高中物理第七章机械能守恒定律10能量守恒定律与能源学案.pdf

小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学10 能量守恒定律与能源 学习目标 1.了解各种不同形式的能，知道能量守恒定律确立的两类重要事实.2.能够叙述能量守恒定律的内容，会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题.3.了解能量耗散，知道能源短缺和环境恶化问题，增强节约能源和环境保护意识.一、能量守恒定律1.建立能量守恒定律的两类重要事实(1)确认了永动机的不可能(填“可能”或“不可能”)性.(2)发现了各种自然现象之间能量的相互联系与转化.2.内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变.3.意义：能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃.它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式.二、能源和能量耗散1.能源与人类社会：人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期.自工业革命以来，煤和石油成为人类的主要能源.2.能量耗散：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用.3.能源危机的含义：在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了.4.能量转化的方向性：能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源.1.判断下列说法的正误.(1)当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多.()(2)做功越多，能量的转化也越多.()(3)外力对物体不做功，这个物体就没有能量.()(4)在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少.()(5)世上总能量不变，所以我们不需要节约能源.()(6)人类不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造.()小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学2.质量为 0.4kg 的皮球，从离地面高0.5m 处自由落下，与地面碰撞后以2m/s 的速度反弹，不计空气阻力，g取 10 m/s2，碰撞时损失的机械能为_，损失的机械能转化为_能.答案1.2J 内一、对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.2.请说明下列现象中能量是如何转化或转移的？(1)植物进行光合作用.(2)放在火炉旁的冰融化变热.(3)电流通过灯泡，灯泡发光.答案(1)光能转化为化学能(2)内能由火炉转移到冰(3)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.对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，则()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，总能量守恒答案AD 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，故选A、D.【考点】对能的转化与守恒的理解小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学【题点】机械能和内能的转化二、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3 m/s，两圆心的距离s4.5 m，现将m 1 kg 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 10 m/s2)图 1(1)小物体获得的动能Ek；(2)这一过程摩擦产生的热量Q；(3)这一过程电动机消耗的电能E.答案(1)4.5J(2)4.5J(3)9J 解析(1)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.mgs12mv2，解得s 3mvB，QAQBB.vAvB，QAQBC.vAvB，QAvB，QAQB答案D 解析两颗同样的子弹穿透木块的过程中，摩擦阻力Ff相同，子弹相对木块滑动的距离相同，所以摩擦力做功过程中产生的内能QFfx相同，根据能量守恒定律有：12mv2QA12mvA2，12mv2QB12mvB212mBv2，由以上两式可知vAvB，故选项D正确.【考点】能量守恒定律的理解与基本应用【题点】摩擦生热及内能的理解与计算考点二功能关系5.如图 2 所示为低空跳伞表演，假设质量为m的跳伞运动员，由静止开始下落，在打开伞之前受恒定阻力作用，下落的加速度为45g，在运动员下落h的过程中，下列说法正确的是()图 2 A.运动员的重力势能减少了45mghB.运动员的动能增加了45mghC.运动员克服阻力所做的功为45mghD.运动员的机械能减少了45mgh答案B 解析在运动员下落h的过程中，重力势能减少了mgh，故 A错误；根据牛顿第二定律得，运动员所受的合力为F合ma45mg，则根据动能定理得，合力做功为45mgh，则动能增加了45mgh，故 B 正确；合力做功等于重力做功与阻力做功的代数和，因为重力做功为mgh，则运动员克服阻力做功15mgh，故 C错误；重力势能减少了mgh，动能增加了45mgh，故机械能减少小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学了15mgh，故 D错误.【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用6.(多选)某运动员采用蹲踞式起跑，在发令枪响后，左脚迅速蹬离起跑器，在向前加速的同时提升身体重心.如图 3 所示，假设该运动员的质量为m，在起跑时前进的距离s内，重心升高量为h，获得的速度为v，重力加速度为g，则此过程中()图 3 A.运动员克服重力做功WGmghB.运动员的机械能增加了12mv2C.运动员的机械能增加了12mv2mghD.运动员对自身做功W12mv2mgh答案ACD 解析运动员在此过程中重力势能增加mgh，动能增加12mv2，机械能增加12mv2mgh，A、C正确，B错误.运动员通过蹬地对自身做功，做功的量为其机械能的增量，D正确.【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用7.(多选)如图 4 所示，木块静止在光滑水平桌面上，一子弹(可视为质点)水平射入木块的深度为d时，子弹与木块相对静止，在子弹入射的过程中，木块沿桌面移动的距离为x，木块对子弹的平均阻力为Ff，那么在这一过程中正确的是()图 4 A.木块的机械能增量为FfxB.子弹的机械能减少量为Ff(xd)C.系统的机械能减少量为FfdD.系统的机械能减少量为Ff(xd)答案ABC 小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学解析木块机械能的增量等于子弹对木块的作用力Ff做的功Ffx，A 对；子弹机械能的减少量等于动能的减少量，即子弹克服阻力做的功Ff(xd)，B对；系统增加的机械能等于力Ff做的总功，即 EFfxFf(xd)Ffd，故机械能减少量为Ffd，C对，D错.【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用8.(多选)如图 5 所示，在粗糙的桌面上有一个质量为M的物块，通过轻绳跨过定滑轮与质量为m的小球相连，不计轻绳与滑轮间的摩擦，在小球下落的过程中，下列说法正确的是()图 5 A.小球的机械能守恒B.物块与小球组成的系统机械能守恒C.若小球匀速下降，小球减少的重力势能等于物块M与桌面间摩擦产生的热量D.若小球加速下降，小球减少的机械能大于物块M与桌面间摩擦产生的热量答案CD 解析由于绳子对小球做负功，因此小球的机械能减小，A错误；由于桌面粗糙，摩擦力对M做负功，因此物块与小球组成的系统机械能减小，B错误；若小球匀速下降，根据能量守恒，小球减小的重力势能没有转化为动能，而是完全转化为物块M与桌面间摩擦产生的热量，C正确；若小球加速下降，则小球减小的机械能一部分转化为摩擦产生的热量，另一部分转化为M的动能，因此D正确.【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用9.(多选)如图 6 所示，轻质弹簧的一端与固定的竖直板P拴接，另一端与物体A相连，物体A静止于光滑水平桌面上，右端接一细线，细线绕过光滑的定滑轮与物体B相连.开始时用手托住B，让细线恰好伸直，然后由静止释放B，直至B获得最大速度.下列有关该过程的分析正确的是()图 6 A.B物体的机械能一直减小小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学B.B物体的动能增加量等于B物体重力势能的减少量C.B物体机械能的减少量等于弹簧的弹性势能的增加量D.细线拉力对A做的功等于A物体与弹簧所组成的系统机械能的增加量答案AD 解析从开始到B速度达到最大的过程中，细线的拉力对B一直做负功，所以B的机械能一直减小，故A正确；对于B物体，只有重力与细线拉力做功，根据动能定理可知，B物体动能的增加量等于它所受重力与拉力做功之和，不等于它的重力势能的减少量，故 B错误；整个系统中，根据功能关系可知，B减少的机械能转化为A的机械能以及弹簧的弹性势能，故B物体机械能的减少量大于弹簧弹性势能的增加量，故C错误；系统机械能的增加量等于系统除重力和弹簧弹力之外的力所做的功，A物体与弹簧所组成的系统机械能的增加量等于细线拉力对A做的功，故D正确.【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用10.(多选)质量为m1、m2的两物体，静止在光滑的水平面上，质量为m的人站在m1上用恒力F拉绳子，经过一段时间后，两物体的速度大小分别为v1和v2，位移分别为x1和x2，如图 7所示，则这段时间内此人所做的功的大小等于()图 7 A.Fx2B.F(x1x2)C.12m2v2212(mm1)v12D.12m2v22答案BC 解析根据能量守恒可知，人通过做功消耗的化学能将全部转化为物体m1和m2的动能以及人的动能，所以人做的功的大小等于F(x1x2)12m2v2212(mm1)v12，故 B、C正确.【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用二、非选择题11.(能量守恒定律)如图 8 所示，质量为m的小铁块A(A的长度可忽略)以水平速度v0从左侧冲上质量为m1、长为l、置于光滑水平面C上的木板B，刚好不从木板上掉下，已知A、B间的动摩擦因数为，重力加速度为g，此时木板对地位移为x1，求这一过程中：小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学图 8(1)木板增加的动能；(2)小铁块减少的动能；(3)系统机械能的减少量；(4)系统产生的热量.答案(1)mgx1(2)mg(x1l)(3)mgl(4)mgl解析(1)对木板B根据动能定理得mgx112m1v20 所以木板增加的动能EkBmgx1.(2)滑动摩擦力对小铁块A做负功，根据能量关系可知EkA12mv212mv02 mg(x1l)即小铁块的动能减少了mg(x1l)(3)系统机械能的减少量为E减 EkAEkBmgl.(4)根据能量守恒定律，系统减少的机械能全部转化为内能，则QE减mgl.【考点】板块模型的处理【题点】板块模型的处理12.(能量守恒定律)如图 9 所示，绷紧的皮带与水平面的夹角30，皮带在电动机的带动下，始终保持v02m/s 的速率运行，现把一质量为m10 kg 的工件(可看成质点)轻轻放在皮带的底端，经过时间1.9 s，工件被传送到h1.5 m 的高处，取g10 m/s2，求：图 9(1)工件与皮带间的动摩擦因数；(2)电动机由于传送工件多消耗的电能.答案(1)32(2)230J 小学+初中+高中+努力=大学小学+初中+高中+努力=大学解析(1)由题图可知，皮带长xhsin 3m.工件速度达到v0前，做匀加速运动的位移x1v t1v02t1，匀速运动的位移为xx1v0(tt1)，解得加速运动的时间t10.8s.加速运动的位移x10.8m，所以加速度av0t12.5m/s2，由牛顿第二定律有：mgcosmgsin ma，解得：32.(2)从能量守恒的观点看，显然电动机多消耗的电能用于增加工件的动能、势能以及克服皮带与工件之间发生相对位移时摩擦力做功产生的热量.在时间t1内，皮带运动的位移x皮v0t11.6m，在时间t1内，工件相对皮带的位移x相x皮x1 0.8m，在时间t1内，摩擦生热Qmgcosx相60J，工件获得的动能Ek12mv0220J，工件增加的重力势能Epmgh150J，电动机多消耗的电能WQEkEp230J.【考点】传送带问题的处理【题点】传送带问题的处理