2024-2025學(xué)年高中物理第7章機(jī)械能守恒定律10能量守恒定律與能源學(xué)案新人教版必修2

PAGE10-10.能量守恒定律與能源[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.[物理觀念]知道能量守恒定律的內(nèi)容．(重點(diǎn))2.[物理觀念]理解能量守恒定律的準(zhǔn)確含義．3.[科學(xué)方法]駕馭應(yīng)用能量守恒定律解決問題的方法．(重點(diǎn))4.[物理觀念]知道能量轉(zhuǎn)化的方向性．(難點(diǎn))一、能量守恒定律1．定律內(nèi)容能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消逝，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)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．2．建立定律的兩個重要事實(shí)(1)確認(rèn)了永動機(jī)的不行能性．(2)各種自然現(xiàn)象之間能量的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化．3．機(jī)械能守恒定律與能量守恒定律的關(guān)系機(jī)械能守恒定律是能量守恒定律的特別背景下一種特別的表現(xiàn)形式．二、能源和能量耗散1．能量耗散燃料燃燒時一旦把自己的熱量釋放出去，就不會再次自動聚集起來供人類重新利用．電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，它又通過燈泡轉(zhuǎn)化成內(nèi)能和光能，熱和光被其他物體汲取之后變成四周環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些散失的能量收集起來重新利用．這種現(xiàn)象叫作能量的耗散．2．能源危機(jī)的含義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)量上雖未削減，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．3．能量轉(zhuǎn)化的方向性與節(jié)約能源的必要性能量耗散反映了能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性，所以能源的利用是有條件的，也是有代價的，所以自然界的能量雖然守恒，但還是很有必要節(jié)約能源．1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)當(dāng)一個物體的能量削減時，肯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，就有多少能量消逝． (×)(4)煤、石油、自然氣屬于常規(guī)能源． (√)(5)冒起的煤煙和散開的炭灰可以重新合成一堆煤炭． (×)2．煤、石油、自然氣和生物質(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．都為不行再生能源，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C[煤、石油、自然氣是不行再生能源，對環(huán)境污染嚴(yán)峻，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)均錯誤．]3．“天舟一號”放射勝利，我國將邁進(jìn)“空間站時代”，如圖所示，“天舟一號”在點(diǎn)火后，豎直加速上升的過程中，忽視其質(zhì)量的變更，則“天舟一號”的()A．重力勢能削減，動能削減，機(jī)械能削減B．重力勢能削減，動能增加，機(jī)械能增加C．重力勢能增加，動能削減，機(jī)械能削減D．重力勢能增加，動能增加，機(jī)械能增加D[“天舟一號”豎直加速上升的過程中，高度增加，速度增大，由Ep＝mgh和Ek＝eq\f(1,2)mv2知，其重力勢能增加，動能增加，故機(jī)械能增加，D正確．]4．一個盛水袋，某人從側(cè)面緩慢推裝液體的袋壁使它變形至如圖所示位置，則此過程中袋和液體的重心將()A．漸漸上升B．漸漸降低C．先降低再上升D．始終不變A[人對液體做正功，液體的機(jī)械能增加，液體緩慢移動可以認(rèn)為動能不變，重力勢能增加，重心上升，A正確．]功能關(guān)系的理解與應(yīng)用1．功能關(guān)系的概述(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詳細(xì)形式的能量轉(zhuǎn)化相聯(lián)系，詳細(xì)功能關(guān)系如下：功能的變更表達(dá)式重力做功正功重力勢能削減重力勢能變更WG＝Ep1－Ep2負(fù)功重力勢能增加彈力做功正功彈性勢能削減彈性勢能變更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更W合＝Ek2－Ek1負(fù)功動能削減除重力(或系統(tǒng)內(nèi)彈力)外其他力做功正功機(jī)械能增加機(jī)械能變更W外＝E2－E1負(fù)功機(jī)械能削減【例1】(多選)如圖所示，動滑輪下系有一個質(zhì)量為1kg的物塊，細(xì)線一端系在天花板上，另一端繞過動滑輪．用F＝6N的恒力豎直向上拉細(xì)線的另一端．滑輪、細(xì)線的質(zhì)量不計，不計一切摩擦．經(jīng)過1s，則()A．重力勢能增加了B．拉力F做功為12JC．物體的動能增加了10JD．物體的機(jī)械能增加了12JABD[如圖所示，物體受到兩個力的作用：拉力F′＝2F和重力mg.由牛頓其次定律得F′－mg＝ma，a＝2m/s2，物體從靜止起先運(yùn)動，1s內(nèi)的位移為：x＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)×2×12m＝1m，重力勢能增加Ep＝mgx＝10J，A正確．拉力F的作用點(diǎn)為繩的端點(diǎn)，在物體發(fā)生1m位移的過程中，繩的端點(diǎn)的位移為x′＝2x＝2m所以拉力F做的功為W＝Fx′＝6×2J＝12J，故B正確；C．物體的速度v＝at＝2m/s2，物體的動能增加了Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)×1×22J＝2J，故C錯誤；D．拉力做的功等于物體機(jī)械能的增加量，所以物體的機(jī)械能增加了12J，故D正確．故選A、B、D.]應(yīng)用功能關(guān)系解題的關(guān)鍵應(yīng)用功能關(guān)系解題的關(guān)鍵是深刻理解不同功能關(guān)系的含義：(1)重力做功是物體重力勢能變更的緣由，重力做多少功，重力勢能就削減多少；(2)彈力做功是彈簧彈性勢能變更的緣由，彈力做多少功，彈性勢能就削減多少；(3)合力做功是物體動能變更的緣由，合力做多少功，動能就增加多少；(4)除重力和系統(tǒng)內(nèi)彈力之外的其他力做功是機(jī)械能變更的緣由，其他力做多少功，機(jī)械能就增加多少．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)如圖所示，扶手電梯與水平地面的夾角為30°，質(zhì)量為m的人站在電梯上，電梯由靜止斜向上做勻加速運(yùn)動時，人對電梯的壓力是他體重的eq\f(5,4)倍．人隨電梯上上升度H的過程中，下列說法正確的是(重力加速度為g)()A．人的重力勢能增加mgHB．人的機(jī)械能增加eq\f(5,4)mgHC．人的動能增加mgHD．電梯的加速度為eq\f(g,4)AC[電梯克服人的重力做功為：mgH，所以人的重力勢能增加mgH，故A正確；依據(jù)牛頓其次定律，在豎直方向上有：N－mg＝may，解得：ay＝0.25g，依據(jù)平行四邊形定則，電梯的加速度為：a＝0.5g，故D錯誤；人所受的合外力為：F＝ma＝eq\f(1,2)mg，依據(jù)動能定理可得：ΔEk＝Feq\f(H,sin30°)＝mgH，故C正確；人的機(jī)械能的增加量等于重力勢能的增加量與動能的增加量之和，即：2mgH，故B錯誤．所以A、C正確，B、D錯誤．]能量守恒定律的理解與應(yīng)用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．表達(dá)式(1)E初＝E末，初狀態(tài)各種能量的總和等于末狀態(tài)各種能量的總和．(2)ΔE增＝ΔE減，增加的那些能量的增加量等于削減的那些能量的削減量．3．應(yīng)用步驟(1)明確探討對象及探討過程．(2)明確該過程中，哪些形式的能量在變更．(3)確定參加轉(zhuǎn)化的能量中，哪些能量增加，哪些能量削減．(4)列出增加的能量和削減的能量之間的守恒式(或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式)．【例2】如圖所示，電動機(jī)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，當(dāng)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)電動機(jī)帶動傳送帶勻速轉(zhuǎn)動輸出的總能量．思路點(diǎn)撥：①在計算第(4)問時，要用滑動摩擦力乘木塊相對皮帶的位移，不是對地位移．②要理解電動機(jī)帶動傳送帶勻速轉(zhuǎn)動輸出能量的含義為：小木塊獲得的動能與摩擦生熱的和．[解析]小木塊剛放上傳送帶時，速度為0，受到傳送帶的滑動摩擦力作用，做勻加速直線運(yùn)動，達(dá)到與傳送帶相同的速度后不再受摩擦力．整個過程中小木塊獲得肯定的動能，系統(tǒng)內(nèi)因摩擦產(chǎn)生肯定的熱量．(1)對小木塊，相對滑動時，由μmg＝ma，得a＝μg，由v＝at，得小木塊由靜止到與傳送帶相對靜止時所用的時間t＝eq\f(v,μg).則小木塊的位移l＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(v2,2μg).(2)傳送帶始終勻速運(yùn)動，轉(zhuǎn)過的路程s＝vt＝eq\f(v2,μg).(3)小木塊獲得的動能Ek＝eq\f(1,2)mv2.(4)摩擦過程產(chǎn)生的熱量Q＝μmg(s－l)＝eq\f(1,2)mv2.(5)由能的轉(zhuǎn)化與守恒得，電動機(jī)輸出的總能量轉(zhuǎn)化為小木塊的動能與摩擦產(chǎn)生的熱量，所以E總＝Ek＋Q＝mv2.[答案](1)eq\f(v2,2μg)(2)eq\f(v2,μg)(3)eq\f(1,2)mv2(4)eq\f(1,2)mv2(5)mv2(1)摩擦力做功特點(diǎn)①無論是靜摩擦力還是滑動摩擦力，它們都可以做負(fù)功或做正功，也可以不做功．②互為作用力和反作用力的一對靜摩擦力所做的總功為零；而互為作用力和反作用力的一對滑動摩擦力所做的總功肯定為負(fù)值．(2)因摩擦而產(chǎn)生的內(nèi)能的計算Q＝Ff·x相，其中Ff指滑動摩擦力的大小，x相指發(fā)生摩擦的物體間的相對位移的大小．[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．如圖所示，在光滑的水平面上，有一質(zhì)量為M的長木塊以肯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：(1)小鐵塊增加的動能；(2)長木塊削減的動能；(3)系統(tǒng)機(jī)械能的削減量；(4)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量．[解析]畫出這一過程兩物體位移示意圖，如圖所示．(1)依據(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，依據(jù)功能關(guān)系得ΔEkM＝－μmgl，即長木塊削減的動能等于長木塊克服摩擦力做的功μmgl.(3)系統(tǒng)機(jī)械能的削減量等于系統(tǒng)克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.(4)m、M間相對滑動的位移為L，依據(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)削減的機(jī)械能．[答案](1)μmg(l－L)(2)μmgl(3)μmgL(4)μmgL能源及其開發(fā)和利用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)械的利用親密相關(guān)，能源消耗的多少已經(jīng)成為一個國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)記．(2)不利方面：能源的大量運(yùn)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【例3】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，以今日的開采和消耗速度，石油貯存將在百年內(nèi)用完，煤炭資源也不行能永續(xù)，這叫能源短缺．③煤炭和石油具有很大的氣味，在開采、存放和運(yùn)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，變更了大氣成分，使環(huán)境惡化．A．①③ B．①④C．②③ D．②④D[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，也不行重復(fù)運(yùn)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；能源在運(yùn)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．](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)先運(yùn)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．[跟進(jìn)訓(xùn)練]3．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)是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程C．現(xiàn)在人類社會運(yùn)用的能源主要是煤、石油和自然氣D．煤、石油和自然氣的化學(xué)能歸根究竟來自太陽能A[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，B、C、D對．]1．物理觀念：(1)能量守恒定律及其意義．(2)能量轉(zhuǎn)化的方向性．2．科學(xué)方法：(1)功能關(guān)系的應(yīng)用．(2)應(yīng)用能量守恒定律解決問題的方法．1．市面上出售一種裝有太陽能電扇的帽子(如圖所示)．在陽光的照耀下，小電扇快速轉(zhuǎn)動，能給燥熱的夏季帶來一絲涼快．該裝置的能量轉(zhuǎn)化狀況是()A．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A[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．]2．下列關(guān)于力做功與對應(yīng)能量變更的說法正確的是()A．合力做正功，機(jī)械能增加B．合力做正功，物體的動能肯定增加C．摩擦力做功，物體的機(jī)械能肯定削減D．合力做負(fù)功，重力勢能肯定削減B[除重力外其余力做的功等于物體機(jī)械能的變更量，除重力外其余力做正功等于物體機(jī)械能的增加量，故A、C錯誤；由動能定理，可知合力做功是動能變更的量度，合力做正功，物體的動能肯定增加，重力勢能的變更是看重力是否做功，故B正確，D錯誤；故選B.]3．韓曉鵬是我國首位在冬奧會雪上項(xiàng)目奪冠的運(yùn)動員．他在一次自由式滑雪空中技巧競賽中沿“助滑區(qū)”保持同一姿態(tài)下滑了一段距離，重力對他做功1900J，他克服阻力做功100J．韓曉鵬在此過程