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