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一、能量守恒定律┄┄┄┄┄┄┄┄① 1．建立能量守恒定律的兩類重要事實 (1)確認了永動機的不可能性。 (2)發(fā)現(xiàn)了各種自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系與轉化。 2．定律內容 能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。 3．機械能守恒定律與能量守恒定律的關系 機械能守恒定律是普遍的能量守恒定律在特定背景下的一種特殊表現(xiàn)形式。 [說明] 能量守恒定律的建立，是人類認識自然的一次重大飛躍。它是最普遍、最重要、最可靠的自然規(guī)律之一，而且是大自然普遍和諧性的一種表現(xiàn)形式。 ①[填一填] 指出下列現(xiàn)象中能量的轉化或轉移情況： (1)植物的光合作用； ________________________________________________________________________ (2)雨天時出現(xiàn)雷電； ________________________________________________________________________ (3)人在跑步時，身體發(fā)熱； ________________________________________________________________________ (4)手搖發(fā)電機發(fā)電使燈泡發(fā)光； ________________________________________________________________________ (5)風吹動帆船前進。 ________________________________________________________________________ 解析：(1)植物利用太陽光進行化學合成，是光能轉化為化學能；(2)出現(xiàn)雷電時，發(fā)出震耳欲聾的響聲、耀眼的強光并放出熱量，是電能變?yōu)槁暡堋饶芎凸饽埽?3)人跑步時身體發(fā)熱，是身體劇烈運動時，加速人體內新陳代謝的生理機能，是人體內儲存的化學能轉化為內能；(4)發(fā)電機的動能轉化為電能，電能使燈泡發(fā)光，是機械能轉化為電能，電能轉化為燈絲的光能和內能；(5)空氣的流動形成風，風具有機械能，帆船前進具有的仍是機械能，是風的機械能轉移給帆船，是機械能的轉移。 答案：見解析 二、能源和能量耗散┄┄┄┄┄┄┄┄② 1．能源與人類社會 人類對能源的利用大致經歷了三個時期，即柴薪時期、煤炭時期、石油時期。自工業(yè)革命以來，煤和石油成為人類的主要能源。 2．能量的耗散 燃料燃燒時把自己的熱量釋放出去，電池中的化學能轉化為電能，電能又通過燈泡轉化成內能和光能，熱和光被其他物質吸收之后變成周圍環(huán)境的內能，我們無法把這些內能收集起來重新利用，這種現(xiàn)象叫做能量的耗散。 3．能源危機的含義 在能源的利用過程中，即在能量的轉化過程中，能量在數(shù)量上雖未減少，但在可利用的品質上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了。 [說明] 能量的耗散反映了能量轉化的方向性，所以能源的利用是有條件的，也是有代價的，所以自然界的能量雖然守恒，但還是很有必要節(jié)約能源。 ②[判一判] 1．煤自古至今都是人類的主要能源() 2．能量耗散表明能量正在逐漸消失() 3．自然界總能量雖然不變，但我們仍需要有節(jié)能意識(√) 1.對能量守恒定律的理解 (1)某種形式的能量減少，一定存在另外形式的能量增加，且減少量和增加量相等。 (2)某個物體的能量減少，一定存在別的物體的能量增加，且減少量和增加量相等。 (3)初狀態(tài)的各種能量總和等于末狀態(tài)的各種能量總和。 2．解題步驟 (1)分清共有多少種形式的能(如動能、勢能、電能、內能等)在變化。 (2)明確哪種形式的能量增加，哪種形式的能量減少。 (3)減少的總能量一定等于增加的總能量，據(jù)此列出方程：ΔE減＝ΔE增。 3．注意 因為能量守恒定律的寬泛性，在不涉及機械能之外的內能、電能、光能、核能等能量的轉化時，一般不用能量守恒定律解題，而是用動能定理或機械能守恒定律。 2019-2020年高一物理人教版必修2教學案：第七章 第10節(jié) 能量守恒定律與能源(含解析) 例1.下列說法正確的是(　　) A．隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的 B．太陽照射到地球上的光能轉化成了其他形式的能量，但輻射到宇宙空間的能量都消失了 C．“既要馬兒跑，又不讓馬兒吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的 D．有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量可以憑空產生 [解析]　永動機違背了能量守恒定律，所以永動機是永遠不可能制成的，選項A錯誤；太陽輻射到宇宙空間的能量并沒有消失，而是轉化成了其他形式的能量，選項B錯誤，馬和其他動物，包括人要運動，必須消耗能量，動物的能量來源是食物中儲存的生物質能，選項C正確；所謂“全自動”手表，其內部是有能量轉化裝置的，一般是一個擺錘，當人戴著手表活動時，使擺錘不停擺動，給游絲(彈簧)補充能量，才會維持手表的走動，如果把這種表放在桌面上靜置幾天，它也是會停的，選項D錯誤。 [答案]　C 例2.如圖所示，滑塊從A點由靜止開始沿曲面下滑，過O點后滑至右邊曲面B點時的速度恰好等于0，O點附近光滑，滑塊經過O點時不發(fā)生碰撞。若滑塊從B點以某一速度v沿原路徑往回滑，到達A點時的速度也恰好為0。求A、B兩點間的高度差。(假設滑塊從A點到B點與從B點到A點因摩擦而產生的內能相同) [解析] [答案]　 [點評] (1)能量守恒定律是貫穿整個物理學的基本規(guī)律之一，是學習物理的一條主線。 (2)要分清系統(tǒng)中有多少種形式的能量，發(fā)生哪些轉移和轉化。 [即時鞏固] 1．在質量為0.5 kg的重物上安裝一極輕的細棒(設細棒足夠長)，如圖所示，用手在靠近重物處握住細棒，使重物靜止，握細棒的手不動，稍稍減小握力，使手和細棒間保持一定的摩擦力，讓重物和細棒保持一定的加速度下落，在起初的1.0 s的時間里，重物落下了0.50 m。在此過程中手和細棒之間所產生的熱量是多少？(g取10 m/s2) 解析：由h＝at2 a＝＝1 m/s2 由v＝at＝11 m/s＝1 m/s 由能量守恒mgh＝mv2＋Q熱 Q熱＝0.5100.5 J－0.512 J＝2.25 J。 答案：2.25 J 1.功與能的區(qū)別 (1)功是力在空間上的積累，是過程量。 (2)能反映了物體能夠對外做功的一種本領，與物體所處的狀態(tài)相對應，是狀態(tài)量。 2．功能關系 功是能量轉化的量度。不同形式的能量之間的轉化是通過做功實現(xiàn)的，做功的過程就是各種形式的能量之間轉化(或轉移)的過程，而且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉化(或轉移)。 3．幾種常見的力做功與能量轉化的對應關系 不同的力做功 對應不同形式能的轉化 合外力做的功 動能變化 重力做的功 重力勢能變化 彈簧彈力做的功 彈性勢能變化 只有重力、彈簧彈力做功 不引起機械能的變化 除重力和彈力之外的力做功 機械能變化 一對滑動摩擦力做的總功 內能變化 [典型例題] 例3.(xx廉江高一檢測)質量為4 kg的物體被人由靜止開始向上提升0.25 m后速度達到1 m/s，則下列判斷錯誤的是(g取10 m/s2)(　　) A．人對物體做的功為12 J B．合外力對物體做的功為2 J C．物體克服重力做的功為10 J D．人對物體做的功等于物體增加的動能 [解析]　人對物體做的功等于物體機械能的增加量，即W人＝mgh＋mv2＝12 J，選項A正確，D錯誤；合外力對物體做的功等于物體動能的增加量，即W合＝mv2＝2 J，選項B正確；物體克服重力做的功等于物體重力勢能的增加量，即W＝mgh＝10 J，選項C正確。 [答案]　D [即時鞏固] 2．下列說法中正確的是(　　) A．能就是功，功就是能 B．做功越多，物體的能量就越大 C．外力對物體不做功，這個物體就沒有能量 D．能量轉化的多少可以用做功來量度 解析：選D　功和能是兩個不同的概念，選項A錯誤；做功的多少只能說明能量轉化的多少，而不能說明能量的多少，選項B錯誤；外力做功與否不能說明物體能量的有無，選項C錯誤；功是能量轉化的量度，選項D正確。 1.比熱容公式：Q＝cmΔt(c是比熱容，m 是質量，Δt 是溫差)。 2．水流量：指單位時間內流過某一橫截面積的水的體積。 3．在確定能量轉化的方向時，可以從消耗什么能，得到什么能進行比較來確定。 [典型例題] 例4.某一圓筒橫截面積為310－2 m2，筒內裝水0.6 kg，用水測量射到地面的太陽能，某一天中午在太陽光直射2 min 后，筒內水的溫度升高了1 ℃。已知水的比熱容c＝4.2103 J/(kg ℃)。求： (1)在陽光直射下，地球表面每平方厘米每分鐘獲得的能量； (2)假設射到大氣頂層的太陽能只有43% 到達地面，另外57% 被大氣吸收和反射而未到達地面，你能由此估算出太陽輻射的功率嗎(日地距離r＝1.51013 cm)? [解析]　(1)圓筒內的水經過2 min照射后，增加的內能ΔE＝Q＝cmΔt 解得ΔE＝2.52103 J 每分鐘獲得的能量為 ＝1.26103 J/min 圓筒橫截面積 S＝310－2 m2＝3102 cm2 地球上每平方厘米每分鐘獲得的能量為 ＝4.2 J/(min cm2) (2)上述能量也相當于以太陽為球心，以日地距離r為半徑的球面上每分鐘每平方厘米獲得的能量，設太陽輻射的功率為P，則43%＝， 其中r＝1.51013 cm解得 P＝4.61026 W [答案]　(1)4.2 J/(min cm2) (2)4.61026 W [即時鞏固] 3．(xx莒縣高一檢測)一水電站，水流的落差為20 m，水流沖擊水輪發(fā)電機后，水流的能有20%轉化為電能，若發(fā)電機的功率為200 kW，則每分鐘的水流量是多少？(g取10 m/s2) 解析：設1分鐘水的流量為Q， 則在1分鐘內水流的質量m＝Qρ， 在1分鐘內水流減少的重力勢能 ΔEp＝mgh＝Qρgh 由題意可知：發(fā)動機的功率 P＝ 整理得Q＝，代入數(shù)據(jù)得： Q＝300 m3。 答案：300 m3  1．(xx銀川高一檢測)如圖所示，一小孩從公園中粗糙的滑梯上自由加速滑下，其能量的變化情況是(　　) A．重力勢能減小，動能不變，機械能減小 B．重力勢能減小，動能增加，機械能減小 C．重力勢能減小，動能增加，機械能增加 D．重力勢能減小，動能增加，機械能守恒 解析：選B　由于摩擦力做負功，機械能不守恒，D錯誤；下滑過程中重力勢能轉化為動能和內能，所以機械能減小，B正確，A、C錯誤。 2．關于能源的利用中，下列說法不正確的是(　　) A．自然界的能量守恒，所以不需要節(jié)約能源 B．一座城市的能量耗散使其環(huán)境溫度略高于周圍農村的環(huán)境溫度 C．煤炭和石油產品燃燒會造成空氣污染和溫室效應 D．能量耗散表明能源的利用是有條件的，也是有代價的 解析：選A　自然界的能量守恒，但能量在利用過程中，可利用的品質在逐漸降低，因此，必須節(jié)約能源，A錯誤，C、D正確；城市工業(yè)、交通急劇發(fā)展使得城市接收了過多耗散的能量，使城市溫度升高，B正確。 3．水流從高處落下，對水輪機做3108 J的功，對這句話理解正確的是(　　) A．水流在對水輪機做功前，具有3108 J的能量 B．水流在對水輪機做功時，具有3108 J的能量 C．水流在對水輪機做功后，具有3108 J的能量 D．水流在對水輪機做功的過程中，3108 J的能量轉化為水輪機的動能 解析：選D　功不是能量，功是能量轉化的量度。水流在對水輪機做功的過程中，水流的能量減少了，減少的能量，一部分轉化成水輪機的動能，一部分轉化成內能，系統(tǒng)總能量是不變的，D正確。 4．[多選]關于“能量耗散”的下列說法中，正確的是(　　) A．能量在轉化過程中，有一部分能量轉化為內能，我們無法把這些內能收集起來重新利用，這種現(xiàn)象叫做能量的耗散 B．能量在轉化過程中變少的現(xiàn)象叫做能量的耗散 C．能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉化過程中，能量的總量并未減少，但在可利用的品質上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了，而自然界的能量是守恒的 D．能量耗散表明，各種能量在不轉化時是守恒的，但在轉化時是不守恒的 解析：選AC　由“能量耗散”定義知道，能在轉化過程中品質下降，總量不變，A、C正確；B、D違背了能量守恒定律，B、D錯誤。 5．(xx福建月考)某海灣共占面積1.0107 m2，漲潮時水深20 m，此時關上水壩閘門，可使水位保持20 m不變，退潮時，壩外水位降至18 m，假如利用此水壩建水力發(fā)電站，且重力勢能轉化為電能的效率為10%，每天有兩次漲潮，問該電站一天能發(fā)出多少電能(g＝10 m/s2) 解析：設Δh為退潮時水減少的深度，S為海灣的面積。利用潮汐發(fā)電，就是水的重力勢能轉化為電能，水能轉化為電能的效率是10%，一次漲潮，退潮后水壩內水的勢能增加： W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水VgΔh ＝ρ水SΔhgΔh＝ρ水SgΔh2 則水的勢能可轉變?yōu)殡娔埽篧電＝ηW水 每天2次漲潮，則該電站一天能發(fā)電 W＝2W電＝2ηW水 ＝2ηρ水SgΔh2 ＝10%1.01031.01071022 J＝41010 J 答案：電站一天能發(fā)出41010J電能。 　　　　　　　　　　　　　　　 [基礎練] 一、選擇題 1．下列現(xiàn)象屬于能量的耗散的是(　　) A．利用水流能發(fā)電產生電能 B．電能在燈泡中變成光能 C．電池的化學能變成電能 D．火爐把屋子烤暖 解析：選D　能量耗散主要指其他形式的能量最終轉化成環(huán)境的內能后，不能再次被收集起來重新利用，D正確。 2．關于能量轉化的說法錯誤的是(　　) A．舉重運動員舉起重物，體內的一部分化學能轉化為機械能 B．電流通過電阻絲使電能轉化為內能 C．內燃機做功的過程是機械能轉化為內能的過程 D．做功過程是能量轉化過程，某過程做了10 J的功，一定有10 J的能量發(fā)生了轉化 解析：選C　運動員舉高重物過程中，消耗了體內存儲的化學能，通過對重物做功使重物的機械能增加，A正確；電流通過電阻絲時，電流做功，使電能轉化為內能，B正確；內燃機中燃料燃燒膨脹，對外做功，內能轉化為機械能，C錯誤；功是能量轉化的量度，D正確。 3．[多選]一質量為m的物體，在距地面高h處以g的加速度由靜止豎直下落到地面，下列說法中正確的是(　　) A．物體的重力勢能減少mgh B．物體的機械能減少mgh C．物體的動能增加mgh D．物體的重力做的功為mgh 解析：選BCD　物體從高h處落到地面的過程中，重力做的功為mgh，重力勢能減少mgh，選項A錯誤，D正確；物體的加速度為g，故合外力為mg，合外力做的功為mgh，根據(jù)動能定理，物體的動能增加mgh，選項C正確；物體的重力勢能減少mgh，動能增加mgh，故機械能減少了mgh，選項B正確。 4．將小球豎直上拋，經一段時間落回拋出點，若小球所受的空氣阻力大小不變，對其上升過程和下降過程損失的機械能進行比較，下列說法中正確的是(　　) A．上升過程損失的機械能大于下降過程損失的機械能 B．上升過程損失的機械能小于下降過程損失的機械能 C．上升過程損失的機械能等于下降過程損失的機械能 D．無法比較 解析：選C　上升過程和下降過程中空氣阻力均做負功，Wf＝－Ffh，因此上升損失的機械能與下降損失的機械能大小相等，C正確。 5．一質量均勻不可伸長的繩索，重為G，A、B兩端固定在天花板上，如圖所示。今在最低點C施加一豎直向下的力，將繩索緩慢拉至D點。在此過程中，繩索AB的重心位置將(　　) A．升高 B．降低 C．先降低后升高 D．始終不變 解析：選A　物體的重心不一定在物體上，對于一些不規(guī)則的物體要確定重心是比較困難的，本題繩索的重心是不容易標出的，因此，要確定重心的變化，只有通過別的途徑確定。當用力將繩索緩慢地從C點拉到D點，外力在不斷的做功，而繩索的動能不增加，因此外力做功必定使繩索的重力勢能增加，故繩索的重心位置將升高，A正確。 二、非選擇題 6．風力發(fā)電是一種環(huán)保的電能獲取方式。圖為某風力發(fā)電機外觀圖，現(xiàn)設計的每臺風力發(fā)電機的功率為40 kW。實驗測得風的動能轉化為電能的效率約為20%，空氣的密度是1.29 kg/m3，當?shù)厮斤L速約為10 m/s。問風力發(fā)電機的葉片長度約為多少時才能滿足設計要求？ 解析：設葉片長度為r，則葉片轉動的面積S＝πr2。取時間t內作用到面積為S的葉片上的空氣流為研究對象，如圖所示。 這部分空氣流的質量m＝ρV＝ρSvt， 空氣流的動能Ek＝mv2， 電功率P＝＝ρπr2v3， 得r＝ ≈9.94 m。 答案：9.94 m [提能練] 一、選擇題 1．(xx酒泉高一檢測)有人設想在夏天用電冰箱來降低房間的溫度。他的辦法是：關好房間的門窗，然后打開冰箱的所有門讓冰箱運轉，且不考慮房間內外熱量的傳遞。則開機后，室內的溫度將(　　) A．升高 B．保持不變 C．開機時降低，停機時又升高 D．開機時升高，停機時降低 解析：選A　電冰箱的壓縮機運行時，一部分電能轉化為內能，室內的溫度將升高，故A正確。 2．[多選]一顆子彈以某一水平速度擊中了靜止在光滑水平面上的木塊，并從中穿出。對于這一過程，下列說法正確的是(　　) A．子彈減少的機械能等于木塊增加的機械能 B．子彈和木塊組成的系統(tǒng)機械能的損失量等于系統(tǒng)內能的增加量 C．子彈減少的機械能等于木塊增加的動能和內能之和 D．子彈減少的動能等于木塊增加的動能與子彈和木塊系統(tǒng)增加的內能之和 解析：選BD　由于子彈穿過木塊的過程中，子彈與木塊有相對位移，由能量守恒定律可得，子彈減少的動能轉化為木塊的動能和子彈與木塊系統(tǒng)增加的內能，A、C錯誤，B、D正確。 3．[多選]質量為m1、m2的兩物體，靜止在光滑的水平面上，質量為m的人站在m1上用恒力F拉連接著m2的繩子，經過一段時間后，兩物體的速度大小分別為v1和v2，位移分別為x1和x2，如圖所示，則這段時間內此人所做的功的大小等于(　　) A．Fx2 B．F(x1＋x2) C.m2v＋(m＋m1)v D.m2v 解析：選BC　根據(jù)能量守恒可知，人通過做功消耗的化學能將全部轉化為物體m1和m2的動能以及人的動能，所以人做的功的大小等于F(x1＋x2)＝m2v＋(m＋m1)v，B、C正確。 4．[多選]構建和諧、節(jié)約型社會的思想深得民心，也體現(xiàn)在生活的方方面面。自動充電式電動車就是很好的一例：電動車的前輪裝有發(fā)電機，發(fā)電機與蓄電池連接，當電動車滑行時，就可以向蓄電池充電，將其他形式的能轉化成電能儲存起來?，F(xiàn)有某人騎車以500 J的初動能在粗糙的水平路面上滑行，第一次關閉充電裝置，讓車自由滑行，其動能隨位移的變化關系如圖線①所示；第二次啟動充電裝置，其動能隨位移的變化關系如圖線②所示，則(　　) A．電動車受到的摩擦阻力為50 N B．電動車受到的摩擦阻力為83 N C．第二次啟動充電裝置，向蓄電池所充的電能是200 J D．第二次啟動充電裝置，向蓄電池所充的電能是300 J 解析：選AC　當關閉充電裝置，讓車自由滑行時，電動車的動能全部用來克服摩擦力做功，轉化為內能，有Ek＝Ffx1，解得Ff＝50 N，A正確；當啟動充電裝置滑行時，電動車的動能一部分克服摩擦力做功，另一部分轉化為蓄電池的電能，根據(jù)能量守恒有Ek＝Ffx2＋E電，故E電＝Ek－Ffx2＝200 J，C正確。 二、非選擇題 5．(xx黃浦區(qū)高一檢測)節(jié)能混合動力車是一種可以利用汽油及所儲存電能作為動力來源的汽車。有一質量m＝1 000 kg的混合動力轎車，在平直公路上以v1＝90 km/h 勻速行駛，發(fā)動機的輸出功率為P＝50 kW。當駕駛員看到前方有80 km/h的限速標志時，保持發(fā)動機功率不變，立即啟動利用電磁阻尼帶動工作的發(fā)電機給電池充電，使轎車做減速運動，運動L＝72 m后，速度變?yōu)関2＝72 km/h。此過程中發(fā)動機功率的用于轎車的牽引，用于供給發(fā)電機工作，發(fā)動機輸送給發(fā)電機的能量最后有50%轉化為電池的電能。假設轎車在上述運動過程中所受阻力保持不變。求 (1)轎車以90 km/h在平直公路上勻速行駛時，所受阻力F阻的大??； (2)轎車從90 km/h減速到72 km/h過程中，獲得的電能E電； (3)轎車僅用其在上述減速過程中獲得的電能E電維持72 km/h勻速運動的距離L′。 解析：(1)汽車牽引力與輸出功率的關系P＝F牽v， 將P＝50 kW，v1＝90 km/h＝25 m/s， 代入得F牽＝＝2103 N， 當轎車勻速行駛時，牽引力與阻力大小相等，有 F阻＝2103 N。 (2)在減速過程中，發(fā)動機只有P用于汽車的牽引，根據(jù)動能定理有 Pt－F阻L＝mv－mv， 代入數(shù)據(jù)得Pt＝1.575105 J， 電池獲得的電能為 E電＝0.5Pt＝6.3104 J。 (3)根據(jù)題設，轎車在平直公路上勻速行駛時受到的阻力仍為F阻＝2103 N。此過程中，由能量守恒定律可知，僅有電能用于克服阻力做功E電＝F阻L′，代入數(shù)據(jù)得L′＝31.5 m。 答案：(1)2103 N　(2)6.3104 J　(3)31.5 m