2017-2018學年同步備課套餐之高一物理滬科版必修二講義：第4章 4.3~4.4

學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精學必求其心得，業(yè)必貴于專精4。3能量的轉化與守恒4.4能源與可持續(xù)發(fā)展［學習目標]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.了解能量轉化和轉移的方向性，認識人類珍惜和保護能源和資源的必要性。3。了解我國能源狀況，認識能源與環(huán)境協調發(fā)展的必要性.4.掌握各種功能關系，會應用功能關系和能量守恒定律解決問題。一、能量的轉化與守恒1.能量的多樣性：自然界中能量的形式有多種,如：機械能、內能、電磁能、光能、化學能、核能、生物能等，各種不同形式的能量可以相互轉化.2.能量守恒定律：（1)內容:能量既不能憑空產生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式,或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉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（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.能量的轉化效率（1）任何機器都不可能（填“可能"或“不可能”)將輸入的能量全部轉化為有用的能量.（2)能量的轉化效率＝eq\f(有用的能量，輸入的能量)。（3)機器的能量轉化效率一定小于(填“一定小于"或“可以等于”)100%.2。能量轉化和轉移的方向性研究和事實都表明:能量的轉化和轉移具有方向性，或者說，能量的轉化和轉移具有不可逆性。3。第二類永動機不違反（填“違反”或“不違反”）能量守恒定律，但違反（填“違反”或“不違反”)能量轉化和轉移的不可逆性，因此不可能制成。4.能源開發(fā)、利用與環(huán)境保護(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,千方百計地提高不可再生能源的合理利用率和轉化效率，并且厲行節(jié)約，避免浪費.［即學即用]1.判斷下列說法的正誤.（1）任何能量之間的轉化都遵循能量守恒定律.(√）(2）因為能量守恒,所以我們不需要節(jié)能.（×)(3)能量的轉化和轉移具有不可逆性。（√）（4）任何機器的能量轉化效率都低于100％.（√)（5)第一類永動機不能制成是因為違反了能量守恒定律.（√）(6）第二類永動機不可能制成是因為違反了能量守恒定律。(×）2.一個質量為60kg的登山運動員，他登山時平均每小時登高500m（豎直高度），已知人體內將化學能轉化為機械能的效率為25％，那么他在3h內消耗的化學能為____J。(g取10m/s2）答案3.6×106J解析3h內增加的機械能ΔE＝mgh＝60×10×500×3J＝9×105J消耗的化學能E＝eq\f(ΔE,η）＝eq\f(9×105J,25%)＝3。6×106J.一、能量守恒定律的理解［導學探究］（1)在驗證機械能守恒定律的實驗中，計算結果發(fā)現，重物減少的重力勢能的值總大于增加的動能的值，即機械能的總量在減少.機械能減少的原因是什么？減少的部分機械能是消失了嗎?（2）請說明下列現象中能量是如何轉化或轉移的？①植物進行光合作用.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,機械能轉化成了內能.不是。(2）①光能轉化為化學能②內能由火爐轉移到冰③電能轉化為光能［知識深化]1.適用范圍：能量守恒定律是貫穿物理學的基本規(guī)律，是各種自然現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化B.在斜面上滾動時,有部分勢能轉化為內能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，機械能轉化為內能，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化;在水平面上滾動時，有摩擦力做功，機械能轉化為內能，總能量是守恒的.二、能量守恒定律的應用1。能量守恒定律的表達式（1）從不同狀態(tài)看，E初＝E末.(2)從能的轉化角度看，ΔE增＝ΔE減。(3）從能的轉移角度看,ΔEA增＝ΔEB減。2.能量守恒定律應用的關鍵步驟:（1)明確研究對象和研究過程。（2)找全參與轉化或轉移的能量，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3m/s，兩圓心的距離s＝4。5m,現將m＝1kg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μ＝0。15，電動機帶動皮帶將物體從左輪運送到右輪正上方時，求：（g取10m/s2）圖1（1）小物體獲得的動能Ek；（2）這一過程摩擦產生的熱量Q；（3)這一過程電動機消耗的電能E.答案（1）4.5J（2）4.5J（3）9J解析（1)設小物體與皮帶達到共同速度時,物體相對地面的位移為s′.μmgs′＝eq\f（1,2)mv2，解得s′＝3m〈4.5m，即物體可與皮帶達到共同速度，此時Ek＝eq\f(1,2）mv2＝eq\f(1,2）×1×32J＝4。5J.(2)由μmg＝ma得a＝1.5m/s2,由v＝at得t＝2s，則Q＝μmg（vt－s′)＝0。15×1×10×(6－3）J＝4.5J。(3)由能量守恒知E電＝Ek＋Q＝4。5J＋4.5J＝9J.三、功能關系的理解與應用1。功能關系概述（1)不同形式的能量之間的轉化是通過做功實現的,做功的過程就是能量之間轉化的過程.（2）功是能量轉化的量度.做了多少功,就有多少能量發(fā)生轉化。2。功與能的關系：由于功是能量轉化的量度，某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉化相聯系，具體功能關系如下：功能量轉化關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、系統內彈力以外的其他力做功機械能的改變W＝ΔE機兩物體間滑動摩擦力對物體系統做功內能的改變f·s相對＝Q例3如圖2所示，在豎直平面內有一半徑為R的圓弧軌道，半徑OA水平、OB豎直，一個質量為m的小球自A的正上方P點由靜止開始自由下落,小球沿軌道到達最高點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的運動過程中()圖2A.重力做功2mgR B。機械能減少mgRC。合外力做功mgR D.克服摩擦力做功eq\f(1，2）mgR答案D解析重力做功與路徑無關,所以WG＝mgR，選項A錯；小球在B點時所受重力提供向心力，即mg＝meq\f（v2,R)，所以v＝eq\r（gR），從P點到B點，由動能定理知:W合＝eq\f（1，2)mv2＝eq\f(1，2)mgR，故選項C錯;根據能量守恒知：機械能的減少量為｜ΔE|＝|ΔEp|－｜ΔEk｜＝eq\f(1，2）mgR,故選項B錯；克服摩擦力做的功等于機械能的減少量,故選項D對。例4如圖3所示，在光滑的水平面上,有一質量為M的長木塊以一定的初速度向右勻速運動,將質量為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為μ,當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)系統機械能的減少量；(4)系統產生的熱量。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功，根據功能關系得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)系統機械能的減少量等于系統克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.(4）m、M間相對滑動的位移為L,根據能量守恒定律，有Q＝μmgL,即摩擦力對系統做的總功等于系統產生的熱量，也等于系統減少的機械能。1。(能源的利用)關于能源的開發(fā)和應用，下列說法中正確的是（)A.能源應用的過程就是內能轉化為機械能的過程B.化石能源的能量歸根結底來自于太陽能，因此化石能源永遠不會枯竭C。在廣大的農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.隨著科學技術的發(fā)展，煤炭資源將取之不盡、用之不竭答案C解析能源應用過程并不單純是將內能轉化為機械能的過程，各種轉化形式均可為人類服務，A錯誤；化石能源的能量雖然來自太陽能，但要經過數億年的地質演變才能形成，且儲量有限，為不可再生能源，B錯誤；在廣大農村推廣沼氣對改善農村環(huán)境、節(jié)約能源意義重大,功在當代，利在千秋，C正確;無論技術先進與否，煤炭資源不可能取之不盡、用之不竭，D錯誤。故選C.2.(功能關系）（多選)如圖4所示，質量為M的木塊放在光滑的水平面上，質量為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運動。已知當子彈相對木塊靜止時，木塊前進距離為l,子彈進入木塊的深度為d,若木塊對子彈的阻力f視為恒定，則下列關系式中正確的是(）圖4A。fl＝eq\f(1，2）Mv2B.fd＝eq\f(1，2)Mv2C.fd＝eq\f(1，2)mveq\o\al（2，0)－eq\f(1，2)(M＋m)v2D.f（l＋d)＝eq\f（1，2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)mv2答案ACD解析畫出運動過程示意圖，從圖中不難看出，當木塊前進距離為l，子彈進入木塊的深度為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f·l＝eq\f（1,2）Mv2 ①木塊對子彈的作用力對子彈做負功，由動能定理得－f·（l＋d）＝eq\f（1,2）mv2－eq\f（1，2）mveq\o\al(2，0) ②由①②得f·d＝eq\f（1,2)mveq\o\al（2,0）－eq\f（1，2）（M＋m)v2所以，本題正確選項為A、C、D。3。(能量守恒定律的應用）如圖5所示,一物體質量m＝2kg,在傾角θ＝37°的斜面上的A點以初速度v0＝3m/s下滑,A點距彈簧上端B的距離AB＝4m.當物體到達B后將彈簧壓縮到C點，最大壓縮量BC＝0。2m，然后物體又被彈簧彈上去，彈到最高位置為D點，D點距A點AD＝3m。擋板及彈簧質量不計，g取10m/s2，sin37°＝0。6，cos37°＝0.8。求：（小數點后保留兩位小數)圖5(1)物體與斜面間的動摩擦因數μ；(2）彈簧的最大彈性勢能Epm。答案(1）0。52(2）24。46J解析(1)物體從開始位置A點到最后D點的過程中,彈性勢能沒有發(fā)生變化，動能和重力勢能減少，機械能的減少量為ΔE＝ΔEk＋ΔEp＝eq\f(1,2）mveq\o\al（2，0)＋mglADsin37° ①物體克服摩擦力產生的熱量為Q＝fs ②其中s為物體的路程，即s＝5。4mf＝μmgcos37° ③由能量守恒定律可得ΔE＝Q ④由①②③④式解得μ≈0。52。（2)物體由A到C的過程中，動能減小ΔEk＝eq\f（1,2）mveq\o\al(2，0) ⑤重力勢能減少ΔEp′＝mglACsin37° ⑥摩擦生熱Q′＝flAC＝μmgcos37°lAC ⑦由能量守恒定律得彈簧的最大彈性勢能為Epm＝ΔEk＋ΔEp′－Q′ ⑧聯立⑤⑥⑦⑧解得Epm≈24.46J.課時作業(yè)一、選擇題（1～6題為單選題，7～10題為多選題)1.下列說法正確的是（）A.隨著科技的發(fā)展,永動機是可以制成的B.太陽照射到地球上的光能轉化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了C.“既要馬兒跑,又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的D。有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量是可以憑空產生的答案C2.利用能源的過程實質上是（）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.能量轉化或轉移并且耗散的過程答案D解析利用能源的過程實質上是能量轉化或轉移的過程，在能源的利用過程中能量是耗散的,A、B、C錯誤，D正確。3.能源在“兩型”社會的建設中有著重要的意義，節(jié)約用電應成為現代公民的行為準則。下列用電方式中屬于科學、合理地節(jié)約用電的是()A.家電盡量長時間待機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。不要清除冰箱內的冰、霜答案B解析待機浪費電,家電盡量不要長時間待機,才屬于科學、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、合理地節(jié)約用電，故C錯誤;清除冰箱內的冰、霜，能夠提高冰箱的工作效率，才屬于科學、合理地節(jié)約用電,故D錯誤。4.如圖1所示，輕質彈簧長為L，豎直固定在地面上，質量為m的小球，在離地面高度為H處，由靜止開始下落,正好落在彈簧上，使彈簧的最大壓縮量為x，在下落過程中，小球受到的空氣阻力為F阻，則彈簧在最短時具有的彈性勢能為(）圖1A。(mg－F阻)(H－L＋x）B.mg（H－L＋x)－F阻（H－L)C.mgH－F阻（H－L）D.mg(L－x）＋F阻(H－L＋x）答案A解析設小球克服彈力做功為W彈,則對小球應用動能定理得(mg－F阻)（H－L＋x)－W彈＝ΔEk＝0,所以，W彈＝(mg－F阻）(H－L＋x)，即為彈簧在最短時具有的彈性勢能.5。如圖2所示為低空跳傘表演，假設質量為m的跳傘運動員，由靜止開始下落,在打開傘之前受恒定阻力作用，下落的加速度為eq\f（4,5)g,在運動員下落h的過程中，下列說法正確的是（）圖2A.運動員的重力勢能減少了eq\f(4，5）mghB。運動員的動能增加了eq\f(4,5)mghC.運動員克服阻力所做的功為eq\f（4，5）mghD.運動員的機械能減少了eq\f(4，5)mgh答案B解析在運動員下落h的過程中,重力勢能減少了mgh,故A錯誤；根據牛頓第二定律得，運動員所受的合力為F合＝ma＝eq\f（4,5）mg，則根據動能定理得，合力做功為eq\f（4，5)mgh，則動能增加了eq\f(4，5）mgh，故B正確；合力做功等于重力做功與阻力做功的代數和，因為重力做功為mgh，則克服阻力做功為eq\f(1，5)mgh，故C錯誤；重力勢能減少了mgh，動能增加了eq\f（4,5)mgh，故機械能減少了eq\f(1，5）mgh，故D錯誤.6。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生的熱量分別為QA、QB，設木塊對子彈的摩擦力大小一定,則()A。vA〉vB，QA〉QB B。vA〈vB，QA＝QBC。vA＝vB，QA<QB D。vA>vB，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生的內能Q＝fΔs相同，根據能量守恒定律有：eq\f（1,2)mv2＝QA＋eq\f（1,2)mveq\o\al（2，A）,eq\f(1,2）mv2＝QB＋eq\f(1，2）mveq\o\al(2,B)＋eq\f（1,2)mBv′2，由以上兩式可知vA>vB，綜上所述選項D正確。7。如圖3所示，高h＝2m的曲面固定不動.一個質量為1kg的物體，由靜止開始從曲面的頂點滑下，滑到底端時的速度大小為4m/s.g取10m/s2。在此過程中，下列說法正確的是(）圖3A。物體克服摩擦力做功20JB.物體的動能增加了8JC.物體的重力勢能減少了20JD。曲面對物體的支持力對物體不做功答案BCD8.某運動員采用蹲踞式起跑，在發(fā)令槍響后，左腳迅速蹬離起跑器，在向前加速的同時提升身體重心.如圖4所示，假設該運動員的質量為m，在起跑前進的距離s內，重心升高量為h，獲得的速度為v,則此過程中（）圖4A。運動員克服重力做功WG＝mghB。運動員的機械能增加了eq\f(1，2)mv2C.運動員的機械能增加了eq\f（1，2)mv2＋mghD.運動員對自身做功W1＝eq\f(1，2）mv2＋mgh答案ACD解析運動員在此過程中重力勢能增加mgh，動能增加eq\f（1,2）mv2，機械能增加eq\f（1，2)mv2＋mgh，A、C正確,B錯誤.運動員通過蹬地對自身做功，做功的量為其機械能的增量，D正確.9。如圖5所示，在粗糙的桌面上有一個質量為M的物塊，通過輕繩跨過定滑輪與質量為m的小球相連，不計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5A。小球的機械能守恒B。物塊與小球組成的系統機械能守恒C.若小球勻速下降,小球減少的重力勢能等于物塊M與桌面間摩擦產生的熱量D。若小球加速下降，小球減少的機械能大于物塊M與桌面間摩擦產生的熱量答案CD解析由于繩子對小球做負功,因此小球的機械能減小，A錯誤;由于桌面粗糙，摩擦力對M做負功，因此物塊與小球組成的系統機械能減小，B錯誤;若小球勻速下降，根據能量守恒，小球減小的重力勢能沒有轉化為動能,而是完全轉化為物塊M與桌面間摩擦產生的熱量，C正確；若小球加速下降,則小球減小的機械能一部分轉化為摩擦產生的熱量，另一部分轉化為M的動能，因此D正確.10.質量為m1、m2的兩物體，靜止在光滑的水平面上，質量為m的人站在m1上用恒力F拉繩子，經過一段時間后，兩物體的速度大小分別為v1和v2，位移分別為s1和s2，如圖6所示，則這段時間內此人所做的功的大小等于()圖6A。Fs2 B。F(s1＋s2)C。eq\f（1,2）m2veq\o\al（2,2）＋eq\f（1,2)(m＋m1)veq\o\al（2，1) D。eq\f（1,2)m2veq\o\al（2，2)答案BC解析根據能量守恒可知，人通過做功消耗的化學能將全部轉化為物體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eq\f（1，2）m2veq\o\al(2,2)＋eq\f（1，2)（m＋m1)veq\o\al(2,1）,即B、C正確。二、非選擇題11.一臺水輪發(fā)電機組，每秒有2。0m3的水流過水輪機，若河壩水位高度差是20m，則水每秒對水輪機最多能做多少功？若有40％的機械能轉化為電能,問發(fā)電機的輸出功率為多大？(水的密度ρ＝1