高中物理教科版第四章機(jī)械能和能源 第4章能源的開發(fā)與利用

6．能源的開發(fā)與利用學(xué)習(xí)目標(biāo)知識脈絡(luò)1.了解各種不同形式的能，知道能量守恒定律確定的兩類重要事實(shí)．(重點(diǎn))2．能夠敘述能量守恒定律的內(nèi)容，會用能量守恒的觀點(diǎn)分析、解釋一些實(shí)際問題．(重點(diǎn)、難點(diǎn))3．了解能量耗散，知道能源短缺和環(huán)境惡化問題，增強(qiáng)節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)意識.能量守恒定律[先填空]1．能量的轉(zhuǎn)化自然界存在著各種不同形式的能量—機(jī)械能(動能和勢能)、內(nèi)能、電能、化學(xué)能、核能等，各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化．2．能量守恒定律(1)定律內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量保持不變．(2)機(jī)械能守恒定律與能量守恒定律的關(guān)系機(jī)械能守恒定律是普遍的能量守恒定律在特種背景下一種特殊表現(xiàn)形式．[再判斷]1．當(dāng)一個(gè)物體的能量減少時(shí)，一定有其他物體的能量增多．(√)2．做功越多，能量的轉(zhuǎn)化也越多．(√)3．物體做了多少功，就有多少能量消失．(×)[后思考]一個(gè)叫丹尼斯·李(DennisLee)的美國人在《美國今日》《新聞周刊》等全國性報(bào)刊上刊登大幅廣告，在全美各地表演，展示其號稱無需任何能源的發(fā)電機(jī)．你認(rèn)為這種發(fā)電機(jī)能造出來嗎？并說明原因．DennisLee和他的永動機(jī)圖4-6-1【提示】不能．丹尼斯·李發(fā)明的發(fā)電機(jī)不消耗其他能量而源源不斷地產(chǎn)生電能，違背了能量守恒定律，因此這種發(fā)電機(jī)不能制造出來．[合作探討]“神舟十號”飛船返回艙進(jìn)入地球大氣層以后，由于它的高速下落，而與空氣發(fā)生劇烈摩擦，返回艙的表面溫度達(dá)到1000攝氏度．圖4-6-2探討1：進(jìn)入大氣層很長一段時(shí)間，返回艙加速下落，返回艙表面溫度逐漸升高．該過程動能和勢能怎么變化？機(jī)械能守恒嗎？【提示】該過程動能增加，勢能減少，機(jī)械能不守恒．探討2：返回艙表面溫度越高，內(nèi)能越大．該過程中什么能向什么能轉(zhuǎn)化？機(jī)械能和內(nèi)能的總量變化嗎？【提示】該過程機(jī)械能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化．根據(jù)能量守恒定律，機(jī)械能和內(nèi)能的總量不變．[核心點(diǎn)擊]1．功與能量的轉(zhuǎn)化不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實(shí)現(xiàn)的．做功的過程就是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化(或轉(zhuǎn)移)的過程，且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化(或轉(zhuǎn)移)．因此，功是能量轉(zhuǎn)化的量度．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：功能的變化表達(dá)式重力做功正功重力勢能減少重力勢能變化WG＝Ep1－Ep2負(fù)功重力勢能增加彈力做功正功彈性勢能減少彈性勢能變化W彈＝Ep1－Ep2負(fù)功彈性勢能增加合力做功正功動能增加動能變化W合＝Ek2－Ek1負(fù)功動能減少除重力(或系統(tǒng)內(nèi)彈力)外其他力做功正功機(jī)械能增加機(jī)械能變化W外＝E2－E1負(fù)功機(jī)械能減少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)出明亮的光；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流．上述不同現(xiàn)象中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(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量【解析】這四個(gè)現(xiàn)象中物體運(yùn)動過程中都受到運(yùn)動阻力，汽車主要受摩擦阻力，流星、降落傘受空氣阻力，條形磁鐵下落受磁場阻力，因而物體都克服阻力做功，A對；四個(gè)物體運(yùn)動過程中，汽車是動能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，流星、降落傘、條形磁鐵是重力勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，總之是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，D對．故A、D選項(xiàng)正確．【答案】AD2．(多選)在體育比賽項(xiàng)目中，高臺跳水是我國運(yùn)動員的強(qiáng)項(xiàng)．質(zhì)量為m的跳水運(yùn)動員進(jìn)入水中后受到水的阻力而做減速運(yùn)動，設(shè)水對他的阻力大小恒為F，那么在他減速下降高度為h的過程中，下列說法正確的是(g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?()【導(dǎo)學(xué)號：67120231】圖4-6-3A．他的動能減少了Fh－mghB．他的重力勢能增加了mghC．他的機(jī)械能減少了(F－mg)hD．他的機(jī)械能減少了Fh【解析】由動能定理，ΔEk＝mgh－Fh，動能減少了Fh－mgh，A選項(xiàng)正確；他的重力勢能減少了mgh，B選項(xiàng)錯(cuò)誤；他的機(jī)械能減少了ΔE＝Fh，C選項(xiàng)錯(cuò)誤，D選項(xiàng)正確．【答案】AD3．如圖4-6-4所示，某人乘雪橇從雪坡經(jīng)A點(diǎn)滑至B點(diǎn)，接著沿水平路面滑至C點(diǎn)停止．人與雪橇的總質(zhì)量為70kg.表中記錄了沿坡滑下過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)，請根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)解決下列問題：圖4-6-4(1)人與雪橇從A到B的過程中，產(chǎn)生的熱量是多少？(2)設(shè)人與雪橇在BC段所受阻力恒定，求阻力大?。?g取10m/s2)位置ABC速度(m/s)0時(shí)刻(s)0410【解析】(1)從A到B的過程中，人與雪橇損失的機(jī)械能為ΔE＝mgh＋eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)損失的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱量Q＝ΔE＝(70×10×20＋eq\f(1,2)×70×22－eq\f(1,2)×70×122)J＝9100J(2)人與雪橇在BC段做勻減速運(yùn)動的加速度a＝eq\f(vC－vB,t)＝eq\f(0－12,10－4)m/s＝－2m/s2根據(jù)牛頓第二定律f＝ma＝70×(－2)N＝－140N.【答案】(1)9100J(2)140N利用能量守恒定律解題的基本思路(1)分清有哪幾種形式的能(如機(jī)械能、內(nèi)能等)在變化．(2)分別列出減少的能量ΔE減和增加的能量ΔE增的表達(dá)式．(3)列等式ΔE減＝ΔE增求解．能源的利用和新能源的開發(fā)[先填空]1．能源的利用(1)能源：是指能夠提供某種形式能量的物質(zhì)資源．(2)人類利用能源的歷史主要分為：柴草時(shí)期、煤炭時(shí)期和石油時(shí)期．(3)煤、石油和天然氣為化石燃料，這些能源不可再生，也不可重復(fù)使用，所以又稱為非再生能源，能量的大量使用也引起了環(huán)境問題．2．新能源的開發(fā)目前，正在開發(fā)的新能源有風(fēng)能、海洋能、太陽能、地?zé)崮?、氫能、生物質(zhì)能及核聚變等．[再判斷]1．煤、石油、天然氣屬于常規(guī)能源．(√)2．電能、焦炭、氫能屬于一次能源．(×)3．冒起的煤煙和散開的炭灰可以重新合成一堆煤炭．(×)[后思考]近幾年流行一種“自發(fā)電電動車”(如圖4-6-5)，基本原理是將一小型發(fā)電機(jī)緊靠車輪處，車輪轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)出的電又繼續(xù)供給電動車，你認(rèn)為僅靠這種方式，電動車能持續(xù)運(yùn)動下去嗎？圖4-6-5【提示】僅靠這種方式，不能使電動車持續(xù)運(yùn)動下去．因?yàn)榭窟@種方式，只能將電動車的一部分能量收集起來，但電動車運(yùn)動時(shí)受到的阻力做負(fù)功，不斷把電動車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，根據(jù)能量守恒定律，要想使電動車持續(xù)運(yùn)動下去，必須不斷地給電動車補(bǔ)充新的能量，如用腳蹬電動車或給電動車的電源充電．[合作探討]圖4-6-6探討1：既然能量是守恒的，為什么當(dāng)今社會會出現(xiàn)能源危機(jī)？【提示】能源利用的過程中，能量在總的數(shù)量上并沒有減少，但在可以利用的品質(zhì)上降低了，所以會出現(xiàn)能源危機(jī)．探討2：解決能源危機(jī)的途徑是什么？【提示】一是節(jié)約能源，二是開發(fā)新能源．[核心點(diǎn)擊]1．人類與能源的關(guān)系(1)有利方面：能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善，人類社會每一次重大的經(jīng)濟(jì)飛躍和生產(chǎn)革命，都與新的能源和動力機(jī)械的利用密切相關(guān)，能源消耗的多少已經(jīng)成為一個(gè)國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志．(2)不利方面：能源的大量使用會給環(huán)境帶來極大的破壞，如大氣污染、溫室效應(yīng)、酸雨等，對人類造成很大的危害．2．常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化途徑4．煤、石油、天然氣和生物質(zhì)能作為能源的共同特點(diǎn)是()A．都為可再生能源，取之不盡，用之不竭B．都為不可再生能源，用一點(diǎn)，少一點(diǎn)C．都為來自太陽輻射的能量D．都為污染環(huán)境的能源【解析】煤、石油、天然氣是不可再生能源，對環(huán)境污染嚴(yán)重，生物質(zhì)能是可再生能源，對環(huán)境無污染或污染少，但它們都來自太陽輻射．因此，選項(xiàng)C正確，其他選項(xiàng)均錯(cuò)．【答案】C5．關(guān)于能源的利用，下列說法中不正確的是()A．由于我國煤和石油的儲量無限，所以太陽能和核能的開發(fā)在我國根本沒有必要B．能源的利用過程，實(shí)質(zhì)是能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程C．現(xiàn)在人類社會使用的能源主要是煤、石油和天然氣D．煤、石油和天然氣的化學(xué)能歸根到底來自太陽能【解析】石油、煤等為非再生的能源，儲量有限，能源的利用中雖然總量不變，但品質(zhì)降低，可再利用能源越來越少，所以新能源的開發(fā)和利用是當(dāng)今世界各國面臨的課題，A錯(cuò)，B、C、D對．【答案】A6．能源短缺和環(huán)境惡化指的是()①煤炭和石油的開采與技術(shù)有關(guān)，在當(dāng)前技術(shù)條件下，煤炭和石油的開采是有限的，這叫能源短缺．②煤炭和石油資源是有限的，以今天的開采和消耗速度，石油儲藏將在百年內(nèi)用盡，煤炭資源也不可能永續(xù)，這叫能源短缺．③煤炭和石油具有很大的氣味，在開采、存放和使用過程中這些氣味會聚集在空氣中污染空氣，使環(huán)境惡化．④大量煤炭和石油產(chǎn)品在燃燒時(shí)排出的有害氣體污染了空氣，改變了大氣成分，使環(huán)境惡化．A．①③B．①④C．②③D．②④【解析】煤炭和石油都是由幾億年以前的生物遺體形成的，這些能源不能再次生成，也不可重復(fù)使用，它們的儲量是有限的，并不是取之不盡、用之不竭的，這是所講的能源短缺，②正確；能源在使用時(shí)會排出有害氣體污染空氣，這是所講的環(huán)境惡化，④正確．故D正確．【答案】D(1)能源的開發(fā)和利用要以人為本，要以可持續(xù)發(fā)展為前提．(2)應(yīng)優(yōu)先使用新能源，新能源的共同特點(diǎn)：可再生、取之不盡、綠色無污染．學(xué)業(yè)分層測評(十六)(建議用時(shí)：45分鐘)[學(xué)業(yè)達(dá)標(biāo)]1．下列說法正確的是()A．隨著科技的發(fā)展，永動機(jī)是可以制成的B．太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)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”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，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，說明能量可以憑空產(chǎn)生【解析】永動機(jī)是指不消耗或少消耗能量，而可以大量對外做功的裝置，違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，A錯(cuò)；太陽輻射大量的能量，地球只吸收了極少的一部分，但輻射到星際空間的能量也沒有消失，一定是轉(zhuǎn)化成了別的能量，B錯(cuò)；馬和其他動物，包括人要運(yùn)動，必須消耗能量，動物的能量來源是食物中儲存的生物質(zhì)能，C正確；所謂的“全自動”手表內(nèi)部是有能量轉(zhuǎn)化裝置的，只有當(dāng)人戴著手表活動時(shí)，才能不斷補(bǔ)充能量，維持手表的運(yùn)行，如果把表放在桌面上靜置一段時(shí)間，它一定會停擺的，D錯(cuò)．【答案】C2．市面上出售一種裝有太陽能電扇的帽子(如圖4-6-7所示)．在陽光的照射下，小電扇快速轉(zhuǎn)動，能給炎熱的夏季帶來一絲涼爽．該裝置的能量轉(zhuǎn)化情況是()圖4-6-7A．太陽能→電能→機(jī)械能B．太陽能→機(jī)械能→電能C．電能→太陽能→機(jī)械能D．機(jī)械能→太陽能→電能【解析】電池板中太陽能轉(zhuǎn)化為電能，小電動機(jī)中電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．【答案】A3．(多選)為了探究能量轉(zhuǎn)化和守恒，小明將小鐵塊綁在橡皮筋中部，并讓橡皮筋穿入鐵罐，兩端分別固定在罐蓋和罐底上，如圖4-6-8所示．讓該裝置從不太陡的斜面上A處滾下，到斜面上B處停下，發(fā)現(xiàn)橡皮筋被卷緊了，接著鐵罐居然從B處自動滾了上去．下列關(guān)于該裝置能量轉(zhuǎn)化的判斷正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：67120232】圖4-6-8A．從A處滾到B處，主要是重力勢能轉(zhuǎn)化為動能B．從A處滾到B處，主要是重力勢能轉(zhuǎn)化為彈性勢能C．從B處滾到最高處，主要是動能轉(zhuǎn)化為重力勢能D．從B處滾到最高處，主要是彈性勢能轉(zhuǎn)化為重力勢能【解析】在A處和B處時(shí)鐵罐速度為零，動能為零，所以從A處到B處是重力勢能轉(zhuǎn)化為彈性勢能，故A項(xiàng)錯(cuò)誤，B項(xiàng)正確．從B處又滾到最高處的過程是彈性勢能轉(zhuǎn)化為重力勢能的過程，故C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)正確．【答案】BD4．下列關(guān)于能源開發(fā)和利用的說法中正確的是()A．能源利用的過程是內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的過程B．要合理開發(fā)和節(jié)約使用核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等常?guī)能源C．能源利用的過程是一種形式的能向其他形式的能轉(zhuǎn)化的過程D．無論是節(jié)約能源還是開發(fā)能源，我國都需要外國支援【解析】能源的利用過程實(shí)際上是一種形式的能向其他形式的能轉(zhuǎn)化的過程，并不一定是單一的向機(jī)械能轉(zhuǎn)化的過程，所以C正確，A錯(cuò)誤；B中的核能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等屬于新能源，而不是常?guī)能源，故B錯(cuò)誤；節(jié)約能源和開發(fā)能源方面，我國主要依靠自己，故D錯(cuò)誤．【答案】C5．(2023·杭州高一檢測)下列對能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識錯(cuò)誤的是()A．某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加B．某個(gè)物體的能減少，必然有其他物體的能增加C．不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機(jī)器——永動機(jī)是不可能制成的D．石子從空中落下，最后靜止在地面上，說明機(jī)械能消失了【解析】根據(jù)能量守恒定律得知，某種形式的能減少，其他形式的能一定增大；某個(gè)物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加，A、B正確；不需要任何外界的動力而持續(xù)對外做功的機(jī)器——永動機(jī)，違反了能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，不可能制成，C正確；石子在運(yùn)動和碰撞中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為了石子本身及周圍物體的內(nèi)能，能量并沒有消失，故D錯(cuò)誤．【答案】D6．(多選)(2023·桂林高一檢測)如圖4-6-9所示，高h(yuǎn)＝2m的曲面固定不動．一個(gè)質(zhì)量為1kg的物體，由靜止開始從曲面的頂點(diǎn)滑下，滑到底端時(shí)的速度大小為4m/取10m/s2.在此過程中，下列說法正確的是()圖4-6-9A．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【解析】根據(jù)動能定理得mgh＋Wf＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)×1×42J＝8J，B對；其中重力做功WG＝mgh＝1×10×2J＝20J，故重力勢能減少20J，C對；所以摩擦力做功Wf＝8J－20J＝－12J，A錯(cuò)；支持力始終與物體的速度垂直，故支持力不做功，D對．【答案】BCD7．(多選)(2023·攀枝花期末)如圖4-6-10所示，一木塊放在光滑水平面上，一子彈水平射入木塊中，射入深度為d，平均阻力為f.設(shè)木塊滑行距離為s時(shí)開始勻速前進(jìn)，下列判斷正確的是()【導(dǎo)學(xué)號：67120233】圖4-6-10A．子彈損失的動能等于fdB．子彈損失的動能等于f(s＋d)C．總機(jī)械能的損失等于fsD．總機(jī)械能的損失等于fd【解析】子彈受到的合外力為f，合外力做負(fù)功，即Wf＝－f(s＋d)，根據(jù)動能定理得，子彈損失的動能為f(s＋d)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤、B正確；合外力對木塊做的功為W＝fs，則木塊增加的動能為fs；根據(jù)以上分析知道，子彈動能的減少量大于木塊動能的增加量，選項(xiàng)C也錯(cuò)誤；根據(jù)能量守恒可知，子彈、木塊系統(tǒng)總機(jī)械能的損失為ΔE＝－f(s＋d)＋fs＝－fd，選項(xiàng)D正確．【答案】BD8．在質(zhì)量為0.5kg的重物上安裝一極輕的細(xì)棒(設(shè)細(xì)棒足夠長)，如圖4-6-11所示的那樣，用手在靠近重物處握住細(xì)棒，使重物靜止，握細(xì)棒的手不動，稍稍減小握力，使手和細(xì)棒間保持一定的摩擦力，讓重物和細(xì)棒保持一定的加速度下落，在起初的s的時(shí)間里，重物落下了0.50m．在此過程中手和細(xì)棒之間所產(chǎn)生的熱量是多少？(g取10m/s2)圖4-6-11【解析】由h＝eq\f(1,2)at2a＝eq\f(2h,t2)＝1m/s2由v＝at＝1×m/s＝1m/s由能量守恒mgh＝eq\f(1,2)mv2＋Q熱Q熱＝×10×J－eq\f(1,2)××12J＝J.【答案】J[能力提升]9．足夠長的傳送帶以v勻速傳動，一質(zhì)量為m的小物塊A由靜止輕放于傳送帶上，若小物塊與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)為μ，如圖4-6-12所示，當(dāng)小物塊與傳送帶相對靜止時(shí)，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的能量為()圖4-6-12A．mv2 B．2mv2\f(1,4)mv2 D．eq\f(1,2)mv2【解析】物塊A被放于傳送帶即刻做勻加速直線運(yùn)動，加速度a＝eq\f(μmg,m)＝μg，勻加速過程前進(jìn)的距離：x1＝eq\f(v2,2a)＝eq\f(v2,2μg)，該時(shí)間內(nèi)傳送帶前進(jìn)距離：x2＝vt＝v·eq\f(v,μg)＝eq\f(v2,μg)，所以物塊相對傳送帶滑動距離：Δx＝x2－x1＝eq\f(v2,2μg)，故產(chǎn)生的內(nèi)能：Q＝μmg·Δx＝μmg·eq\f(v2,2μg)＝eq\f(1,2)mv2，D正確．【答案】D10．兩塊完全相同的木塊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＞QBB．vA＜vB，QA＝QBC．vA＝vB，QA＜QBD．vA＞vB，QA＝QB【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＝fΔx相同，根據(jù)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(xiàng)D正確．【答案】D11．(2023·揚(yáng)州高一檢測)如圖4-6-13所示，AB與CD為兩個(gè)對稱斜面，其上部足夠長，下部分別與一個(gè)光滑的圓弧面的兩端相切，圓弧圓心角為120°，半徑R為2.0m．一個(gè)物體在離弧底E高度為h＝3.0m處，以初速度4.0m/s沿