物理粤教版必修2学案第四章第六节能量的转化与守恒Word版含答案

第六节能量的转化与守恒1.了解自然界中存在着不同形式的能量，知道能量是可以相互转化的，了解能量转化和转移的方向性．2．理解能量守恒定律的内容，会用能量守恒定律解释和计算相关问题．一、各种各样的能量和能量之间的转化eq\a\vs4\al(1.)自然界中存在着不同形式的能量，与物体的运动或位置高度、形变相关的能量称机械能，组成物体的粒子的无规则运动所具有的动能和势能的总和称为内能，以各种各样的电磁波的形式传播的能量称为电磁能，储存在化合物的化学键里的能量称为化学能．eq\a\vs4\al(2.)能量之间的转化1．不同形式能量间的相互转化是通过什么实现的？在某一过程中能量转化了多少可以用什么来量度？提示：不同形式能量间的相互转化是通过做功实现的．做功的过程就是能量发生相互转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生相互转化，即功是能量转化的量度．二、能量转化与守恒定律eq\a\vs4\al(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另一个物体，在转化或转移的过程中其总量不变．eq\a\vs4\al(2.)意义：能量转化与守恒定律是最基本、最普遍、最重要的自然规律之一，它揭示了自然界各种运动形式不仅具有多样性，而且具有统一性，它指出了能量既不能无中生有，也不能消灭，只能在一定条件下相互转化．2．司机关闭油门后，汽车慢慢停下来，汽车的机械能消失了吗？提示：能量并没有消失，而是通过轮胎与地面的摩擦，机械能转化成了热能(内能)．三、能量转化和转移的方向性能量转化和转移具有方向性，如烧火生热，化学能通过燃烧转化为内能，但内能不会自发地重新转化为化学能．热水中的内能通过热传递可以自发地转移到冷水中去，但是内能不能自发地再从冷水传递给原来的热水；能量在利用过程中总存在一定的损失，不可能100%地被利用．能量和功能关系[学生用书P67]eq\a\vs4\al(1.)能量的概念一个物体能够对外做功(具有对外做功的本领)，则称这个物体具有能量．物体具有能量就能对外做功，因而能量是物体所具有的做功本领．eq\a\vs4\al(2.)能量的形式能量有各种不同的形式，不同的运动形式对应不同形式的能．如：机械运动对应有机械能(动能和势能)；热运动对应有内能，电磁运动对应有电磁能．eq\a\vs4\al(3.)能量的转化现实生活的经验告诉我们，各种形式的能量是可以相互转化的．eq\a\vs4\al(4.)功能关系功是能量转化的量度，做功的过程就是能量转化的过程，做了多少功，就有多少能量发生转化，反之，转化了多少能量，就说明做了多少功．eq\a\vs4\al(5.)几个重要的功能关系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负功机械能减少一对滑动摩擦力做的总功内能增加fs相对＝Q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．能反映了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．如图，半圆形光滑轨道固定在水平地面上，半圆的直径与地面垂直．物块以速度v从轨道下端滑入轨道，并从轨道上端水平飞出，小物块落地点到轨道下端的距离与轨道半径有关，此距离最大时对应的轨道半径为(重力加速度大小为g)()A.eq\f(v2,16g) B.eq\f(v2,8g)C.eq\f(v2,4g) D.eq\f(v2,2g)[解析]设轨道半径为R，小物块从轨道上端飞出时的速度为v1，由于轨道光滑，根据机械能守恒定律有mg×2R＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)，小物块从轨道上端飞出后做平抛运动，对运动分解有：x＝v1t，2R＝eq\f(1,2)gt2，求得x＝eq\r(－16\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(R－\f(v2,8g)))\s\up12(2)＋\f(v4,4g2))，因此当R－eq\f(v2,8g)＝0，即R＝eq\f(v2,8g)时，x取得最大值，B项正确，A、C、D项错误．[答案]B1.如图是安装在列车车厢之间的摩擦缓冲器结构图，图中①和②为楔块，③和④为垫板，楔块与弹簧盒、垫板间均有摩擦，在车厢相互撞击使弹簧压缩的过程中()A．缓冲器的机械能守恒B．摩擦力做功消耗机械能C．垫板的动能全部转化为内能D．弹簧的弹性势能全部转化为动能解析：选B.由于车厢相互撞击弹簧压缩的过程中存在克服摩擦力做功，所以缓冲器的机械能减少，选项A错误、B正确；弹簧压缩的过程中，垫板的动能转化为内能和弹簧的弹性势能，选项C、D错误．能量转化与守恒定律的理解及应用[学生用书P68]eq\a\vs4\al(1.)表达式(1)E1＝E2.(2)ΔE增＝ΔE减．eq\a\vs4\al(2.)物理意义(1)某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等．(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．(3)能量转化与守恒定律是19世纪最伟大的发现之一．它不仅适用于无机界，也适用于生命过程，是自然界中最基本、最普遍的规律．eq\a\vs4\al(3.)应用步骤(1)分清哪些形式的能(如机械能、热能、电能等)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)依据能量守恒列式求解．要能够区分“能量守恒定律”和“机械能守恒定律”的异同，前者普遍适用，无条件，后者是有条件的，是能量守恒定律的一种特殊情况．如图所示，质量为m的小铁块A以水平速度v0冲上质量为M、长为l、置于光滑水平面C上的木板B，正好不从木板上掉下．已知A、B间的动摩擦因数为μ，此时长木板对地位移为s，求这一过程中：(1)木板增加的动能；(2)小铁块减少的动能；(3)系统机械能的减少量；(4)系统产生的热量．[思路点拨]在此过程中摩擦力做功的情况：A和B所受摩擦力分别为F、F′，且F′＝μmg，A在F的作用下减速，B在F′的作用下加速；当A滑动到B的右端时，A、B达到一样的速度v，就正好不掉下．[解析](1)根据动能定理有：μmg·s＝eq\f(1,2)Mv2－0 ①从上式可知ΔEkB＝μmgs.(2)滑动摩擦力对小铁块A做负功，根据功能关系可知ΔEkA＝－μmg(s＋l)即－μmg(s＋l)＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝eq\f(1,2)m(v2－veq\o\al(2,0))． ②(3)系统机械能的减少量ΔE＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)Mv2由①②可知ΔE＝μmgl.(4)m、M相对位移为l，根据能量守恒Q＝μmgl.[答案](1)μmgs(2)μmg(s＋l)(3)μmgl(4)μmgleq\a\vs4\al()两个相互作用的物体有相对运动时，例如一个物体在另一个物体上滑动，子弹打木块等．此时两物体所受的作用力大小相等，方向相反，求解功时应分别对应相应的位移．系统产生的内能等于摩擦力与相对位移的乘积．2.(多选)关于能量转化的说法正确的是()A．举重运动员把重物举起来，体内的一部分化学能转化为机械能B．电流通过电阻丝使电能转化为内能C．内燃机做功的过程是机械能转化为内能的过程D．做功过程是能量转化过程，某过程做了10J的功，一定有10J的能量发生了转化解析：选ABD.运动员举重物过程中消耗了体内储存的化学能，能量发生了转化，使重物的机械能增加，A说法正确；电流通过用电器，用电器工作，此过程中通过电流做功，使电能转化为内能，B说法正确；内燃机中燃料燃烧膨胀，对外做功，内能转化为机械能，C说法错误；功是能量转化的量度，D说法正确．方法技巧——摩擦力做功与机械能的变化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)一对相互作用的静摩擦力对物体所做的总功为零；而一对相互作用的滑动摩擦力对物体所做的总功不为零，且一定为负值．2．摩擦力做功与机械能(1)静摩擦力做功不会引起系统机械能的变化．静摩擦力做功的过程是系统中物体间的机械能发生转移的过程．(2)滑动摩擦力做功一定会引起系统机械能的变化．滑动摩擦力做功，一是会引起系统中物体间机械能的转移，二是会引起系统总机械能的减少．足够长的传送带以速度v匀速传动，一质量为m的小物体A由静止轻放于传送带上，若小物体与传送带之间的动摩擦因数为μ，如图所示，当物体与传送带相对静止时，转化为内能的能量为()A．mv2 B．2mv2C.eq\f(1,4)mv2 D.eq\f(1,2)mv2[解析]物体A被放于传送带上即做匀加速直线运动，加速度a＝eq\f(μmg,m)＝μg，匀加速过程前进的距离s1＝eq\f(v2,2a)＝eq\f(v2,2μg).该时间内传送带前进的距离s2＝vt＝v·eq\f(v,μg)＝eq\f(v2,μg).所以物体相对传送带滑动距离Δs＝s2－s1＝eq\f(v2,2μg).故产生的内能Q＝μmg·Δs＝μmg·eq\f(v2,2μg)＝eq\f(1,2)mv2，D正确．[答案]Deq\a\vs4\al()滑动摩擦力做功时，系统的机械能一定减少，减少的机械能转化为内能，所以滑动摩擦力做功过程中产生的内能Q＝f·s相，其中f指滑动摩擦力大小，s相指发生相对滑动的物体间的相对位移．[随堂达标][学生用书P69]eq\a\vs4\al(1.)(多选)质量为4kg的物体被人由静止开始向上提升0.25m后速度达1m/s，则下列说法正确的是()A．人对物体做的功等于物体机械能的增量B．合外力对物体做功2JC．物体重力势能增加了10JD．人对物体做的功等于物体增加的动能解析：选ABC.由功能关系知，人对物体做的功等于物体机械能的增量，A说法正确，D说法错误；合外力做功等于动能的增量，W合＝eq\f(1,2)mv2＝2J，B说法正确；克服重力做功W＝mgh＝10J，重力势能增加了10J，C说法正确.eq\a\vs4\al(2.)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，戴在手腕上却能一直走动，说明能量可以凭空产生解析：选C.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，这种装置违背了能量守恒定律，所以永动机是永远不可能制成的，A错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，使万物生长，但辐射到宇宙空间的能量也没有消失，而是转化成了别的能量，B错误；马和其他动物，包括人，要运动，必须消耗能量，C正确；所谓“全自动”手表，内部还是有能量转化装置的，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，使摆锤不停摆动，给游丝弹簧补充能量，才会维持手表的运行，如果把这种手表放在桌面上静置几天，它一定会停止走动的，D错误．eq\a\vs4\al(3.)物块沿斜面向上滑动，然后滑回到原处．物块初动能为Ek0，与斜面间的动摩擦因数不变，则该过程中，物块的动能Ek与位移x关系的图线是()解析：选C.设物块与斜面间的动摩擦因数为μ，物块的质量为m，则物块在上滑过程中根据功能关系有－(mgsinθ＋μmgcosθ)x＝Ek－Ek0，即Ek＝Ek0－(mgsinθ＋μmgcosθ)x，物块沿斜面下滑的过程中有(mgsinθ－μmgcosθ)(x0－x)＝Ek，由此可以判断C项正确．4.如图，两根相同的轻质弹簧，沿足够长的光滑斜面放置，下端固定在斜面底部挡板上，斜面固定不动．质量不同、形状相同的两物块分别置于两弹簧上端．现用外力作用在物块上，使两弹簧具有相同的压缩量，若撤去外力后，两物块由静止沿斜面向上弹出并离开弹簧，则从撤去外力到物块速度第一次减为零的过程，两物块()A．最大速度相同 B．最大加速度相同C．上升的最大高度不同 D．重力势能的变化量不同解析：选C.当弹簧的弹力和滑块重力沿斜面向下的分力大小相等时，滑块的速度最大，由于两滑块的质量不同，故两滑块速度分别达到最大时，与质量大的滑块接触的弹簧的形变量较小，根据能量守恒定律可知，质量大的滑块的最大速度较小，选项A错误．刚撤去外力时，两滑块的加速度最大，根据牛顿第二定律得kx－mgsinθ＝ma(θ为斜面倾角)，a＝eq\f(kx,m)－gsinθ，由于两滑块的质量不同，故两滑块的最大加速度不同，选项B错误．整个过程中，弹簧的弹性势能全部转化为滑块的重力势能，由于两滑块质量不同，故上升的最大高度不同，选项C正确．两滑块重力势能的变化量等于弹簧弹性势能的减少量，故重力势能的变化量相同，选项D错误．eq\a\vs4\al(5.)如图所示，小球从高h的光滑斜面滚下，经粗糙的水平地面再滚上另一光滑斜面，当它到达eq\f(1,3)h高度处时，速度为零．求小球最后停在AB间何处？解析：设AB之间的距离为l，小球从高h的位置运动到另一斜面eq\f(1,3)h的过程中，将重力势能转化为内能，由能量守恒得：fl＝mgh－eq\f(1,3)mgh小球往复几次后最终要停在AB平面上，整个过程应用能量守恒定律得fL＝mgh联立两个方程得：L＝eq\f(3,2)l＝1.5l所以最后小球将停在AB的中点处．答案：AB的中点[课时作业][学生用书P119(单独成册)]一、单项选择题eq\a\vs4\al(1.)关于功和能，下列说法中正确的是()A．功和能的单位相同，物理意义也相同B．物体对外不做功，这个物体就不具有能量C．物体对外做功多，这个物体具有的能量就多D．功和能不能相互转化，是不同的两个物理量解析：选D.功和能虽然单位相同，但意义完全不同，物体能够做功与物体是否做功是两回事，不做功的能量并不一定少，做功多的并不一定能量多，因为做功是对应着某一过程而言的，不能以某一过程做功的多少来判定能量的多少，要从物体能够对外做功的本领大小来判断，故A、B、C错误，D正确．eq\a\vs4\al(2.)有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度．他的办法是：关好房间的门窗，然后打开冰箱的所有门让冰箱运转，且不考虑房间内外热量的传递，则开机后，室内的温度将()A．升高B．保持不变C．开机时降低，停机时又升高D．开机时升高，停机时降低解析：选A.电冰箱的压缩机运行时，一部分电能转化为内能，室内的温度将升高．eq\a\vs4\al(3.)运动员把原来静止的足球踢出去，使足球获得80J的动能．则在运动员踢球过程中，运动员消耗的体能()A．等于80J B．大于80JC．小于80J D．无法确定解析：选B.运动员消耗的体能不仅用于增加足球的动能，还有运动员自身肢体的动能及足球的重力势能，故B正确，A、C、D错误．eq\a\vs4\al(4.)如图所示，一个质量为m的物体(可视为质点)以某一速度由A点冲上倾角为30°的固定斜面，做匀减速直线运动，其加速度的大小为g，在斜面上上升的最大高度为h，则在这个过程中，物体()A．机械能损失了mgh B．重力势能增加了3mghC．动能损失了eq\f(1,2)mgh D．机械能损失了eq\f(1,2)mgh解析：选A.重力做了mgh的负功，重力势能增加mgh，B错．由于物体沿斜面以加速度g做减速运动，由牛顿第二定律可知：mgsin30°＋f＝mg，所以f＝eq\f(1,2)mg.摩擦力做功为：Wf＝－f·2h＝－mgh机械能损失mgh，故A项对，D错．由动能定理得ΔEk＝－mgh－mgh＝－2mgh即动能损失了2mgh，故C错．eq\a\vs4\al(5.)一质量均匀、不可伸长的绳索，重为G，A、B两端固定在天花板上，如图所示，现在最低点C处施加一竖直向下的力，将最低点缓慢拉至D点，在此过程中，绳的重心位置()A．逐渐升高 B．逐渐降低C．先降低后升高 D．始终不变解析：选A.外力对绳索做正功，绳索的机械能增加，由于绳索的动能不变，增加的必是重力势能，重力势能增加是重心升高的结果，故A正确．二、多项选择题eq\a\vs4\al(6.)下列对能量守恒定律的认识，正确的是()A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．散失到周围环境中的内能还能被回收重新利用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：选AB.由能量守恒定律可知，能量既不会消灭，也不会创生，能量只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，故A、B正确，D错误；散失到周围环境中的内能不能被回收重新利用，C错误．eq\a\vs4\al(7.)下列说法中正确的是()A．热量能自发地从高温物体传给低温物体B．热量不能从低温物体传到高温物体C．热传递是有方向的D．随着科学技术的发展，蒸汽机可以把内能全部转化为机械能解析：选AC.热传递是有方向性的，能自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传到高温物体，A、C正确，B错误；热机的效率永远小于1，D错误．eq\a\vs4\al(8.)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()A．A＝C＋D B．A－B＝C＋DC．A－B＝D D．A＋B＝C＋D解析：选AC.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，－C－D＝－A.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－D＝－A＋B，C项正确，B、D错误．eq\a\vs4\al(9.)如图所示，木块静止在光滑水平桌面上，一子弹水平射入木块的深度为d时，子弹与木块相对静止，在子弹入射的过程中，木块沿桌面移动的距离为L，木块对子弹的平均阻力为f，那么在这一过程中正确的是()A．木块的机械能增量为fLB．子弹的机械能减少量为f(L＋d)C．系统的机械能减少量为fdD．系统的机械能减少量为f(L＋d)解析：选ABC.木块机械能的增量等于子弹对木块的作用力f做的功fL，A对．子弹机械能的减少量等于动能的减少量，即子弹克服阻