2018届高中物理第七章机械能守恒定律第10节能量守恒定律与能源学案新人教版.docx

第10节能量守恒定律与能源核心素养关键词知识体系1.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，能量的总量保持不变，这个规律叫做能量守恒定律2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3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4功和能量的关系：功是能量转化的量度.一、能量守恒定律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这个规律叫做能量守恒定律二、能源与能量耗散1能源：能够提供可利用能量的物质，是人类社会活动的物质基础2能量耗散：在能量的转化过程中，一部分能量转化为内能流散到周围环境中，我们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3能量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.一、合作探究找规律考点一能量守恒定律1一个叫丹尼斯李(Dennis Lee)的美国人在美国今日新闻周刊等全国性报刊上刊登大幅广告，在全美各地表演，展示其号称无需任何能源的发电机你认为这种发电机能造出来吗？2如图所示是我国能源结构的统计图，请根据此图数据完成下面两个问题：(1)总结出我国能源结构或能源现状的规律；(2)试着提出解决这种现状的合理化建议答：1.不能能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间只能发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律丹尼斯李发明的发电机不消耗其他能量而源源不断地产生电能，违背了能量守恒，因此这种发电机不能制造出来2(1)我国的能源结构主要以煤为主；我国的能源消耗中不可再生能源占据的比例过大，结构不合理；我国能源消耗中可再生能源的比例过小(2)建议：节能降耗；开发新能源；开发可再生能源(如太阳能、风能等)考点二能源和能量耗散近几年流行一种“自发电电动车”(如图)，基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车，你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？答：仅靠这种方式，不能使电动车持续运动下去因为靠这种方式，只能将电动车的一部分能量收集起来，但电动车运动时受到的阻力做负功，不断把电动车的机械能转化为内能，根据能量守恒定律，要想使电动车持续运动下去，必须不断地给电动车补充新的能量，如给电动车的电源充电二、理解概念做判断1当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增加()2能量永远不会增加或减少，只能转化或转移()3能量守恒，我们不需要节能()4能量在转化或转移过程中，其总量有可能增加()5冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭()要点1|能量守恒定律1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这个规律叫做能量守恒定律2表达式E初E终，E增E减3能量守恒定律确立的两类重要事实(1)确认了永动机的不可能性(2)发现了各种自然现象之间的相互联系与转化4能量守恒定律的意义(1)能量守恒定律是分析解决问题的一个极为重要的方法，它比机械能守恒定律更普遍(2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系(3)能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一典例1下列对能的转化和守恒定律的认识错误的是()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，最后静止在地面上，说明能量消失了【思路点拨】能量的转化和守恒定律是指能量在转化和转移中总量保持不变；但能量会从一种形式转化为其他形式【解析】根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其它形式的能一定增大，故A正确；某个物体的总能量减少，根据能量守恒定律得知，必然有其它物体的能量增加，故B正确；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成的，故C正确；石子在运动和碰撞中机械能转化为了物体及周围物体的内能，能量并没有消失，故D错误故选D【答案】D风沿水平方向以速度v垂直吹向一直径为d的风车叶轮上，设空气密度为，假设风的动能有50%转化为风车的动能，风车带动水车将水提高h的高度，效率为80%，求单位时间内最多可提升的水的质量解析：单位时间内风车的动能为m风v2vv250%，风车的动能转化为水的重力势能，m风v280%m水gh，解得单位时间内提升水的质量m水.答案：名师方法总结应用能量守恒定律解题的一般步骤(1)首先要分析受力情况、做功情况及初、末状态能的具体形式和转化方向(2)分别列出减少的能量E减和增加的能量E增的表达式，切勿遗漏(3)依据E减E增列式求解机械能守恒定律可以看成是能量守恒定律的一个特殊情况，用能量守恒的观点分析、解决物理问题，往往具有简便、适用范围广等优点名师点易错1应用能量守恒定律时，一定要分清系统中有多少种形式的能量，发生了哪些转化和转移2某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且增加量一定等于减少量.要点2|功和能的关系1功和能的区别与联系区别功是过程量，能是状态量只能说处于某一状态的物体(或系统)具有多少能，而不能说这个物体(或系统)具有多少功联系能量有多种不同的形式，且不同形式的能量可以相互转化不同形式的能量之间的转化通过做功来实现，即做功的过程就是能量转化的过程做了多少功就有多少能量从一种形式转化为另一种形式，即能量转化的多少可用做功的多少来量度2.几种常见的力做功与能量转化的对应关系(1)重力做功：重力势能与其他形式的能相互转化(2)弹力做功：弹性势能与其他形式的能相互转化(3)合力做功：动能与其他形式的能相互转化(4)除重力、系统内弹力外，其他力做功：机械能与其他形式的能相互转化3静摩擦力做功的特点(1)静摩擦力可以做正功，也可以做负功，还可以不做功(2)在静摩擦力做功的过程中，只有机械能的相互转移(静摩擦力起着传递机械能的作用)，而没有机械能转化为其他形式的能(3)在相互摩擦的系统内，一对静摩擦力所做功的代数和总为零4滑动摩擦力做功的特点(1)滑动摩擦力可以做正功，也可以做负功，还可以不做功(2)相互作用的系统内，一对滑动摩擦力所做的总功不为零(3)滑动摩擦力做功的过程中，能量的转化有两种情况：一是相互摩擦的物体之间机械能的转移；二是机械能转化为内能，转化为内能的值等于滑动摩擦力与相对位移的乘积，即QF滑l相对如图，上表面不光滑的长木板，放在光滑的水平地面上，一小铁块以速度v0从木板的左端滑上木板，当铁块和木板相对静止时木板相对地面滑动的距离为s，小铁块相对木板滑动的距离为d，滑动摩擦力对铁块所做的功为W铁f(sd)根据动能定理，铁块动能的变化量为Ek铁W铁f(sd)式表明，铁块从开始滑动到相对木板静止的过程中，其动能减少那么，铁块减少的动能转化为什么能量了呢？以木板为研究对象，滑动摩擦力对木板所做的功为W板fs根据动能定理，木板动能的变化量为Ek板W板fs式表明木板的动能是增加的，由于木板所受摩擦力的施力物体是铁块，可见铁块减少的动能有一部分(fs)转化为木板的动能将两式相加得：Ek铁Ek板fd式表明铁块和木板组成的系统的机械能的减少量等于滑动摩擦力与铁块相对木板的位移的乘积，这部分能量转化为系统的内能即Qfd.典例2(多选)如图所示，劲度数为k的轻弹簧的一端固定在墙上，另一端与置于水平面上质量为m的物体接触(未连接)，弹簧水平且无形变用水平力F缓慢推动物体，在弹性限度内弹簧长度被压缩了x0，此时物体静止撤去F后，物体开始向左运动，运动的最大距离为4x0.物体与水平面间的动摩擦因数为，重力加速度为g.则()A撤去F后，物体先做匀加速运动，再做匀减速运动B撤去F后，物体刚运动时的加速度大小为 gC物体做匀减速运动的时间等于 D物体开始向左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功为mg【思路点拨】撤去F后，物体水平方向上受到弹簧的弹力和滑动摩擦力，滑动摩擦力不变，而弹簧的弹力随着压缩量的减小而减小，可知加速度先减小后增大，物体先做变加速运动，再做变减速运动，最后物体离开弹簧后做匀减速运动；撤去F后，根据牛顿第二定律求解物体刚运动时的加速度大小；物体离开弹簧后通过的最大距离为3x0，由牛顿第二定律求得加速度，由运动学位移公式求得时间；当弹簧的弹力与滑动摩擦力大小相等、方向相反时，速度最大，可求得此时弹簧的压缩量，即可求解物体开始向左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功【解析】撤去力F后，物体受四个力作用，竖直方向上重力和地面支持力是一对平衡力，水平方向受向左的弹簧弹力和向右的摩擦力，合力F合F弹f，根据牛顿第二定律物体产生的加速度a.撤去F后，物体水平方向上受到弹簧的弹力和滑动摩擦力，滑动摩擦力不变，而弹簧的弹力随着压缩量的减少而减小，弹力先大于滑动摩擦力，后小于滑动摩擦力，则物体向左先做加速运动后做减速运动，随着弹力的减小，合外力先减小后增大，则加速度先减小后增大，故物体先做变加速运动，再做变减速运动，最后物体离开弹簧后做匀减速运动，故A错误；撤去F后，物体刚运动时的加速度大小为ag，故B正确；由题意知，物体离开弹簧后通过的最大距离为3x0，由牛顿第二定律得：匀减速运动的加速度大小为ag.将此运动看成向右的初速度为零的匀加速运动，则3x0at2，得t，故C正确；由上分析可知，当弹簧的弹力与滑动摩擦力大小相等、方向相反时，速度最大，此时弹簧的压缩量为x，则物体开始向左运动到速度最大的过程中克服摩擦力做的功为Wmg(x0x)mg，故D正确故选BCD【答案】BCD电机带动水平传送带以速度v匀速运动，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，如图所示，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)摩擦过程产生的内能；(5)电机带动传送带匀速转动输出的总能量解析：对小木块，相对滑动时，由mgma得，加速度ag，由vat得，达到相对静止所用时间t.(1)小木块的位移s1t.(2)传送带始终匀速运动，转动的路程s2vt.(3)小木块获得的动能Ekmv2.(4)摩擦产生的内能Qmg(s2s1)mv2.(5)由能的转化与守恒定律知，电机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的内能，所以E总EkQmv2.答案：(1)(2)(3)mv2(4)mv2(5)mv2名师方法总结功是能量转化的量度，当能量的变化不方便求解时，可利用功能关系将其转化为对功的求解同理，当功不方便求解时，可利用功能关系将其转化为对能量变化的求解，但功能关系要对应明确名师点易错功与能是两个不同的概念，功是力在空间上的积累，做功需要一个过程能反映物体对外做功的本领两者有本质的区别，且功与能不能相互转化，但物体的能量转化是通过做功来实现的.要点3|能源和能量耗散1能源(1)定义：可以被利用的能量资源(2)分类：常规能源：煤、石油、天然气等；新能源：风能、地热能、太阳能、核能等2自然界中自发地能量转化和转移具有方向性(1)机械能可以自发地全部转化为内能，但内能不能自发地全部转化为机械能而不引起其他变化(2)内能总是自动地从高温物体向低温物体转移，而不能自动地从低温物体向高温物体转移3能量耗散(1)定义：在能量的转化过程中，一部分能量转化为内能流散到周围环境中，我们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)能量耗散带来的问题：一是可利用能源越来越少，造成能源危机；二是使环境吸收的耗散能量越来越多，造成环境污染，温度升高典例3某海湾面积1.0107 m2，涨潮时水深20 m，此时关上水坝闸门，可使水位保持20 m不变，退潮时，坝外水位降至18 m，假如利用此水坝建水力发电站，且重力势能转变为电能的效率是10%，每天有两次涨潮，涨、退潮都能发电，则该电站一天能发出的电能是()A2.01010 JB4.01010 JC8.01010 J D8.0109 J【思路点拨】先计算两次退潮水减少的重力势能，然后根据重力势能转化为电能的效率为10%，可求该电站一天能发出的电能【解析】退潮时水减少的质量：mV水减少的重力势能：Ep2mgh产生的电能：WEp10%由以上各式联立解之得，W41010 J.故选B【答案】B(2018沙市期中)下列说法不正确的是()A中国第一位进入太空的宇航员是杨利伟B中国的卫星导航系统叫北斗导航系统C能量是守恒的，我们不需要节约能源D能量的耗散从能量转换的角度反映出自然界中宏观过程的方向性能源的利用受这种方向性的制约，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的解析：航天员杨利伟乘坐“神舟五号”宇宙飞船进入太空，成为中国第一位进入太空的中国宇航员，A选项正确；中国的卫星导航系统叫北斗导航系统，B选项正确；能量虽然守恒，能源在使用中存在品质降低的现象，要节约能源，C选项错误；能量的耗散从能量转换的角度反映出自然界中宏观过程的方向性能源的利用受这种方向性的制约，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，D选项正确答案：C名师方法总结正确分析理解四种现象中的能量及能量相互间的转化是解决本题的关键在能量转化过程中，可以从以下三个方面理解：(1)能量有多种不同的形式，且不同形式的能可以相互转化；(2)不同形式的能之间的转化通过做功来实现，即做功的过程就是能量转化的过程；(3)做了多少功就有多少能量发生转化，即功可以用来量度能量的变化理解能量耗散时应注意，能量耗散并不是说能量消失了，而是说能量可利用的品质下降了名师点易错能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了这是能源危机更深层次的含意，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因.对点训练一能量守恒定律1(2018诸暨市期末)生活中我们可以看到以下几种现象：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物体的动能转化为其他形式的能量B物体的势能转化为其他形式的能量C物体的其他形式的能量转化为机械能D物体的机械能转化为其他形式的能量解析：行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下，汽车克服摩擦力做功将动能转化为内能；流星在夜空中坠落过程中，克服空气阻力做功，流星的机械能转化为内能；降落伞在空中匀速下降，克服空气阻力做功，机械能转化为内能以上均是消耗机械能转化为其他形式的能，D选项正确，A、B、C选项错误答案：D2(多选)一根轻弹簧，上端固定，下端拴一个重物P，处于静止状态，如图所示现有外力把它向下拉一段距离，则以下说法正确的是 ()A向下拉的某段过程中，重力势能的减少量可能大于弹性势能的增加量B向下拉的任一段过程中，重力势能的减少量一定小于弹性势能的增加量C撤去拉力，P在任意一段运动过程中， 重力势能的增加量一定等于弹性势能的减少量D撤去拉力，P在某段运动过程中， 重力势能的增加量可能等于弹性势能的减少量解析：向下拉的某段过程中，拉力做正功，重力势能的减小量一定小于弹性势能的增加量，故A错误，B正确；撤去拉力，P在运动过程中，重力和弹簧的弹力做功，弹性势能的减小量等于重力势能的增加量和重物动能的增加量的和，故C错误；重力和弹簧的弹力做功，弹性势能的减小量等于重力势能的增加量和重物动能的增加量的和，只有在最高点或最低点的时候，重力势能的增加量可能等于弹性势能的减小量，故D正确，故选BD答案：BD对点训练二功和能的关系3(多选)我国月球探测计划已经启动多年“嫦娥二号”发射后先绕地球运行，后经不断变轨奔向月球，最后到达月球降落到月球表面如图为“嫦娥二号”只在地球引力下沿椭圆轨道绕地球运动的轨迹，在“嫦娥二号”由近地点a 运动到远地点b 的过程中()A地球引力做正功，“嫦娥二号”的势能减小B地球引力做负功，“嫦娥二号”的势能增大C地球引力做负功，“嫦娥二号”的动能减小D“嫦娥二号”的动能及引力势能之和增大解析：“嫦娥二号”由近地点a运动到远地点b的过程中，万有引力做负功，则势能增大，动能减小，机械能守恒，即动能和引力势能之和保持不变故B、C正确，A、D错误故选BC答案：BC4图示中的路灯为太阳能路灯，每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3 m2.晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3106 J如果每天等效日照时间约为6 h，光电池一天产生的电能可供30 W的路灯工作8 h光电池的光电转换效率约为()A4.8%B9.6%C16%D44%解析：每天(6 h)太阳能电池板吸收的太阳能W总0.33106 J/h6 h5.4106 J，电子节能灯正常工作，PP额30 W，电子节能灯正常工作8 h消耗的电能W有用Pt30 W83 600 s8.64105 J，太阳能照明灯利用太阳能的效率16%.故选C答案：C对点训练三能源和能量耗散5一辆汽车发动机的功率为35 kW，效率为25%，若油箱中有10 kg汽油，汽车的速度为36 km/h，这些汽油能使汽车行驶多远？(汽油的热值q4.6107 J/kg)解析：汽车行驶靠燃料燃烧放出的内能(热量)转化为机械能汽油完全燃烧放出的热量Q总qm汽车做的有用功W有Q有Q总qm，又v36 km/h10 m/s则汽车通过的路程svt m3.3104 m.答案：3.3104 m【强化基础】1(2018通州区学业测试)“可燃冰”被视为21世纪的新型绿色能源，其主要成分是甲烷科学家估计，全球海洋底部可燃冰分布的范围约4 000万平方公里，储量可供人类使用约1 000年桂林市新开通的301路公交车，使用的燃料主要成分就是甲烷如果301路公交车满载乘客时总质量是6 000 kg，1 m3可燃冰转化生成的甲烷气体完全燃烧产生的能量，可供公交车满载时以36 km/h的速度匀速行驶1 640 min，匀速行驶中公交车受到的平均阻力为车重的0.05倍.301公交车使用甲烷燃烧提供所需的能量，关于其能量的转化，下列说法中正确的是()A把电能转化为机械能B把风能转化为机械能C把光能转化为机械能 D把化学能转化为机械能解析：分析题意可知，公交车使用甲烷燃烧提供所需的能量，把化学能转化为机械能，D选项正确，A、B、C选项错误答案：D2如图所示，轻质弹簧长为L，竖直固定在地面上，质量为m的小球，在离地面高度为H处，由静止开始下落，正好落在弹簧上，使弹簧的最大压缩量为x.在下落过程中，小球受到的空气阻力为F阻，则弹簧在最短时，具有的弹性势能为()A(mgF阻)(HLx)Bmg(HLx)F阻(HL)CmgHF阻(HL)Dmg(Lx)F阻(HLx)解析：设物体克服弹力做功为W弹，则对物体应用动能定理得(mgF阻)(HLx)W弹Ek0，所以，W弹(mgF阻)(HLx)，即为弹簧具有的弹性势能答案：A3如图所示，轻弹簧一端与墙相连，质量m2 kg的木块沿光滑水平面以v05 m/s的初速度向左运动，当木块压缩弹簧后速度减为v3 m/s时弹簧的弹性势能是()A9 J B16 JC25 J D32 J解析：由能量守恒有Epmvmv225916 J，B正确答案：B4(多选)做竖直上抛运动的物体，它在上升过程中，如果动能的减少量为A，势能的增加量为B，物体克服重力所做的功为C，物体克服空气阻力所做的功为D，则下列关系中正确的是()AACDBABCDCABDDABCD解析：根据动能定理，重力做功与阻力做功的代数和等于动能的变化，CDA，A项正确；由于除重力外的阻力做功等于物体机械能的变化所以DAB，C项正确，B、D项错误答案：AC5(多选)如图所示，长为L的轻杆A一端固定一个质量为m的小球B，另一端固定在水平转轴O上，轻杆A绕转轴O在竖直平面内匀速转动，角速度为.在轻杆A与水平方向的夹角从0增加到90的过程中，下列说法正确的是 ()A小球B受到轻杆A的作用力的方向一定沿着轻杆AB小球B受到的合力的方向一定沿着轻杆AC小球B受到轻杆A的作用力逐渐增大D小球B受到轻杆A的作用力对小球B做正功解析：小球B做匀速圆周运动，重力和轻杆A的作用力的合力指向圆心O，提供向心力，A选项错误，B选项正确；合力方向变化，大小不变，根据平行四边形定则可知，小球B受到轻杆A的作用力逐渐减小，C选项错误；小球机械能逐渐增大，故轻杆A的作用力对小球B做正功，D选项正确答案：BD【巩固易错】6(多选)一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，并从中穿出对于这一过程，下列说法不正确的是()A子弹减少的机械能等于木块增加的机械能B子弹减少的动能等于木块增加的动能和子弹增加的内能C子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和D子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和解析：子弹射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减少，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失A选项漏考虑系统增加的内能，B选项漏考虑木块增加的内能，C选项应考虑的是系统(子弹、木块)内能的增加，故A、B、C错答案：ABC7(2018杭州期末)随着“共享单车”的持续火热，“共享汽车”也悄然出现下表是某种共享汽车的主要参数，根据表中信息，则下列说法正确的是()空车质量800 kg电池容量44 kWh标准承载200 kg最大续航(充满电最大行驶路程)200 km所受阻力与汽车总重比值0.09A工作时，电动汽车的电动机是将机械能转化成电能B电池容量44 kWh指的是汽车电池充满电时的电量C标准承载下，电动汽车以72 km/h的速度匀速行驶10 min的耗电量为3 kWhD若标准承载下汽车速度能达120 km/h，则汽车电动机最大输出功率不小于30 kW解析：电动机工作过程中，将电能转化成机械能，A选项错误；电池容量44 kWh指的是汽车电池充满电时的电能，B选项错误；标准承载下，电动汽车以72 km/h的速度匀速行驶时，牵引力F0.09mg，牵引力的功率PFv18