高中物理人教版 (新课标)必修210.能量守恒定律与能源学案设计

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一、能量守恒定律
1．定律内容
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．
2．建立定律的两个重要事实
(1)确认了永动机的不可能性．
(2)各种自然现象之间能量的相互联系与转化．
3．机械能守恒定律与能量守恒定律的关系
机械能守恒定律是能量守恒定律的特殊背景下一种特殊的表现形式．
二、能源和能量耗散
1．能量耗散
燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用．电池中的化学能转化为电能，它又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物体吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用．这种现象叫作能量的耗散．
2．能源危机的含义
在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了．
3．能量转化的方向性与节约能源的必要性
能量耗散反映了能量转化的宏观过程具有方向性，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多．(√)
(2)做功越多，能量的转化也越多．(√)
(3)物体做了多少功，就有多少能量消失．(×)
(4)煤、石油、天然气属于常规能源．(√)
(5)冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭．(×)
2．煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是( )
A．都为可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．都为不可再生能源，用一点，少一点
C．都为来自太阳辐射的能量
D．都为污染环境的能源
C [煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物质能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射．因此，选项C正确，其他选项均错误．]
3．“天舟一号”发射成功，我国将迈进“空间站时代”，如图所示，“天舟一号”在点火后，竖直加速上升的过程中，忽略其质量的变化，则“天舟一号”的( )
A．重力势能减少，动能减少，机械能减少
B．重力势能减少，动能增加，机械能增加
C．重力势能增加，动能减少，机械能减少
D．重力势能增加，动能增加，机械能增加
D [“天舟一号”竖直加速上升的过程中，高度增加，速度增大，由Ep＝mgh和Ek＝eq \f(1,2)mv2知，其重力势能增加，动能增加，故机械能增加，D正确．]
4．一个盛水袋，某人从侧面缓慢推装液体的袋壁使它变形至如图所示位置，则此过程中袋和液体的重心将( )
A．逐渐升高
B．逐渐降低
C．先降低再升高
D．始终不变
A [人对液体做正功，液体的机械能增加，液体缓慢移动可以认为动能不变，重力势能增加，重心升高，A正确．]
1．功能关系的概述
(1)不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是能量之间转化的过程．
(2)功是能量转化的量度．做了多少功，就有多少能量发生转化．
2．功与能的关系
由于功是能量转化的量度，某种力做功往往与某一种具体形式的能量转化相联系，具体功能关系如下：
【例1】 (多选)如图所示，动滑轮下系有一个质量为1 kg的物块，细线一端系在天花板上，另一端绕过动滑轮．用F＝6 N的恒力竖直向上拉细线的另一端．滑轮、细线的质量不计，不计一切摩擦．经过1 s，则( )
A．重力势能增加了
B．拉力F做功为12 J
C．物体的动能增加了10 J
D．物体的机械能增加了12 J
ABD [如图所示，物体受到两个力的作用：拉力F′＝2F和重力mg.
由牛顿第二定律得F′－mg＝ma，a＝2 m/s2，
物体从静止开始运动，1s内的位移为：x＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(1,2)×2×12 m＝1 m，重力势能增加Ep＝mgx＝10 J，A正确．
拉力F的作用点为绳的端点，在物体发生1 m位移的过程中，绳的端点的位移为x′＝2x＝2 m
所以拉力F做的功为W＝Fx′＝6×2 J＝12 J，故B正确；
C．物体的速度v＝at＝2 m/s2，物体的动能增加了Ek＝eq \f(1,2)mv2＝eq \f(1,2)×1×22 J＝2 J，故C错误；
D．拉力做的功等于物体机械能的增加量，所以物体的机械能增加了12 J，故D正确．故选A、B、D.]
应用功能关系解题的关键
应用功能关系解题的关键是深刻理解不同功能关系的含义：
(1)重力做功是物体重力势能变化的原因，重力做多少功，重力势能就减少多少；
(2)弹力做功是弹簧弹性势能变化的原因，弹力做多少功，弹性势能就减少多少；
(3)合力做功是物体动能变化的原因，合力做多少功，动能就增加多少；
(4)除重力和系统内弹力之外的其他力做功是机械能变化的原因，其他力做多少功，机械能就增加多少．
1．(多选)如图所示，扶手电梯与水平地面的夹角为30°，质量为m的人站在电梯上，电梯由静止斜向上做匀加速运动时，人对电梯的压力是他体重的eq \f(5,4)倍．人随电梯上升高度H的过程中，下列说法正确的是(重力加速度为g)( )
A．人的重力势能增加mgH
B．人的机械能增加eq \f(5,4)mgH
C．人的动能增加mgH
D．电梯的加速度为eq \f(g,4)
AC [电梯克服人的重力做功为：mgH，所以人的重力势能增加mgH，故A正确；根据牛顿第二定律，在竖直方向上有：N－mg＝may，解得：ay＝0.25g，根据平行四边形定则，电梯的加速度为：a＝0.5g，故D错误；人所受的合外力为：F＝ma＝eq \f(1,2)mg，根据动能定理可得：ΔEk＝Feq \f(H,sin 30°)＝mgH，故C正确；人的机械能的增加量等于重力势能的增加量与动能的增加量之和，即：2mgH，故B错误．所以A、C正确，B、D错误．]
1．适用范围
能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律．
2．表达式
(1)E初＝E末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和．
(2)ΔE增＝ΔE减，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量．
3．应用步骤
(1)明确研究对象及研究过程．
(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化．
(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少．
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)．
【例2】 如图所示，电动机带动水平传送带以速度v匀速传动，一质量为m的小木块由静止轻放在传送带上．若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ，当小木块与传送带相对静止时，求：
(1)小木块的位移；
(2)传送带转过的路程；
(3)小木块获得的动能；
(4)摩擦过程产生的热量；
(5)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量．
思路点拨：①在计算第(4)问时，要用滑动摩擦力乘木块相对皮带的位移，不是对地位移．
②要理解电动机带动传送带匀速转动输出能量的含义为：小木块获得的动能与摩擦生热的和．
[解析] 小木块刚放上传送带时，速度为0，受到传送带的滑动摩擦力作用，做匀加速直线运动，达到与传送带相同的速度后不再受摩擦力．整个过程中小木块获得一定的动能，系统内因摩擦产生一定的热量．
(1)对小木块，相对滑动时，由μmg＝ma，得a＝μg，
由v＝at，得小木块由静止到与传送带相对静止时所用的时间t＝eq \f(v,μg).
则小木块的位移l＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(v2,2μg).
(2)传送带始终匀速运动，转过的路程s＝vt＝eq \f(v2,μg).
(3)小木块获得的动能Ek＝eq \f(1,2)mv2.
(4)摩擦过程产生的热量Q＝μmg(s－l)＝eq \f(1,2)mv2.
(5)由能的转化与守恒得，电动机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的热量，所以E总＝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摩擦力做功特点
①无论是静摩擦力还是滑动摩擦力，它们都可以做负功或做正功，也可以不做功.
②互为作用力和反作用力的一对静摩擦力所做的总功为零；而互为作用力和反作用力的一对滑动摩擦力所做的总功一定为负值.
2因摩擦而产生的内能的计算
Q＝Ff·x相，其中Ff指滑动摩擦力的大小，x相指发生摩擦的物体间的相对位移的大小.
2．如图所示，在光滑的水平面上，有一质量为M的长木块以一定的初速度向右匀速运动，将质量为m的小铁块无初速度地轻放到长木块右端，小铁块与长木块间的动摩擦因数为μ，当小铁块在长木块上相对长木块滑动L时与长木块保持相对静止，此时长木块对地的位移为l，求这个过程中：
(1)小铁块增加的动能；
(2)长木块减少的动能；
(3)系统机械能的减少量；
(4)系统产生的热量．
[解析] 画出这一过程两物体位移示意图，如图所示．
(1)根据动能定理得μmg(l－L)＝ΔEk，即小铁块动能的增加量等于滑动摩擦力对小铁块做的功．
(2)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系得ΔEkM＝－μmgl，即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgl.
(3)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.
(4)m、M间相对滑动的位移为L，根据能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量，也等于系统减少的机械能．
[答案] (1)μmg(l－L) (2)μmgl (3)μmgL (4)μmgL
1．人类与能源的关系
(1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命，都与新的能源和动力机械的利用密切相关，能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志．
(2)不利方面：能源的大量使用会给环境带来极大的破坏，如大气污染、温室效应、酸雨等，对人类造成很大的危害．
2．常规能源和新能源的转化途径
【例3】 能源短缺和环境恶化指的是( )
①煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺．
②煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺．
③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化．
④大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，改变了大气成分，使环境恶化．
A．①③ B．①④ C．②③ D．②④
D [煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们的储量是有限的，并不是取之不尽、用之不竭的，这是所讲的能源短缺，②正确；能源在使用时会排出有害气体污染空气，这是所讲的环境恶化，④正确．故D正确．]
1能源的开发和利用要以人为本，要以可持续发展为前提.
2应优先使用新能源，新能源的共同特点：可再生、取之不尽、绿色无污染.
3．关于能源的利用，下列说法中不正确的是( )
A．由于我国煤和石油的储量无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要
B．能源的利用过程，实质是能量的转化和转移过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D．煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能
A [石油、煤等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错，B、C、D对．]
1．市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)．在阳光的照射下，小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽．该装置的能量转化情况是( )
A．太阳能→电能→机械能
B．太阳能→机械能→电能
C．电能→太阳能→机械能
D．机械能→太阳能→电能
A [电池板中太阳能转化为电能，小电动机中电能转化为机械能．]
2．下列关于力做功与对应能量变化的说法正确的是( )
A．合力做正功，机械能增加
B．合力做正功，物体的动能一定增加
C．摩擦力做功，物体的机械能一定减少
D．合力做负功，重力势能一定减少
B [除重力外其余力做的功等于物体机械能的变化量，除重力外其余力做正功等于物体机械能的增加量，故A、C错误；由动能定理，可知合力做功是动能变化的量度，合力做正功，物体的动能一定增加，重力势能的变化是看重力是否做功，故B正确，D错误；故选B.]
3．韩晓鹏是我国首位在冬奥会雪上项目夺冠的运动员．他在一次自由式滑雪空中技巧比赛中沿“助滑区”保持同一姿态下滑了一段距离，重力对他做功1 900 J，他克服阻力做功100 J．韩晓鹏在此过程中( )
A．动能增加了1 900 JB．动能增加了2 000 J
C．重力势能减小了1 900 JD．重力势能减小了2 000 J
C [外力对物体所做的总功为W总＝WG＋W阻＝1 900 J－100 J＝1 800 J，是正功，根据动能定理得：动能增加了1 800 J，故A、B错误．重力对物体做功为1 900 J，是正功，则物体重力势能减小了1 900 J，故C正确，D错误．故选C.]
4．如图所示，皮带的速度是3 m/s，两圆心的距离s＝4.5 m，现将m＝1 kg的小物体轻放在左轮正上方的皮带上，物体与皮带间的动摩擦因数μ＝0.15，电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时，求：(g取10 m/s2)
(1)小物体获得的动能Ek；
(2)这一过程摩擦产生的热量Q；
(3)这一过程电动机消耗的电能E.
[解析] (1)设小物体与皮带达到共同速度时，物体相对地面的位移为s′.
μmgs′＝eq \f(1,2)mv2，解得s′＝3 m＜4.5 m，
即物体可与皮带达到共同速度，此时
Ek＝eq \f(1,2)mv2＝eq \f(1,2)×1×32 J＝4.5 J.
(2)由μmg＝ma得a＝1.5 m/s2，由v＝at得t＝2 s，得Q＝μmg(vt－s′)＝0.15×1×10×(6－3) J＝4.5 J.
(3)由能量守恒知
E电＝Ek＋Q＝4.5 J＋4.5 J＝9 J.
[答案] (1)4.5 J (2)4.5 J (3)9 J
功能关系的理解与应用
功
能的变化
表达式
重力做功
正功
重力势能减少
重力势
能变化
WG＝
Ep1－Ep2
负功
重力势能增加
弹力做功
正功
弹性势能减少
弹性势
能变化
W弹＝
Ep1－Ep2
负功
弹性势能增加
合力做功
正功
动能增加
动能
变化
W合＝
Ek2－Ek1
负功
动能减少
除重力(或系统内弹力)外其他力做功
正功
机械能增加
机械能变化
W外＝E2－E1
负功
机械能减少
能量守恒定律的理解与应用
能源及其开发和利用
课 堂 小 结
1.能量耗散是指可利用的能源最终变成了周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用．
2．能量耗散反映了能量转化的宏观方向性，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源．
3．功和能量的关系：功是能量转化的量度.
知 识 脉 络