第四章第六节能量的转化与守恒.doc

第六节 能量的转化与守恒

课前自主预习
1. 各种形式的能量：物质的运动是多种多样的，每一种运动形式都对应着 的能量；与物体运动和高度、形变有关的能量叫 ；组成物体粒子的无规则热运动及分子间相互作用所具有的动能与势能的总和叫 ；与电磁运动对应的能叫 ；与核子运动对应的能量叫 。
2.能量之间的转化：如树木燃烧时， 转化为 ；流动的水驱动水力发电机发电， 转化为 ；植物的光合作用， 转化为 。
3.能量转化与守恒定律：
（1）内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从 转化为 形式，或者从一个 转移到另外一个 ，而在转化和转移的过程中 保持不变．
（2）表达形式：E1 = E2 或 。
（3）“第一类永动机”违背 ，制造第一类永动机是不可能的。
4. 有关功和能，下列说法正确的是（ ）
A．力对物体做了多少的功，物体就具有多少能
B．物体具有多少能，就一定能做多少的功
C．物体做了多少功，就有多少能量消失
D．能量从一种形式转化为另一种形式时，可以用功来量度能量转化多少
解析：功是能量转化的量度而不是物体具有多少能量的量度，所以选项AB错误，选项D正确；物体做了多少功就有多少能量发生转移而不是消失，故选项C错误；
答案：D
5. 运动员把原来静止的球踢出去，使足球获得100J的动能，则在运动员踢球的过程中，运动员消耗的体能（ ）
A．等于100J B．大于100J C．小于100J D．无法确定
解析：运动员消耗的能量除了使足球获得100J的动能外，还有一部分能量转为运动员的脚所具有的动能和克服摩擦力需要消耗的动能，故选项B正确。
答案：B
答案：1.一种形式；机械能； 内能 ； 电磁能 ； 核能2.化学能 、内能 ； 机械能、电能；太阳能 、化学能3.（1）一种形式、另一种形式、物体、物体 、总能量（2）∆E增=∆E减 、 能量转化与守恒定律

课堂互动探究
图4-6-1
知识点1 能量守恒定律的理解与应用
新知探究
图4-6-1是牛顿所发明的仪器，我们用它来演示如下内容：把最左边的小球拉高释放，撞向其余静止的六个小球，将会观察到落下的小球碰撞后立即静止，最右边的 个小球弹起，弹起小球的高度 释放小球时的高度。
我们通过改变拉起的小球个数，发现弹起的小球个数 释放的数量，弹起的小球弹起的高度 释放小球时的高度。如果忽略空气阻力与摩擦力，上述现象可以一直持续下去。从能量转化的角度看是 与 发生相互转化。
答案：一，等于，等于，等于，动能，重力势能
重点归纳
对能量守恒定律的理解与应用的理解
1．理解
(1)某种形式的能量减少，一定存在另一种形式能量的增加，且减少量和增加量相等．
(2)某个物体的能量减少，一定存在别的物体的能量增加，且减少量和增加量相等．
2．意义
(1)能量守恒定律是普遍适用的，对宏观世界、微观世界、高速运动及低速运动等都成立．
(2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系，揭示了自然科学是相互联系、相互统一的．
(3)能量守恒定律的建立，揭示了自然界各种运动形式不仅具有多样性，而且具有统一性，宣布了“第一类永动机”是不可能制成的．
3．应用
(1)分清哪些能量形式的能在变化及其转化方向；
(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增；
(3)列出方程ΔE减＝ΔE增，代入数据计算．
[例1] (双选)一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，并从中穿出．对于这一过程，下列说法正确的是(　　)
A．子弹减少的机械能等于木块增加的机械能
B．子弹和木块组成的系统的机械能的损失量等于系统产生的热量
C．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和
D．子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和
解析：子弹射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减少，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失，A选项没考虑系统内能的增加，C选项应考虑系统(子弹、木块)内能的增加，故选B、D.
答案：BD
触类旁通
1.（单选）下列说法正确的是( )
A．随着科技的发展，永动机是可以制成的
B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了
C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的
D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生
解析：永动机违背了能量守恒定律，是不可能造成的，选项A错误；太阳照射到宇宙空间的能量并没有消失，而是通过光合作用等转化为其他形式的能量，选项B错误；“全自动”手表是人的手在不断摆动产生能量而转化来的并不是凭空产生的，故选项D错误。
答案：C

知识点2 功能关系的理解与运用
新知探究
图4-6-2
图4-6-2是撑杆跳高运动员的模型，运动员的助跑阶段，身体中的 转化为人和杆的 ；起跳时，运动员的 和身体中的 转化为人的 和 ，使人体上升至横杆以上；越过横杆后，运动员的 转化为 。
自然界中有许多不同形式的能量，如机械能、内能、光能、化学能、原子能等，各种形式的能之间是 的，各种能相互转化是通过 来实现的，并且能的转化多少通过 来量度，物体对外做多少功，它就等量地转化多少能量，即。能的转化和转移的过程中能的总量 。
答案：化学能，动能，动能，化学能，重力势能，动能，重力势能，动能，可以相互转化，做功，做功的多少，守恒

重点归纳
对功能关系的理解
1．功是能量转化的量度
不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的．做功的过程就是各种形式的能量之间转化的过程，做了多少功，就有多少能量发生转化，因此，功是能量转化的量度．
2．几种常见的功与能的转化关系
(1)合外力对物体做功，使其他形式的能与动能之间相互转化，表达式为W合＝ΔEk.
(2)重力做正功，重力势能减少；重力做负功，重力势能增加．重力做功等于重力势能增量的负值，表达式为WG＝－ΔEp.
(3)弹力做正功，弹性势能减少；弹力做负功，弹性势能增加．弹力做功等于弹性势能增量的负值，表达式为W弹＝－ΔE弹．
(4)除重力和弹力以外的力做功，使其他形式的能与机械能之间相互转化，表达式为W外＝ΔE.
3．解题步骤
(1)认真审题，明确研究对象和物理情景．
(2)分析研究对象的受力情况和运动情况．
(3)选定过程及确定过程中力做功和能量转化的关系．
(4)根据功能关系列方程求解．
图4－6－3
【例2】如图4－6－3所示，质量为m的物体，从半径为R的竖直半圆形轨道的边缘由静止开始下滑，滑至最低点时速度为v，则物体沿轨道下滑的过程中，产生的热能是多少？若摩擦力大小不变，则摩擦力是多大？

思路点拨：物体下滑时受重力、轨道对它的弹力和摩擦力，我们分析一下这几个力做功情况以及发生了哪些能量的变化，再对应功和能的关系列方程即可．
解析：物体由边缘到最低点的过程中，重力势能减少mgR，动能增加mv2，产生热量Q，由系统总能量守恒得ΔE增＝ΔE减
即mv2＋Q＝mgR
解得Q＝mgR－mv2
因为功是能量转化的量度，所以克服摩擦力做的功数值上等于产生的热能，即
fs＝Q
其中s＝·2πR
解得f＝
答案：见解析

触类旁通
2. (双选，2011年佛山一中期末)在奥运比赛项目中，高台跳水是我国运动员的强项．质量为m的跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设水对他的阻力大小恒为F，那么在他减速下降高度为h的过程中，下列说法正确的是(g为当地的重力加速度)( )
A．他的动能减少了Fh
B．他的重力势能减少了mgh
C．他的机械能减少了(F－mg)h
D．他的机械能减少了Fh
解析：动能减少对应合外力做功，即为(F－mg)h，A项错；重力势能减少对应过程中重力做功，即为mgh，B项正确；机械能减少对应重力以外其他力做功，即阻力的功，大小为Fh，所以C项错，D项对．
答案：BD

方法技巧\易错易混\实验透视
易错易混
能量转化和转移的方向性
1、能量转化与守恒定律表明各种形式的能量是可以相互转化，且在转化或转移过程中总和不变，但实际上，能量转化和转移也不是任意的，涉及内能的转化和转移都是有方向的。主要表现在以下两个方面。。
（1）机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化。
（2）内能总是自动地从高温物体向低温物体转移，而不能自发地从低温物体向高温物体转移。
（3）内能可以从低温物体向高温物体转移，但会引起其他变化。
与温度有关的现象叫热现象。凡是与热现象有关的物理过程都是有方向的，不可逆的。

2、第二类永动机
（1）定义：能自动从低温热源吸收热量向高温热源释放，而高温热源将得到的能量通过另一台做功装置对外做功，这样，不需要任何其他动力机械，不消耗任何其他能源，整个循环可永远进行下去。这样的机器称为第二类永动机。
（2）第二类永动机违背能量转化和转移的不可逆性（即方向性），所以第二类永动机不可能制成。

[例4] 下列说法正确的是（ ）
A．热量能自发地从高温物体传给低温物体
B．热量不能从低温物体传到高温物体
C．热传导是具有方向的
D．能量耗散说明能量是不守恒的
解析：热量能自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体，能量可以从低温物体传给高温物体但要引起其他变化，故选项AC正确，选项B错误；能量耗散是有部分能量转化为内能，但能量是守恒，选项D错误。
答案：AC
触类旁通
4. 对于“第二类永动机“下列说法正确的是（ ）
A．违背了能的转化与守恒定律，违反了热现象的宏观过程都具有方向性
B．违背了能的转化与守恒定律，不违反热现象的宏观过程都具有方向性
C．不违背能的转化与守恒定律，违反了热现象的宏观过程都具有方向性
D．不违背能的转化与守恒定律，不违反热现象的宏观过程都具有方向性
解析：第二类永动机不违背能的转化与守恒定律但是违背能量转化和转移的不可逆性（即方向性）
答案：C

随堂练习
一单项选择题
1．汽车在一段斜坡向下行驶，通过刹车使速度减小，在刹车过程中( )
A．重力势能增加 B．动能增加
C．重力做负功 D．机械能不守恒
解析：刹车时，汽车沿斜坡下滑，车速减小，有重力和阻力做功，重力做正功，因此，重力势能减小，动能减小，机械能减小，故选项D对．
答案：D
2．一物体获得一定速度后，沿着粗糙斜面上滑，在上滑过程中，下列叙述正确的是( )
A．物体的机械能全部转化为热能
B．物体的动能转化为重力势能，机械能不变
C．物体的机械能减小
D．物体的能量逐渐消失
解析：物体在上滑过程中，物体的重力和阻力做负功，重力势能增大，动能减小，机械能减小，但总能量不变，故选项C对．
答案：C
3．一个系统的机械能增大，究其原因，下列推测正确的是( )
A．可能是重力对系统做了正功
B．可能是合外力对系统做了正功
C．可能是系统克服合外力做了功
D．可能是系统克服摩擦力做了功
解析：由功能关系W外＝ΔE，知选项B对．
答案：B
4．自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是( D )
A．机械能守恒
B．能量正在消失
C．只有动能和重力势能的相互转化
D．减少的机械能转化为内能，但总能量守恒
解析：由能量转化与守恒定律可知选项D对．
答案：D
二．双项选择题
5. 关于功和能的说法正确的是( )
A．功就是能，能就是功
B．对物体做了多少功，物体就具有多少能
C．能量变化的多少是用功来量度的
D．功和能是两个不同的概念，功是过程量，能是状态量
解析：功是能量转化的量度，选项B错，C对；能和功虽然单位相同，但物理意义不同，功是过程量，能是状态量，故选项A错，D对．
答案：CD
6．下列过程中，可能发生的是( )
A．低温物体把热量自发地传到高温物体上
B．某工作设备从高温热源吸收20 kJ的热量，全部转化为机械能而没有其他任何影响
C．利用其他手段，可以使低温物体的温度更低
D．物体的动能可全部转化为内能，而不需要其他外力影响
解析：由能量转化和守恒定律的方向性，可知选项C、D对．
答案：CD

课后巩固提升
一、单项选择题
1. 1．一质量均匀、不可伸长的绳索，重为G，A、B两端固定在天花板上，如图4－6－4所示．现在最低点C处施加一竖直向下的力，将最低点缓慢拉至D点．在此过程中，绳的重心位置( )
图4-6-4

A．逐渐升高 B．逐渐降低
C．先降低后升高 D．始终不变
解析：外力对绳索做了功，由于绳索不可伸长，故绳索的重力势能增加，从而可知重心升高．
答案：A
2．运动员把原来静止的足球踢出去，使足球获得的能量为200 J，则运动员踢球过程中，运动员消耗的体能为( )
A．等于200 J B．大于200 J
C．小于200 J D．无法判断
解析：使体能转化为机械能时还要借助其他条件的作用，如运动员的脚也要获得一定的动能．
答案：B
3．水流从高处落下，对水轮机做了3×108 J的功，关于这句话的正确含义可理解为( )
A．水流在对水轮机做功前，具有3×108 J的能量
B．水流在对水轮机做功时，具有3×108 J的能量
C．水流在对水轮机做功后，具有3×108 J的能量
D．水流对水轮机做功的过程中，其能量减少了3×108 J
解析：由功是能量变化的量度可知选项D对．

答案：D
4．一子弹以水平速度v射中放在光滑水平地面上的木块且不穿出，关于子弹克服阻力做的功W，下列说法正确的是( C )
A．W等于子弹和木块系统增加的内能
B．W等于子弹和木块系统减少的机械能
C．W等于木块增加的动能和系统损失的机械能之和
D．W等于木块增加的动能
解析：阻力做功一部分转化为子弹和木块的内能，一部分转化为木块的动能，题中只有C选项正确．
答案：C
二、双项选择题
5．关于能量的转化与守恒，下列说法正确的是( )
A．能量可以从一种形式转化为另一种形式，但不能从一个物体转移到另一个物体
B．能量的形式多种多样，它们之间都可以自发地相互转化
C．一个物体的能量增加了，必然伴随别的物体的能量减少
D．第二类永动机不可能制成，是因为违反了能量转化和转移的方向性
解析： 根据能量转化与守恒定律可知答案A错误，C正确，根据能量转化和转移的方向性可知答案B错误，D正确。
答案：CD
图4－6－5
6．如图4－6－5所示，质量分别为m1和m2的两个小球A、B，带有等量异种电荷，通过绝缘轻弹簧相连接，置于绝缘光滑的水平面上．当突然加以水平向右的匀强电场后，两小球A、B将由静止开始运动，在以后的运动过程中，对两个小球和弹簧组成的系统(设整个过程中不考虑电荷间库仑力的作用且弹簧不超过弹性限度)，以下说法正确的是( )
A．系统机械能不断增加
B．系统机械能不守恒
C．当弹簧长度达到最大值时，系统机械能最小
D．当小球所受电场力与弹簧的弹力相等时，系统动能最大
解析： 整个系统只有弹簧的弹力做功，电场力做功之和为零，故系统机械能守恒，也即系统机械能时刻相同。
答案：BD
图4－6－6
7．如图4－6－6所示，A、B两物体质量分别为mA＝5 kg和mB＝4 kg，与水平地面之间的动摩擦因数分别为μA＝0.4和μB＝0.5，开始时两物体之间有一压缩的轻弹簧(不拴接)，并用细线将两物体拴接在一起放在水平地面上．现将细线剪断，则两物体将被弹簧弹开，最后两物体都停在水平地面上．下列判断正确的是( )
A．在弹簧弹开两物体以及脱离弹簧后两物体的运动过程中，整个系统的机械能守恒
B．在两物体被弹开的过程中，A、B两物体的动能先增大后减小
C．A比B先停止运动
D．A与B同时停止
解析：系统受合外力为零，动量守恒，因此同时停止．
答案：BD
8．关于功和能，下列说法不正确的是( )
A．功和能的单位相同，它们的物理意义也相同
B．做功的过程就是物体能量的转化过程
C．做了多少功，就有多少能量发生了转化
D．各种不同形式的能量可以互相转化，但在转化过程中，能的总量不一定守恒
解析：功和能的单位相同，但意义不同，功是能量转化的量度，故B、C说法正确；由能的转化与守恒可知D说法错误，因此选A、D.
答案：AD
9．一物体静止在升降机的地板上，在升降机加速上升的过程中，地板对物体支持力所做的功等于( )
A．物体势能的增加量
B．物体动能的增加量
C．物体动能的增加量加上物体势能的增加量
D．物体动能的增加量加上物体克服重力所做的功
解析：地板对物体支持力所做的功等于物体动能和重力势能的增加量，也即答案CD。
答案：CD
三．非选择题
图4－6－7
10. 10．如图4－6－7所示，光滑水平面上有一长板车，车的上表面OA段是一长为L的水平粗糙轨道，A的右侧光滑，水平轨道左侧是一光滑斜面轨道，斜面轨道与水平轨道在O点平滑连接．车右端固定一个处于锁定状态的压缩轻弹簧，其弹性势能为Ep，一质量为m的小物体(可视为质点)紧靠弹簧，小物体与粗糙水平轨道间的动摩擦因数为μ，整个装置处于静止状态．现将轻弹簧解除锁定，小物体被弹出后滑上水平粗糙轨道．车的质量为2m，斜面轨道的长度足够长，忽略小物体运动经过O点处产生的机械能损失，不计空气阻力．求当μ满足什么条件小物体能滑到斜面轨道上？
图4－6－8
解：要使小物体能滑上斜面轨道，必须满足Ep>μmgL，即当μ<时，小物体能滑上斜面轨道．
11．如图4－6－8所示，轻弹簧K一端与墙相连，质量为4 kg的木块沿光滑的水平面以5 m/s的速度运动并压缩弹簧，求弹簧在被压缩过程的最大弹性势能．
解：当弹簧压缩到具有最大弹性势能时，物体的速度为0，故物体的动能全部转化为弹性势能．则：
Epm＝mv2＝×4×52 J＝50 J.
图4－6－9
12．如图4－6－9所示，皮带的速度是3 m/s，两圆心距离s＝4.5 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为μ＝0.15，电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时，电动机消耗的电能是多少？(g取10 m/s2)
解：若物体m放在传送带上做匀加速运动，加速度为
a＝＝μg＝0.15×10 m/s2＝1.5 m/s2
假设m达到与皮带同速时，位移为s.
则s＝＝ m＝3 m<4.5 m
所以假设成立，当m与皮带等速后，m相对皮带静止，m不受摩擦力作用而做匀速运动．
在加速运动过程中，m相对皮带滑动的距离为 s′，
s′＝vt－t＝t＝s＝3 m
故电动机消耗的能量一部分转化为内能Q＝fs′，另一部分转化为 m的动能 Ek＝mv2.
E电＝mv2＋fs′＝×1×32 J＋0.15×10×3 J＝9 J.

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