物理（粤教版）新课堂必修二第4章第7节功率第8节能源的利用与开发

第七节功率第八节能源的利用与开发学习目标知识脉络1.理解功率的概念，能运用功率的定义式P＝eq\f(W,t)进行有关计算．(重点)2．理解公式P＝Fv的意义，能用于分析、计算和解释有关机动车的运动问题．(重点、难点)3．知道能源及其分类，了解能源危机和环境污染.功率eq\o([先填空])1．定义：单位时间内做功的多少，用符号P表示．2．定义式：P＝eq\f(W,t).3．单位：国际单位制中功率的单位是瓦特，简称瓦，符号是W,1W＝1J/s.常用单位：千瓦(kW)1kW＝1_000W.4．意义功率是标量，它是表示物体做功快慢的物理量．eq\o([再判断])1．力越大，做功越快．(×)2．功率越大表示做的功越多．(×)3．功率表示做功的快慢．(√)eq\o([后思考])去过泰山的同学会遇到挑山工，假设挑山工和缆车将相同的货物运至山顶，两者对货物做的功相同吗？做功的功率相同吗？图4­7­1【提示】两者对货物做的功都等于克服重力做的功，由于将相同的货物运往相同高度的山顶，两者做相同的功，而用缆车运送货物所用时间远小于挑山工的用时，根据功率定义知缆车的做功功率远大于挑山工的做功功率．eq\o([合作探讨])如图4­7­2是解放军正用吊车将一台坦克车从码头上吊起装上舰船．图4­7­2探讨1：将质量为m的坦克车匀速吊起，坦克车在t时间内匀速上升h高度．怎样计算吊车的功率？【提示】吊车对坦克车做的功W＝mgh.功率P＝eq\f(W,t)＝eq\f(mgh,t).探讨2：若坦克车在相同的时间内匀加速上升h的高度，吊车的功率是变大还是变小？【提示】变大．匀加速吊起，拉力增大，吊车做的功增多，时间相同，功率变大．eq\o([核心点击])1．功是能量转化的量度，而功率表示做功的快慢，所以从能量转化的角度看，功率也是反映能量转化快慢的物理量．2．功率是标量，虽然功率也有正负之分，但功率的正负只是用来表示是动力做功的功率还是阻力做功的功率，在应用中一般不强调功率的正负．3．功率的计算公式P＝eq\f(W,t)适用于任何情况下的功率计算，求得的功率是这段时间t内的平均功率，但在这段时间内功率可能是变化的．1．在一次举重比赛中，一名运动员将质量为127.5kg的杠铃举起历时约2s，该运动员在举起杠铃运动中的平均功率约为()图4­7­3A．几十瓦左右 B．一千瓦左右C．几十千瓦左右 D．几百千瓦左右【解析】设举重运动员将杠铃举高1.7m，则P＝eq\f(W,t)＝eq\f(mgh,t)＝1083.75W.【答案】B2．如图4­7­4所示是甲、乙两物体做功与所用时间的关系图像，那么甲物体的功率P甲与乙物体的功率P乙相比()图4­7­4A．P甲＞P乙 B．P甲＜P乙C．P甲＝P乙 D．无法判定【解析】根据功率的定义式P＝eq\f(W,t)可知，在功与所用时间的关系图像中，直线的斜率表示时刻的功率．因此，由图线斜率可知P甲＜P乙，选项B正确．【答案】B3．人的心脏每跳一次大约输送8×10－5m3的血液，正常人血压(可看做心脏输送血液的压强)平均值约为1.5×104Pa，心跳约每分钟70次，据此估测心脏工作的平均功率约为多少．【解析】设血压为p，作用于横截面积为S的一个直血管内的流体上，在时间t内流体因压力的作用而移动了一定的距离l，如图所示，则压力做功为W＝pSl＝pΔV，ΔV指流体的体积．因此，心脏在每分钟所做的功应为W＝npΔV＝70×1.5×104×8×10－5J＝84J故心脏工作的平均功率为P＝eq\f(W,t)＝eq\f(84,60)W＝1.4W.【答案】1.4W求解功率时应该注意的问题1．首先要明确是求哪个力的功率，是某个力的功率，还是物体所受合力的功率，汽车的功率是指汽车牵引力的功率，起重机的功率是指起重机钢丝绳拉力的功率．2．利用公式P＝eq\f(W,t)求出的一般是平均功率，而在t→0时，可认为P是瞬时功率．功率与力、速度的关系eq\o([先填空])1．力F的功率：当力F的方向与位移s的方向相同时，P＝Fv.2．平均功率：P＝eq\f(W,t)求的是t时间内的平均功率；P＝Fvcosα中，若v为平均速度，则P就是平均功率．瞬时功率：P＝Fvcosα中，若v为瞬时速度，则P为瞬时功率．3．额定功率与实际功率定义特点联系额定功率机械正常工作时，允许达到的最大功率不同机械额定功率可能不同，但同一机械额定功率不变为了机械的安全P额≥P实实际功率机械实际运行的功率同一机械实际功率随工作情况而变eq\o([再判断])1．机械可以在实际功率等于额定功率的情况下长时间工作．(√)2．当发动机的功率一定时，速度越大，汽车的牵引力越大．(×)3．当输出功率一定时，速度和牵引力成反比．(√)eq\o([后思考])如图4­7­5所示，越野车比赛时，汽车爬坡要使用低速挡．汽车使用低速挡的目的是什么？图4­7­5【提示】汽车爬坡需要的牵引力变大，根据P＝Fv，在功率一定的情况下要减小速度．eq\o([合作探讨])汽车以不同方式启动，一次以恒定功率启动，一次匀加速启动．图4­7­6探讨1：用公式P＝Fv研究汽车启动问题时，力F是什么力？【提示】F是汽车的牵引力．探讨2：以恒定功率启动时，汽车的加速度变化吗？做什么运动？【提示】汽车以恒定功率启动，根据P＝Fv，v增大，F减小，加速度减小，故加速度变化，汽车做变加速运动．eq\o([核心点击])1．关系式P＝Fv中各物理量间的关系(1)同体关系．关系式P＝Fv中的P、F、v是对应于同一个物体的三个物理量，对于不在同一物体上的情况没有意义．(2)同时关系．P、F、v三个量中任意一个物理量都是可以变化的，应用关系式P＝Fv进行分析时，这三个物理量一定要对应于运动物体的同一时刻．(3)同向关系．F、v是两个矢量，必须具有相同的方向，若二者方向不同，成一定夹角α时，该关系式变形为P＝Fvcosα.2．机车启动的两种方式(1)机车以恒定功率启动的运动过程这一启动过程的v­t关系图象如图4­7­7所示．图4­7­7①只有当机车的牵引力与所受阻力大小相等时，机车才能达到最大速度，即vmax＝eq\f(P,F)＝eq\f(P,f).②在加速过程中，加速度是逐渐减小的，如果知道某时刻的速度，就可求得此时刻的加速度．(2)机车以恒定加速度启动的运动过程这一启动过程的v­t关系图象如图4­7­8所示．图4­7­8①由牛顿第二定律得F－f＝ma，所以牵引力F＝f＋ma定，当P＝P额时，匀加速运动的最大速度vmax′＝eq\f(P额,F)＝eq\f(P额,f＋ma定).②由vmax′＝a定t′得，匀加速运动持续的时间t′＝eq\f(vmax′,a定)＝eq\f(P额,f＋ma定a定).4．如图4­7­9所示，在光滑的水平面上放着一个质量为10kg的木箱，拉力F与水平方向成60°角，F＝2N．木箱从静止开始运动，4s末拉力的瞬时功率为()图4­7­9A．0.2W B．0.4WC．0.8W D．1.6W【解析】木箱的加速度a＝eq\f(Fcosα,m)＝0.1m/s2,4s末的速度v＝at＝0.4m/s，则瞬时功率P＝Fvcosα＝0.4W，B正确．【答案】B5．质量为m的汽车行驶在平直公路上，在运动中所受阻力不变，当汽车的加速度为a，速度为v时，发动机功率为P1；当功率为P2时，汽车行驶的最大速度为()A.eq\f(P2v,P1)B.eqB.q\f(P2v,P1－mav)C.eq\f(P1v,P2)D.eqD.eq\f(P1v,P2－mav)【解析】由题意知F－f＝ma，P1＝Fv，由以上两式得f＝eq\f(P1－mav,v).当功率为P2时，汽车行驶的最大速度vm＝eq\f(P2,f)＝eq\f(P2v,P1－mav)，B正确．【答案】B6．假定额定功率为80kW的汽车，在平直的公路上行驶的最大速度为20m/s，汽车质量为2×103kg，如果汽车从静止开始做匀加速直线运动，加速度为2m/s2，运动过程中阻力不变，求：【导学号：】(1)汽车所受的恒定阻力大小；(2)汽车匀加速运动的最长时间．【解析】(1)依题意：当汽车达到最大速度时，F牵＝f则：P额＝fvm得：f＝eq\f(P额,vm)＝4×103N.(2)在匀加速阶段：据牛顿第二定律有：F牵－f＝ma得：F牵＝f＋ma＝8×103N当汽车达到额定功率时：P额＝F牵v得：v＝eq\f(P额,F牵)＝10m/s匀加速时间：t＝eq\f(v,a)＝5s.【答案】(1)4×103N(2)5s机车启动的几个问题(1)机车的最大速度vmax的求法，机车达到匀速前进时速度最大，此时牵引力F等于阻力f，故vmax＝eq\f(P,F)＝eq\f(P,f).(2)匀加速启动最长时间的求法，牵引力F＝ma＋f，匀加速的最后速度vmax′＝eq\f(P额,ma＋f)，时间t＝eq\f(vmax′,a).(3)瞬时加速度的求法，据F＝eq\f(P,v)求出牵引力，则加速度a＝eq\f(F－f,m).能源的分类、危机与开发eq\o([先填空])1．能源分类(1)化石能源：煤、石油、天然气．(2)一次能源与二次能源：①一次能源：直接取之于自然界，未经人类加工转换的能源．按是否能够再生，可分为可再生能源和不可再生能源．②二次能源是指从一次能源直接或间接转化而来的能源．如电能、氢能、焦炭等．2．能源危机目前世界上消耗的能源主要是煤、石油、天然气等矿物质，它们分别还可以开采200年、40年和60年左右．我国能源消费总量已位居世界第二位，随着经济的迅速增长和大众文化生活水平的提高，能源消费总量将急剧增加，能源短缺的现象更为严重．3．环境污染能源的大量使用给人类的生存环境带来灾难．酸雨、温室效应、臭氧层破坏、城市热岛效应、土壤酸性化、生态平衡的破坏对人类已不再陌生，海平面升高、暴雨和干旱增多，严重威胁着人类及各种生物的生存．4．能源的开发核能、风能、太阳能、水能、地热能、生物质能、海洋能、氢能等是人类未来大力开发的新能源．eq\o([再判断])1．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源．(×)2．能量永远不会增加或减少，只能转化或转移．(√)3．由于能源危机，所以要不断开发新能源．(√)eq\o([后思考])如图4­7­10所示是我国能源结构的统计图，请根据此图数据完成下面两个问题：图4­7­10(1)总结出我国能源结构或能源现状的规律．(2)试着提出解决这种现状的合理化建议．【提示】(1)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．(2)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)．eq\o([合作探讨])图4­7­11探讨1：既然能量是守恒的，为什么当今社会会出现能源危机？【提示】能源利用的过程中，能量在总的数量上并没有减少，但在可以利用的品质上降低了，所以会出现能源危机．探讨2：解决能源危机的途径是什么？【提示】一是节约能源，二是开发新能源．eq\o([核心点击])1．人类与能源的关系(1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命，都与新的能源和动力机械的利用密切相关，能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志．(2)不利方面：能源的大量使用会给环境带来极大的破坏，如大气污染、温室效应、酸雨等，对人类造成很大的危害．2．常规能源和新能源的转化途径7．煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是()A．都为可再生能源，取之不尺，用之不竭B．都为不可再生能源，用一点，少一点C．都为来自太阳辐射的能量D．都为污染环境的能源【解析】煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物质能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射．因此，选项C正确，其他选项均错．【答案】C8．关于能源的利用，下列说法中不正确的是()A．由于我国煤和石油的储量无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要B．能源的利用过程，实质是能的转化和转移过程C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气D．煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能【解析】石油、煤等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错，B、C、D对．【答案】A9．能源短缺和环境恶化指的是()①煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺．②煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺．③煤炭和石油具有很大的气