高中物理教科版第四章机械能和能源 第4章能源的开发与利用

6．能源的开发与利用学习目标知识脉络1.了解各种不同形式的能，知道能量守恒定律确定的两类重要事实．(重点)2．能够叙述能量守恒定律的内容，会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题．(重点、难点)3．了解能量耗散，知道能源短缺和环境恶化问题，增强节约能源和环境保护意识.能量守恒定律[先填空]1．能量的转化自然界存在着各种不同形式的能量—机械能(动能和势能)、内能、电能、化学能、核能等，各种不同形式的能量可以相互转化．2．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另一个物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变．(2)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普遍的能量守恒定律在特种背景下一种特殊表现形式．[再判断]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．(×)[后思考]一个叫丹尼斯·李(DennisLee)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？并说明原因．DennisLee和他的永动机图4­6­1【提示】不能．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，违背了能量守恒定律，因此这种发电机不能制造出来．[合作探讨]“神舟十号”飞船返回舱进入地球大气层以后，由于它的高速下落，而与空气发生剧烈摩擦，返回舱的表面温度达到1000摄氏度．图4­6­2探讨1：进入大气层很长一段时间，返回舱加速下落，返回舱表面温度逐渐升高．该过程动能和势能怎么变化？机械能守恒吗？【提示】该过程动能增加，势能减少，机械能不守恒．探讨2：返回舱表面温度越高，内能越大．该过程中什么能向什么能转化？机械能和内能的总量变化吗？【提示】该过程机械能向内能转化．根据能量守恒定律，机械能和内能的总量不变．[核心点击]1．功与能量的转化不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的．做功的过程就是各种形式的能量之间转化(或转移)的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)．因此，功是能量转化的量度．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：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1．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；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．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】这四个现象中物体运动过程中都受到运动阻力，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A对；四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化为其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，D对．故A、D选项正确．【答案】AD2．(多选)在体育比赛项目中，高台跳水是我国运动员的强项．质量为m的跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设水对他的阻力大小恒为F，那么在他减速下降高度为h的过程中，下列说法正确的是(g为当地的重力加速度)()【导学号：67120231】图4­6­3A．他的动能减少了Fh－mghB．他的重力势能增加了mghC．他的机械能减少了(F－mg)hD．他的机械能减少了Fh【解析】由动能定理，ΔEk＝mgh－Fh，动能减少了Fh－mgh，A选项正确；他的重力势能减少了mgh，B选项错误；他的机械能减少了ΔE＝Fh，C选项错误，D选项正确．【答案】AD3．如图4­6­4所示，某人乘雪橇从雪坡经A点滑至B点，接着沿水平路面滑至C点停止．人与雪橇的总质量为70kg.表中记录了沿坡滑下过程中的有关数据，请根据图表中的数据解决下列问题：图4­6­4(1)人与雪橇从A到B的过程中，产生的热量是多少？(2)设人与雪橇在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时刻(s)0410【解析】(1)从A到B的过程中，人与雪橇损失的机械能为ΔE＝mgh＋eq\f(1,2)mveq\o\al(2,A)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,B)损失的机械能转化为热量Q＝ΔE＝(70×10×20＋eq\f(1,2)×70×22－eq\f(1,2)×70×122)J＝9100J(2)人与雪橇在BC段做匀减速运动的加速度a＝eq\f(vC－vB,t)＝eq\f(0－12,10－4)m/s＝－2m/s2根据牛顿第二定律f＝ma＝70×(－2)N＝－140N.【答案】(1)9100J(2)140N利用能量守恒定律解题的基本思路(1)分清有哪几种形式的能(如机械能、内能等)在变化．(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式．(3)列等式ΔE减＝ΔE增求解．能源的利用和新能源的开发[先填空]1．能源的利用(1)能源：是指能够提供某种形式能量的物质资源．(2)人类利用能源的历史主要分为：柴草时期、煤炭时期和石油时期．(3)煤、石油和天然气为化石燃料，这些能源不可再生，也不可重复使用，所以又称为非再生能源，能量的大量使用也引起了环境问题．2．新能源的开发目前，正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核聚变等．[再判断]1．煤、石油、天然气属于常规能源．(√)2．电能、焦炭、氢能属于一次能源．(×)3．冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭．(×)[后思考]近几年流行一种“自发电电动车”(如图4­6­5)，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？图4­6­5【提示】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，如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电．[合作探讨]图4­6­6探讨1：既然能量是守恒的，为什么当今社会会出现能源危机？【提示】能源利用的过程中，能量在总的数量上并没有减少，但在可以利用的品质上降低了，所以会出现能源危机．探讨2：解决能源危机的途径是什么？【提示】一是节约能源，二是开发新能源．[核心点击]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4．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【解析】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．【答案】C5．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【解析】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．【答案】A6．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．①③B．①④C．②③D．②④【解析】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．【答案】D(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．学业分层测评(十六)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．下列说法正确的是()A．随着科技的发展，永动机是可以制成的B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生【解析】永动机是指不消耗或少消耗能量，而可以大量对外做功的装置，违背了能量转化和守恒定律，A错；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，但辐射到星际空间的能量也没有消失，一定是转化成了别的能量，B错；马和其他动物，包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源是食物中储存的生物质能，C正确；所谓的“全自动”手表内部是有能量转化装置的，只有当人戴着手表活动时，才能不断补充能量，维持手表的运行，如果把表放在桌面上静置一段时间，它一定会停摆的，D错．【答案】C2．市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图4­6­7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()图4­6­7A．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【解析】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．【答案】A3．(多选)为了探究能量转化和守恒，小明将小铁块绑在橡皮筋中部，并让橡皮筋穿入铁罐，两端分别固定在罐盖和罐底上，如图4­6­8所示．让该装置从不太陡的斜面上A处滚下，到斜面上B处停下，发现橡皮筋被卷紧了，接着铁罐居然从B处自动滚了上去．下列关于该装置能量转化的判断正确的是()【导学号：67120232】图4­6­8A．从A处滚到B处，主要是重力势能转化为动能B．从A处滚到B处，主要是重力势能转化为弹性势能C．从B处滚到最高处，主要是动能转化为重力势能D．从B处滚到最高处，主要是弹性势能转化为重力势能【解析】在A处和B处时铁罐速度为零，动能为零，所以从A处到B处是重力势能转化为弹性势能，故A项错误，B项正确．从B处又滚到最高处的过程是弹性势能转化为重力势能的过程，故C项错误，D项正确．【答案】BD4．下列关于能源开发和利用的说法中正确的是()A．能源利用的过程是内能转化成机械能的过程B．要合理开发和节约使用核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等常规能源C．能源利用的过程是一种形式的能向其他形式的能转化的过程D．无论是节约能源还是开发能源，我国都需要外国支援【解析】能源的利用过程实际上是一种形式的能向其他形式的能转化的过程，并不一定是单一的向机械能转化的过程，所以C正确，A错误；B中的核能、风能、地热能、海洋能等属于新能源，而不是常规能源，故B错误；节约能源和开发能源方面，我国主要依靠自己，故D错误．【答案】C5．(2023·杭州高一检测)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，说明机械能消失了【解析】根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增大；某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，A、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，C正确；石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能，能量并没有消失，故D错误．【答案】D6．(多选)(2023·桂林高一检测)如图4­6­9所示，高h＝2m的曲面固定不动．一个质量为1kg的物体，由静止开始从曲面的顶点滑下，滑到底端时的速度大小为4m/取10m/s2.在此过程中，下列说法正确的是()图4­6­9A．物体克服摩擦力做功20JB．物体的动能增加了8JC．物体的重力势能减少了20JD．曲面对物体的支持力对物体不做功【解析】根据动能定理得mgh＋Wf＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)×1×42J＝8J，B对；其中重力做功WG＝mgh＝1×10×2J＝20J，故重力势能减少20J，C对；所以摩擦力做功Wf＝8J－20J＝－12J，A错；支持力始终与物体的速度垂直，故支持力不做功，D对．【答案】BCD7．(多选)(2023·攀枝花期末)如图4­6­10所示，一木块放在光滑水平面上，一子弹水平射入木块中，射入深度为d，平均阻力为f.设木块滑行距离为s时开始匀速前进，下列判断正确的是()【导学号：67120233】图4­6­10A．子弹损失的动能等于fdB．子弹损失的动能等于f(s＋d)C．总机械能的损失等于fsD．总机械能的损失等于fd【解析】子弹受到的合外力为f，合外力做负功，即Wf＝－f(s＋d)，根据动能定理得，子弹损失的动能为f(s＋d)，选项A错误、B正确；合外力对木块做的功为W＝fs，则木块增加的动能为fs；根据以上分析知道，子弹动能的减少量大于木块动能的增加量，选项C也错误；根据能量守恒可知，子弹、木块系统总机械能的损失为ΔE＝－f(s＋d)＋fs＝－fd，选项D正确．【答案】BD8．在质量为0.5kg的重物上安装一极轻的细棒(设细棒足够长)，如图4­6­11所示的那样，用手在靠近重物处握住细棒，使重物静止，握细棒的手不动，稍稍减小握力，使手和细棒间保持一定的摩擦力，让重物和细棒保持一定的加速度下落，在起初的s的时间里，重物落下了0.50m．在此过程中手和细棒之间所产生的热量是多少？(g取10m/s2)图4­6­11【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热Q热＝×10×J－eq\f(1,2)××12J＝J.【答案】J[能力提升]9．足够长的传送带以v匀速传动，一质量为m的小物块A由静止轻放于传送带上，若小物块与传送带之间的动摩擦因数为μ，如图4­6­12所示，当小物块与传送带相对静止时，转化为内能的能量为()图4­6­12A．mv2 B．2mv2\f(1,4)mv2 D．eq\f(1,2)mv2【解析】物块A被放于传送带即刻做匀加速直线运动，加速度a＝eq\f(μmg,m)＝μg，匀加速过程前进的距离：x1＝eq\f(v2,2a)＝eq\f(v2,2μg)，该时间内传送带前进距离：x2＝vt＝v·eq\f(v,μg)＝eq\f(v2,μg)，所以物块相对传送带滑动距离：Δx＝x2－x1＝eq\f(v2,2μg)，故产生的内能：Q＝μmg·Δx＝μmg·eq\f(v2,2μg)＝eq\f(1,2)mv2，D正确．【答案】D10．两块完全相同的木块A、B，其中A固定在水平桌面上，B放在光滑的水平桌面上，两颗同样的子弹以相同的水平速度射入两木块，穿透后子弹的速度分别为vA、vB，在子弹穿透木块过程中因克服摩擦力产生的热量分别为QA、QB，设木块对子弹的摩擦力大小一定，则()A．vA＞vB，QA＞QBB．vA＜vB，QA＝QBC．vA＝vB，QA＜QBD．vA＞vB，QA＝QB【解析】两颗同样的子弹穿透木块的过程中，摩擦阻力f相同，子弹相对木块滑动的距离相同，所以摩擦力做功过程中产生的内能Q＝fΔx相同，根据能量守恒定律有：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由以上两式可知vA＞vB，综上所述选项D正确．【答案】D11．(2023·扬州高一检测)如图4­6­13所示，AB与CD为两个对称斜面，其上部足够长，下部分别与一个光滑的圆弧面的两端相切，圆弧圆心角为120°，半径R为2.0m．一个物体在离弧底E高度为h＝3.0m处，以初速度4.0m/s沿