2018-2019學(xué)年高中物理 第4章 能量守恒與可持續(xù)發(fā)展 4.3 能量的轉(zhuǎn)化與守恒 4.4 能源與可持續(xù)發(fā)展學(xué)案 滬科版必修2.doc

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4.3　能量的轉(zhuǎn)化與守恒 4.4　能源與可持續(xù)發(fā)展 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.掌握能量守恒定律．知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一.2.了解能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性，認(rèn)識人類珍惜和保護(hù)能源和資源的必要性.3.了解我國能源狀況，認(rèn)識能源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的必要性.4.掌握各種功能關(guān)系，會應(yīng)用功能關(guān)系和能量守恒定律解決問題． 一、能量的轉(zhuǎn)化與守恒 1．能量的多樣性：自然界中能量的形式有多種，如：機(jī)械能、內(nèi)能、電磁能、光能、化學(xué)能、核能、生物能等，各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化． 2．能量守恒定律： (1)內(nèi)容：能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變． (2)能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的規(guī)律，它宣布第一類永動機(jī)(不消耗能量而連續(xù)不斷地對外做功，或者消耗少量能量而做大量的功的機(jī)器)是不可能(填“可能”或“不可能”)制成的． 二、能源與可持續(xù)發(fā)展 1．能量的轉(zhuǎn)化效率 (1)任何機(jī)器都不可能(填“可能”或“不可能”)將輸入的能量全部轉(zhuǎn)化為有用的能量． (2)能量的轉(zhuǎn)化效率＝. (3)機(jī)器的能量轉(zhuǎn)化效率一定小于(填“一定小于”或“可以等于”)100%. 2．能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性 研究和事實(shí)都表明：能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，或者說，能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有不可逆性． 3．第二類永動機(jī)不違反(填“違反”或“不違反”)能量守恒定律，但違反(填“違反”或“不違反”)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的不可逆性，因此不可能制成． 4．能源開發(fā)、利用與環(huán)境保護(hù) (1)煤、石油、天然氣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)能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略：盡可能地開發(fā)和利用各種新能源，千方百計(jì)地提高不可再生能源的合理利用率和轉(zhuǎn)化效率，并且厲行節(jié)約，避免浪費(fèi)． [即學(xué)即用] 1．判斷下列說法的正誤． (1)任何能量之間的轉(zhuǎn)化都遵循能量守恒定律．(√) (2)因?yàn)槟芰渴睾悖晕覀儾恍枰?jié)能．() (3)能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有不可逆性．(√) (4)任何機(jī)器的能量轉(zhuǎn)化效率都低于100%.(√) (5)第一類永動機(jī)不能制成是因?yàn)檫`反了能量守恒定律．(√) (6)第二類永動機(jī)不可能制成是因?yàn)檫`反了能量守恒定律．() 2．一個質(zhì)量為60 kg的登山運(yùn)動員，他登山時平均每小時登高500 m(豎直高度)，已知人體內(nèi)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率為25%，那么他在3 h內(nèi)消耗的化學(xué)能為________J．(g取10 m/s2) 答案　3.6106 J 解析　3 h內(nèi)增加的機(jī)械能ΔE＝mgh＝60105003 J＝9105 J 消耗的化學(xué)能E＝＝＝3.6106 J. 一、對能量守恒定律的理解 [導(dǎo)學(xué)探究]　(1)在驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重物減少的重力勢能的值總大于增加的動能的值，即機(jī)械能的總量在減少．機(jī)械能減少的原因是什么？減少的部分機(jī)械能是消失了嗎？ (2)請說明下列現(xiàn)象中能量是如何轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的？ ①植物進(jìn)行光合作用． ②放在火爐旁的冰融化變熱． ③電流通過燈泡，燈泡發(fā)光． 答案　(1)機(jī)械能減少的原因是由于要克服摩擦阻力和空氣阻力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能．不是． (2)①光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 ②內(nèi)能由火爐轉(zhuǎn)移到冰 ③電能轉(zhuǎn)化為光能 [知識深化] 1．適用范圍：能量守恒定律是貫穿物理學(xué)的基本規(guī)律，是各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律． 2．能量守恒定律的理解 某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等． 某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等． 例1　(多選)從光滑斜面上滾下的物體，最后停止在粗糙的水平面上，說明(　　) A．在斜面上滾動時，只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化 B．在斜面上滾動時，有部分勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 C．在水平面上滾動時，總能量正在消失 D．在水平面上滾動時，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總能量守恒 答案　AD 解析　在斜面上滾動時，只有重力做功，只發(fā)生動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化；在水平面上滾動時，有摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總能量是守恒的． 二、能量守恒定律的應(yīng)用 1．能量守恒定律的表達(dá)式 (1)從不同狀態(tài)看，E初＝E末． (2)從能的轉(zhuǎn)化角度看，ΔE增＝ΔE減． (3)從能的轉(zhuǎn)移角度看，ΔEA增＝ΔEB減． 2．能量守恒定律應(yīng)用的關(guān)鍵步驟： (1)明確研究對象和研究過程． (2)找全參與轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的能量，明確哪些能量增加，哪些能量減少． (3)列出增加量和減少量之間的守恒式． 例2　如圖1所示，皮帶的速度是3 m/s，兩圓心的距離s＝4.5 m，現(xiàn)將m＝1 kg的小物體輕放在左輪正上方的皮帶上，物體與皮帶間的動摩擦因數(shù)μ＝0.15，電動機(jī)帶動皮帶將物體從左輪運(yùn)送到右輪正上方時，求：(g取10 m/s2) 圖1 (1)小物體獲得的動能Ek； (2)這一過程摩擦產(chǎn)生的熱量Q； (3)這一過程電動機(jī)多消耗的電能E. 答案　(1)4.5 J　(2)4.5 J　(3)9 J 解析　(1)設(shè)小物體與皮帶達(dá)到共同速度時，物體相對地面的位移為s′. μmgs′＝mv2，解得s′＝3 m<4.5 m， 即物體可與皮帶達(dá)到共同速度，此時 Ek＝mv2＝132 J＝4.5 J. (2)由μmg＝ma得a＝1.5 m/s2，由v＝at得t＝2 s， 則Q＝μmg(vt－s′)＝0.15110(6－3) J＝4.5 J. (3)由能量守恒知，這一過程電動機(jī)多消耗的電能 E＝Ek＋Q＝4.5 J＋4.5 J＝9 J. 三、功能關(guān)系的理解與應(yīng)用 1．功能關(guān)系概述 (1)不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實(shí)現(xiàn)的，做功的過程就是能量之間轉(zhuǎn)化的過程． (2)功是能量轉(zhuǎn)化的量度．做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化． 2．功與能的關(guān)系：由于功是能量轉(zhuǎn)化的量度，某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉(zhuǎn)化相聯(lián)系，具體功能關(guān)系如下： 功 能量轉(zhuǎn)化 關(guān)系式 重力做功 重力勢能的改變 WG＝－ΔEp 彈力做功 彈性勢能的改變 WF＝－ΔEp 合外力做功 動能的改變 W合＝ΔEk 除重力、系統(tǒng)內(nèi)彈力以外的其他力做功 機(jī)械能的改變 W＝ΔE機(jī) 兩物體間滑動摩擦力對物體系統(tǒng)做功 內(nèi)能的改變 fs相對＝Q 例3　如圖2所示，在豎直平面內(nèi)有一半徑為R的圓弧軌道，半徑OA水平、OB豎直，一個質(zhì)量為m的小球自A的正上方P點(diǎn)由靜止開始自由下落，小球沿軌道到達(dá)最高點(diǎn)B時恰好對軌道沒有壓力．已知AP＝2R，重力加速度為g，則小球從P到B的運(yùn)動過程中(　　) 圖2 A．重力做功2mgR B．機(jī)械能減少mgR C．合外力做功mgR D．克服摩擦力做功mgR 答案　D 解析　重力做功與路徑無關(guān)，所以WG＝mgR，選項(xiàng)A錯；小球在B點(diǎn)時所受重力提供向心力，即mg＝m，所以v＝，從P點(diǎn)到B點(diǎn)，由動能定理知：W合＝mv2＝mgR，故選項(xiàng)C錯；根據(jù)能量守恒知：機(jī)械能的減少量為|ΔE|＝|ΔEp|－|ΔEk|＝mgR，故選項(xiàng)B錯；克服摩擦力做的功等于機(jī)械能的減少量，故選項(xiàng)D對． 例4　如圖3所示，在光滑的水平面上，有一質(zhì)量為M的長木塊以一定的初速度向右勻速運(yùn)動，將質(zhì)量為m的小鐵塊無初速度地輕放到長木塊右端，小鐵塊與長木塊間的動摩擦因數(shù)為μ，當(dāng)小鐵塊在長木塊上相對長木塊滑動L時與長木塊保持相對靜止，此時長木塊對地的位移為l，求這個過程中： 圖3 (1)小鐵塊增加的動能； (2)長木塊減少的動能； (3)系統(tǒng)機(jī)械能的減少量； (4)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量． 答案　(1)μmg(l－L)　(2)μmgl　(3)μmgL　(4)μmgL 解析　畫出這一過程兩物體位移示意圖，如圖所示． (1)根據(jù)動能定理得μmg(l－L)＝ΔEk 即小鐵塊動能的增加量等于滑動摩擦力對小鐵塊做的功． (2)摩擦力對長木塊做負(fù)功，根據(jù)功能關(guān)系得ΔEkM＝－μmgl，即長木塊減少的動能等于長木塊克服摩擦力做的功μmgl. (3)系統(tǒng)機(jī)械能的減少量等于系統(tǒng)克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL. (4)m、M間相對滑動的位移為L，根據(jù)能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力對系統(tǒng)做的總功等于系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，也等于系統(tǒng)減少的機(jī)械能． 1．(能源的利用)關(guān)于能源的開發(fā)和應(yīng)用，下列說法中正確的是(　　) A．能源應(yīng)用的過程就是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程 B．化石能源的能量歸根結(jié)底來自于太陽能，因此化石能源永遠(yuǎn)不會枯竭 C．在廣大的農(nóng)村推廣沼氣前景廣闊、意義重大，既變廢為寶，減少污染，又大量節(jié)約能源 D．隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤炭資源將取之不盡、用之不竭 答案　C 解析　能源應(yīng)用過程并不單純是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程，各種轉(zhuǎn)化形式均可為人類服務(wù)，A錯誤；化石能源的能量雖然來自太陽能，但要經(jīng)過數(shù)億年的地質(zhì)演變才能形成，且儲量有限，為不可再生能源，B錯誤；在廣大農(nóng)村推廣沼氣對改善農(nóng)村環(huán)境、節(jié)約能源意義重大，功在當(dāng)代，利在千秋，C正確；無論技術(shù)先進(jìn)與否，煤炭資源不可能取之不盡、用之不竭，D錯誤． 2．(功能關(guān)系)(多選)如圖4所示，質(zhì)量為M的木塊放在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的子彈以速度v0沿水平方向射中木塊，并最終留在木塊中與木塊一起以速度v運(yùn)動．已知當(dāng)子彈相對木塊靜止時，木塊前進(jìn)距離為l，子彈進(jìn)入木塊的深度為d，若木塊對子彈的阻力f視為恒定，則下列關(guān)系式中正確的是(　　) 圖4 A．fl＝Mv2 B．fd＝Mv2 C．fd＝mv02－(M＋m)v2 D．f(l＋d)＝mv02－mv2 答案　ACD 解析　畫出運(yùn)動過程示意圖，從圖中不難看出，當(dāng)木塊前進(jìn)距離為l，子彈進(jìn)入木塊的深度為d時，子彈相對于地面發(fā)生的位移為l＋d.由牛頓第三定律知，子彈對木塊的作用力大小也為f. 子彈對木塊的作用力對木塊做正功，由動能定理得fl＝Mv2① 木塊對子彈的作用力對子彈做負(fù)功，由動能定理得－f(l＋d)＝mv2－mv02② 由①②得fd＝mv02－(M＋m)v2 所以，本題正確選項(xiàng)為A、C、D. 3．(能量守恒定律的應(yīng)用)如圖5所示，一物體質(zhì)量m＝2 kg，在傾角θ＝37的斜面上的A點(diǎn)以初速度v0＝3 m/s下滑，A點(diǎn)距彈簧上端B的距離AB＝4 m．當(dāng)物體到達(dá)B后將彈簧壓縮到C點(diǎn)，最大壓縮量BC＝0.2 m，然后物體又被彈簧彈上去，彈到最高位置為D點(diǎn)，D點(diǎn)距A點(diǎn)AD＝3 m．擋板及彈簧質(zhì)量不計(jì)，g取10 m/s2，sin 37＝0.6，cos 37＝0.8.求：(小數(shù)點(diǎn)后保留兩位小數(shù)) 圖5 (1)物體與斜面間的動摩擦因數(shù)μ； (2)彈簧的最大彈性勢能Epm. 答案　(1)0.52　(2)24.46 J 解析　(1)物體從開始位置A點(diǎn)到最后D點(diǎn)的過程中，彈性勢能沒有發(fā)生變化，動能和重力勢能減少，機(jī)械能的減少量為 ΔE＝ΔEk＋ΔEp＝mv02＋mglADsin 37① 物體克服摩擦力產(chǎn)生的熱量為Q＝fs② 其中s為物體的路程，即s＝5.4 m f＝μmgcos 37③ 由能量守恒定律可得ΔE＝Q④ 由①②③④式解得μ≈0.52. (2)物體由A到C的過程中， 動能減小ΔEk＝mv02⑤ 重力勢能減少ΔEp′＝mglACsin 37⑥ 摩擦生熱Q′＝flAC＝μmgcos 37lAC⑦ 由能量守恒定律得彈簧的最大彈性勢能為 Epm＝ΔEk＋ΔEp′－Q′⑧ 聯(lián)立⑤⑥⑦⑧解得Epm≈24.46 J. 一、選擇題 考點(diǎn)一　能源的利用 1．利用能源的過程實(shí)質(zhì)上是(　　) A．能量的消失過程 B．能量的創(chuàng)造過程 C．能量不守恒的過程 D．能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移并且耗散的過程 答案　D 解析　利用能源的過程實(shí)質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程，在能源的利用過程中能量是耗散的，A、B、C錯誤，D正確． 2．能源在“兩型”社會的建設(shè)中有著重要的意義，節(jié)約用電應(yīng)成為現(xiàn)代公民的行為準(zhǔn)則．下列用電方式中屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電的是(　　) A．家電盡量長時間待機(jī) B．用節(jié)能燈替換白熾燈 C．樓道、走廊照明燈盡量不采用聲、光控制 D．不要清除冰箱內(nèi)的冰、霜 答案　B 解析　待機(jī)浪費(fèi)電，家電盡量不要長時間待機(jī)，才屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故A錯誤；用節(jié)能燈替換白熾燈，可節(jié)約用電，故B正確；樓道、走廊照明燈采用聲、光控制，才屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故C錯誤；清除冰箱內(nèi)的冰、霜，能夠提高冰箱的工作效率，才屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故D錯誤． 考點(diǎn)二　功能關(guān)系 3．(多選)如圖1所示，木塊靜止在光滑水平桌面上，一子彈(可視為質(zhì)點(diǎn))水平射入木塊的深度為d時，子彈與木塊相對靜止，在子彈入射的過程中，木塊沿桌面移動的距離為s，木塊對子彈的平均阻力為f，那么在這一過程中正確的是(　　) 圖1 A．木塊的機(jī)械能增量為fs B．子彈的機(jī)械能減少量為f(s＋d) C．系統(tǒng)的機(jī)械能減少量為fd D．系統(tǒng)的機(jī)械能減少量為f(s＋d) 答案　ABC 解析　木塊機(jī)械能的增量等于子彈對木塊的作用力f做的功fs，A對；子彈機(jī)械能的減少量等于動能的減少量，即子彈克服阻力做的功f(s＋d)，B對；系統(tǒng)增加的機(jī)械能等于力f做的總功，即ΔE＝fs－f(s＋d)＝－fd， 故機(jī)械能減少量為fd，C對，D錯． 【考點(diǎn)】各種功能關(guān)系及應(yīng)用 【題點(diǎn)】各種功能關(guān)系及應(yīng)用 4．(多選)如圖2所示，在粗糙的桌面上有一個質(zhì)量為M的物塊，通過輕繩跨過定滑輪與質(zhì)量為m的小球相連，不計(jì)輕繩與滑輪間的摩擦，在小球下落的過程中，下列說法正確的是(　　) 圖2 A．小球的機(jī)械能守恒 B．物塊與小球組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒 C．若小球勻速下降，小球減少的重力勢能等于物塊M與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量 D．若小球加速下降，小球減少的機(jī)械能大于物塊M與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量 答案　CD 解析　由于繩子對小球做負(fù)功，因此小球的機(jī)械能減小，A錯誤；由于桌面粗糙，摩擦力對M做負(fù)功，因此物塊與小球組成的系統(tǒng)機(jī)械能減小，B錯誤；若小球勻速下降，根據(jù)能量守恒，小球減小的重力勢能沒有轉(zhuǎn)化為動能，而是完全轉(zhuǎn)化為物塊M與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量，C正確；若小球加速下降，則小球減小的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為摩擦產(chǎn)生的熱量，另一部分轉(zhuǎn)化為M的動能，因此D正確． 【考點(diǎn)】各種功能關(guān)系及應(yīng)用 【題點(diǎn)】各種功能關(guān)系及應(yīng)用 考點(diǎn)三　能量守恒定律的應(yīng)用 5．兩塊完全相同的木塊A、B，其中A固定在水平桌面上，B放在光滑的水平桌面上，兩顆同樣的子彈以相同的水平速度射入兩木塊，穿透后子彈的速度分別為vA、vB，在子彈穿透木塊過程中因克服摩擦力產(chǎn)生的熱量分別為QA、QB，設(shè)木塊對子彈的摩擦力大小一定，則(　　) A．vA>vB，QA>QB B．vAvB，QA＝QB 答案　D 解析　兩顆同樣的子彈穿透木塊的過程中，摩擦阻力f相同，子彈相對木塊滑動的距離相同，所以摩擦力做功過程中產(chǎn)生的內(nèi)能Q＝fΔs相同，根據(jù)能量守恒定律有：mv2＝QA＋mv，mv2＝QB＋mv＋mBv′2，由以上兩式可知vA>vB，綜上所述選項(xiàng)D正確． 6．(多選)質(zhì)量為m1、m2的兩物體，靜止在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的人站在m1上用恒力F拉繩子，經(jīng)過一段時間后，兩物體的速度大小分別為v1和v2，位移分別為s1和s2，如圖3所示，則這段時間內(nèi)此人所做的功的大小等于(　　) 圖3 A．Fs2 B．F(s1＋s2) C.m2v22＋(m＋m1)v12 D.m2v22 答案　BC 解析　根據(jù)能量守恒可知，人通過做功消耗的化學(xué)能將全部轉(zhuǎn)化為物體m1和m2的動能以及人的動能，所以人做的功的大小等于F(s1＋s2)，也等于m2v22＋(m＋m1)v12，即B、C正確． 二、非選擇題 7．(能量的利用)一臺水輪發(fā)電機(jī)組，每秒有2.0 m3的水流過水輪機(jī)，若河壩水位高度差是20 m，則水每秒對水輪機(jī)最多能做多少功？若有40%的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，問發(fā)電機(jī)的輸出功率為多大？(水的密度ρ＝103 kg/m3，g取10 N/kg) 答案　4105 J　1.6105 W 解析　若使水對水輪機(jī)做功最多，則把水的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)的機(jī)械能．則每秒對水輪機(jī)做功為W＝mgh＝ρgVh＝10310220 J＝4105 J 由P＝得P出＝＝＝1.6105 W.