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 能源与可持续发展课件 沪科版必修2

第4章 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 内容索引 自主预习梳理 重点知识探究 当堂达标检测 自主预习梳理 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 电磁能 化学能 核能 生物能等 各种不同形式的能量可以相互 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 为另一种形式 或者从一个物体到另一个物体 在转化或转移的过程中其 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 填 可能 或 不可能 制成的 内能 光能 转化 转化 转移 总量不变 不可能 二 能源与可持续发展1 能量的转化效率 1 任何机器都 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 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性 或者说 能量的转化和转移具有性 不可能 一定小于 方向 不可逆 3 第二类永动机 填 违反 或 不违反 能量守恒定律 但 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 天然气等化石燃料是目前所用的主要能源 是 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 千方百计地提高不可再生能源的合理和转化效率 并且厉行节约 避免浪费 利用率 不违反 违反 石油 不可 新能源 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60kg的登山运动员 他登山时平均每小时登高500m 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3h内消耗的化学能为 J g取10m s2 3 6 106 解析3h内增加的机械能 E mgh 60 10 500 3J 9 105J 答案 解析 重点知识探究 一 能量守恒定律的理解 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 答案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 答案 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 答案光能转化为化学能 答案 放在火炉旁的冰融化变热 答案内能由火炉转移到冰 电流通过灯泡 灯泡发光 答案电能转化为光能 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 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 答案 解析 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3m s 两圆心的距离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 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10m s2 1 小物体获得的动能Ek 图1 答案4 5J 解析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 答案 解析 2 这一过程摩擦产生的热量Q 答案4 5J 解析由 mg ma得a 1 5m s2 由v at得t 2s 则Q mg vt s 0 15 1 10 6 3 J 4 5J 答案 解析 3 这一过程电动机消耗的电能E 答案9J 解析由能量守恒知E电 Ek Q 4 5J 4 5J 9J 三 功能关系的理解与应用 1 功能关系概述 1 不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的 做功的过程就是能量之间转化的过程 2 功是能量转化的量度 做了多少功 就有多少能量发生转化 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 例3如图2所示 在竖直平面内有一半径为R的圆弧轨道 半径OA水平 OB竖直 一个质量为m的小球自A的正上方P点由静止开始自由下落 小球沿轨道到达最高点B时恰好对轨道没有压力 已知AP 2R 重力加速度为g 则小球从P到B的运动过程中A 重力做功2mgRB 机械能减少mgRC 合外力做功mgRD 克服摩擦力做功mgR 图2 答案 解析 解析重力做功与路径无关 所以WG mgR 选项A错 克服摩擦力做的功等于机械能的减少量 故选项D对 例4如图3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 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 1 小铁块增加的动能 答案 mg l L 解析画出这一过程两物体位移示意图 如图所示 根据动能定理得 mg l L Ek即小铁块动能的增加量等于滑动摩擦力对小铁块做的功 图3 答案 解析 2 长木块减少的动能 答案 mgl 解析摩擦力对长木块做负功 根据功能关系得 EkM mgl 即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功 mgl 答案 解析 3 系统机械能的减少量 答案 mgL 解析系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功 E mgL 4 系统产生的热量 答案 mgL 解析m M间相对滑动的位移为L 根据能量守恒定律 有Q mgL 即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量 也等于系统减少的机械能 答案 解析 当堂达标检测 1 能源的利用 关于能源的开发和应用 下列说法中正确的是A 能源应用的过程就是内能转化为机械能的过程B 化石能源的能量归根结底来自于太阳能 因此化石能源永远不会枯竭C 在广大的农村推广沼气前景广阔 意义重大 既变废为宝 减少污染 又大量节约能源D 随着科学技术的发展 煤炭资源将取之不尽 用之不竭 1 2 3 答案 解析 解析能源应用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程 各种转化形式均可为人类服务 A错误 化石能源的能量虽然来自太阳能 但要经过数亿年的地质演变才能形成 且储量有限 为不可再生能源 B错误 在广大农村推广沼气对改善农村环境 节约能源意义重大 功在当代 利在千秋 C正确 无论技术先进与否 煤炭资源不可能取之不尽 用之不竭 D错误 故选C 1 2 3 1 2 3 答案 解析 2 功能关系 多选 如图4所示 质量为M的木块放在光滑的水平面上 质量为m的子弹以速度v0沿水平方向射中木块 并最终留在木块中与木块一起以速度v运动 已知当子弹相对木块静止时 木块前进距离为l 子弹进入木块的深度为d 若木块对子弹的阻力f视为恒定 则下列关系式中正确的是 图4 解析画出运动过程示意图 从图中不难看出 当木块前进距离为l 子弹进入木块的深度为d时 子弹相对于地面发生的位移为l d 由牛顿第三定律知 子弹对木块的作用力大小也为f 木块对子弹的作用力对子弹做负功 由动能定理得 所以 本题正确选项为A C D 1 2 3 3 能量守恒定律的应用 如图5所示 一物体质量m 2kg 在倾角 37 的斜面上的A点以初速度v0 3m s下滑 A点距弹簧上端B的距离AB 4m 当物体到达B后将弹簧压缩到C点 最大压缩量BC 0 2m 然后物体又被弹簧弹上去 弹到最高位置为D点 D点距A点AD 3m 挡板及弹簧质量不计 g取10m s2 sin37 0 6 cos37 0 8 求 小数点后保留两位小数 1 物体与斜面间的动摩擦因数 答案0 52 1 2 3 答案 解析 图5 1 2 3 解析物体从开始位置A点到最后D点的过程中 弹性势能没有发生变化 动能和重力势能减少 物体克服摩擦力产生