学年高中物理第七章机械能守恒定律第10节能量守恒定律与能源学案新人教版必修2.docx

学年高中物理第七章机械能守恒定律第10节能量守恒定律与能源学案新人教版必修2.docx

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学年高中物理第七章机械能守恒定律第10节能量守恒定律与能源学案新人教版必修2

第10节　能量守恒定律与能源

核心素养关键词

知识体系

1.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别的物体，在转化或转移的过程，能量的总量保持不变，这个规律叫做能量守恒定律．

2．能量耗散是指可利用的能源最终变成了周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用．

3．能量耗散反映了能量转化的宏观方向性，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源．

4．功和能量的关系：

功是能量转化的量度.

一、能量守恒定律

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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．这个规律叫做能量守恒定律．

二、能源与能量耗散

1．能源：

能够提供可利用能量的物质，是人类社会活动的物质基础．

2．能量耗散：

在能量的转化过程中，一部分能量转化为内能流散到周围环境中，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫做能量的耗散．

3．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性.

一、合作探究找规律

考点一　能量守恒定律

1．一个叫丹尼斯·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．

你认为这种发电机能造出来吗？

2．如图所示是我国能源结构的统计图，请根据此图数据完成下面两个问题：

（1）总结出我国能源结构或能源现状的规律；

（2）试着提出解决这种现状的合理化建议．

答：

1.不能．能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间只能发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律．

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，因此这种发电机不能制造出来．

2．

（1）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．

（2）建议：

节能降耗；开发新能源；开发可再生能源（如太阳能、风能等）．

考点二　能源和能量耗散

近几年流行一种“自发电电动车”（如图），基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车，你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？

答：

仅靠这种方式，不能使电动车持续运动下去．因为靠这种方式，只能将电动车的一部分能量收集起来，但电动车运动时受到的阻力做负功，不断把电动车的机械能转化为内能，根据能量守恒定律，要想使电动车持续运动下去，必须不断地给电动车补充新的能量，如给电动车的电源充电．

二、理解概念做判断

1．当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增加．（√）

2．能量永远不会增加或减少，只能转化或转移．（√）

3．能量守恒，我们不需要节能．（×）

4．能量在转化或转移过程中，其总量有可能增加．（×）

5．冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭．（×）

要点1|能量守恒定律

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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．这个规律叫做能量守恒定律．

2．表达式

E初＝E终，ΔE增＝ΔE减．

3．能量守恒定律确立的两类重要事实

（1）确认了永动机的不可能性．

（2）发现了各种自然现象之间的相互联系与转化．

4．能量守恒定律的意义

（1）能量守恒定律是分析解决问题的一个极为重要的方法，它比机械能守恒定律更普遍．

（2）能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系．

（3）能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一．

典例1　下列对能的转化和守恒定律的认识错误的是（　　）

A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加

B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加

C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的

D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了

【思路点拨】　能量的转化和守恒定律是指能量在转化和转移中总量保持不变；但能量会从一种形式转化为其他形式．

【解析】　根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其它形式的能一定增大，故A正确；某个物体的总能量减少，根据能量守恒定律得知，必然有其它物体的能量增加，故B正确；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成的，故C正确；石子在运动和碰撞中机械能转化为了物体及周围物体的内能，能量并没有消失，故D错误．故选D．

【答案】　D

　风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上，设空气密度为ρ，假设风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%，求单位时间内最多可提升的水的质量．

解析：

单位时间内风车的动能为

m风v2＝

ρ

πv·v2·50%＝

，风车的动能转化为水的重力势能，

m风v2·80%＝m水gh，解得单位时间内提升水的质量m水＝

.

答案：

名师方法总结

应用能量守恒定律解题的一般步骤

（1）首先要分析受力情况、做功情况及初、末状态能的具体形式和转化方向．

（2）分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式，切勿遗漏．

（3）依据ΔE减＝ΔE增列式求解．

机械能守恒定律可以看成是能量守恒定律的一个特殊情况，用能量守恒的观点分析、解决物理问题，往往具有简便、适用范围广等优点．

名师点易错

1．应用能量守恒定律时，一定要分清系统中有多少种形式的能量，发生了哪些转化和转移．

2．某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且增加量一定等于减少量.

要点2|功和能的关系

1．功和能的区别与联系

区别

功是过程量，能是状态量．只能说处于某一状态的物体（或系统）具有多少能，而不能说这个物体（或系统）具有多少功

联系

能量有多种不同的形式，且不同形式的能量可以相互转化．不同形式的能量之间的转化通过做功来实现，即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从一种形式转化为另一种形式，即能量转化的多少可用做功的多少来量度

2.几种常见的力做功与能量转化的对应关系

（1）重力做功：

重力势能与其他形式的能相互转化．

（2）弹力做功：

弹性势能与其他形式的能相互转化．

（3）合力做功：

动能与其他形式的能相互转化．

（4）除重力、系统内弹力外，其他力做功：

机械能与其他形式的能相互转化．

3．静摩擦力做功的特点

（1）静摩擦力可以做正功，也可以做负功，还可以不做功．

（2）在静摩擦力做功的过程中，只有机械能的相互转移（静摩擦力起着传递机械能的作用），而没有机械能转化为其他形式的能．

（3）在相互摩擦的系统内，一对静摩擦力所做功的代数和总为零．

4．滑动摩擦力做功的特点

（1）滑动摩擦力可以做正功，也可以做负功，还可以不做功．

（2）相互作用的系统内，一对滑动摩擦力所做的总功不为零．

（3）滑动摩擦力做功的过程中，能量的转化有两种情况：

一是相互摩擦的物体之间机械能的转移；二是机械能转化为内能，转化为内能的值等于滑动摩擦力与相对位移的乘积，即Q＝F滑l相对．

如图，上表面不光滑的长木板，放在光滑的水平地面上，一小铁块以速度v0从木板的左端滑上木板，当铁块和木板相对静止时木板相对地面滑动的距离为s，小铁块相对木板滑动的距离为d，滑动摩擦力对铁块所做的功为

W铁＝－f（s＋d）①

根据动能定理，铁块动能的变化量为

ΔEk铁＝W铁＝－f（s＋d）②

②式表明，铁块从开始滑动到相对木板静止的过程中，其动能减少．那么，铁块减少的动能转化为什么能量了呢？

以木板为研究对象，滑动摩擦力对木板所做的功为

W板＝fs③

根据动能定理，木板动能的变化量为

ΔEk板＝W板＝fs④

④式表明木板的动能是增加的，由于木板所受摩擦力的施力物体是铁块，可见铁块减少的动能有一部分（fs）转化为木板的动能．

将②④两式相加得：

ΔEk铁＋ΔEk板＝－fd⑤

⑤式表明铁块和木板组成的系统的机械能的减少量等于滑动摩擦力与铁块相对木板的位移的乘积，这部分能量转化为系统的内能．即Q＝fd.

典例2　（多选）如图所示，劲度数为k的轻弹簧的一端固定在墙上，另一端与置于水平面上质量为m的物体接触（未连接），弹簧水平且无形变．用水平力F缓慢推动物体，在弹性限度内弹簧长度被压缩了x0，此时物体静止．撤去F后，物体开始向左运动，运动的最大距离为4x0.物体与水平面间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g.则（　　）

A．撤去F后，物体先做匀加速运动，再做匀减速运动

B．撤去F后，物体刚运动时的加速度大小为

－μg

C．物体做匀减速运动的时间等于

D．物体开始向左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功为μmg

【思路点拨】　撤去F后，物体水平方向上受到弹簧的弹力和滑动摩擦力，滑动摩擦力不变，而弹簧的弹力随着压缩量的减小而减小，可知加速度先减小后增大，物体先做变加速运动，再做变减速运动，最后物体离开弹簧后做匀减速运动；撤去F后，根据牛顿第二定律求解物体刚运动时的加速度大小；物体离开弹簧后通过的最大距离为3x0，由牛顿第二定律求得加速度，由运动学位移公式求得时间；当弹簧的弹力与滑动摩擦力大小相等、方向相反时，速度最大，可求得此时弹簧的压缩量，即可求解物体开始向左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功．

【解析】　撤去力F后，物体受四个力作用，竖直方向上重力和地面支持力是一对平衡力，水平方向受向左的弹簧弹力和向右的摩擦力，合力F合＝F弹－f，根据牛顿第二定律物体产生的加速度a＝

.撤去F后，物体水平方向上受到弹簧的弹力和滑动摩擦力，滑动摩擦力不变，而弹簧的弹力随着压缩量的减少而减小，弹力先大于滑动摩擦力，后小于滑动摩擦力，则物体向左先做加速运动后做减速运动，随着弹力的减小，合外力先减小后增大，则加速度先减小后增大，故物体先做变加速运动，再做变减速运动，最后物体离开弹簧后做匀减速运动，故A错误；撤去F后，物体刚运动时的加速度大小为a＝

＝

＝

－μg，故B正确；由题意知，物体离开弹簧后通过的最大距离为3x0，由牛顿第二定律得：

匀减速运动的加速度大小为a＝

＝μg.将此运动看成向右的初速度为零的匀加速运动，则3x0＝

at2，得t＝

＝

，故C正确；由上分析可知，当弹簧的弹力与滑动摩擦力大小相等、方向相反时，速度最大，此时弹簧的压缩量为x＝

，则物体开始向左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功为W＝μmg（x0－x）＝μmg

，故D正确．故选BCD．

【答案】　BCD

电机带动水平传送带以速度v匀速运动，一质量为m的小木块由静止轻放在传送带上，若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ，如图所示，当小木块与传送带相对静止时，求：

（1）小木块的位移；

（2）传送带转过的路程；

（3）小木块获得的动能；

（4）摩擦过程产生的内能；

（5）电机带动传送带匀速转动输出的总能量．

解析：

对小木块，相对滑动时，由μmg＝ma得，加速度a＝μg，由v＝at得，达到相对静止所用时间t＝

.

（1）小木块的位移s1＝

t＝

.

（2）传送带始终匀速运动，转动的路程s2＝vt＝

.

（3）小木块获得的动能Ek＝

mv2.

（4）摩擦产生的内能Q＝μmg（s2－s1）＝

mv2.

（5）由能的转化与守恒定律知，电机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的内能，所以E总＝Ek＋Q＝mv2.

答案：

（1）

（2）

　（3）

mv2　（4）

mv2

（5）mv