2017-2018学年物理人教版必修2讲义第7章机械守恒定律第11节

第11节能量守恒定律与能源[学考报告]知识内容能量守恒定律与能源考试要求必考加试dd基本要求1.了解各种不同形式的能，知道能量是一个重要的物理量2．知道能量守恒定律确立的两类重要事实3．叙述能量守恒定律的内容，认识建立能量守恒定律的重大意义，能用能量守恒的观点分析、解决实际问题4．了解能量耗散，了解自然界中的宏观过程的方向性5．感受节约能源、保护环境的紧迫性，认识节约能源、保护环境是每一个公民应具有的意识和素养发展要求了解能量守恒、能量转化和转移的方向性，认识能量守恒与能量可用的区别说明不要求用能量守恒定律进行较复杂的定量计算知识点一能量守恒定律[基础梳理]1．能量2．建立能量守恒定律的两个重要事实(1)确认了永动机的不可能(选填“可能”或“不可能”)性；(2)发现了各种自然现象之间能量的相互联系和转化。3．能量守恒定律内容：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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。4．能量守恒定律的理解某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。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。5．能量守恒定律的表达式(1)从不同状态看，E初＝E终；(2)从能的转化角度看，ΔE增＝ΔE减；(3)从能的转移角度看，ΔEA增＝ΔEB减。[即学即练]1．下列关于能量守恒定律的认识不正确的是()A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机械——永动机不可能制成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A选项是指不同形式的能量间在转化，转化过程中能量是守恒的；B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的。这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移，故A、B都正确；任何永动机都是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，所以C正确；D选项中石子由于受空气阻力作用，机械能要转化成内能，当最后停止在地面上时机械能并没有消失，而是转化成了其他形式的能，能量守恒定律表明能量既不能创生，也不能消失，故D错误。答案D知识点二能源与能量耗散[基础梳理]1．能源：指能够提供可利用能量的物质，它是人类社会活动的物质基础。2．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，电能又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。(2)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，能量在数量上虽未减少，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。这是能源危机的深层次的含意，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。3．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。[典例精析]【例1】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；节约能源也好，开发能源也好，我国主要依靠自己，故D错误。答案C[即学即练]2．关于“能量耗散”的下列说法中，正确的是()①能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫做能量耗散②能量在转化过程中变少的现象叫做能量耗散③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，能量的数量并未减少，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，而自然界的能量守恒④能量耗散表明，各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的A．①③ B．①④C．②③ D．②④解析自然界中各种能量的总和是一定的，各种能量的转化是守恒的，只不过有些能量在转化后，不能再回收利用了，故选A。答案A知识点三对功能关系的理解[基础梳理]1．功和能的关系可以从以下两个方面来理解(1)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；(2)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．常用的几种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＝－ΔEp＝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＝－ΔEp＝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＝ΔEk＝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其他＝ΔE＝E2－E1负功机械能减少两物体间滑动摩擦力对物体系统做功内能变化Ffx相对＝Q[典例精析]【例2】如图1所示，在光滑的水平面上，有一质量为M的长木块以一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，求这个过程中图1(1)小铁块增加的动能；(2)长木块减少的动能；(3)系统机械能的减少量。解析画出这一过程两物体位移示意图，如图所示。(1)根据动能定理有μmg(l－L)＝eq\f(1,2)mv2－0，其中(l－L)为小铁块相对地面的位移，从上式可看出ΔEkm＝μmg(l－L)，说明摩擦力对小铁块做的正功等于小铁块动能的增加量。(2)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系，得ΔEkM＝－μmgl，即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgl。(3)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL。答案(1)μmg(l－L)(2)μmgl(3)μmgL[即学即练]3．(2016·浙江丽水中学模拟)在奥运比赛项目中，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，那么他在水中减速下降深度为h的过程中，下列说法正确的是(g为当地的重力加速度)()A．他的动能减少了fh B．他的重力势能增加了mghC．他的机械能减少了(mg－f)h D．他的机械能减少了fh解析由动能定理知，动能的变化量等于合外力做的功，等于mgh－fh，A错误；下降h，重力势能的减少量为mgh，B错误；机械能的减少量等于克服阻力做的功，故机械能减少了fh，C错误，D正确。答案D1．利用能源的过程实质上是()A．能量的消失过程 B．能量的创造过程C．能量不守恒的过程 D．能量转化或转移并且耗散的过程解析利用能源的过程实质上是能量转化或转移的过程，在能源的利用过程中能量是耗散的，A、B、C错误；D正确。答案D2．一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．子弹和木块组成的系统机械能的损失量大于系统产生的热量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答案D3．(多选)(2016·镇海中学高一下学期期中)一个人站立在商店的自动扶梯的水平踏板上，随扶梯向上加速，如图2所示，则()图2A．踏板对人做的功等于人的机械能增加量B．人对踏板的压力大小等于人所受到的重力大小C．人只受重力和踏板的支持力的作用D．人所受合力做的功等于人的动能的增加量解析由功能关系可知踏板对人做的功，等于人的重力势能以及动能增加量之和，故选项A正确；由于人具有向上的加速度，故处于超重状态，因此压力大于自身重力，故选项B错误；由加速度方向可知人受到重力、支持力以及水平向右的摩擦力，故选项C错误；由动能定理可知合外力做的功等于其动能的变化量，故选项D正确。答案AD4．如图3所示，斜面的倾角为θ，质量为m的滑块距挡板P的距离为s0，滑块以初速度v0沿斜面上滑，滑块与斜面间的动摩擦因数为μ，滑块所受摩擦力小于重力沿斜面向下的分力。若滑块每次与挡板相碰均无机械能损失，求滑块经过的总路程。图3解析滑块最终要停在斜面底部，设滑块经过的总路程为s，对滑块运动的全程应用能量守恒定律，全程所产生的热量为Q＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＋mgs0sinθ又因为全程产生的热量等于克服摩擦力所做的功，即Q＝μmgscosθ解以上两式可得s＝eq\f(1,μ)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v\o\al(2,0),2gcosθ)＋s0tanθ))。答案eq\f(1,μ)eq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(v\o\al(2,0),2gcosθ)＋s0tanθ))1．下列关于能源的说法中不正确的是()A．自然界中的能量是守恒的，所以能量永不枯竭，不必节约能源B．煤、石油、天然气等属于常规能源C．水能是可再生能源D．常规能源的大量使用，会对环境有较大的影响，如加剧“温室效应”答案A2．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，石油储量将在百年内用尽，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．①③ B．①④C．②③ D．② ④解析煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能短期内再次生成，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D3．如图1所示，一小孩从图中粗糙的滑梯上自由加速滑下，其能量的变化情况是()图1A．重力势能减小，动能不变，机械能减小，总能量减小B．重力势能减小，动能增加，机械能减小，总能量不变C．重力势能减小，动能增加，机械能增加，总能量增加D．重力势能减小，动能增加，机械能守恒，总能量不变解析由能量守恒定律可知，小孩在下滑过程中总能量守恒，故A、C均错；由于摩擦力要做负功，因此机械能不守恒，故D错；下滑过程中重力势能向动能和内能转化，故只有B正确。答案B4．(多选)图2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2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()A．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错，D对。答案BD5．蹦极是一项既惊险又刺激的运动，深受年轻人的喜爱。如图3所示，蹦极者从P点由静止跳下，到达A处时弹性绳刚好伸直，继续下降到最低点B处，B离水面还有数米距离。蹦极者(视为质点)在其下降的整个过程中，重力势能的减少量为ΔE1，绳的弹性势能的增加量为ΔE2，克服空气阻力做的功为W，则下列说法正确的是()图3A．蹦极者从P到A的运动过程中，机械能守恒B．蹦极者与绳组成的系统从A到B的运动过程中，机械能守恒C．ΔE1＝W＋ΔE2D．ΔE1＋ΔE2＝W解析蹦极者下降过程中，由于空气阻力做功，故机械能减少，A、B错误；由功能关系得W＝ΔE1－ΔE2，解得ΔE1＝W＋ΔE2，C正确，D错误。答案C6．(2016·浙江学考模拟)如图4所示，轻弹簧的上端悬挂在天花板上，下端挂一质量为m的小球，小球处于静止状态。现在小球上加一竖直向上的恒力F使小球向上运动，小球运动的最高点与最低点之间的距离为H，则此过程中(g为重力加速度，弹簧始终在弹性限度内)()图4A．小球的重力势能增加mgHB．小球的动能增加(F－mg)HC．小球的机械能增加FHD．小球的机械能守恒解析重力势能的增加量等于克服重力做的功，选项A正确；在最高点时，动能为零，从最低到最高的过程中，小球的动能增加量为零，选项B错误；对于小球而言，动能没有增加，重力势能增加了mgH，故小球的机械能增加了mgH，选项C、D错误。答案A7．如图5为我国交通运输部北海救助飞行队直升机在执行救助任务。直升机通过绳索用恒力F竖直向上拉起救助官兵和被困人员，使其由水面开始加速上升到某一高度，若考虑空气阻力而不考虑空气浮力，则在此过程中，以下说法不正确的有()图5A．力F和阻力的合力所做的功等于两人机械能的增量B．两人克服重力所做的功等于两人重力势能的增量C．力F、重力、阻力三者合力所做的功等于两人动能的增量D．力F所做功减去克服阻力所做的功等于两人重力势能的增量解析根据除重力外其他力做的功等于物体机械能的增量，选项A正确，D错误；根据重力做功与重力势能的关系，选项B正确；根据动能定理，选项C正确。答案D8．如图6所示，物体A的质量为m，置于水平地面上，A的上端连一轻弹簧，原长为L，劲度系数为k。现将弹簧上端B缓慢地竖直向上提起，使B点上移距离为L，此时物体A也已经离开地面，则下列说法中正确的是()图6A．提弹簧的力对系统做功为mgLB．物体A的重力势能增加mgLC．系统增加的机械能小于mgLD．以上说法都不正确答案C9．如图7所示，一个粗细均匀的U形管内装有同种液体，液体质量为m。在管口右端用盖板A密闭，两边液面高度差为h，U形管内液体的总长度为4h，先拿去盖板，液体开始运动，由于管壁的阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为()图7A．eq\f(1,16)mgh B．eq\f(1,8)mghC．eq\f(1,4)mgh D．eq\f(1,2)mgh解析去掉右侧盖板之后，液体向左流动，最终两侧液面相平，液体的重力势能减少，减少的重力势能转化为内能。最终状态可等效为右侧eq\f(h,2)的液柱移到左侧管中，即增加的内能等于该液柱减少的重力势能，即：Q＝eq\f(1,8)mg×eq\f(1,2)h＝eq\f(1,16)mgh，故A正确。答案A10．一质量为2kg的物块从离地80m高处自由落下，测得落地速度为30m/s，求下落过程中产生的内能。(g取10m/s2)解析这里，内能显然无法直接计算，但是下落过程中减少的机械能转化成了内能。根据能量守恒，产生的内能为E＝mgh－eq\f(1,2)mv2＝(2×10×80－eq\f(1,2)×2×302)J＝700J。答案700J11．如图8所示，滑块从A点由静止开始沿曲面下滑，过O点后滑上右边曲面B点时的速度恰好等于零，O点附近光滑，滑块经过O点不发生碰撞。若滑块从B点以某一速度v沿原路径往回滑，到达A点时的速度也恰好为零，求A、B两点间的高度差。(假设滑块从A到B与从B到A因摩擦而产生的内能相同)图8解析滑块从A到B，由能量守恒定律得mgΔh＝E内。滑块从B到A，由能量守恒定律得eq\f(1,2)mv2＝mgΔh＋E内。联立以上两式解得Δh＝eq\f(v2,4g)。答案eq\f(v2,4g)12．如图9所示，皮带的速度是3m/s，两圆心距离s＝4.5m，现将m＝1kg的小物体轻放在左轮正上方的皮带上，物体与皮带间的动摩擦因数μ＝0.15，电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时，求：图9(1)小物体获得的动能Ek；(2)这一过程摩擦产生的热量Q；(3)这一过程电动机消耗的电能E是多少？(g＝10m/s2)解析(1)由μmg＝ma得a＝1.5m/s2由μmgs′＝eq\f(1,2)mv2，得s′＝3m<4.5m，即物体可与皮带达到共同速度，E