高中物理第4章机械能和能源第6节能量的转化与守恒教师用书粤教版必修2.docx
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高中物理第4章机械能和能源第6节能量的转化与守恒教师用书粤教版必修2
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461所示,发生雪崩时,山顶的积雪以排山倒海之势滚落下来.
图461
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)(2016·深圳期末)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462
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463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463
【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464
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465
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466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466
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467所示,当物体与传送带相对静止时,转化为内能的能量为( )
图467
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468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468
(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469
【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4610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4610
【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.