2024-2025学年高中物理第7章机械能守恒定律10能量守恒定律与能源学案新人教版必修2

PAGE10-10.能量守恒定律与能源[学习目标]1.[物理观念]知道能量守恒定律的内容．(重点)2.[物理观念]理解能量守恒定律的准确含义．3.[科学方法]驾驭应用能量守恒定律解决问题的方法．(重点)4.[物理观念]知道能量转化的方向性．(难点)一、能量守恒定律1．定律内容能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，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)确认了永动机的不行能性．(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别背景下一种特别的表现形式．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，热和光被其他物体汲取之后变成四周环境的内能，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，能量在数量上虽未削减，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．思索推断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)当一个物体的能量削减时，肯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，就有多少能量消逝． (×)(4)煤、石油、自然气属于常规能源． (√)(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、自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．都为不行再生能源，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、自然气是不行再生能源，对环境污染严峻，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”放射胜利，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，忽视其质量的变更，则“天舟一号”的()A．重力势能削减，动能削减，机械能削减B．重力势能削减，动能增加，机械能增加C．重力势能增加，动能削减，机械能削减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．渐渐上升B．渐渐降低C．先降低再上升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，重心上升，A正确．]功能关系的理解与应用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详细形式的能量转化相联系，详细功能关系如下：功能的变更表达式重力做功正功重力势能削减重力势能变更WG＝Ep1－Ep2负功重力势能增加弹力做功正功弹性势能削减弹性势能变更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更W合＝Ek2－Ek1负功动能削减除重力(或系统内弹力)外其他力做功正功机械能增加机械能变更W外＝E2－E1负功机械能削减【例1】(多选)如图所示，动滑轮下系有一个质量为1kg的物块，细线一端系在天花板上，另一端绕过动滑轮．用F＝6N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1s，则()A．重力势能增加了B．拉力F做功为12JC．物体的动能增加了10JD．物体的机械能增加了12JABD[如图所示，物体受到两个力的作用：拉力F′＝2F和重力mg.由牛顿其次定律得F′－mg＝ma，a＝2m/s2，物体从静止起先运动，1s内的位移为：x＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(1,2)×2×12m＝1m，重力势能增加Ep＝mgx＝10J，A正确．拉力F的作用点为绳的端点，在物体发生1m位移的过程中，绳的端点的位移为x′＝2x＝2m所以拉力F做的功为W＝Fx′＝6×2J＝12J，故B正确；C．物体的速度v＝at＝2m/s2，物体的动能增加了Ek＝eq\f(1,2)mv2＝eq\f(1,2)×1×22J＝2J，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12J，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更的缘由，重力做多少功，重力势能就削减多少；(2)弹力做功是弹簧弹性势能变更的缘由，弹力做多少功，弹性势能就削减多少；(3)合力做功是物体动能变更的缘由，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更的缘由，其他力做多少功，机械能就增加多少．[跟进训练]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．人随电梯上上升度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mgHB．人的机械能增加eq\f(5,4)mgHC．人的动能增加mgHD．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；依据牛顿其次定律，在竖直方向上有：N－mg＝may，解得：ay＝0.25g，依据平行四边形定则，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，依据动能定理可得：ΔEk＝Feq\f(H,sin30°)＝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．]能量守恒定律的理解与应用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削减的那些能量的削减量．3．应用步骤(1)明确探讨对象及探讨过程．(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变更．(3)确定参加转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量削减．(4)列出增加的能量和削减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肯定的动能，系统内因摩擦产生肯定的热量．(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肯定为负值．(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．[跟进训练]2．如图所示，在光滑的水平面上，有一质量为M的长木块以肯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)长木块削减的动能；(3)系统机械能的削减量；(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)依据动能定理得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，依据功能关系得ΔEkM＝－μmgl，即长木块削减的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgl.(3)系统机械能的削减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，依据能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量，也等于系统削减的机械能．[答案](1)μmg(l－L)(2)μmgl(3)μmgL(4)μmgL能源及其开发和利用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亲密相关，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记．(2)不利方面：能源的大量运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，以今日的开采和消耗速度，石油贮存将在百年内用完，煤炭资源也不行能永续，这叫能源短缺．③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和运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，变更了大气成分，使环境恶化．A．①③ B．①④C．②③ D．②④D[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，也不行重复运用，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；能源在运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)应优先运用新能源，新能源的共同特点：可再生、取之不尽、绿色无污染．[跟进训练]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．现在人类社会运用的能源主要是煤、石油和自然气D．煤、石油和自然气的化学能归根究竟来自太阳能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．物理观念：(1)能量守恒定律及其意义．(2)能量转化的方向性．2．科学方法：(1)功能关系的应用．(2)应用能量守恒定律解决问题的方法．1．市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)．在阳光的照耀下，小电扇快速转动，能给燥热的夏季带来一丝凉快．该装置的能量转化状况是()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更的说法正确的是()A．合力做正功，机械能增加B．合力做正功，物体的动能肯定增加C．摩擦力做功，物体的机械能肯定削减D．合力做负功，重力势能肯定削减B[除重力外其余力做的功等于物体机械能的变更量，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更的量度，合力做正功，物体的动能肯定增加，重力势能的变更是看重力是否做功，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竞赛中沿“助滑区”保持同一姿态下滑了一段距离，重力对他做功1900J，他克服阻力做功100J．韩晓鹏在此过程