1、标题学年高中物理三维设计人教版必修2浙江专版第七章 第10节 能量守恒定律与能源第10节能量守恒定律与能源 必考要求：c加试要求：d1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，这个规律叫做能量守恒定律。2能量耗散是指可利用的能源最终变成了周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用。3能量耗散反映了能量转化的宏观方向性，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源。4功和能量的关系：功是能量转化的量度。一、能量守恒定律 1建立能量守恒定律的两个重要事
2、实(1)确认了永动机的不可能性。(2)发现了各种自然现象之间能量的相互联系与转化。2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。3意义能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。二、能源和能量耗散1能源与人类社会人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。自工业革命以来，煤和石油成为人类的主要能源。2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
3、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，热和光被其他物体吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用。3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。4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自主思考判一判(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)外力对物体不做功，这个物体就没
4、有能量。()(4)煤、石油、天然气属于常规能源。()(5)电能、焦炭、氢能属于一次能源。()(6)冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭。()2合作探究议一议(1) 一个叫丹尼斯李(Dennis Lee)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。图7101你认为这种发电机能造出来吗？提示：不能。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间只能发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律。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，因此这种发电机不能制造出来。(2)
5、如图7102所示是我国能源结构的统计图，图7102请根据此图数据完成下面两个问题：总结出我国能源结构或能源现状的规律。试着提出解决这种现状的合理化建议。提示：我国的能源结构主要以煤为主；我国的能源消耗中不可再生能源占据的比例过大，结构不合理；我国能源消耗中可再生能源的比例过小。建议：节能降耗；开发新能源；开发可再生能源(如太阳能、风能等)。能量守恒定律的应用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)E增E减，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量。3应用步骤(1)明确研
6、究对象及研究过程。(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化。(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少。(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)。典例如图7103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7103A.mgh B.mghC.mgh D.mgh审题指导(1)管内液体至最终停止运动时，液体的重力势能减小了。(2)系统机械能的减少量等于系统内能的改变量。解析去
7、掉右侧盖板之后，液体向左侧流动，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。如图所示，最终状态可等效为右侧h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，则Qmghmgh，故A正确。答案A利用能量转化与转移解题的两点注意(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化，也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移。(2)能量在转化与转移过程中，能量的总量保持不变。利用能量守恒定律解题的关键是正确分析有多少种能量变化，分析时避免出现遗漏。 1(多选)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火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在
8、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：选AD这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，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正确。四个物体的运动过程中，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成其他形式的能，总之机械能转化成了其他形式的能，D正确。2.如图7104所示，滑块从A点由静止开始沿曲面下滑，过O点后滑至右边曲面B点时的速度恰好等于0，O点附近光滑
9、，滑块经过O点时不发生碰撞。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0。求A、B两点间的高度差。(假设滑块从A点到B点与从B点到A点因摩擦而产生的内能相同)图7104解析：答案：对功能关系的理解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WGEp1Ep2负功重力势能增加弹力做功正功弹性势能减
10、少W弹Ep1Ep2负功弹性势能增加合力做功正功动能增加W合Ek2Ek1负功动能减少其他力做功正功机械能增加W他E2E1负功机械能减少注：其他力指的是重力和系统内弹力之外的力。典例(2017年4月浙江选考)火箭发射回收是航天技术的一大进步。如图7105所示，火箭在返回地面前的某段运动，可看成先匀速后减速的直线运动，最后撞落在地面上。不计火箭质量的变化，则()图7105A火箭在匀速下降过程中，机械能守恒B火箭在减速下降过程中，携带的检测仪器处于失重状态C火箭在减速下降过程中合力做功等于火箭机械能的变化D火箭着地时，火箭对地的作用力大于自身的重力解析匀速下降过程动能不变，重力势能减少，所以机械能不守
11、恒，选项A错误；减速下降时加速度向上，所以携带的检测仪器处于超重状态，选项B错误；火箭着地时，火箭对地的作用力大于自身的重力，选项D正确；合外力做功等于动能改变量，选项C错误。答案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化的原因，重力做多少功，重力势能就减少多少；(2)弹力做功是弹簧弹性势能变化的原因，弹力做多少功，弹性势能就减少多少；(3)合力做功是物体动能变化的原因，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化的原因，其他力做多少功，机械能就增加多少。 1.一个盛水袋，某人从侧面缓慢推装
12、液体的袋壁使它变形至如图7106所示位置，则此过程中袋和液体的重心将()图7106A逐渐升高B逐渐降低C先降低再升高D始终不变解析：选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，重心升高，A正确。2(多选)一质量为m的物体，在距地面高h处以g的加速度由静止竖直下落到地面，下列说法中正确的是()A物体的重力势能减少mghB物体的机械能减少mghC物体的动能增加mghD物体的重力做的功为mgh解析：选BCD物体从高h处落到地面的过程中，重力做的功为mgh，重力势能减少mgh，选项A错误，D正确；物体的加速度为g，故合外力为mg，合外力做的功为mgh，根据动能定理
13、，物体的动能增加mgh，选项C正确；物体的重力势能减少mgh，动能增加mgh，故机械能减少了mgh，选项B正确。摩擦力做功与能量的关系典例如图7107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，当小木块与传送带相对静止时，求：图7107(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。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一定的动能
14、，系统内因摩擦产生一定的热量。(1)对小木块，相对滑动时，由mgma，得ag，由vat，得小木块与传送带相对静止时所用的时间t，则小木块的位移lat2。(2)传送带始终匀速运动，转过的路程svt。(3)小木块获得的动能Ekmv2。(4)摩擦过程产生的热量Qmg(sl)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EkQmv2。答案(1)(2)(3)mv2(4)mv2(5)mv21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
15、的一对滑动摩擦力所做的总功一定为负值。2因摩擦而产生的内能的计算QFfx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。 1(多选)如图7108所示，在光滑水平面上放一辆小车，小车的左端放一只箱子，在水平恒力F作用下，将箱子从小车右端拉出，如果第一次小车被固定于地面，第二次小车不固定，小车在摩擦力作用下可沿水平面运动，在这两种情况下()图7108A摩擦力大小不相等BF所做的功不相等C摩擦产生的热量相等D箱子增加的动能相等解析：选BC小车固定时，箱子的位移等于小车的长度，设为L；小车不固定时，小车相对地面的位移设为x，则箱子的位移为xL。两种情况下，滑动摩擦力Ff都等于m
16、g，F做的功分别为W1FL，W2F(xL)；摩擦产生的热量Q都等于FfL；箱子增加的动能分别为Ek1(FFf)L，Ek2(FFf)(xL)。故选项B、C正确。2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，如图7109示，当物体与传送带相对静止时，转化为内能的能量为()图7109Amv2 B2mv2C.mv2 D.mv2解析：选D物体A被放于传送带上即做匀加速直线运动，加速度ag，匀加速过程前进的距离x1。该时间内传送带前进的距离x2vtv。所以物体相对传送带滑动距离xx2x1。故产生的内能Qmgxmgmv2，D正确。3如图710
17、10在光滑水平地面上放置质量M2 kg的长木板，木板上表面与固定的光滑弧面相切。一质量m1 kg的小滑块自弧面上高h处由静止自由滑下，在木板上滑行t1 s后，滑块和木块以共同速度v1 m/s匀速运动，g取10 m/s2。求：图71010(1)滑块与木块间的摩擦力大小Ff；(2)滑块下滑的高度h；(3)滑块与木板相对滑动过程中产生的热量Q。解析：(1)对木板：FfMa1由运动学公式，有va1t，解得Ff2 N。(2)对滑块：Ffma2设滑块滑上木板时的速度是v0，则vv0a2t，v03 m/s。由机械能守恒定律有mghmv02，h m0.45 m。(3)根据功能关系有：Qmv02(Mm)v213
18、2 J(12)12 J3 J答案：(1)2 N(2)0.45 m(3)3 J1一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法中正确的是()A物体机械能不变，内能不变B物体机械能减少，内能不变C物体机械能减少，内能增加，机械能与内能总量减少D物体机械能减少，内能增加，机械能与内能总量不变解析：选D物体沿粗糙斜面匀速滑下，由于摩擦，内能增加，机械能减少，由能量守恒可知，机械能转化成内能，但机械能和内能的总量不变。故A、B、C错误，D正确。2在今年上海的某活动中引入了全国首个户外风洞飞行体验装置，体验者在风力作用下漂浮在半空。若减小风力，体验者在加速下落过程中()A失重且机械能增加B失重且机械能减少C超重且
19、机械能增加D超重且机械能减少解析：选B据题意，体验者漂浮时受到的重力和风力平衡；在加速下降过程中，风力小于重力，即重力对体验者做正功，风力做负功，体验者的机械能减小；加速下降过程中，加速度方向向下，体验者处于失重状态，故选项B正确。3一质量均匀、不可伸长的绳索，重为G，A、B两端固定在天花板上，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()图1A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。4.(多选)在最近几年的空调市场上出现一个
20、新宠变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的57倍。空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多，而变频空调启动时有一个由低到高的过程，而运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机。而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，探究以下说法中合理的是()A变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律B变频空调运行中做功少，转化能量多C变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电D变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能解析：选CD自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错。功
21、是能量转化的量度，做同样功，消耗同样电能，B错、D对。由变频空调的工作特点可知省电的原理是效率高，C对。5.(多选)如图2所示是流星在夜空中发出明亮的光焰。此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是()图2A流星同空气摩擦时部分机械能转化为内能B引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒C当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动D流星物体进入大气层后做斜抛运动解析：选AC流星同空气摩擦时部分机械能转化为内能，A正确；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不
22、守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。6(多选)悬崖跳水是一项极具挑战性的极限运动，需要运动员具有非凡的胆量和过硬的技术。跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设质量为m的运动员刚入水时的速度为v，水对他的阻力大小恒为F，那么在他减速下降深度为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(Fmg)hB他的重力势能减少了mghmv2C他的机械能减少了FhD他的机械能减少了mgh解析：选AC在进入水中的过程中，由动能定理，mghFhEkEk，所以动能的减少量为EkEk(Fmg)h，故A正确；重力势能
23、的减少量等于重力所做的功，即mgh，故B错误；克服阻力所做的功等于机械能的减少量，即等于Fh，故C正确，D错误。7(2015年9月浙江测试)三峡水电站是我国最大的水力发电站， 平均水位落差约为100 m，每秒约有1104 m3的水用来发电，水的重力势能约有20% 转化为电能。已知水的密度为1.0103 kg/m3, 火电厂每发一度电大约需耗标准煤0.3 kg，同时排放二氧化碳1 kg。关于三峡水电站，下列说法正确的是()A发电平均功率约为21012 WB每天的发电量约为4.8107 kWhC相比于同功率的火电厂，每天约可减少煤炭消耗 2106 kgD相比于同功率的火电厂，每天约可减少二氧化碳排
24、放4.8106 kg解析：选B发电功率P W2109 W，A错误；每天的发电量W1Pt1210624 kWh4.8107 kWh，B正确；相比于同功率的火电厂，每天约可减少煤炭消耗4.81070.3 kg1.44107 kg，减少二氧化碳排放约为4.81071 kg4.8107 kg，C、D错误。8(多选)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等于系统产生的热量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
25、块增加的内能之和解析：选BD子弹射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减少，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失。A选项没考虑系统增加的内能，C选项应考虑的是系统(子弹、木块)内能的增加，C错。9(多选)在离水平地面h高处将一质量为m的小球水平抛出，在空中运动的过程中所受空气阻力大小恒为f，落地时小球距抛出点的水平距离为x，速率为v，那么，在小球运动的过程中()A重力做功为mghB克服空气阻力做的功为fC落地时，重力的瞬时功率为mgvD重力势能和机械能都逐渐减少解析：选AD重力做功为WGmgh，A正确。空气阻力做功与经过的路程有关，而小球经过
26、的路程大于，故克服空气阻力做的功大于f，B错误。落地时，重力的瞬时功率为重力与沿重力方向的分速度的乘积，故落地时重力的瞬时功率小于mgv，C错误。重力做正功，重力势能减少，空气阻力做负功，机械能减少，D正确。10.如图3示，质量为m的滑块以一定初速度滑上倾角为的固定斜面，同时施加一沿斜面向上的恒力Fmgsin ；已知滑块与斜面间的动摩擦因数tan ，取出发点为参考点，能正确描述滑块运动到最高点过程中产生的热量Q、滑块动能Ek、势能Fp、机械能E随时间t和位移x关系的是()图3解析：选C根据滑块与斜面间的动摩擦因数tan 可知，滑动摩擦力等于重力沿斜面向下的分力。施加一沿斜面向上的恒力Fmgsi
27、n ，物体机械能保持不变，重力势能随位移x均匀增大，选项C正确，D错误。产生的热量QFfx，随位移均匀增大，滑块动能Ek随位移x均匀减小，选项A、B错误。11.如图4示，绷紧的传送带与水平面的夹角30，皮带在电动机的带动下，始终保持v02 m/s的速率运行。现把一质量为m10 kg的工件(可看为质点)轻轻放在皮带的底端，经时间1.9 s，工件被传送到h1.5 m的高处，取g10 m/s2。求：图4(1)工件与皮带间的动摩擦因数；(2)电动机由于传送此工件多消耗的电能。解析：(1)由题意得，皮带长为：L3 m，工件速度达到v0之前，从静止开始做匀加速运动，设匀加速运动的时间为t1，位移为x1，有
28、x1t1t1，假设工件最终取得了与传送带相同的速度，则达到v0之后工件将做匀速运动，有Lx1v0(tt1)，解得t10.8 s1.9 s，故工件最终取得与传送带相同的速度的假设正确。加速运动阶段的加速度为a2.5 m/s2，在加速运动阶段，根据牛顿第二定律，有mgcos mgsin ma，解得。(2)在时间t1内，传送带的位移为xv0t11.6 m，工件的位移为x1t1t10.8 m，所以在时间t1内，工件相对传送带的位移xxx10.8 m，在时间t1内，因摩擦而产生的热量为Qmgcos x60 J，工件到达最高点时获得的动能为Ekmv0220 J，工件增加的势能为Epmgh150 J，所以电动机由于传送工件多消耗的电能为EQEkEp230 J。答案：(1)(2)230 J12风力发电是一种环保的电能获取方式。图5某风力发电机外观图，现设计的每台风力发电机的功率为40 kW。实验测得风的动能转化为电能的效率约为20%，空气的密度是1.29 kg/m3，当地水平风速约为10 m/s。求风力发电机的叶片长度约为多少时才能满足设计要求？图5解析：设叶片长度为r，则叶片转动的面积Sr2。取时间t内作用到面积为S的叶片上的空气流为研究对象，如图所示。这部分空气流的质量mVSvt，空气流的动能Ekmv2，电功率Pr2v3，得r9.94 m。答案：9.94 m
