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十五章 功和机械能1.功 （1）功的定义:力和作用在力的方向上通过的位移的乘积.是描述力对空间积累效应的物理量，是过程量. 定义式:W=Fscos，其中F是力，s是力的作用点位移（对地），是力与位移间的夹角. （2）功的大小的计算方法: 恒力的功可根据W=FScos进行计算，本公式只适用于恒力做功.根据W=Pt，计算一段时间内平均做功. 利用动能定理计算力的功，特别是变力所做的功.根据功是能量转化的量度反过来可求功. （3）摩擦力、空气阻力做功的计算:功的大小等于力和路程的乘积. 发生相对运动的两物体的这一对相互摩擦力做的总功:W=fd（d是两物体间的相对路程），且W=Q（摩擦生热） 2.功率 （1）功率的概念:功率是表示力做功快慢的物理量，是标量.求功率时一定要分清是求哪个力的功率，还要分清是求平均功率还是瞬时功率. （2）功率的计算 平均功率:P=W/t（定义式） 表示时间t内的平均功率，不管是恒力做功，还是变力做功，都适用. 瞬时功率:P=Fvcos P和v分别表示t时刻的功率和速度，为两者间的夹角. （3）额定功率与实际功率 ： 额定功率:发动机正常工作时的最大功率. 实际功率:发动机实际输出的功率，它可以小于额定功率，但不能长时间超过额定功率. （4）交通工具的启动问题通常说的机车的功率或发动机的功率实际是指其牵引力的功率. 以恒定功率P启动:机车的运动过程是先作加速度减小的加速运动，后以最大速度v m=P/f 作匀速直线运动， . 以恒定牵引力F启动:机车先作匀加速运动，当功率增大到额定功率时速度为v1=P/F，而后开始作加速度减小的加速运动，最后以最大速度vm=P/f作匀速直线运动。 3.动能:物体由于运动而具有的能量叫做动能.表达式:Ek=mv2/2 （1）动能是描述物体运动状态的物理量.（2）动能和动量的区别和联系 动能是标量，动量是矢量，动量改变，动能不一定改变;动能改变，动量一定改变. 两者的物理意义不同:动能和功相联系，动能的变化用功来量度;动量和冲量相联系，动量的变化用冲量来量度.两者之间的大小关系为EK=P2/2m 4. 动能定理:外力对物体所做的总功等于物体动能的变化.表达式（1）动能定理的表达式是在物体受恒力作用且做直线运动的情况下得出的.但它也适用于变力及物体作曲线运动的情况. （2）功和动能都是标量，不能利用矢量法则分解，故动能定理无分量式. （3）应用动能定理只考虑初、末状态，没有守恒条件的限制，也不受力的性质和物理过程的变化的影响.所以，凡涉及力和位移，而不涉及力的作用时间的动力学问题，都可以用动能定理分析和解答，而且一般都比用牛顿运动定律和机械能守恒定律简捷. （4）当物体的运动是由几个物理过程所组成，又不需要研究过程的中间状态时，可以把这几个物理过程看作一个整体进行研究，从而避开每个运动过程的具体细节，具有过程简明、方法巧妙、运算量小等优点. 5.重力势能 （1）定义:地球上的物体具有跟它的高度有关的能量，叫做重力势能，. 重力势能是地球和物体组成的系统共有的，而不是物体单独具有的.重力势能的大小和零势能面的选取有关.重力势能是标量，但有“+”、“-”之分. （2）重力做功的特点:重力做功只决定于初、末位置间的高度差，与物体的运动路径无关.WG =mgh. （3）做功跟重力势能改变的关系:重力做功等于重力势能增量的负值.即WG =- . 6.弹性势能:物体由于发生弹性形变而具有的能量. 7.机械能守恒定律 （1）动能和势能（重力势能、弹性势能）统称为机械能，E=E k +E p . （2）机械能守恒定律的内容:在只有重力（和弹簧弹力）做功的情形下，物体动能和重力势能（及弹性势能）发生相互转化，但机械能的总量保持不变. （3）机械能守恒定律的表达式 （4）系统机械能守恒的三种表示方式: 系统初态的总机械能E 1 等于末态的总机械能E 2 ，即E1 =E2 系统减少的总重力势能E P减 等于系统增加的总动能E K增 ，即E P减 =E K增 若系统只有A、B两物体，则A物体减少的机械能等于B物体增加的机械能，即E A减 =E B增 注意解题时究竟选取哪一种表达形式，应根据题意灵活选取;需注意的是:选用式时，必须规定零势能参考面，而选用式和式时，可以不规定零势能参考面，但必须分清能量的减少量和增加量. （5）判断机械能是否守恒的方法 用做功来判断:分析物体或物体受力情况（包括内力和外力），明确各力做功的情况，若对物体或系统只有重力或弹簧弹力做功，没有其他力做功或其他力做功的代数和为零，则机械能守恒. 用能量转化来判定:若物体系中只有动能和势能的相互转化而无机械能与其他形式的能的转化，则物体系统机械能守恒. 对一些绳子突然绷紧，物体间非弹性碰撞等问题，除非题目特别说明，机械能必定不守恒，完全非弹性碰撞过程机械能也不守恒. 8.功能关系 （1）当只有重力（或弹簧弹力）做功时，物体的机械能守恒. （2）重力对物体做的功等于物体重力势能的减少:W G =E p1 -E p2 . （3）合外力对物体所做的功等于物体动能的变化:W 合 =E k2 -E k1 （动能定理） （4）除了重力（或弹簧弹力）之外的力对物体所做的功等于物体机械能的变化:W F =E 2 -E 1 9.能量和动量的综合运用 动量与能量的综合问题，是高中力学最重要的综合问题，也是难度较大的问题.分析这类问题时，应首先建立清晰的物理图景，抽象出物理模型，选择物理规律，建立方程进行求解.这一部分的主要模型是碰撞.而碰撞过程，一般都遵从动量守恒定律，但机械能不一定守恒，对弹性碰撞就守恒，非弹性碰撞就不守恒，总的能量是守恒的，对于碰撞过程的能量要分析物体间的转移和转换.从而建立碰撞过程的能量关系方程.根据动量守恒定律和能量关系分别建立方程，两者联立进行求解，是这一部分常用的解决物理问题的方法. 第十六章 热和能复习提纲一、分子热运动：1、物质是由分子组成的。分子若看成球型，其直径以10-10m来度量。2、一切物体的分子都在不停地做无规则的运动 扩散：不同物质在相互接触时，彼此进入对方的现象。扩散现象说明：A分子之间有间隙。B分子在做不停的无规则的运动。课本中的装置下面放二氧化氮这样做的目的是：防止二氧化氮扩散被误认为是重力作用的结果。实验现象：两瓶气体混合在一起颜色变得均匀，结论：气体分子在不停地运动。固、液、气都可扩散，扩散速度与温度有关。分子运动与物体运动要区分开：扩散、蒸发等是分子运动的结果，而飞扬的灰尘，液、气体对流是物体运动的结果。3、分子间有相互作用的引力和斥力。 当分子间的距离分子间平衡距离 r ，引力斥力。时，引力斥力，斥力起主要作用，固体和液体很难被压缩是因为：分子之间的斥力起主要作用。时，引力斥力，引力起主要作用。固体很难被拉断，钢笔写字，胶水粘东西都是因为分子之间引力起主要作用。当10时，分子之间作用力十分微弱，可忽略不计。 破镜不能重圆的原因是：镜块间的距离远大于分子之间的作用力的作用范围，镜子不能因分子间作用力而结合在一起。在研究分子间的作用力时，这里采用的科学研究方法：理想模型法。练习：用细线把很干净的玻璃板吊在弹簧测力计的下面，记住测力计的读数，使玻璃板水平接触水面，然后稍稍用力向上拉玻璃板，弹簧测力计的读数有什么变化？解释原因？玻璃板是否受到浮力？答：弹簧测力计的读数变大，因为玻璃板接触水面时玻璃分子和水分子之间存在引力，所以示数变大，但不受浮力，因为玻璃坂未浸入液体，或者说没有排开液体，因而不受浮力。二、内能：1、内能：物体内部所有分子做无规则运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能。2、一切物体都具有内能。物体在任何情况下都有内能：既然物体内部分子永不停息地运动着和分子之间存在着相互作用，那么内能是无条件的存在着。无论是高温的铁水，还是寒冷的冰块。3、影响物体内能大小的因素：温度：在物体的质量，材料、状态相同时，温度越高物体内能越大。质量：在物体的温度、材料、状态相同时，物体的质量越大，物体的内能越大。材料：在温度、质量和状态相同时，物体的材料不同，物体的内能可能不同。存在状态：在物体的温度、材料质量相同时，物体存在的状态不同时，物体的内能也可能不同。4、内能与机械能不同：机械能是宏观的，是物体作为一个整体运动所具有的能量，它的大小与机械运动有关内能是微观的，是物体内部所有分子做无规则运动的能的总和。内能大小与分子做无规则运动快慢及分子间相互作用情况有关。这种无规则运动是分子在物体内的运动，而不是物体的整体运动。5、热运动：物体内部大量分子的无规则运动叫做热运动。 温度越高扩散越快。温度越高，分子无规则运动的速度越大。三、内能的改变：1、内能改变的外部表现：物体温度升高（降低）物体内能增大（减小）。物体存在状态改变（熔化、汽化、升华）内能改变。反过来，不能说内能改变必然导致温度变化。（因为内能的变化有多种因素决定）2、改变内能的方法：做功和热传递。A、做功改变物体的内能：做功可以改变内能：对物体做功物体内能会增加。物体对外做功物体内能会减少。做功改变内能的实质是内能和其他形式的能的相互转化如果仅通过做功改变内能，可以用做功多少度量内能的改变大小。（）解释事例：图15.2-5甲看到棉花燃烧起来了，这是因为活塞压缩空气做功，使空气内能增加，温度升高，达到棉花燃点使棉花燃烧。钻木取火：使木头相互摩擦，人对木头做功，使它的内能增加，温度升高，达到木头的燃点而燃烧。图15.2-5乙看到当塞子跳起来时，容器中出现了雾，这是因为瓶内空气推动瓶塞对瓶塞做功，内能减小，温度降低，使水蒸气液化凝成小水滴。B、热传递可以改变物体的内能。热传递是热量从高温物体向低温物体或从同一物体的高温部分向低温部分传递的现象。热传递的条件是有温度差，传递方式是：传导、对流和辐射。热传递传递的是内能（热量），而不是温度。热传递过程中，物体吸热，温度升高，内能增加；放热温度降低，内能减少。热传递过程中，传递的能量的多少叫热量，热量的单位是焦耳。热传递的实质是内能的转移。 C、做功和热传递改变内能的区别：由于它们改变内能上产生的效果相同，所以说做功和热传递改变物体内能上是等效的。但做功和热传递改变内能的实质不同，前者能的形式发生了变化，后者能的形式不变。D、 用功和热量来量度内能的改变。 E、温度、热量、内能 区别：温度：表示物体的冷热程度。 温度升高 内能增加 不一定吸热。如：钻木取火，摩擦生热。热量：是一个过程。 吸收热量 不一定升温。如：晶体熔化，水沸腾。 内能不一定增加。如：吸收的热量全都对外做功，内能可能不变。内能：是一个状态量 内能增加 不一定升温。如：晶体熔化，水沸腾。 不一定吸热。如：钻木取火，摩擦生热温度升高（ ） 内能一定增加 内能增加（ ）温度一定升高温度升高（ ）一定吸收热量 吸收热量（ ）温度一定升高吸收热量（ ）内能一定增加 内能增加（ ）一定吸收热量练习：指出下列各物理名词中“热”的含义：今天天气真热的“热”是指：温度 燃烧燃烧放热的“热”是指内能 热现象中的“热”是指：温度 热膨胀中的“热”是指：温度 摩擦生热中的“热”是指：内能（热能）物体吸热的“热”是指：热量练习：把一个薄壁金属管固定在桌上，里面放一些酒精，用塞子塞紧，拿一根绳子在管外绕几圈并迅速地来回拉绳子。用能量的转化来解释你看到的现象。答：塞子被冲出，瓶口出现雾，来回拉绳子，克服磨擦做功，使金属管的内能增加，这一过程，实现了机械能转化为内能，温度升高，达到了酒精的沸点，使酒精沸腾，酒精蒸气膨胀对外做功，这一过程实现了内能转化为机械能，将塞子冲出，酒精蒸气的内能减少，温度降低，酒精蒸气液化为小液滴，瓶口出现白气。四、热量：1、比热容： 定义：单位质量的某种物质温度升高（降低）1时吸收（放出）的热量。 物理意义：表示物体吸热或放热的本领的物理量。 比热容是物质的一种特性，大小与物体的种类、状态有关，与质量、体积、温度、密度、吸热放热、形状等无关。 水的比热容为4.2103J(kg) 表示：1kg的水温度升高（降低）1吸收（放出）的热量为4.2103J水常调节气温、取暖、作冷却剂、散热，是因为水的比热容大6在比较不同物质的吸热能力时，选取相同的电加热器的目的是：在相同的时间内吸热相同。用相同的电加热器给质量相同的水和食用油加热相同时间，哪个温度升高得快？食用油温度升高快，可得结论：质量相同的水和食用油吸收相同的热量，食用油升高温度快。要使水和食用油升高相同的温度，在（1）的基础上，应怎么办？停止加热食用油，继续给水加热。用相同的电加热器给质量相同的水和食用油加热，使他们升温相同，水加热的时间长，可得结论：质量相同的水和食用油，升高相同的温度，水吸收的热量比食用油多。2、计算公式：吸c.m（tt0），放c.m（t0t）综合公式：c.m.t适用条件：不存在状态变化。3、热平衡方程：不计热损失 放吸存在热量损失：放吸练习：水的比热容大，在日常生活中有广泛应用，为什么采用循环的热水来取暖？为什么采用冷水来冷却发动机？答：对于一定质量的某种液体，当降低相同温度时，比热容越大，则放热越多，因为水的比热容较大，所以选用热水来取暖。对于一定质量的某种液体，当升高相同温度时，比热容越大，则吸热越多，因为水的比热容较大，所以选用冷水来冷却发动机。练习：热导效应成因：城市的人口、工厂、交通工具排放出大量的热。钢筋水泥、土木砖瓦以及纵横交织的道路网，它的比热容小，在阳光的照射下升温快，城市的树木、草地、少，雨水大部分从下水道排走，导致城市的水面少，水的蒸发吸热少，使城市的温度高。楼群林立，通风不良，空气难以形成对流，不利于热量向外传递。五、内能的利用、热机(一)、内能的获得燃料的燃烧 燃料燃烧：化学能转化为内能。人类获得内能的途径是燃料的燃烧.(二)、热值1、定义：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值。2、单位：J/kg(固体或液体燃料) J/m3 (气体燃料)3、关于热值的理解：对于热值的概念，要注重理解三个关键词“1kg”、“某种燃料”、“完全燃烧”。1kg是针对燃料的质量而言，如果燃料的质量不是1kg，那么该燃料完全燃烧放出的热量就不是热值。某种燃料：说明热值与燃料的种类有关。完全燃烧：表明要完全烧尽，否则1kg燃料化学能转变成内能就不是该热值所确定的值。 热值反映的是某种物质的一种燃烧特性，同时反映出不同燃料燃烧过程中，化学能转变成内能的本领大小，也就是说，它是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积等均无关。3、公式：Qmq（q为热值）。公式: Qvq(气体) 实际中，常利用Q吸Q放即cm(t-t0)=qm联合解题。4、酒精的热值是3.0107J/kg，它表示：1kg酒精完全燃烧放出的热量是3.0107J。煤气的热值是3.9107J/m3，它表示：1m3煤气完全燃烧放出的热量是3.9107J。5、火箭常用液态氢做燃料，是因为：液态氢的热值大，体积小便于储存和运输6、炉子的效率：定义：炉子有效利用的热量与燃料完全燃烧放出的热量之比。公式：=Q有效/ Q总= cm(t-t0)/ qm(三)、内能的利用 1、内能的利用方式： 利用内能来加热；从能的角度看，这是内能的转移过程。 利用内能来做功；从能的角度看，这是内能转化为机械能。2、热机：定义：利用燃料的燃烧来做功的装置。 能的转化：内能转化为机械能 蒸气机内燃机喷气式发动机3、内燃机：将燃料燃烧移至机器内部燃烧，转化为内能且利用内能来做功的机器叫内燃机。它主要有汽油机和柴油机。4、内燃机大概的工作过程：内燃机的每一个工作循环分为四个阶段：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。在这四个阶段，吸气冲程、压缩冲程和排气冲程是依靠飞轮的惯性来完成的，而做功冲程是内燃机中唯一对外做功的冲程，是由内能转化为机械能。另外压缩冲程将机械能转化为内能。5、 热机的效率：热机用来做有用功的那部分能量和完全燃烧放出的能量之比叫做热机的效率。公式：=W有用/ Q总= W有用/qm 提高热机效率的途径：使燃料充分燃烧 尽量减小各种热量损失 机件间保持良好的润滑、减小摩擦。6、汽油机和柴油机的比较：汽油机柴油机不同点构造：顶部有一个火花塞。顶部有一个喷油嘴。吸气冲程吸入汽油与空气的混合气体吸入空气点燃方式点燃式压燃式效率低高应用小型汽车、摩托车载重汽车、大型拖拉机相同点冲程：活塞在往复运动中从汽缸的一端运动到另一端。一个工作循环活塞往复运动2次，曲轴和飞轮转动2周，经历四个冲程，做功1次。1个循环活塞往复2次做功1次4个冲程曲轴、飞轮 2转7、有关计算的匹配关系（记住）8、火电站的能流图：六、能量守恒定律1、自然界存在着多种形式的能量。尽管各种能量我们还没有系统地学习，但在日常生活中我们也有所了解，如跟电现象相联系的电能，跟光现象有关的光能，跟原子核的变化有关的核能，跟化学反应有关的化学能等。2、在一定条件下，各种形式的能量可以相互转化和转移（列举学生所熟悉的事例，说明各种形式的能的转化和转移）。在热传递过程中，高温物体的内能转移到低温物体。运动的甲钢球碰击静止的乙钢球，甲球的机械能转移到乙球。在这种转移的过程中能量形式没有变。3、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；在气体膨胀做功的现象中，内能转化为机械能；在水力发电中，水的机械能转化为电能；在火力发电厂，燃料燃烧释放的化学能，转化成电能；在核电站，核能转化为电能；电流通过电热器时，电能转化为内能；电流通过电动机，电能转化为机械能。4、能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。 能量的转化和守恒定律是自然界最普遍的、最重要的定律之一。机械能守恒条件：无能量损失及无能量补充。能量守恒条件：恒成立。（无条件）第十七章 能源与可持续发展1、 能源是指能够提供能量的物质。如燃料、水力、风力等。2、 像化石能源一样、风能、太阳能、地热能以及核能，是可以从自然界直接获取的能源，统称为一次能源。我们使用的电能，无法从自然界直接获取，必须通过一次能源的消耗才能得到，所以称电能为二次能源。3、 化石能源、核能会越用越少，不可能在短期内从自然界得到补充，所以它们属于不可再生能源。4、 水的动能、风能、太阳能、生物质能，可以在自然界里源源不断得到补充所以它们属于可再生能源。5、 煤、石油、天然气，是千百万年前埋在地下的动植物经过千百万年的地质年代形成的，所以称为化石能源。6、 由生物休提供的能量，称为生物质能。7、 核能是指一旦原子核裂变或聚变，就可能释放出惊人的能量。8、 原子核被中子轰击，使其发生裂变，并释放出大量的核能，发生的反应叫链式反应。9、 核电站利用核能发电，核心设备是核反应堆，核反应堆发生的链式反应是可以控制的，原子弹爆炸时发生的链式反应是不可以控制的。10、将某些质量很小的原子核，例如氘核与氚核，在超高温下结合成新的原子核，会释放出更大的能量，这就是聚变反应。 也称为热核反应。11、 核能的优点有清洁、安全、经济；可能带来的问题是核污染。12、 太阳能是指氢原子核在超高温下发生聚变,释放出巨大的核能.13、 太阳能、风能、生物质能是地球在这50亿年中积累的太阳能是我们今天所用大部分能量的源泉。所以太阳能是人类能源的宝库。14、 人类间接利用存贮的在生物质能中的太阳能，还间接利用存贮在化石能源中的太阳能;人类直接利用太阳能的方式有两种,一种是用集热器把水等物质加热；,另一种是用太阳能转化成电能。15、 以柴薪作为主要能源的时代是人类第一次能源革命的标志.人类的主要能源由柴薪向煤、石油、天然气等化石能源转化是人类第二次能源革命的标志.核能是人类第三次能源革命的标志.16、在耗用各种能源时,大量的耗用能源会造成空气污染、废物污染、有害辐射、水土流失和沙漠化等环境问题.16、 未来的理想能源它必须满足以下4个条件:(1)必须足够丰富，可以保证长期使用。(2)必须足够便宜，可以保证多数人用得起；(3)相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用；(4)必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境。-十七：能源与可持续发展一：能源家族1：能源：凡是能为人类提供能量的物质资源，都可以叫做能源。A：能源的分类：一次能源：可以直接从自然界获取的能源主要包括煤，石油，天然气，风能，太阳能，地热能，核能等；二次能源：无法从自然界直接获取，必须通过一次能源的消耗才能得到的能源，如电能等。B：可再生能源，不可再生能源C：生物能源：由生命物质提供的能量称为生物质能。 化石能源：在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的如煤，天然气等。二：核能1：核能：当原子核在某种条件下分裂或聚合时就可能释放出巨大的能量，这就是核能 分类：裂变，聚变 核电站发电的过程中能量转化过程为：核能内能-机械能-电能，三：太阳能 太阳能：太阳能的能量来源于太阳内部的轻核聚变。 太阳能的利用：直接利用：用集热器和太阳能电池利用太阳能 间接利用：利用化石燃料四：能源革命 1人工取火-人类最早的技术革命 2：蒸汽机的发明-人类进入工业化社会五：能源与可持续发展 1：未来的理想能源：必须足够丰富，可以保证长期使用，必须足够便宜可以保证多数人用的起，相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用，必须足够安全清洁，可以保证不会严重影响环境。