒过程外力做功必为零．（×）
如图2 3 5所示，一个叫丹尼斯·李的美国人在《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．你认为这种发电机能造出来吗？
图2 3 5
【提示】 这种发电机违反了能量守恒定律，故不能制造出来．
如图2 3 6所示，发生雪崩时，山顶的积雪以排山倒海之势滚落下来．
图2 3 6
探讨1：
雪崩的过程是否符合能量守恒定律？
【提示】 符合能量守恒定律．
探讨2：
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？
除重力之外的其它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，除重力之外的其他力做功引起机械能的改变．
1．做功和能的转化之间的关系
功能关系
内容
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相互转化（或转移）的过程，做了多少功，就会有多少能量发生转化（或转移）
实例
重力做功
重力做的功等于重力势能变化量的相反数（WG＝－ΔEp）
弹力做功
弹力做的功等于弹性势能变化量的相反数（WF＝－ΔEp）
合力做功
合力做的功等于物体动能的变化量（W总＝ΔEk）
除重力、系统内弹力以外的其他力做功
其他力做的功等于物体机械能的变化量（W其他＝ΔE机）
2.利用能量守恒定律解题的基本思路
（1）分清有哪几种形式的能（如机械能、内能等）在变化．
（2）分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式．
（3）列等式ΔE减＝ΔE增求解．
4．如图2 3 7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2 3 7
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．（多选）升降机底板上放一质量为100kg的物体，物体随升降机由静止开始竖直向上移动5m时速度达到4m/s，则此过程中（g取10m/s2）（ ）
【导学号：
45732049】
A．升降机对物体做功5800J
B．合外力对物体做功5800J
C．物体的重力势能增加5000J
D．物体的机械能增加800J
【解析】 根据动能定理得：
W升－mgh＝
mv2，可解得W升＝5800J，A正确；合外力做功为
mv2＝
×100×42J＝800J，B错误；物体重力势能增加mgh＝100×10×5J＝5000J，C正确；物体机械能增加E＝Fh＝W升＝5800J，D错误．
【答案】 AC
6．如图2 3 8所示，皮带的速度是3m/s，两圆心距离s＝4.5m，现将m＝1kg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，皮带不打滑，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10m/s2）
图2 3 8
（1）小物体获得的动能Ek；
（2）这一过程摩擦产生的热量Q；
（3）这一过程电动机消耗的电能E.
【解析】
（1）由μmg＝ma可求得a＝1.5m/s2，因为μmgs＝
mv2所以物体加速阶段运动的位移s＝3m＜4.5m，即物体可与皮带达到共同速度，Ek＝
mv2＝
×1×32J＝4.5J.
（2）由v＝at可求得t＝2s
Q＝μmg（vt－s）＝0.15×1×10×（6－3）J＝4.5J
（3）E电＝Ek＋Q＝4.5J＋4.5J＝9J.
【答案】
（1）4.5J
（2）4.5J （3）9J
能量守恒定律的理解
1．某种形式的能量减少，一定存在另外形式的能量增加，而且减少量和增加量相等．
2．某个物体的能量减少，一定存在别的物体的能量增加，而且减少量和增加量相等．
能源与可持续发展
1．机械能与内能间转化的方向性
机械能可以完全转化为内能，反过来，内能不可能自动地、并不引起任何变化地完全变为机械能．
2．热传递过程的方向性
在热传递的过程中，内能总是自动地从高温物体向低温物体转移，而不可能自动地从低温物体向高温物体转移．
3．珍惜利用常规能源
能量的利用过程是不可逆的，自然界中的常规能源（如煤炭、石油、天然气等）的储量是有限的，并且是不可再生的，因此我们要珍惜现有的能源，尽量提高能源的利用效率．
4．开发绿色新能源
（1）常规能源的大量使用带来的环境问题：
温室效应、酸雨、光化学烟雾、浮尘．
（2）为维持人类社会的可持续发展，应该注意研究和开发新的能源，优先开发的绿色新能源包括：
核能、风能、太阳能、水能、地热能、生物质能、海洋能等．
1．能量守恒是自然界中普遍适用的规律，不需节约能源．（×）
2．将煤做燃料供暖改进为用天然气做燃料供暖彻底实现了环境保护．（×）
3．常规能源会带来大量的环境问题，开发新能源是可持续发展的需要．（√）
1．“煤既是常规能源又是不可再生能源”，这种认识正确吗？
【提示】 正确．根据能源的分类角度不同，可将煤分成常规能源和不可再生能源等．
2．可持续发展的意义是什么？
【提示】 可持续发展是指不仅满足当代人的发展需要，还应考虑不损害后代人的发展需要．
探讨1：
如图2 3 9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2 3 9
【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．
探讨2：
如图2 3 10所示，是我国能源结构的统计图，根据此图的数据，总结出我国能源结构或现状有什么规律？
图2 3 10
【提示】 我国的能源结构主要以煤为主；我国的能源消耗中不可再生能源占据的比例过大，结构不合理；我国能源消耗中可再生能源的比例过小．
1．关于方向性的理解：
（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．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
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（ ）
【导学号：
45732050】
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
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