高中物理教科版第四章機械能和能源 第4章能源的開發(fā)與利用

6．能源的開發(fā)與利用學(xué)習目標知識脈絡(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．(重點)2．能夠敘述能量守恒定律的內(nèi)容，會用能量守恒的觀點分析、解釋一些實際問題．(重點、難點)3．了解能量耗散，知道能源短缺和環(huán)境惡化問題，增強節(jié)約能源和環(huán)境保護意識.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)移的過程中其總量保持不變．(2)機械能守恒定律與能量守恒定律的關(guān)系機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．當一個物體的能量減少時，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]一個叫丹尼斯·李(DennisLee)的美國人在《美國今日》《新聞周刊》等全國性報刊上刊登大幅廣告，在全美各地表演，展示其號稱無需任何能源的發(fā)電機．你認為這種發(fā)電機能造出來嗎？并說明原因．DennisLee和他的永動機圖4-6-1【提示】不能．丹尼斯·李發(fā)明的發(fā)電機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)電機不能制造出來．[合作探討]“神舟十號”飛船返回艙進入地球大氣層以后，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到1000攝氏度．圖4-6-2探討1：進入大氣層很長一段時間，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？機械能守恒嗎？【提示】該過程動能增加，勢能減少，機械能不守恒．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？機械能和內(nèi)能的總量變化嗎？【提示】該過程機械能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化．根據(jù)能量守恒定律，機械能和內(nèi)能的總量不變．[核心點擊]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：功能的變化表達式重力做功正功重力勢能減少重力勢能變化WG＝Ep1－Ep2負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械能增加機械能變化W外＝E2－E1負功機械能減少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．物體的機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量【解析】這四個現(xiàn)象中物體運動過程中都受到運動阻力，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；四個物體運動過程中，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，總之是機械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，D對．故A、D選項正確．【答案】AD2．(多選)在體育比賽項目中，高臺跳水是我國運動員的強項．質(zhì)量為m的跳水運動員進入水中后受到水的阻力而做減速運動，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?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．他的機械能減少了(F－mg)hD．他的機械能減少了Fh【解析】由動能定理，ΔEk＝mgh－Fh，動能減少了Fh－mgh，A選項正確；他的重力勢能減少了mgh，B選項錯誤；他的機械能減少了ΔE＝Fh，C選項錯誤，D選項正確．【答案】AD3．如圖4-6-4所示，某人乘雪橇從雪坡經(jīng)A點滑至B點，接著沿水平路面滑至C點停止．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，求阻力大小．(g取10m/s2)位置ABC速度(m/s)0時刻(s)0410【解析】(1)從A到B的過程中，人與雪橇損失的機械能為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：柴草時期、煤炭時期和石油時期．(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)的新能源有風能、海洋能、太陽能、地熱能、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)電機緊靠車輪處，車輪轉(zhuǎn)動時，帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，發(fā)出的電又繼續(xù)供給電動車，你認為僅靠這種方式，電動車能持續(xù)運動下去嗎？圖4-6-5【提示】僅靠這種方式，不能使電動車持續(xù)運動下去．因為靠這種方式，只能將電動車的一部分能量收集起來，但電動車運動時受到的阻力做負功，不斷把電動車的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，根據(jù)能量守恒定律，要想使電動車持續(xù)運動下去，必須不斷地給電動車補充新的能量，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，為什么當今社會會出現(xiàn)能源危機？【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．探討2：解決能源危機的途徑是什么？【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)濟飛躍和生產(chǎn)革命，都與新的能源和動力機械的利用密切相關(guān)，能源消耗的多少已經(jīng)成為一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志．(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，少一點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C正確，其他選項均錯．【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)和利用是當今世界各國面臨的課題，A錯，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：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：45分鐘)[學(xué)業(yè)達標]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(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；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；馬和其他動物，包括人要運動，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，只有當人戴著手表活動時，才能不斷補充能量，維持手表的運行，如果把表放在桌面上靜置一段時間，它一定會停擺的，D錯．【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→機械能B．太陽能→機械能→電能C．電能→太陽能→機械能D．機械能→太陽能→電能【解析】電池板中太陽能轉(zhuǎn)化為電能，小電動機中電能轉(zhuǎn)化為機械能．【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項錯誤，B項正確．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項錯誤，D項正確．【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)化成機械能的過程B．要合理開發(fā)和節(jié)約使用核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能等常規(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械能轉(zhuǎn)化的過程，所以C正確，A錯誤；B中的核能、風能、地熱能、海洋能等屬于新能源，而不是常規(guī)能源，故B錯誤；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)化和守恒定律的認識錯誤的是()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)對外做功的機器——永動機是不可能制成的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)對外做功的機器——永動機，違反了能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律，不可能制成，C正確；石子在運動和碰撞中機械能轉(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錯誤．【答案】D6．(多選)(2023·桂林高一檢測)如圖4-6-9所示，高h＝2m的曲面固定不動．一個質(zhì)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/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；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時開始勻速前進，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．總機械能的損失等于fsD．總機械能的損失等于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A錯誤、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C也錯誤；根據(jù)能量守恒可知，子彈、木塊系統(tǒng)總機械能的損失為ΔE＝－f(s＋d)＋fs＝－fd，選項D正確．【答案】BD8．在質(zhì)量為0.5kg的重物上安裝一極輕的細棒(設(shè)細棒足夠長)，如圖4-6-11所示的那樣，用手在靠近重物處握住細棒，使重物靜止，握細棒的手不動，稍稍減小握力，使手和細棒間保持一定的摩擦力，讓重物和細棒保持一定的加速度下落，在起初的s的時間里，重物落下了0.50m．在此過程中手和細棒之間所產(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，當小物塊與傳送帶相對靜止時，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動，加速度a＝eq\f(μmg,m)＝μg，勻加速過程前進的距離：x1＝eq\f(v2,2a)＝eq\f(v2,2μg)，該時間內(nèi)傳送帶前進距離：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D正確．【答案】D11．(2023·揚州高一檢測)如圖4-6-13所示，AB與CD為兩個對稱斜面，其上部足夠長，下部分別與一個光滑的圓弧面的兩端相切，圓弧圓心角為120°，半徑R為2.0m．一個物體在離弧底E高度為h＝3.0m處，以初速度4.0m/s沿