能量守恒定律与能源的教学设计.doc

能量守恒定律与能源的教学设计1010教学过程1引导学生认识能量守恒是自然界的普遍规律之一，了解能量是可以转化和转移的。例如，电能可以转化为内能，化学能可以转化为内能，内能可以转化为光能等，在这些转化中能量都是守恒的，一个物体从外界吸收多少热能就有多少内能从外界转移给这个物体，能量在转移中也是守恒的。2要通过事例分析，引导学生了解能量转化与转移是有方向性的，引导学生认识提高效率的重要性。例如，机械能可以全部转化为内能，内能却不能在不引起其他变化时全部转化为机械能；再如，热量会自发地从高温物体传给低温问题，但却不能自发地从低温物体传给高温物体，因此这里便出现了提高效率的问题，学生应认识到提高效率的重要性。3要求学生了解能源与人类生存和社会发展的关系，认识能源危机，关注新能量的开发对人类带来的福利与问题，知道可持续发展的意义，节约能源，具有可持续发展的意识等。课程导航风能的利用风力机（又叫风车）是一种利用风能的设备，如图所示。风能的利用主要是将风能转化为其他形式的能。利用风力发电是一种经济而又清洁的能源利用方式。我国甘肃省某地，四季的平均风速为10m/s，空气的密度约为1.3kg/m3，该地某种小型风力发电机的风车有三个长度均为12m的叶片，转动时可形成半径为12m的一个圆面。这个风车能将通过此圆面内的约10%的气流的动能转化为电能，该风车带动的发电机的功率就约有2.9104W。人类利用风能很早就开始了，荷兰人在16世纪曾大量使用风车，风车成了荷兰的象征。我国早在14世纪就有关于风力提水的记载。风能作为一种新能源开发前景非常广阔。同学们，风是怎样形成的？什么是风能？风能是从何而来？请谈谈你的看法。根据上述材料提供的数据，你能算出上述风车带动的发电机的功率约为2.9104W吗？探学热身1自然界存在多种形式的能，如 机械能、电能、光能、内能、化学能 等，这些不同形式的能之间可以 相互转化 。2电灯能够发光是因为 电能 转化为了 光能 。当电灯发光的同时，还能感觉到电灯是热的，这说明在电能转化为光能的同时还产生了 内能（热能） ；当两个物体相互摩擦的时候，它们的温度会升高，这个过程中 机械能 转化为 内能 ；汽车在行驶过程中，汽车内燃机产生的 化学能 转化为汽车的 机械能 。 3物体系统内机械能守恒是有条件的，当除重力和弹力以外的力对物体系统做功时，系统的机械能 不守恒 ，此时外力对系统做的功等于系统 机械能 的变化。4导致能量守恒定律最后确立的两类重要事实是： 确立了永动机的不可能性 和发现了各种自然现象之间的相互联系与转化 。5对能量守恒定律贡献比较大的科学家有：德国物理学家和医生 迈尔 ，英国物理学家 焦耳 ，德国物理和生理学家 亥姆霍兹等人。6燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会再次 自动 聚集起来供人类重新利用。探究学习一、能量守恒定律 1内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另外一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总和保持不变。2变式表述：（1）物体系统内，某些形式能的增加等于另一些形式能的减小；（2）物体系统内，某些物体的能量的增加等于另一些物体的能量的减小。上述表述是利用能量守恒定律分析问题时建立数学关系式的依据。3功能原理：除重力和弹力以外的力对物体系统做的功等于系统机械能的变化。二、能源和能量耗散 1能量的耗散：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它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，热和光被其他物质吸收后变为周围环境的内能，我们也无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。2能量耗散和能量守恒的关系：能量耗散和能量守恒并不矛盾，能量耗散表明，在能源利用的过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并没有减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用变为不便于利用了。3自然界中宏观过程的方向性：能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性。能量的利用受这种方向性的制约，所以能量的利用是有条件的，也是有代价的。这就是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因。三、利用能量守恒定律解题步骤1选取研究对象：物体系。2分析研究对象所经历的物理过程，判断有哪些形式的能参与了相互转化或转移。3分析有哪些形式能的增加了，哪些形式能的减小了；或分析哪些物体的能量的增加了，哪些物体的能量的减小了。4根据能量守恒定律的变式表述列方程，进行求解。 探究例说【例1】下列对能量守恒定律的认识正确的是 ( ) A某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加 B某个物体的能减少必然有其他物体的能增加 C不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动机是不可能制成的 D石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 解析；能量守恒定律是指能量在转化和转移过程中守恒。A选项是指不同形式的能量间在转化，转化过程中是守恒的。B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中是守恒的。这正是能量守恒定律的两个方面转化与转移。任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒定律。D选项中，若考虑空气阻力，石子的机械能要减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失。故选项A、B、C正确。 答案：ABC【评点】此题考查对能量守恒定律的理解，以及对永动机的认识，凡是违背能量守恒定律的机器是永远不能制成的。【例2】下列说法正确的是 （ ）A燃料燃烧时把自己的热量释放出去，它还会自动聚集起来供人类重新利用 B热量会自发地从高温物体传给低温问题，但却不能自发地从低温物体传给高温物体C自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源 D两种气体放到一个容器内，总会均匀地混合到一起，但不会再自发地分离开来解析：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会再次自动聚集起来供人类重新利用，这种现象叫做能量的耗散。能量的耗散和能量守恒并不矛盾，能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性。能量的利用受这种方向性的制约，所以能量的利用是有条件的，也是有代价的，这就是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因。由于自然界中宏观过程的方向性，因此，热量会自发地从高温物体传给低温问题，但却不能自发地从低温物体传给高温物体。两种气体混合到一个容器内，是不会再自发地分离开来的。故选项B、C、D正确。答案：BCD【评点】此题考查对能量耗散和自然界中宏观过程的方向性的理解。【例3】指出下列现象中能量的转化或转移情况：(1)植物的光合作用；(2)雨天时发生雷电；(3)人在跑步时，身体发热；(4)手摇发电机发电使灯泡发光；(5)风吹动帆船前进。解析：物体间发生能量转移时，能量的形式不变；而发生能量的转化时，能的形式要发生改变。在确定能量转化的方向时，可从消耗什么能，得到什么能进行比较来确定。(1) 植物的光合作用是光能转化为化学能。(2) 雨天时发生雷电，是把电能转化为内能、声能和光能。(3)人跑步时身体发热，是人体内储存的化学能转化为内能。(4)手摇发电机发电使灯泡发光，是机械能转化为电能再转化为光能和内能。(5)空气的流动形成风，风具有机械能，帆船前进具有的仍是机械能，这里没有能量的转化而只是能量的转移。【例4】上端固定的一根细线下面悬挂一摆球，摆球在空气中摆动，摆动的幅度越来越小。对此现象下列说法正确的是（ ） A能量正在逐渐消失 B只有动能和势能相互转化 C机械能是守恒的 D总能量守恒，正在减少的机械能转化为内能 解析：能量守恒定律告诉我们：能量既不会消灭，也不会创生，故A错误。摆球的振动幅度越来越小说明机械能是不守恒的，在振动过程中一定受到了阻力，机械能逐渐转化成了内能，故选项B、C错误， 选项D正确。 答案：D 【变式练习】行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；降落伞在空中匀速下降。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是：A物体克服阻力做功B物体的动能转化为其他形式的能量C物体的势能转化为其他形式的能量D物体的机械能转化为其他形式的能量解析：题目给出了四种不同的物理情境，要求从中找出所包含的相同的物理过程。从所给选项内容看，这些相同的物理过程都是有关功能及能量的转化和守恒的问题。具体分析每一物理现象：汽车制动后滑行一段距离停下，是由于汽车克服阻力做功，使汽车的动能减少转化为内能；流星坠落并发出明亮的火焰，是流星的重力势能减少，通过克服空气阻力做功，转化为内能，并有一部分转化为光能、声能等；降落伞匀速下降时降落伞克服空气阻力做功，使重力势能转化为内能。这些现象的共同点都是运动物体克服阻力做功，把物体的机械能（动能和重力势能）转化为内能等其他形式的能。故选项A、D正确。答案：AD【评点】 本题考查不同形式的能相互转化及守恒的规律，体现了创新思维和求同思维能力的考查。【例5】质量为m的小球用长度为L的轻绳系住，在竖直平面内做圆周运动，运动过程中小球受空气阻力作用。已知小球经过最低点时轻绳受到的拉力为7mg，经过半周小球恰好能通过最高点，若小球从最低点到最高点的过程中产生的热量有20%被小球吸收，求小球内能的增加量。 解析：小球从最低点到最高点的过程中动能向势能和内能转化。 设小球在最低点和最高点对应的速度分别是、，上述过程中产生的热量为。由牛顿运动定律得，小球经过最低点时有：=小球恰好能通过最高点的条件是重力提供向心力，即=由能量守恒定律知，上述过程中小球动能的减小量应等于势能和内能的增加量，于是有：由题意可知小球内能的增加量为：=20%联立以上各式可得，=， 答案：【评点】本题涉及能、牛顿运动定律、圆周运动、向心力等多方面知识。要求学生能分析绳拉着小球做圆周运动刚能通过最高点的条件，体现了对分析综合能力的考查。本题也可利用功能关系、动能定理进行分析。备选例题【例1】如图所示，一轻弹簧左端固定在长木板M的左端，右端与小木块m连接，且m、M及M与地面间摩擦不计。开始时，m和M均静止，现同时对m、M施加等大反向的水平恒力F1和F2，设两物体开始运动以后的整个运动过程中，弹簧形变不超过其弹性限度。对于m、M和弹簧组成的系统 （ ）A由于F1、F2等大反向，故系统机械能守恒B当弹簧弹力大小与F1、F2大小相等时，m、M各自的动能最大C当弹簧弹力大小与F1、F2大小相等时，弹簧的弹性势能达到最大D由于F1、F2大小不变，所以m、M各自一直做匀加速运动解析：由于F1、F2对系统做功之和不为零，故系统机械能不守恒，A错误；当弹簧弹力大小与F1、F2大小相等时，速度达到最大值，故各自的动能最大，之后，m、M间距离还要增大，弹簧还要进一步伸长，故B正确、C错误；由于弹力是变化的，m、M所受合力是变化的，不会做匀加速运动，D错误。答案：B【例2】如图所示，光滑坡道顶端距水平面高度为h，质量为m的小物块A 从坡道顶端由静止滑下，进入水平面上的滑道时无机械能损失，为使A制动，将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M处的墙上，另一端恰位于滑道的末端O点。已知在OM段，物块A与水平面间的动摩擦因数均为，其余各处的摩擦不计，重力加速度为g，求：（1）物块速度滑到O点时的速度大小；（2）弹簧为最大压缩量d时的弹性势能 （设弹簧处于原长时弹性势能为零）；（3）若物块A能够被弹回到坡道上，则它能够上升的最大高度是多少？解析：（1）由机械能守恒定律得：，解得（2）在水平滑道上物块A克服摩擦力所做的功为对压缩弹簧的过程，由能量守恒定律得：以上各式联立求解得：（3）物块A被弹回的过程中，克服摩擦力所做的功仍为由能量守恒定律得：解得物块A能够上升的最大高度为：答案：；。【评点】本题也可利用功能关系、动能定理进行分析。梯度练习A 组1竖直向上抛出一个物体，由于受到空气阻力作用，物体落回抛出点的速率小于抛出时的速率，则在这个过程中（B） 物体的机械能守恒 B物体的机械能不守恒 物体上升时机械能减小，下降时机械能增大 D物体上升时机械能增大，下降时机械能减小2“神舟三号”顺利发射升空后，在离地面340km的圆轨道上运行了108圈。运行中需要多次进行“轨道维持”。所谓“轨道维持”就是通过控制飞船上发动机的点火时间和推力的大小方向，使飞船能保持在预定轨道上稳定运行。如果不进行轨道维持，由于飞船受轨道上稀薄空气的摩擦阻力，轨道高度会逐渐降低，在这种情况下飞船的动能、重力势能和机械能变化情况将会是（D） 动能、重力势能和机械能都逐渐减小 B重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能不变 C重力势能逐渐增大，动能逐渐减小，机械能不变D重力势能逐渐减小，动能逐渐增大，机械能逐渐减小3下列说法中正确的是（ A C ） A自然界的宏观过程都具有方向性 B一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可以实现的 C不违反能量守恒定律的物理过程不一定可以实现D一切物理过程都不可能自发地进行 4下列关于能量转化的说法中，正确的是（B D ） A机械能可以转化为内能，但内能不能转化为机械能 B机械能可以转化为内能，内能也能转化为机械能 C机械能不可以转化为内能，但内能可以转化为机械能 D机械能可以全部转化为内能，但内能不可能自动聚集起来全部转化为机械能5在考虑空气阻力的情况下，下列实例中的运动物体，机械能减小的应是（ BCD） A被起重机吊起的货物正在加速上升 B水平抛出的物体 C物体沿粗糙斜面匀速下滑 D一个轻质弹簧上端固定，下端系一重物，重物沿竖直方向做上下振动 6在不考虑空气阻力的情况下，起重机将一货物加速吊起到某一高度，下列说法正确的是（ BCD ） A物体所受的合外力对它所做的功等于物体机械能的增量 B物体所受合外力对它所做的功等于物体的动能的增量 C起重机对物体所做的功等于物体机械能的增量 D物体克服重力所做的功等于物体的重力势能的增量 B 组7在光滑水平面上有一个木块保持静止状态，子弹水平射穿木块，则下述说法中正确的是( D ) A子弹损失的机械能，等于木块增加的动能 B子弹损失的机械能，等于子弹与木块增加的内能 C子弹损失的机械能，等于木块增加的动能与内能的总和 D子弹和木块的系统总能量守恒8荡秋千是人们都喜欢的健身娱乐活动。会打秋千的人，不用别人帮助推，就能越摆越高，而不会打秋千的人则始终也摆不起来。要使秋千越摆越高，以下做法合理的是（ A ）A从高处摆下来的时候身体迅速下蹲，而从最低点向上摆起时，身体迅速直立起来B从高处摆下来的时候身体要保持直立，而从最低点向上摆起时，身体迅速下蹲C不论从高处摆下来还是从最低点向上摆起，身体都要保持下蹲D不论从高处摆下来还是从最低点向上摆起，身体都要保持直立解析：从高处摆下来的时候身体迅速下蹲，重力对人体做功，重力势能转化为动能，而从最低点向上摆起时，身体迅速直立起来，克服重力做功，体能向机械能转化，使机械能增加。故A选项正确。9质量为2000t的列车，以0.3m/s2的加速度制动后，经过50s停止，求制动过程中产生的热量为 2.25108 J。解析：列车的制动过程是一个动能向内能转化的过程，内能增加量应等于动能的减小量。由运动学公式可得制动过程的初速度为。由能量守恒定律得制动时产生的热量2.25108JC 组ABC20mABC20m10.如图所示，某人乘雪橇从雪坡经A点滑至B点，接着沿水