第10節(jié)能量守恒定律與能源

PAGEPAGE10能量守恒定律與能源〖精講細講〗〖知識精講〗知識點1能量守恒定律（1）定律內(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)移的過程中總的能量保持不變。（2）某種形式的能量在減少，一定存在另一種形式的能量在增加，且減少量與增加量相等；某個物體的能量減少，一定存在另一個物體的能量增加，且減少量和增加量相等。試說明下列現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化的情況。在水平公路上行駛的汽車，發(fā)動機熄火之后，速度越來越小，最后停止。植物的光合作用。用太陽能電池做動力的電動汽車在賽車場上奔馳。用柴油機帶動發(fā)電機發(fā)電，供給電動水泵抽水，把水從低處抽到高處?！伎偨Y(jié)〗自然界中有許多不同形式的能量，如機械能、內(nèi)能、光能、電能、化學能、原子能等等，各種形式的能量是可以相互轉(zhuǎn)化的，各種能相互轉(zhuǎn)化是通過做功過程來實現(xiàn)的，并且能量轉(zhuǎn)化多少通過做功的多少來量度，物體對外做多少功，它就等量的轉(zhuǎn)化為多少能，即W=△E，能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能的總量守恒。功和能的關系及能的轉(zhuǎn)化和守恒思想是解決物理問題的重要法寶。〖變式訓練1〗行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流。上述不同現(xiàn)象所包含的相同的物理過程是：A、物體克服阻力做功B、物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C、物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量D、物體的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量知識點2功是能量轉(zhuǎn)化的量度做功過程就是能量的轉(zhuǎn)化過程，做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化。用公式W=△E表示。如圖所示，質(zhì)量為m的子彈，以速度v1射入放在水平光滑桌面上質(zhì)量為M的木塊中，設子彈和木塊的共同速度為v2，木塊的位移為s2，子彈的位移為s1，子彈對木塊的位移為△s，子彈與木塊間的相互作用的摩擦力為f，求此過程中，系統(tǒng)增加的內(nèi)能Q？〖總結(jié)〗系統(tǒng)克服阻力做功時，機械能減少，內(nèi)能增加，且系統(tǒng)增加的內(nèi)能等于總的機械能的減少量，即Q=f△s，（△s為兩物體相對路程），或Q=△E=E1-E2（E1、E2分別為系統(tǒng)初、末狀態(tài)的機械能）?！甲兪接柧?〗小球的質(zhì)量為m，在距地面高為h處，以初速度v豎直向上拋出，設空氣阻力大小恒定為f且小于mg，且小球與地面碰撞過程中不損失能量，小球最后靜止在地面上，則小球在整個運動過程中所經(jīng)歷的路程是多少？；轉(zhuǎn)化的內(nèi)能是多少？知識點3能源和能量耗散（1）能源是人類社會活動的物質(zhì)基礎。人類利用能源大致經(jīng)歷了三個時期：即柴薪時期、煤炭時期、石油時期。（2）能量耗散：燃料燃燒時一量把自己的熱量釋放出去，它就不會自動聚集起來供人類重新利用；電池中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，它又通過燈泡轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們也無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用。這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了。這是能源危機更深層次的含意，也是“自然界的能量雖然守恒，但還要節(jié)約能源”的根本原因。（3）新能源的開發(fā)①太陽能：太陽以其巨大的、無窮無盡的輻射能形式提供給地球最清潔的能源。數(shù)量巨大：太陽輻射的功率為3。9×1026W，能到達地球表面的太陽能相當于每年完全燃燒1。3×1010t標準煤產(chǎn)生的能量，是目前全世界所消耗的各種能量總各的104倍。時間長久：根據(jù)天文學的研究結(jié)果，可知太陽系已經(jīng)存在大約5×109年左右，估計尚可繼續(xù)維持1010年之久。清潔安全：太陽能素有“干凈能源”和“安全能源”之稱，它不僅毫無污染，也毫無危險。②風能：風能是由于太陽輻射造成地球各部分受熱為均勻，而引起的空氣流動所產(chǎn)生的能量，整個地球接受到的太陽輻射能約有0。2%被轉(zhuǎn)化成風能，全球的風能的總量估計有1。6×1022J，這是一個巨大的潛在的能源寶庫，如果1%被利用，即可滿足人類對能量的需求。③海洋能：包括潮汐能、波浪能、海流能、溫差能等。它們不僅可以再生，還具有不污染環(huán)境的優(yōu)點。據(jù)科學家估計，世界海洋能源總量為四十多萬億千瓦，這些能量超過目前世界能源消費的一萬倍，如果能開發(fā)出其中的一小部分，即可滿足人類對能源的全部需求。④地熱能：地球本身是一個巨大的天然儲熱庫。地熱能指地球內(nèi)部可釋放出來的熱量，據(jù)估計，從地球內(nèi)部每年傳到地球表面的熱量，相當于370億噸標準煤燃燒時所放出的熱量。⑤核能：在當前開發(fā)和利用的新能源中，核能尤其重要，核能包括裂變能和聚變能，其中受控熱核聚變的原料氘和氚可取自海洋，如果能實現(xiàn)可控核聚，其產(chǎn)生的能量足夠人類使用幾十億年，可謂用之不竭。關于潮汐：如圖所示，是利用潮汐發(fā)電的示意圖，左方為陸地和海灣，中間是水壩，其下有通道，水經(jīng)通道可帶動發(fā)電機，潮汐時，水進入海灣，待內(nèi)外水面高度相同，堵住通道，潮落至最低點時放水發(fā)電，待內(nèi)外水面高度相同再堵住通道，直到下次漲潮至最高點，又進水發(fā)電。設海灣面積為5×107m2，高潮與低潮間高度差為3m，則一天內(nèi)水流的平均功率為多少千瓦？（一天兩次漲潮）〖總結(jié)〗（1）能源是人類生存和發(fā)展的重要支撐因素，海洋蘊藏著極其豐富的能源。如潮汐、波浪能、溫差能、鹽度差能、海流能等，海洋能源亟待人類去開發(fā)，潮汐發(fā)電是海洋能開發(fā)較早的一種，我國潮汐能源約1。1×108kW，開發(fā)利用潮汐能的技術也在不斷提高。一天內(nèi)海水進出海灣兩次，電站做功四次。〖變式訓練3〗把潮汐能轉(zhuǎn)化為電能，通常有兩種方式：一種是讓潮流直接沖擊水輪機，利用潮流的動能發(fā)電；另一種是建造潮汐水庫，即在海灣或可口構筑大壩，利用漲、落潮的水位差，把潮汐能先轉(zhuǎn)化為重力勢能，再轉(zhuǎn)化為動能通過水輪機發(fā)電。已知江廈潮汐電站海灣水庫面積約為2。5×106m2，假設電站的總能量轉(zhuǎn)換效率為10%，該電站的年發(fā)電總量為1。07×107kW。h，總裝機容量（電站發(fā)電功率）為3。2×103kW。試推算出大壩兩側(cè)漲、落潮的平均潮差及日滿負荷工作的時間？〖難點精析1〗〖例4〗二氧化碳對長波輻射有強烈的吸收作用，行星表面發(fā)出的長波輻射到大氣以后被二氧化碳截獲，最后使大氣升溫，大氣中的二氧化碳像暖房的玻璃一樣，只準太陽的輻射進來，卻不讓室內(nèi)的長波熱輻射出去，大氣中的二氧化碳的這種效應叫溫室效應。這是目前科學界對地球氣候變暖進行分析的一種觀點，根據(jù)這種觀點，以下說法成立的是：在地球形成的早期，火山活動頻繁，排出大量的二氧化碳，當時地球的氣溫很高。經(jīng)過漫長的年代，地殼的巖石和氣體二氧化碳發(fā)生化學反應，導致二氧化碳減少，地球上出現(xiàn)了生命。由于工業(yè)的發(fā)展和人類的活動，導致二氧化碳在空氣中的含量增大，地球上的氣溫正在升高?，F(xiàn)在地球正在變暖的原因是工業(yè)和生活用電的急劇增加，是電能和其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能?！挤椒偨Y(jié)〗能源問題是當今世界的首要問題。大量消耗常規(guī)能源對環(huán)境帶來了嚴重污染。促使人類開發(fā)新的能源，利用所學知識分析能源問題，考查觀察能力、判斷能力、歸納比較能力、推理能力、解決實際問題的能力?！甲兪接柧?〗將一個金屬球加熱到某一溫度，問在下列兩種情況下，哪一種需要的熱量多些？（1）將金屬球用一根金屬絲掛著。（2）將金屬球放在水平支撐面上（假設金屬絲和支撐物都不吸收熱量）A、情況（1）中球吸收的熱量多些B、情況（2）中球吸收的熱量多些C、兩情況中球吸收的熱量一樣多D、無法確定〖難點精析2〗〖例題5〗電機帶動水平傳送帶以速度v勻速傳動，一質(zhì)量為m的小木塊由靜止輕放在傳送帶上，若小木塊與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)為μ，如圖所示，當小木塊與傳送帶相對靜止時，求：（1）小木塊的位移；（2）傳送帶轉(zhuǎn)過的路程；（3）小木塊獲得的動能；（4）摩擦過程產(chǎn)生的熱量；（5）電機帶動傳送帶勻速傳動輸出的總能量。〖方法總結(jié)〗（1）注意分析木塊運動過程。（2）摩擦過程中產(chǎn)生的熱由機械能轉(zhuǎn)化而來，Q=μmgs 式是的s是木塊與傳送帶的相對路程。（3）電機輸出的總能量轉(zhuǎn)化為木塊的動能與摩擦熱兩部分?！甲兪接柧?〗如圖所示，水平放置的傳送帶與一光滑曲面相接（間隙很小），一小滑塊質(zhì)量為m=0。1kg，從離傳送帶h=0。2m高處由靜止滑下，傳送帶水平部分長x=1。8m，滑塊與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0。1。（g=10m/s2）（1）把傳送帶固定不動，問滑塊能否滑離傳送帶？產(chǎn)生摩擦熱是多少？（2）傳送帶逆時針以v2=1m/s勻速運動，則滑塊能否滑離傳送帶？產(chǎn)生熱量是多少？（3）傳送帶順時針以v3=1m/s勻速運動，求滑塊滑離傳送帶的時間及產(chǎn)生的熱量？〖難點精析3〗〖例6〗如圖所示，傳送帶與水平面間的傾角為θ=300，兩端點間的距離AB=5m，傳送帶在電動機的帶動下以恒定速度v=1m/s勻速轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)將一質(zhì)量為m=10kg的小物體（可視為質(zhì)點）無初速度地輕放在傳送帶下端A點。已知物體與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=31/2/2，在傳送帶將小物體從A點傳送到B點的過程中（取g=10m/s（1）傳送帶對物體做的功？（2）電動機做的功？〖方法總結(jié)〗涉及機械運動中的功和能量變化的關系有以下幾種情況：1、動能定理：合外力對物體所做的功等于物體動能的變化量，W合=Ek2-Ek1；2、機械能守恒定律：只有重力或彈簧彈力做功的系統(tǒng)，系統(tǒng)機械能守恒：功能原理（功能關系）：重力和彈簧彈力之外的別的力對物體系統(tǒng)做的功，等于系統(tǒng)機械能的變化量，W外=E2-E1（E1、E2表示系統(tǒng)初末態(tài)的機械能）特別的：系統(tǒng)內(nèi)滑動摩擦力做功與產(chǎn)生的熱量的關系Q=Fs相對（F表示滑動摩擦力的大小，s相對表示物體間的相對路程）〖變式訓練6〗一傳送帶裝置示意圖如圖，其中傳送帶經(jīng)過AB區(qū)域時是水平的，經(jīng)過BC區(qū)域時變?yōu)閳A弧形（圓弧由光滑模板形成，未畫出）經(jīng)過CD區(qū)域時是傾斜的，AB和CD都與BC相切，現(xiàn)將大量的質(zhì)量均為m的小貨箱一個一個在A處放到傳送帶上，放置時初速度為零，經(jīng)傳送帶運送到D處，D和A的高度差為h。穩(wěn)定工作時，傳送帶速度不變，CD段上各箱等間距排列，相鄰兩箱的距離為L。每個箱子在A處投放后，在到達B之前已經(jīng)相對于傳送帶靜止，且以后也不再相對滑動（忽略經(jīng)BC段時的微小滑動）。已知在一段相當長的時間T內(nèi)，共運送小貨箱的數(shù)目為N。這裝置由電動機帶動，傳送帶與輪子間無相對滑動，不計輪軸處的摩擦。求電動機的平均輸出功率P？〖綜合拓展〗本節(jié)學習了能的轉(zhuǎn)化和守恒定律，我們列能量守恒表達式時有兩條基本思路：（1）某種形式的能減少，一定存在其他形式的能的增加，且減少量和增加量一定相等。（2）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?！祭?〗“和平號”空間站已于2001年3月23日成功地墜落在南太平洋海域。墜落過程可簡化為從一個近圓軌道（可近似看作圓軌道）開始，經(jīng)過與大氣摩擦，空間站的大部分經(jīng)過升溫、熔化、最后汽化而銷毀，剩下的殘片、墜入大海，此過程中，空間站原來的機械能中，除了一部分用于銷毀和一部分被殘片帶走外，還有一部分能量E1通過其他方式散失（不考慮墜落過程中化學反應的能量）。（1）試導出用下列各物理量的符號表示散失的能量E1的公式？（2）算出E1的數(shù)值（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。墜落開始時空間站的質(zhì)量M=1。17×105kg；軌道離地面的高度為h=146km；地球半徑R=6400km；墜落空間范圍內(nèi)重力加速度可看作g=10m/s2；入海殘片的質(zhì)量為m=1。2×104kg；入海殘片的溫度升高△T=3000K；入海殘片的入海速度為聲速v=340m/s；空間站材料每1kg升溫1K平均所需能量c=1、0×103J；每銷毀1kg材料平均所需能量μ=1。0×107J?！挤椒偨Y(jié)〗（1）分析過程要仔細，不然的話很容易漏掉某一項能量。（2）這是一道綜合性很強的題目，分析題目的主線只有一條——能量。既要考慮機械能（動能、勢能），又要考慮內(nèi)能，還要考慮能量轉(zhuǎn)化。（3）此類題，文字表述較長，考查學生閱讀、分析、提取有用信息，建立物理模型的能力?！蓟顚W活練〗〖基礎達標〗1、足球運動員用力將足球踢出，足球沿地面滾動了一段距離而停止，那么，下列關于功和能的分析中，正確的是：A、踢球過程中，人對足球的作用力做正功，足球的動能增加。B、踢球過程中，足球沒有明顯的位移，人對足球的作用力沒有做功。C、足球滾動過程中，地面阻力對足球做負功，足球的動能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能。D、整個過程中，所有的功的代數(shù)和為零，足球的動能前后都為零，運動員消耗和體內(nèi)的化學能消失了。2、撐桿跳運動的幾個階段：助跑、撐桿起跳、越橫桿。下面關于撐桿跳運動員在這幾個階段中能量轉(zhuǎn)化情況的說法正確的是：A、助跑階段運動員身體中的化學能轉(zhuǎn)化為人和桿的動能。B、起跳時運動員的動能和身體中化學能轉(zhuǎn)化為人和桿的勢能和動能。C、越過橫桿后，運動員的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。D、以上說法都不正確。3、關于能源，以下說法中不正確的是：A、石油、煤、天然氣等燃料的最初來源可追溯到太陽能。B、柴草燃燒過程釋放的能量是生物能。C、核能和地熱能來自地球自身。D、潮汐能來源于月球引力做功。4、質(zhì)量為m的滑塊沿著高為h的粗糙斜面恰能勻速下滑，在滑塊從斜面頂端下滑到斜面底端的過程中：A、重力對滑塊所做的功等于ngh。B、滑塊克服阻力做的功等于mgh。C、合力對滑塊所做的功等于mgh。D、合力對滑塊做的功不能確定。5、利用潮汐可以發(fā)電，某海灣面積為Sm2，漲落潮水位差為hm，海水密度為ρkg/m3，若每次潮汐的海水內(nèi)能有10%可用來發(fā)電，則每次潮汐可發(fā)電：A、Sρgh2/10（Kwh）B、Sρgh2/20（Kwh）C、Sρgh2×10-7/7。2（Kwh） D、Sρgh2×1。8×10-7（Kwh）6、如圖，容器A、B各有一個可以自由移動的輕活塞，活塞下面是水，上面是大氣，大氣壓恒定，A、B的底部由帶有閥門K的管道相連，整個裝置與外界絕熱，原先，A中水面比B中的高，打開閥門，使A中的水逐漸向B中流，最后達到平衡，在這個過程中：A、大氣壓力對水做功，水的內(nèi)能增加。B、水克服大氣壓力做功，水的內(nèi)能減少。C、大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能不變。D、大氣壓力對水不做功，水的內(nèi)能增加。7、物體以60J的初動能，從A點出發(fā)作豎直上拋運動，在它上升到某一高度時，動能損失了30J，而機械能損失了10J，則該物體再落回到A處的動能為（空氣阻力大小恒定）：A、50JB、40JC、30JD、20J8、人身體在最佳狀態(tài)下，只能把人體內(nèi)化學能的25%轉(zhuǎn)化為有用的機械能，假設一位質(zhì)量為60kg的登山運動員恰好具有這樣的轉(zhuǎn)化效率，若他平均每小時登高500m，那么他在5h內(nèi)共消耗的化學能為。（g=10m/s2。）9、水能是可再生能源，可持續(xù)地用來發(fā)電為人類提供“清潔”的能源，黃河壺口瀑布有一水力發(fā)電水庫，其平均流量為9000m3/s，落差為40m10、質(zhì)量為m的雨滴，從距地面為h的高空下落到地面，若其重力勢能的減少量的50%轉(zhuǎn)化為內(nèi)能被雨滴吸收，求雨滴升高的溫度？（已知水的比熱為c）11、某海灣面積為1。5×107m2，漲潮時水深20m，此時關上水壩閘門，可使水位保持20m不變；退潮時，壩外水位降至18m，假如利用此水壩建水力發(fā)電站，且重力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男蕿?0%，每天有兩次漲潮，則該電站一天能發(fā)出的電能是多少？g=10m12、由于地球本身的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)以及月亮和太陽對海水的作用力，兩者合起來結(jié)果形成潮汐運動，若已知地球自轉(zhuǎn)能量與其自轉(zhuǎn)周期的關系式E=A/T2，其中A=1。65×1035J·s2T為地球自轉(zhuǎn)周期，現(xiàn)取8。64×104s最后一百萬年來（3。16×1013s），由于潮汐作用，地球自轉(zhuǎn)周期長了16s，試估算潮汐的平均功率？13、某地區(qū)的平均風速為6。0m/s，已知空氣的密度為1。2kg/m3，此地有一風車，它的車葉轉(zhuǎn)動時可形成半徑為20m的圓面，假如這具風車能將圓內(nèi)10%的氣流的動能轉(zhuǎn)化為電能。問：（1）平均每秒有多少體積的氣流沖擊風車車葉形成圓面？（2）這些氣流的動能是多少？（3）這臺風車的發(fā)電功率P為多少？14、風力發(fā)電作為一種無污染、低成本的電力產(chǎn)業(yè)，發(fā)展前景廣闊。我國風力資源豐富，到2000年底，我國風力發(fā)電機的總裝機量已達2。64×106kW，風力發(fā)電的原理是利用風推動葉輪轉(zhuǎn)動，將風的動能轉(zhuǎn)化為葉輪的動能，再將葉輪的動能轉(zhuǎn)化為電能。（1）設空氣的密度為ρ，每個葉輪的長度為L，正對葉輪的水平風速為v，整個發(fā)電機的效率為η，那么每臺發(fā)電機發(fā)出的電功率P為多大？（2）我國研制的wd-646型風力發(fā)電機，每個葉輪L=22m，當風速達到15m/s時，其輸出電功率可達600kW，求該風力發(fā)電機將風的動能轉(zhuǎn)化為電能的總效率η。（空氣密度為1。29kg/m3）〖能力提升〗1、如圖所示，重10N的滑塊在傾角為300的斜面上，從a點由靜止下滑，到b點接觸到一個輕彈簧，滑塊壓縮彈簧到c點開始彈回，返回b點離開彈簧，最后又回到a點，已知ab=1m，bc=0。2m，那么在整個過程中：A、滑塊動能的最大值是6J。B、彈簧的彈性勢能的最大值是6J。C、從c到b彈簧的彈力對滑塊做的功是6J，。D、整個過程中系統(tǒng)機械能守恒。2、如圖所示，A和B兩個小球固定在一根輕桿的兩端，此桿可以繞穿過其中心的水平軸O無摩擦轉(zhuǎn)動。現(xiàn)使輕桿從水平狀態(tài)無初速度釋放，發(fā)現(xiàn)桿繞O沿順時針方向轉(zhuǎn)動，則桿從釋放起轉(zhuǎn)動900的過程中：A、B球的重力勢能減少，動能增加。B、A球的重力勢能增加，，動能減少。C、A球的重力勢能和動能都增加了。D、A球和B球的總機械能是守恒的。3、如圖所示，全長為L、質(zhì)量分布均勻的繩子，放在光滑水平桌面上，其中有長度為L的一段繩同桌邊下垂，且繩由靜止下滑，求繩尾離開桌邊時，繩的速度為