2019-2020年高中物理 4.6能量 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 學(xué)案 粵教版必修2【學(xué)習(xí)目標(biāo)】一、知識(shí)與技能： 1、了解自然界中存在多種形式的能量。2、知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一3、通過(guò)能量守恒以及能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性，認(rèn)識(shí)提高效率的重要性4、通過(guò)永動(dòng)機(jī)研制的失敗，體會(huì)能量守恒定律建立的重要性。二、過(guò)程與方法：1、注意自然界中各種不同形式的能量，體會(huì)自然界能量形式的多樣性2、關(guān)注自然界能量相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，知道能量的多樣性和復(fù)雜性，了解人類創(chuàng)造和發(fā)明的許多技術(shù)設(shè)備都是為人類服務(wù)的能量轉(zhuǎn)化器3、列舉自然界中能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性的例子，體會(huì)提高能源利用率和節(jié)約能源的重要性三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1、 認(rèn)識(shí)自然界中各種不同形式能量及其轉(zhuǎn)化，體會(huì)自然界能量的多樣性2、通過(guò)能量守恒定律的建立過(guò)程，體會(huì)自然界的和諧統(tǒng)一【學(xué)習(xí)重點(diǎn)】1、能量守恒定律 2、能量和轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性【知識(shí)要點(diǎn)】各種各樣的能量一、對(duì)能量概念的初步認(rèn)識(shí)能量簡(jiǎn)稱為能.一個(gè)物體能夠?qū)ν庾龉Γ覀兙驼f(shuō)這個(gè)物體具有能量.二、能量形式的多樣性物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式是多種多樣的，物質(zhì)的每一種運(yùn)動(dòng)形式都對(duì)應(yīng)著一種形式的能量.與物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量稱機(jī)械能.與物體內(nèi)大量分子熱運(yùn)動(dòng)及分子間相互作用勢(shì)能對(duì)應(yīng)的能量稱內(nèi)能，與電磁運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量稱電磁能，與物質(zhì)的化學(xué)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量稱化學(xué)能.能量之間的相互轉(zhuǎn)化自然界中，能的表現(xiàn)形式是多種多樣的，除了機(jī)械能外，還有內(nèi)能、電能、光能、化學(xué)能等，這些能量間可以相互轉(zhuǎn)化，但總的能量不變，即遵守能的轉(zhuǎn)化和守恒定律.能量守恒定律一、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律1.定律的內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過(guò)程中總能量守恒.功是能量轉(zhuǎn)化的量度.2.定律的表達(dá)式E初=E終；E增=E減某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加，且減少量一定和增加量相等.某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等.3.用能量守恒解題的基本步驟 （1）分清有多少種形式的能（如機(jī)械能、熱能、電能等）在變化. （2）分別列出減少的能量E減和增加的能量E增的表達(dá)式.（3）列式求解.能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性熱傳導(dǎo)的方向性：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，結(jié)果使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高.也可以這樣說(shuō)，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，但熱量卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體.要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有外界的影響或幫助，就是要有外界對(duì)其做功才能完成，電冰箱就是一例.【典型例題】例1 一質(zhì)量為2kg的物塊從離地80m高處自由落下，測(cè)得落地速度為30m/s ，求下落過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)能。（g=10m/s2） 精析：這里，顯然內(nèi)能無(wú)法直接計(jì)算，但是下落過(guò)程中減少的機(jī)械能變成了內(nèi)能。 解析：根據(jù)能量守恒，產(chǎn)生的內(nèi)能為： 綠色通道：本題中雖然是“自由落下”，但是機(jī)械能并不守恒，可是能量守恒定律卻是完全能用的。具體應(yīng)用時(shí)，可以不同的思路列方程。比如“初、末狀態(tài)的能量相等”、“減少的能量等于增加的能量”等。例2 如圖4-30 ，一固定的楔形木塊，其斜面的傾角為=300，另一邊與地面垂直，頂上有一定滑輪，一柔軟的細(xì)線跨過(guò)定滑輪，兩端分別與物塊A和B連結(jié)，A的質(zhì)量為4m，B的質(zhì)量為m。開(kāi)始時(shí)將B按在地上不動(dòng)，然后放開(kāi)手，讓A沿斜面下滑而B上升。物塊A與斜面間無(wú)摩擦。設(shè)當(dāng)A沿斜面下滑S距離后，細(xì)線突然斷了。求物塊B上升的最大高度。AB圖4-30精析：本題是恒力作用的情形，可以采用隔離法，用牛頓定律求解，也可以利用機(jī)械能守恒求解?，F(xiàn)在我們直接根據(jù)普遍的能量守恒定律求解。物塊A下滑時(shí)，減少的重力勢(shì)能有三個(gè)去處：使自己的動(dòng)能增加，使物塊B的動(dòng)能、重力勢(shì)能都增加。 細(xì)線斷后，物體B做豎直上拋運(yùn)動(dòng)。解：細(xì)線斷時(shí)，A、B的速度大小相同，設(shè)為v ，B上升的高度為h1=S ，由能量守恒得：設(shè)物體B在細(xì)線斷后還能再上升h2 ，單獨(dú)對(duì)物體B上升h2的這一段用能量守恒得：聯(lián)立以上兩式可得：所以，物體B上升得最大高度為： 綠色通道：當(dāng)我們直接用普遍的能量守恒定律求解時(shí)，發(fā)現(xiàn)根本不需要再去考慮零勢(shì)能面、機(jī)械能守恒的條件等。例3 “和平號(hào)”空間站已于xx年3月23日成功地墜落在南太平洋海域，墜落過(guò)程可簡(jiǎn)化為從一個(gè)近圓軌道（可近似看作圓軌道）開(kāi)始，經(jīng)過(guò)與大氣摩擦，空間站的絕大部分經(jīng)過(guò)升溫、熔化，最后汽化而銷毀，剩下的殘片墜入大海。此過(guò)程中，空間站原來(lái)的機(jī)械能中，除一部分用于銷毀和一部分被殘片帶走外，還有一部分能量E通過(guò)其它方式散失（不考慮墜落過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的能量）。（1）試導(dǎo)出用下列各物理量的符號(hào)表示散失能量E的公式.（2）算出E的數(shù)值（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）墜落開(kāi)始時(shí)空間站的質(zhì)量M=1.17105kg；軌道離地面的高度為h=146km；地球半徑R地=6.4106m；墜落空間范圍內(nèi)重力加速度可看作g=10m/s2；入海殘片的質(zhì)量m=1.2104kg；入海時(shí)殘片的溫度比墜落開(kāi)始時(shí)升高了T=3000K；入海殘片的入海速度為聲速V0=340m/；空間站材料每1kg升溫1K平均所需能量c=1.0103J/(kg.K)；每銷毀1kg材料平均所需能量=1.0107J.精析：本題描述的是xx年世界矚目的一件大事：“和平號(hào)”空間站成功地墜落在南太平洋海域。讓繞地球運(yùn)行的空間站按照預(yù)定的路線成功墜落在預(yù)定的海域，這件事情本身就極富挑戰(zhàn)性，表達(dá)了人類征服自然改造自然的雄心和實(shí)力。仔細(xì)閱讀題目，弄清楚能量的來(lái)龍去脈，特別是減少的能量的去處。首先我們應(yīng)弄清題目所述的物理過(guò)程，建立一個(gè)正確的物理模型。 我們將空間站看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，開(kāi)始時(shí)以一定的速度繞地球運(yùn)行，具有一定的動(dòng)能和勢(shì)能，墜落開(kāi)始時(shí)空間站離開(kāi)軌道，經(jīng)過(guò)摩擦升溫，空間站大部分升溫、熔化，最后汽化而銷毀，剩下的殘片墜落大海，整個(gè)過(guò)程中，總能量是守恒的 解析：（1）根據(jù)題述條件，從近圓軌道到地面的空間中重力加速度g=10m/s2，若以地面為重力勢(shì)能的零點(diǎn)，墜落過(guò)程開(kāi)始時(shí)空間站在近圓軌道上的勢(shì)能為：Ep=Mgh. （1）以v表示空間站在軌道上的速度，可得（R地表示地球半徑，M地是地球的質(zhì)量）： （2）式中G是萬(wàn)有引力恒量。 （3）由式(2)、(3)可得空間站在軌道上的動(dòng)能： （4）由式(1)、(4)可得，在近圓軌道上空間站的機(jī)械能 （5）在墜落過(guò)程中，用于銷毀部分所需要的能量為：Q汽=(M-m). （6）用于殘片升溫所需要的能量：Q殘=cmT. （7）殘片的動(dòng)能為：E殘= （8）以E表示其他方式散失的能量，則由能量守恒定律可得： E=Q汽+E殘+Q殘+E （9）由此得：E=Mg(R地+h)+Mgh(Mm)cmT （10） (2) 將題給數(shù)據(jù)代入得：E=4.11012J.綠色通道：本題題目很長(zhǎng)，包含了較多的信息。它取材于重大的科技事件，讓人覺(jué)得尖端科技離我們并不遙遠(yuǎn)，仍然離不開(kāi)最基本的物理學(xué)原理。我們不要被它的表面現(xiàn)象所嚇到，“仔細(xì)讀題”，“建立數(shù)學(xué)模型”是關(guān)鍵?！井?dāng)堂反饋】1.能量既_，也不會(huì)_，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為_(kāi)，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到_，而能的_保持不變.2.在國(guó)際單位制中，焦耳是_、_和_的單位.3.冰塊沿地面滑動(dòng)，往往會(huì)逐漸熔化，在這一過(guò)程中是_能轉(zhuǎn)化為_(kāi)能；把鐵絲多次彎折，彎折處會(huì)發(fā)熱，是把_能轉(zhuǎn)化成_能.4.寫出下列現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化的形式.(1)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵抽水是_；(2)汽車突然緊急剎車停住是_；(3)用毛巾反復(fù)擦背，感覺(jué)后背熱了是_；(4)利用木柴燒水的過(guò)程是_.5.關(guān)于能的轉(zhuǎn)化與守恒定律的下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是A.能量能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但不能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體B.能量的形式多種多樣，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化C.一個(gè)物體能量增加了，必然伴隨著別的物體能量的減少D.能的轉(zhuǎn)化與守恒定律證明了第一類永動(dòng)機(jī)是不可能存在的6.一個(gè)物體沿粗糙斜面勻速滑下，則下列說(shuō)法正確的是A.物體機(jī)械能不變，內(nèi)能也不變B.物體機(jī)械能減少，內(nèi)能不變C.物體機(jī)械能減少，內(nèi)能增大，機(jī)械能與內(nèi)能總量減少D.物體機(jī)械能減少，內(nèi)能增大，機(jī)械能與內(nèi)能總量不變7.一輛汽車在關(guān)閉油門后繼續(xù)在水平方向上向前移動(dòng)，從能的轉(zhuǎn)化來(lái)看，它的A.動(dòng)能不變B.機(jī)械能不變C.動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能D.動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能8.在以下過(guò)程中，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的是A.冰塊在地面上滑動(dòng)時(shí)熔化B.砂輪磨刀C.水開(kāi)了會(huì)頂動(dòng)壺蓋D.火柴摩擦后燃燒9.用鐵錘打擊鐵釘，設(shè)打擊時(shí)有80的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能的50用來(lái)使鐵釘?shù)臏囟壬?問(wèn)打擊20次后，鐵釘?shù)臏囟壬叨嗌贁z氏度？已知鐵錘的質(zhì)量為1.2 kg，鐵錘打擊鐵釘時(shí)的速度是10 ms，鐵釘質(zhì)量是40 g，鐵的比熱是5.0102 J(kg).10.地球表面平均每平方米每分鐘接收2.1 J的太陽(yáng)能，試估算整個(gè)地球每分鐘所接收到的太陽(yáng)能為多少？人類每年消耗的能量換算成石油，約為50億噸，已知燃燒1 g石油得到的熱量大約是4.2104 J，計(jì)算人類每年消耗的能量為多少？人類每年消耗的能量相當(dāng)于太陽(yáng)在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)投到地球的能量？ 11.地球所接受到的太陽(yáng)能僅為太陽(yáng)所釋放出能量的極小的一部分，如此大的太陽(yáng)能是由什么能轉(zhuǎn)化來(lái)的？ 12.一次臺(tái)風(fēng)的平均能量為1.11018 J左右.臺(tái)風(fēng)登陸以后，由于和地表面的摩擦,引起了能量的消耗.這個(gè)能量的消耗是每秒1.11013 J左右.因此，如果不從外界補(bǔ)充能量，臺(tái)風(fēng)應(yīng)該在s=105 s，也就是大約一日就消失了.但是，還沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)臺(tái)風(fēng)在一日內(nèi)就消失了的事情.這說(shuō)明臺(tái)風(fēng)從什么地方得到了能夠補(bǔ)充它消耗的巨大能量.請(qǐng)你說(shuō)明補(bǔ)充的能量從什么能量轉(zhuǎn)化來(lái)的.13.一個(gè)人維持生存所必需的食品的熱量是每天1.26107 J(3000千卡)左右，若世界總?cè)丝跒?0億，試估算人類活動(dòng)所需要的能量是人類生存所必需能量的多少倍.14.拮抗肌在動(dòng)物奔跑過(guò)程中所做的功是隨著每邁一步對(duì)腿的加速和減速完成的，腿離開(kāi)地面時(shí)，腿從靜止直到接近等于身體的速度,拮抗肌做功.同樣，在腿又回到靜止的過(guò)程中，拮抗肌又做了相當(dāng)?shù)墓?現(xiàn)有一個(gè)以3 m/s的速度奔跑的質(zhì)量為70 kg的人，他每條腿的質(zhì)量約為10 kg，其步子的長(zhǎng)度(同一只腳的兩個(gè)相鄰足跡之間的距離)為2 m，此人每秒內(nèi)每條腿邁出1.5步.求此人奔跑過(guò)程中的能量消耗率(肌肉的效率約為0.25). 【參考答案】1、不會(huì)憑空產(chǎn)生 憑空消失 另一種形式 另一個(gè)物體 總量2、功 能量 熱量3、機(jī)械 內(nèi) 機(jī)械 內(nèi)4、電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 木柴的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能并通過(guò)熱傳遞傳遞給水5、A6、D7、D8、C9、24 10、1.11019 J 19 min11、核能12、水蒸氣的內(nèi)能13、7.6倍14、1080 W【反思】收獲疑問(wèn)