高中物理 第4章 能量守恒与可持续发展 4_3 能量的转化与守恒 4_4 能源与可持续发展教学案 沪科版必修2

4.3 能量的转化与守恒 4.4 能源与可持续发展学习目标1.掌握能量守恒定律.知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一.2.了解能量转化和转移的方向性，认识人类珍惜和保护能源和资源的必要性.3.了解我国能源状况，认识能源与环境协调发展的必要性.4.掌握各种功能关系，会应用功能关系和能量守恒定律解决问题.一、能量的转化与守恒1.能量的多样性：自然界中能量的形式有多种，如：机械能、内能、电磁能、光能、化学能、核能、生物能等，各种不同形式的能量可以相互转化.2.能量守恒定律：(1)内容：能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，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.(2)能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的规律，它宣布第一类永动机(不消耗能量而连续不断地对外做功，或者消耗少量能量而做大量的功的机器)是不可能(填“可能”或“不可能”)制成的.二、能源与可持续发展1.能量的转化效率(1)任何机器都不可能(填“可能”或“不可能”)将输入的能量全部转化为有用的能量.(2)能量的转化效率.(3)机器的能量转化效率一定小于(填“一定小于”或“可以等于”)100%.2.能量转化和转移的方向性研究和事实都表明：能量的转化和转移具有方向性，或者说，能量的转化和转移具有不可逆性.3.第二类永动机不违反(填“违反”或“不违反”)能量守恒定律，但违反(填“违反”或“不违反”)能量转化和转移的不可逆性，因此不可能制成.4.能源开发、利用与环境保护(1)煤、石油、天然气等化石燃料是目前所用的主要能源，是不可(填“可以”或“不可”)再生的.(2)能源的可持续发展战略：尽可能地开发和利用各种新能源，千方百计地提高不可再生能源的合理利用率和转化效率，并且厉行节约，避免浪费.即学即用1.判断下列说法的正误.(1)任何能量之间的转化都遵循能量守恒定律.()(2)因为能量守恒，所以我们不需要节能.()(3)能量的转化和转移具有不可逆性.()(4)任何机器的能量转化效率都低于100%.()(5)第一类永动机不能制成是因为违反了能量守恒定律.()(6)第二类永动机不可能制成是因为违反了能量守恒定律.()2.一个质量为60 kg的登山运动员，他登山时平均每小时登高500 m(竖直高度)，已知人体内将化学能转化为机械能的效率为25%，那么他在3 h内消耗的化学能为_J.(g取10 m/s2)答案3.6106 J解析3 h内增加的机械能Emgh60105003 J9105 J消耗的化学能E3.6106 J.一、能量守恒定律的理解导学探究(1)在验证机械能守恒定律的实验中，计算结果发现，重物减少的重力势能的值总大于增加的动能的值，即机械能的总量在减少.机械能减少的原因是什么？减少的部分机械能是消失了吗？(2)请说明下列现象中能量是如何转化或转移的？植物进行光合作用.放在火炉旁的冰融化变热.电流通过灯泡，灯泡发光.答案(1)机械能减少的原因是由于要克服摩擦阻力和空气阻力做功，机械能转化成了内能.不是.(2)光能转化为化学能内能由火炉转移到冰电能转化为光能知识深化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.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.例1(多选)从光滑斜面上滚下的物体，最后停止在粗糙的水平面上，说明()A.在斜面上滚动时，只有动能和势能的相互转化B.在斜面上滚动时，有部分势能转化为内能C.在水平面上滚动时，总能量正在消失D.在水平面上滚动时，机械能转化为内能，总能量守恒答案AD解析在斜面上滚动时，只有重力做功，只发生动能和势能的相互转化；在水平面上滚动时，有摩擦力做功，机械能转化为内能，总能量是守恒的.二、能量守恒定律的应用1.能量守恒定律的表达式(1)从不同状态看，E初E末.(2)从能的转化角度看，E增E减.(3)从能的转移角度看，EA增EB减.2.能量守恒定律应用的关键步骤：(1)明确研究对象和研究过程.(2)找全参与转化或转移的能量，明确哪些能量增加，哪些能量减少.(3)列出增加量和减少量之间的守恒式.例2如图1所示，皮带的速度是3 m/s，两圆心的距离s4.5 m，现将m1 kg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：(g取10 m/s2)图1(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.答案(1)4.5 J(2)4.5 J(3)9 J解析(1)设小物体与皮带达到共同速度时，物体相对地面的位移为s.mgsmv2，解得s3 mvB，QAQB B.vAvB，QAQBC.vAvB，QAvB，QAQB答案D解析两颗同样的子弹穿透木块的过程中，摩擦阻力f相同，子弹相对木块滑动的距离相同，所以摩擦力做功过程中产生的内能Qfs相同，根据能量守恒定律有：mv2QAmv，mv2QBmvmBv2，由以上两式可知vAvB，综上所述选项D正确.7.如图3所示，高h2 m的曲面固定不动.一个质量为1 kg的物体，由静止开始从曲面的顶点滑下，滑到底端时的速度大小为4 m/s.g取10 m/s2.在此过程中，下列说法正确的是()图3A.物体克服摩擦力做功20 JB.物体的动能增加了8 JC.物体的重力势能减少了20 JD.曲面对物体的支持力对物体不做功答案BCD8.某运动员采用蹲踞式起跑，在发令枪响后，左脚迅速蹬离起跑器，在向前加速的同时提升身体重心.如图4所示，假设该运动员的质量为m，在起跑前进的距离s内，重心升高量为h，获得的速度为v，则此过程中()图4A.运动员克服重力做功WGmghB.运动员的机械能增加了mv2C.运动员的机械能增加了mv2mghD.运动员对自身做功W1mv2mgh答案ACD解析运动员在此过程中重力势能增加mgh，动能增加mv2，机械能增加mv2mgh，A、C正确，B错误.运动员通过蹬地对自身做功，做功的量为其机械能的增量，D正确.9.如图5所示，在粗糙的桌面上有一个质量为M的物块，通过轻绳跨过定滑轮与质量为m的小球相连，不计轻绳与滑轮间的摩擦，在小球下落的过程中，下列说法正确的是()图5A.小球的机械能守恒B.物块与小球组成的系统机械能守恒C.若小球匀速下降，小球减少的重力势能等于物块M与桌面间摩擦产生的热量D.若小球加速下降，小球减少的机械能大于物块M与桌面间摩擦产生的热量答案CD解析由于绳子对小球做负功，因此小球的机械能减小，A错误；由于桌面粗糙，摩擦力对M做负功，因此物块与小球组成的系统机械能减小，B错误；若小球匀速下降，根据能量守恒，小球减小的重力势能没有转化为动能，而是完全转化为物块M与桌面间摩擦产生的热量，C正确；若小球加速下降，则小球减小的机械能一部分转化为摩擦产生的热量，另一部分转化为M的动能，因此D正确.10.质量为m1、m2的两物体，静止在光滑的水平面上，质量为m的人站在m1上用恒力F拉绳子，经过一段时间后，两物体的速度大小分别为v1和v2，位移分别为s1和s2，如图6所示，则这段时间内此人所做的功的大小等于()图6A.Fs2B.F(s1s2)C.m2v(mm1)vD.m2v答案BC解析根据能量守恒可知，人通过做功消耗的化学能将全部转化为物体m1和m2的动能以及人的动能，所以人做的功的大小等于F(s1s2)，也等于m2v(mm1)v，即B、C正确.二、非选择题11.一台水轮发电机组，每秒有2.0 m3的水流过水轮机，若河坝水位高度差是20 m，则水每秒对水轮机最多能做多少功？若有40%的机械能转化为电能，问发电机的输出功率为多大？(水的密度103 kg/m3，g取10 N/kg)答案4105 J1.6105 W解析若使水对水轮机做功最多，则把水的重力势能全部转化为水轮机的机械能.则每秒对水轮机做功为WmghgVh10310220 J4105 J由P得P出1.6105 W.12.电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，如图7所示，当小木块与传送带相对静止时，求：(传送带足够长)图7(1)小木块的位移；(2)传送带运动的路程；(3)小木块获得的动能；(4)相对运动过程摩擦产生的热量；(5)电机带动传送带匀速传动输出的总能量.答案(1)(2)(3)mv2(4)mv2(5)mv2解析(1)小木块轻放在匀速运动的传送带上，二者相对滑动，小木块在滑动摩擦力作用下加速，直到达到同速，二者相对静止.据动能定理可得，mgsmv2则小木块的位移为s(2)设小木块由静止匀加速到v所用时间为t，则t，传送带匀速运动的路程为s0vt(3)小木块获得的动能为Ek