2019-2020年物理必修二堂探究学案：7.1-追寻守恒量——能量（含答案）.doc

2019-2020年物理必修二堂探究学案：7.1-追寻守恒量能量（含答案）探究一 对“守恒量”的理解问题导引2013年6月20日，神舟十号航天员王亚平在天宫一号开展基础物理实验，为全国青少年进行太空授课，她将摆球拉开一定距离后放手，摆球并没有来回摆动(如图所示)，这是为什么？此时我们探究的守恒量能量，还存在吗？提示：在天宫一号中的物体处于完全失重状态，与重力有关的一切物理现象都消失了，所以小球不会来回摆动。此时小球随天宫一号一起绕地球高速旋转，其动能与势能之和保持不变，即能量守恒。名师精讲1所谓“守恒”是指数值保持恒定。对于伽利略斜面实验，我们可以这样理解，如果空气阻力和摩擦力小到可以忽略，小球必将回到它原来的高度，小球好像记得“自己的起始高度”，我们把小球“记得”的这个“东西”叫作守恒量。2守恒量是自然界在变化过程中隐藏于现象中的一个反映其本质的物理量，也就是说，自然界并不自动地展现其背后的本质、规律和内在联系，所以寻找守恒量必须讲究科学的方法。例如，观察此消彼长的物理量、研究其相互的关系、科学构思巧妙的实验、精确地论证、推理和计算等。【例1】 伽利略的斜面实验反映了一个重要的事实：如果空气阻力和摩擦力小到可以忽略，小球必将准确地终止于同它开始点相同高度的点，决不会更高一点，也不会更低一点。这说明，小球在运动过程中有一个“东西”是不变的，这个“东西”应是()A弹力B势能C速度 D能量解析：在伽利略的斜面实验中，小球从一个斜面滚到另一个斜面，斜面弹力是不同的，势能先减小后增大，速度先增大后减小，所以A、B、C错。不变的“东西”应是能量，包括动能和势能，D对。答案：D题后反思 (1)运用理想模型结合实验事实推导物理规律，是研究物理问题常用的思路和方法。(2)伽利略的斜面实验使人们认识到了能量这一物理量。探究二 对物体的动能和势能的理解问题导引如图所示，上海“明珠线”某车站的设计方案。由于站台建得稍高，电车进站时要上坡，出站时要下坡。忽略斜坡的摩擦力，你能分析这种设计的优点吗？提示：电车进站前虽关闭了电动机，但仍具有动能，可使电车爬上斜坡，这是将动能转化为势能储存。出站时，电车可利用斜坡再将势能转化成动能。可见，这种设计方案可以节约电能。名师精讲1动能说到动能，一定要有运动着的物体。例如，当伽利略释放小球后，小球开始运动，获得速度，运动着的小球就具有了动能。流动的河水，吹来的风即流动的空气，运转的天体，绕原子核旋转的电子等都具有动能。2势能它必须有相互作用的物体，而且一定与其位置有关。例如，小球受到地球施于它的重力作用，当伽利略把小球从桌面提高到斜面上起始点的高度时，他就赋予了小球一种形式的能量势能。当我们将弹簧拉伸或者压缩时，弹簧各部分发生相互作用，各部分的相对位置与弹簧自然伸长时发生了变化，我们也就赋予了弹簧一定的势能。3势能和动能的相互转化从伽利略的斜面实验我们可以看出，势能和动能可以相互转化。如果斜面是光滑的，且空气阻力忽略不计，小球总可以沿斜面B上升到原来的高度。这说明了动能和势能在相互转化过程中能量是守恒的。【例2】 (多选)如果我们把相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫作势能，把物体由于运动而具有的能量称为动能，那么，伽利略的斜面实验可以给我们一个启示，下列关于这个启示正确的是()A小球在斜面上运动时，小球离地面的高度减小，速度增加，小球的速度是由高度转变而来的B小球在斜面上运动时，小球离地面的高度增加，速度减小，小球的高度是由速度转变而来的C小球在斜面上运动时，小球离地面的高度减小，速度增加，小球的动能是由势能转变而来的D小球在斜面上运动时，小球离地面的高度增加，速度减小，小球的势能是由动能转变而来的解析：在斜面上运动的小球，首先由动能转化为势能，达到最高点时，动能为零，势能达到最大，在下落时，势能逐渐减小，动能逐渐增大，势能又转化为动能。在小球运动过程中，小球的机械能总量保持不变。答案：CD题后反思 不同形式的能可以相互转化，一种形式的能的减少，其他形式的能必然增加，但总的能量不变。在伽利略的理想斜面实验中，动能和势能总和不变。附送：2019-2020年物理必修二堂探究学案：7.10-能量守恒定律与能源（含答案）探究一 对能量转化、转移的认识问题导引各种形式的能都可以相互转化，如图所示，手摇发电机使电铃发声；阳光照在物体上，物体温度升高，这两种现象，能量是如何转化的呢？提示：手摇发电机使电铃发声，机械能转化为电能，电能又转化为机械能；阳光照在物体上，太阳能转化为物体的内能。名师精讲1自然界存在着多种形式的能量，在一定条件下，各种形式的能量可以相互转化和转移。如在热传递过程中，高温物体的内能转移到低温物体，在这种转移的过程中能量形式没有变。在自然界中能量的转化也是普遍存在的。小朋友滑滑梯，由于摩擦而使机械能转化为内能。2在能量转化和转移的过程中，能的总量保持不变。大量事实证明，在普遍存在的能量的转化和转移过程中，消耗多少某种形式的能量，就得到多少其他形式的能量。如在热传递过程中，高温物体放出多少热量(减少多少内能)，低温物体就吸收多少热量(增加多少内能)；克服摩擦力做了多少功，就有多少机械能转化为能量，但能量的总量不变。【例1】 试说明下列现象中能量是怎样转化的。A在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最后停止。B电风扇通电后开始转动，断电后转动着的风扇又慢慢停下来。C火药爆炸产生燃气，子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，射穿一块钢板，速度减小。D用柴油机带动发电机发电，供给电动水泵抽水，把水从低处抽到高处。点拨：物体间发生能量转移时，能量的形式不变；而发生能量的转化时，能量的形式要发生变化。在确定能量的转化时，可以从消耗什么能，得到什么能进行比较来确定。解析：A在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最后停止。这一过程中，汽车所受的阻力做负功，机械能转化为内能。B电风扇通电后开始转动，电流做功，电能转化为机械能，有一部分转化为内能；断电后转动着的风扇又慢慢停下来，阻力做负功，机械能转化为内能。C火药爆炸产生燃气，化学能转化为内能；子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，推力做功，内能转化为机械能；子弹射穿一块钢板，速度减小，阻力做负功，机械能转化为内能。D用柴油机带动发电机发电，化学能转化为机械能，又转化为电能；发电机发电后供给电动水泵抽水，电流做功，电能转化为机械能；电动水泵把水从低处抽到高处，水泵对水做功，使水泵的机械能传递给水。答案：见解析题后反思 物体间发生能量转移时，能量的形式不变；而发生能量的转化时，能量的形式要发生变化。在确定能量的转化时，可以从消耗什么能，得到什么能进行比较来确定。探究二 对功能关系的理解问题导引高山滑雪起源于阿尔卑斯山地域，又称“阿尔卑斯滑雪”或“山地滑雪”，是一项古老的滑雪运动。如图，运动员从高山上由静止滑下，不计空气阻力。请思考：(1)下滑中，有哪些力对运动员做功？(2)如何判断运动员重力势能、动能及机械能的变化情况？提示：(1)运动员受到重力、支持力及摩擦力的作用，其中重力做正功，摩擦力做负功，支持力不做功；(2)运动员重力势能的变化仅取决于重力做功，动能的变化取决于外力做的总功，机械能的变化取决于除重力之外其他力做功。本题中，重力做正功，重力势能减少；合力做正功，动能增加；摩擦力做负功，机械能减少。名师精讲1功是能量转化的量度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常见的几种功能关系功能量转化重力做功重力势能和其他形式的能相互转化弹力做功弹性势能和其他形式的能相互转化合外力做功动能和其他形式的能相互转化除重力、系统内弹力外，其他力做功机械能和其他形式的能相互转化特别提醒 (1)能是物体运动状态决定的物理量，即状态量；而功则是和物体运动状态变化过程有关的物理量，是过程量。两者有着本质的区别。(2)做功可以使物体具有的能量发生变化，而且物体能量变化大小是用做功的多少来量度的。但功和能不能相互转化。【例2】 (多选)如图所示，质量为m的物体(可视为质点)以某一初速度由底端冲上倾角为30的固定斜面，上升的最大高度为h，其沿斜面方向的加速度大小为g，在这个过程中有关该物体的说法中正确的是()A重力势能增加了mghB动能损失了mghC动能损失了mghD机械能损失了mgh解析：物体重力势能的增加量等于克服重力做的功，选项A正确；物体所受的合力做的功等于动能的减少量Ekmasmamgh，选项B、C错误；物体机械能的损失量等于克服摩擦力做的功，因mgsin 30Ffma，所以Ffmg，故物体克服摩擦力做的功为Ffxmg2hmgh，选项D正确。答案：AD题后反思 应正确把握几种功能关系：(1)合外力对物体所做的功等于物体动能的增量；(2)重力做功等于重力势能的减少量；(3)除重力或弹簧的弹力以外的其他力做多少功等于物体机械能的增加量。探究三 能量守恒定律的理解及应用问题导引根据如图所示的情景，判断图中A、B两台机器，哪台是发电机，哪台是电动机？并描述这一情景中所涉及的能量转化。提示：瀑布的水流下来将水的重力势能转化为动能，水流推动水轮机带动发电机B转动发电，是将机械能转化为电能，发电机产生电流流经电动机A时，又将电能转化为机械能。所以B是发电机，A是电动机。名师精讲1对定律的理解：(1)某种形式的能量减少，一定存在另外形式的能量增加，且减少量和增加量相等。(2)某个物体的能量减少，一定存在别的物体的能量增加，且减少量和增加量相等。2表达式：E初E末；E增E减3解题步骤：(1)分清共有多少种形式的能(如动能、势能、电能、内能等)在变化。(2)明确哪种形式的能量增加，哪种形式的能量减少。(3)减少的总能量一定等于增加的总能量，据此列出方程：E减E增。4利用能量守恒定律解题应注意的问题：(1)该定律是贯穿整个物理学的基本规律之一，是学习物理的一条主线。(2)要分清系统中有多少种形式的能量，发生哪些转移和转化。(3)滑动摩擦力与相对距离的乘积在数值上等于产生的内能，即QFl相。警示 应用能量守恒定律解决有关问题，关键是准确分析有多少种形式的能在变化，求出减小的总能量和增加的总能量，然后再依据能量守恒列式求解。【例3】 如图所示，水平传送带由电动机带动，并始终保持以速度v匀速运动，现将质量为m的某物块由静止释放在传送带上的左端，过一会儿物块能保持与传送带相对静止，设物块与传送带间的动摩擦因数为，则这一过程中：(1)系统产生的热量为多少？(2)电动机多做的功为多少？解析：(1)物块加速时的加速度ag，设经过时间t物块和传送带速度相等，则va