高中物理第4章能量守恒与可持续发展43能量的转化与守恒44能源与可持续发展教学案沪科版必修2Word格式文档下载.docx

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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60kg的登山运动员，他登山时平均每小时登高500m（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3h内消耗的化学能为____J.（g取10m/s2）

答案　3.6×

106J

解析　3h内增加的机械能ΔE＝mgh＝60×

10×

500×

3J＝9×

105J

消耗的化学能E＝＝＝3.6×

106J.

一、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3m/s，两圆心的距离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，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）这一过程电动机消耗的电能E.

答案　

（1）4.5J　

（2）4.5J　（3）9J

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′＝3m<

4.5m，

即物体可与皮带达到共同速度，此时

Ek＝mv2＝×

1×

32J＝4.5J.

（2）由μmg＝ma得a＝1.5m/s2，由v＝at得t＝2s，则Q＝μmg（vt－s′）＝0.15×

（6－3）J＝4.5J.

（3）由能量守恒知

E电＝Ek＋Q＝4.5J＋4.5J＝9J.

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

f·

s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2mgRB.机械能减少mgR

C.合外力做功mgRD.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.故选C.

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＝Mv2B.fd＝Mv2C.fd＝mv－（M＋m）v2D.f（l＋d）＝mv－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

l＝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－mv②

由①②得f·

d＝mv－（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＝2kg，在倾角θ＝37°

的斜面上的A点以初速度v0＝3m/s下滑，A点距弹簧上端B的距离AB＝4m.当物体到达B后将弹簧压缩到C点，最大压缩量BC＝0.2m，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＝3m.挡板及弹簧质量不计，g取10m/s2，sin37°

＝0.6，cos37°

＝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）24.46J

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＝mv＋mglADsin37°

①

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＝5.4m

f＝μmgcos37°

③

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＝mv⑤

重力势能减少ΔEp′＝mglACsin37°

⑥

摩擦生热Q′＝flAC＝μmgcos37°

lAC⑦

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≈24.46J.

课时作业

一、选择题（1～6题为单选题，7～10题为多选题）

1.下列说法正确的是（　　）

A.随