4.3能量的轉(zhuǎn)化與守恒 4.4能源與可持續(xù)發(fā)展學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握能量守恒定律知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一.2.了解能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性，認識人類珍惜和保護能源和資源的必要性.3.了解我國能源狀況，認識能源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的必要性.4.掌握各種功能關(guān)系，會應(yīng)用功能關(guān)系和能量守恒定律解決問題一、能量的轉(zhuǎn)化與守恒1能量的多樣性：自然界中能量的形式有多種，如：機械能、內(nèi)能、電磁能、光能、化學(xué)能、核能、生物能等，各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化2能量守恒定律：(1)內(nèi)容：能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變(2)能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的規(guī)律，它宣布第一類永動機(不消耗能量而連續(xù)不斷地對外做功，或者消耗少量能量而做大量的功的機器)是不可能(填“可能”或“不可能”)制成的二、能源與可持續(xù)發(fā)展1能量的轉(zhuǎn)化效率(1)任何機器都不可能(填“可能”或“不可能”)將輸入的能量全部轉(zhuǎn)化為有用的能量(2)能量的轉(zhuǎn)化效率.(3)機器的能量轉(zhuǎn)化效率一定小于(填“一定小于”或“可以等于”)100%.2能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性研究和事實都表明：能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，或者說，能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有不可逆性3第二類永動機不違反(填“違反”或“不違反”)能量守恒定律，但違反(填“違反”或“不違反”)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的不可逆性，因此不可能制成4能源開發(fā)、利用與環(huán)境保護(1)煤、石油、天然氣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)能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略：盡可能地開發(fā)和利用各種新能源，千方百計地提高不可再生能源的合理利用率和轉(zhuǎn)化效率，并且厲行節(jié)約，避免浪費即學(xué)即用1判斷下列說法的正誤(1)任何能量之間的轉(zhuǎn)化都遵循能量守恒定律()(2)因為能量守恒，所以我們不需要節(jié)能()(3)能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有不可逆性()(4)任何機器的能量轉(zhuǎn)化效率都低于100%.()(5)第一類永動機不能制成是因為違反了能量守恒定律()(6)第二類永動機不可能制成是因為違反了能量守恒定律()2一個質(zhì)量為60 kg的登山運動員，他登山時平均每小時登高500 m(豎直高度)，已知人體內(nèi)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能的效率為25%，那么他在3 h內(nèi)消耗的化學(xué)能為_J(g取10 m/s2)答案3.6106 J解析3 h內(nèi)增加的機械能Emgh60105003 J9105 J消耗的化學(xué)能E3.6106 J.一、對能量守恒定律的理解導(dǎo)學(xué)探究(1)在驗證機械能守恒定律的實驗中，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重物減少的重力勢能的值總大于增加的動能的值，即機械能的總量在減少機械能減少的原因是什么？減少的部分機械能是消失了嗎？(2)請說明下列現(xiàn)象中能量是如何轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的？植物進行光合作用放在火爐旁的冰融化變熱電流通過燈泡，燈泡發(fā)光答案(1)機械能減少的原因是由于要克服摩擦阻力和空氣阻力做功，機械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能不是(2)光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能內(nèi)能由火爐轉(zhuǎn)移到冰電能轉(zhuǎn)化為光能知識深化1適用范圍：能量守恒定律是貫穿物理學(xué)的基本規(guī)律，是各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律2能量守恒定律的理解某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等某個物體的能量減少，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例1(多選)從光滑斜面上滾下的物體，最后停止在粗糙的水平面上，說明()A在斜面上滾動時，只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化B在斜面上滾動時，有部分勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C在水平面上滾動時，總能量正在消失D在水平面上滾動時，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總能量守恒答案AD解析在斜面上滾動時，只有重力做功，只發(fā)生動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化；在水平面上滾動時，有摩擦力做功，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總能量是守恒的二、能量守恒定律的應(yīng)用1能量守恒定律的表達式(1)從不同狀態(tài)看，E初E末(2)從能的轉(zhuǎn)化角度看，E增E減(3)從能的轉(zhuǎn)移角度看，EA增EB減2能量守恒定律應(yīng)用的關(guān)鍵步驟：(1)明確研究對象和研究過程(2)找全參與轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的能量，明確哪些能量增加，哪些能量減少(3)列出增加量和減少量之間的守恒式例2如圖1所示，皮帶的速度是3 m/s，兩圓心的距離s4.5 m，現(xiàn)將m1 kg的小物體輕放在左輪正上方的皮帶上，物體與皮帶間的動摩擦因數(shù)0.15，電動機帶動皮帶將物體從左輪運送到右輪正上方時，求：(g取10 m/s2)圖1(1)小物體獲得的動能Ek；(2)這一過程摩擦產(chǎn)生的熱量Q；(3)這一過程電動機多消耗的電能E.答案(1)4.5 J(2)4.5 J(3)9 J解析(1)設(shè)小物體與皮帶達到共同速度時，物體相對地面的位移為s.mgsmv2，解得s3 m<4.5 m，即物體可與皮帶達到共同速度，此時Ekmv2132 J4.5 J.(2)由mgma得a1.5 m/s2，由vat得t2 s，則Qmg(vts)0.15110(63) J4.5 J.(3)由能量守恒知，這一過程電動機多消耗的電能EEkQ4.5 J4.5 J9 J.三、功能關(guān)系的理解與應(yīng)用1功能關(guān)系概述(1)不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實現(xiàn)的，做功的過程就是能量之間轉(zhuǎn)化的過程(2)功是能量轉(zhuǎn)化的量度做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化2功與能的關(guān)系：由于功是能量轉(zhuǎn)化的量度，某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉(zhuǎn)化相聯(lián)系，具體功能關(guān)系如下：功能量轉(zhuǎn)化關(guān)系式重力做功重力勢能的改變WGEp彈力做功彈性勢能的改變WFEp合外力做功動能的改變W合Ek除重力、系統(tǒng)內(nèi)彈力以外的其他力做功機械能的改變WE機兩物體間滑動摩擦力對物體系統(tǒng)做功內(nèi)能的改變fs相對Q例3如圖2所示，在豎直平面內(nèi)有一半徑為R的圓弧軌道，半徑OA水平、OB豎直，一個質(zhì)量為m的小球自A的正上方P點由靜止開始自由下落，小球沿軌道到達最高點B時恰好對軌道沒有壓力已知AP2R，重力加速度為g，則小球從P到B的運動過程中()圖2A重力做功2mgRB機械能減少mgRC合外力做功mgRD克服摩擦力做功mgR答案D解析重力做功與路徑無關(guān)，所以WGmgR，選項A錯；小球在B點時所受重力提供向心力，即mgm，所以v，從P點到B點，由動能定理知：W合mv2mgR，故選項C錯；根據(jù)能量守恒知：機械能的減少量為|E|Ep|Ek|mgR，故選項B錯；克服摩擦力做的功等于機械能的減少量，故選項D對例4如圖3所示，在光滑的水平面上，有一質(zhì)量為M的長木塊以一定的初速度向右勻速運動，將質(zhì)量為m的小鐵塊無初速度地輕放到長木塊右端，小鐵塊與長木塊間的動摩擦因數(shù)為，當(dāng)小鐵塊在長木塊上相對長木塊滑動L時與長木塊保持相對靜止，此時長木塊對地的位移為l，求這個過程中：圖3(1)小鐵塊增加的動能；(2)長木塊減少的動能；(3)系統(tǒng)機械能的減少量；(4)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量答案(1)mg(lL)(2)mgl(3)mgL(4)mgL解析畫出這一過程兩物體位移示意圖，如圖所示(1)根據(jù)動能定理得mg(lL)Ek即小鐵塊動能的增加量等于滑動摩擦力對小鐵塊做的功(2)摩擦力對長木塊做負功，根據(jù)功能關(guān)系得EkMmgl，即長木塊減少的動能等于長木塊克服摩擦力做的功mgl.(3)系統(tǒng)機械能的減少量等于系統(tǒng)克服摩擦力做的功EmgL.(4)m、M間相對滑動的位移為L，根據(jù)能量守恒定律，有QmgL，即摩擦力對系統(tǒng)做的總功等于系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，也等于系統(tǒng)減少的機械能1(能源的利用)關(guān)于能源的開發(fā)和應(yīng)用，下列說法中正確的是()A能源應(yīng)用的過程就是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程B化石能源的能量歸根結(jié)底來自于太陽能，因此化石能源永遠不會枯竭C在廣大的農(nóng)村推廣沼氣前景廣闊、意義重大，既變廢為寶，減少污染，又大量節(jié)約能源D隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤炭資源將取之不盡、用之不竭答案C解析能源應(yīng)用過程并不單純是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程，各種轉(zhuǎn)化形式均可為人類服務(wù)，A錯誤；化石能源的能量雖然來自太陽能，但要經(jīng)過數(shù)億年的地質(zhì)演變才能形成，且儲量有限，為不可再生能源，B錯誤；在廣大農(nóng)村推廣沼氣對改善農(nóng)村環(huán)境、節(jié)約能源意義重大，功在當(dāng)代，利在千秋，C正確；無論技術(shù)先進與否，煤炭資源不可能取之不盡、用之不竭，D錯誤2(功能關(guān)系)(多選)如圖4所示，質(zhì)量為M的木塊放在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的子彈以速度v0沿水平方向射中木塊，并最終留在木塊中與木塊一起以速度v運動已知當(dāng)子彈相對木塊靜止時，木塊前進距離為l，子彈進入木塊的深度為d，若木塊對子彈的阻力f視為恒定，則下列關(guān)系式中正確的是()圖4AflMv2BfdMv2Cfdmv02(Mm)v2Df(ld)mv02mv2答案ACD解析畫出運動過程示意圖，從圖中不難看出，當(dāng)木塊前進距離為l，子彈進入木塊的深度為d時，子彈相對于地面發(fā)生的位移為ld.由牛頓第三定律知，子彈對木塊的作用力大小也為f.子彈對木塊的作用力對木塊做正功，由動能定理得flMv2木塊對子彈的作用力對子彈做負功，由動能定理得f(ld)mv2mv02由得fdmv02(Mm)v2所以，本題正確選項為A、C、D.3(能量守恒定律的應(yīng)用)如圖5所示，一物體質(zhì)量m2 kg，在傾角37的斜面上的A點以初速度v03 m/s下滑，A點距彈簧上端B的距離AB4 m當(dāng)物體到達B后將彈簧壓縮到C點，最大壓縮量BC0.2 m，然后物體又被彈簧彈上去，彈到最高位置為D點，D點距A點AD3 m擋板及彈簧質(zhì)量不計，g取10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8.求：(小數(shù)點后保留兩位小數(shù))圖5(1)物體與斜面間的動摩擦因數(shù)；(2)彈簧的最大彈性勢能Epm.答案(1)0.52(2)24.46 J解析(1)物體從開始位置A點到最后D點的過程中，彈性勢能沒有發(fā)生變化，動能和重力勢能減少，機械能的減少量為EEkEpmv02mglADsin 37物體克服摩擦力產(chǎn)生的熱量為Qfs其中s為物體的路程，即s5.4 mfmgcos 37由能量守恒定律可得EQ由式解得0.52.(2)物體由A到C的過程中，動能減小Ekmv02重力勢能減少EpmglACsin 37摩擦生熱QflACmgcos 37lAC由能量守恒定律得彈簧的最大彈性勢能為EpmEkEpQ聯(lián)立解得Epm24.46 J.一、選擇題考點一能源的利用1利用能源的過程實質(zhì)上是()A能量的消失過程B能量的創(chuàng)造過程C能量不守恒的過程D能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移并且耗散的過程答案D解析利用能源的過程實質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程，在能源的利用過程中能量是耗散的，A、B、C錯誤，D正確2能源在“兩型”社會的建設(shè)中有著重要的意義，節(jié)約用電應(yīng)成為現(xiàn)代公民的行為準(zhǔn)則下列用電方式中屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電的是()A家電盡量長時間待機B用節(jié)能燈替換白熾燈C樓道、走廊照明燈盡量不采用聲、光控制D不要清除冰箱內(nèi)的冰、霜答案B解析待機浪費電，家電盡量不要長時間待機，才屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故A錯誤；用節(jié)能燈替換白熾燈，可節(jié)約用電，故B正確；樓道、走廊照明燈采用聲、光控制，才屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故C錯誤；清除冰箱內(nèi)的冰、霜，能夠提高冰箱的工作效率，才屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故D錯誤考點二功能關(guān)系3(多選)如圖1所示，木塊靜止在光滑水平桌面上，一子彈(可視為質(zhì)點)水平射入木塊的深度為d時，子彈與木塊相對靜止，在子彈入射的過程中，木塊沿桌面移動的距離為s，木塊對子彈的平均阻力為f，那么在這一過程中正確的是()圖1A木塊的機械能增量為fsB子彈的機械能減少量為f(sd)C系統(tǒng)的機械能減少量為fdD系統(tǒng)的機械能減少量為f(sd)答案ABC解析木塊機械能的增量等于子彈對木塊的作用力f做的功fs，A對；子彈機械能的減少量等于動能的減少量，即子彈克服阻力做的功f(sd)，B對；系統(tǒng)增加的機械能等于力f做的總功，即Efsf(sd)fd，故機械能減少量為fd，C對，D錯【考點】各種功能關(guān)系及應(yīng)用【題點】各種功能關(guān)系及應(yīng)用4(多選)如圖2所示，在粗糙的桌面上有一個質(zhì)量為M的物塊，通過輕繩跨過定滑輪與質(zhì)量為m的小球相連，不計輕繩與滑輪間的摩擦，在小球下落的過程中，下列說法正確的是()圖2A小球的機械能守恒B物塊與小球組成的系統(tǒng)機械能守恒C若小球勻速下降，小球減少的重力勢能等于物塊M與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量D若小球加速下降，小球減少的機械能大于物塊M與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量答案CD解析由于繩子對小球做負功，因此小球的機械能減小，A錯誤；由于桌面粗糙，摩擦力對M做負功，因此物塊與小球組成的系統(tǒng)機械能減小，B錯誤；若小球勻速下降，根據(jù)能量守恒，小球減小的重力勢能沒有轉(zhuǎn)化為動能，而是完全轉(zhuǎn)化為物塊M與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量，C正確；若小球加速下降，則小球減小的機械能一部分轉(zhuǎn)化為摩擦產(chǎn)生的熱量，另一部分轉(zhuǎn)化為M的動能，因此D正確【考點】各種功能關(guān)系及應(yīng)用【題點】各種功能關(guān)系及應(yīng)用考點三能量守恒定律的應(yīng)用5兩塊完全相同的木塊A、B，其中A固定在水平桌面上，B放在光滑的水平桌面上，兩顆同樣的子彈以相同的水平速度射入兩木塊，穿透后子彈的速度分別為vA、vB，在子彈穿透木塊過程中因克服摩擦力產(chǎn)生的熱量分別為QA、QB，設(shè)木塊對子彈的摩擦力大小一定，則()AvA>vB，QA>QB BvA<vB，QAQBCvAvB，QA<QB DvA>vB，QAQB答案D解析兩顆同樣的子彈穿透木塊的過程中，摩擦阻力f相同，子彈相對木塊滑動的距離相同，所以摩擦力做功過程中產(chǎn)生的內(nèi)能Qfs相同，根據(jù)能量守恒定律有：mv2QAmv，mv2QBmvmBv2，由以上兩式可知vA>vB，綜上所述選項D正確6(多選)質(zhì)量為m1、m2的兩物體，靜止在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的人站在m1上用恒力F拉繩子，經(jīng)過一段時間后，兩物體的速度大小分別為v1和v2，位移分別為s1和s2，如圖3所示，則這段時間內(nèi)此人所做的功的大小等于()圖3AFs2BF(s1s2)C.m2v22(mm1)v12D.m2v22答案BC解析根據(jù)能量守恒可知，人通過做功消耗的化學(xué)能將全部轉(zhuǎn)化為物體m1和m2的動能以及人的動能，所以人做的功的大小等于F(s1s2)，也等于m2v22(mm1)v12，即B、C正確二、非選擇題7(能量的利用)一臺水輪發(fā)電機組，每秒有2.0 m3的水流過水輪機，若河壩水位高度差是20 m，則水每秒對水輪機最多能做多少功？若有40%的機械能轉(zhuǎn)化為電能，問發(fā)電機的輸出功率為多大？(水的密度103 kg/m3，g取10 N/kg)答案4105 J1.6105 W解析若使水對水輪機做功最多，則把水的重力勢能全部轉(zhuǎn)化為水輪機的機械能則每秒對水輪機做功為WmghgVh10310220 J4105 J由P得P出1.6105 W.