1、第10节 能量守恒定律与能源 学习目标 1.了解各种不同形式的能,知道能量是一个重要的物理量。2.知道能量守恒定律确立的两类重要事实。3.叙述能量守恒定律的内容,认识建立能量守恒定律的重大意义,能用能量守恒的观点分析、解决实际问题。4.了解能量耗散,了解自然界中能量在宏观过程的方向性。5.感受节约能源、保护环境的紧迫性,认识到节约能源、保护环境是每一个公民应具有的意识和素养。6.了解能量守恒、能量转化和转移的方向性,认识能量守恒与能量可用的区别。自主学习 教材提炼 知识梳理 一、能量守恒定律 1.定律内容: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 到
2、别的物体,在转化或转移的过程中,保持不变。2.定律确立的两类重要事实(1)确认了 的不可能性。(2)发现了各种自然现象之间能量的相互联系与转化。二、能源和能量耗散 1.能源利用的三个时期:、煤炭时期、。转移 能量的总量 第一类永动机 柴薪时期 石油时期 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。如电池中的化学能转化为电能,电能又通过灯泡转化成 ,热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的 ,我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。内能和光能 内能 练一练 1.关于能量和能源,下列说法中正确的是()A.由于自然界的能量守恒,所以不需要
3、节约能源 B.在利用能源的过程中,能量在数量上并未减少 C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性 D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造 B 解析:自然界的总能量是守恒的,能量只能从一种形式转化为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体,能量不可能被创造;在利用能源的过程中,能量在数量上并未减少,能量耗散使能量的利用品质降低了,能量转化具有方向性,因此要节约能源,故选项B正确,A,C,D错误。2.关于能源的开发和利用,下列说法中正确的是()A.能源利用的过程就是内能转化为机械能的过程 B.化石能源的能量归根结底来自于太阳能,因此化石能源永远不会枯竭 C.“既要马儿跑,又让马儿不吃
4、草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的 D.“全自动”手表不用任何电源,却能一直走动,说明永动机是可以制成的 C 解析:能源利用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程,各种转化形式均可为人类服务,A错误;化石能源的能量虽然来自太阳能,但要经过数亿年的地质演变才能形成,且储量有限,为不可再生能源,B错误;马和其他动物,包括人,要运动,必须消耗能量,选项C正确;所谓“全自动”手表,内部还是有能量转化装置的,一般是一个摆锤,当人戴着手表活动时,使摆锤不停摆动,给游丝弹簧补充能量,才会维持手表的运行,如果把这种手表放在桌面上静置几天,它一定会停止走动,选项D错误。3.冲击钻是一种打孔的工具,工作时,钻
5、头在电动机带动下不断地冲击墙壁打出圆孔(如图所示),冲击钻在工作的过程中()A.有电能和机械能、热能的转化 B.只有电能和机械能的转化 C.只有电能和热能的转化 D.只有机械能和热能的转化 A 解析:从能量的转化情况看,电动机工作消耗电能,通过做功把电能转化成曲柄、连杆的机械能,压缩气体带动冲击活塞冲击工具的尾端,使工具向前冲打,钻头与墙体摩擦产生热能,所以有电能和机械能、内能的转化,选项A正确。解析:太阳能电池板将太阳能转化为电能,小电动机将电能转化为机械能。故选项A正确。4.市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。在阳光的照射下,小电扇快速转动,能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置的
6、能量转化情况是()A.太阳能电能机械能 B.太阳能机械能电能 C.电能太阳能机械能 D.机械能太阳能电能 A 5.(2016浙江4月选考)图示中的路灯为太阳能路灯,每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3 m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3106 J。如果每天等效日照时间约为6 h,光电池一天产生的电能可供30 W的路灯工作8 h。光电池的光电转换效率约为()A.4.8%B.9.6%C.16%C D.44%解析:光伏电池板每天接收的太阳能 E1=31060.36 J=5.4106 J,路灯每天消耗电能 E2=3010-383.6106 J=8.64105 J,则光电转换
7、效率=21EE=16%。C 课堂探究 要点一 功能关系的理解和应用 例1 如图所示,轻质弹簧的左端固定,并处于自然状态。小物块的质量 为m,从A点向左沿水平地面运动,压缩弹簧后被弹回,运动到A点恰好静 止。物块向左运动的最大距离为s,与地面间的动摩擦因数为,重力加速 度为g,弹簧未超出弹性限度。在上述过程中()C A.弹簧的最大弹力为 mg B.物块克服摩擦力做的功为 mgs C.弹簧的最大弹性势能为 mgs D.物块在 A 点的初速度为2 gs 解析:物块向左运动压缩弹簧,弹簧最短时,物块具有向右的加速度,弹力大于摩擦力,即 Fmg,故 A 错误;根据功的公式,物块克服摩擦力做的功W=mgs
8、+mgs=2mgs,故B 错误;根据能量守恒,弹簧弹开物块的过程中,弹簧的弹性势能通过摩擦力做功转化为内能,即 Epm=mgs,故 C 正确;根据能量守恒,在整个过程中,物块的初动能通过摩擦力做功转化为内能,即 12mv2=2mgs,解得 v=2gs,故 D 错误。规律方法 利用功能关系分析问题的基本思路(1)在应用功能关系解决具体问题的过程中,若只涉及动能的变化用动能定理分析。(2)只涉及重力势能的变化用重力做功与重力势能变化的关系分析。(3)只涉及机械能变化用除重力和弹力之外的力做的功与机械能变化相等的关系分析。针对训练1:如图所示,在竖直平面内有一半径为R的圆弧轨道,半径OA水平、OB竖
9、直,一个质量为m的小球自A的正上方P点由静止开始自由下落,小球沿轨道到达最高点B时恰好对轨道没有压力。已知AP=2R,重力加速度为g,则小球从P到B的运动过程中()D A.重力做功 2mgR B.机械能减少 mgR C.合外力做功 mgR D.克服摩擦力做功 12 mgR 解析:重力做功与路径无关,所以 WG=mgR,选项 A 错误;小球在 B 点时所受重力提供向心力,即 mg=m2vR,所以 v=gR,从 P 点到 B 点,由动能定理知W合=12mv2=12mgR,故选项 C 错误;根据能量守恒知,机械能的减少量为|E|=|Ep|-|Ek|=12 mgR,故选项 B 错误;克服摩擦力做的功等
10、于机械能的减少量,故选项 D 正确。要点二 对能量守恒定律的理解与应用 例2 三峡水电站是我国最大的水力发电站,平均水位落差约为100 m,每秒约有1104 m3的水用来发电,水的重力势能约有20%转化为电能。已知水的密度为1.0103 kg/m3,火电厂每发一度电大约需耗标准煤0.3 kg,同时排放二氧化碳1 kg。关于三峡水电站,下列说法正确的是()A.发电平均功率约为21012 W B.每天的发电量约为4.8107 kWh C.相比于同功率的火电厂,每天约可减少煤炭消耗2106 kg D.相比于同功率的火电厂,每天约可减少二氧化碳排放4.8106 kg B 解析:发电平均功率约为 P=W
11、t=mght20%=341.0 101 1010 1001 20%W=2109 W,故 A 错误;每天的发电量约为 E 电=Pt=2106 kW24 h=4.8107 kWh,B 正确;每天约可减少煤炭消耗为 m=E电0.3 kg=1.44107 kg,故 C 错误;火电厂每发一度电排放二氧化碳 1 kg,故每天约可减少二氧化碳排放 4.8107 kg,故 D 错误。针对训练2:太阳能汽车是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能工作的一种新型汽车。已知太阳辐射的总功率约为41026 W,太阳到地球的距离r约为1.51011 m,假设太阳光传播到达地面的过程中约有40%的能量损耗,某太阳能汽车所用太
12、阳能电池板接收到的太阳能转化为机械能的转化效率约为15%,汽车太阳能电池板的面积为8 m2。如果驱动该太阳能汽车正常行驶所需的机械功率的20%来自太阳能电池,则该太阳能汽车正常行驶所需的机械功率约为(已知半径为r的球表面积为S=4 r2)()A.0.2 kW B.5 kW C.100 kW D.1 000 kW B 解析:地面上每单位面积接收到的太阳辐射功率为24Pr总 60%,则24Pr总 60%8 m215%=P 机20%,解得 P 机5 kW。要点三 能量耗散 例3 下列说法中不正确的是()A.某种形式的能减少,一定存在其他形式能的增加 B.因为能量守恒,所以“能源危机”是不可能的 C.
13、能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了 D.能源的利用受能量耗散的制约,所以能源的利用是有条件的,也是有代价的 B 思路探究:能量守恒定律与能量耗散矛盾吗?答案:能量只能转化或转移,在转化或转移过程中总量不变;能量耗散是指可以利用的能量转化成无法收集起来重新利用的内能(即品质降低了),但转化过程仍遵循能量守恒定律,二者并不矛盾。解析:能量守恒定律是自然界中普遍存在的规律,它适用于任何形式的能量转移和转化,选项A正确;能量耗散是指可以利用的能量转化成无法收集起来重新利用的内能(即品质降低了),但转化过程仍遵循能量守恒定律,选项B错误,C,D正确。针对训练
14、3:下列哪些现象属于能量的耗散()A.利用水流能发电产生电能 B.电能在灯泡中变成光能 C.电池的化学能变成电能 D.火炉把屋子烤暖 D 解析:能量耗散是指其他形式的能转变为内能,最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象,则选项D正确。要点四 综合运用功能关系解决实际问题 例4 某砂场为提高运输效率,研究砂粒下滑的高度与砂粒在传送带上运动的关系,建立如图所示的物理模型。竖直平面内有一倾角=37的直轨道AB,其下方右侧放置一水平传送带,直轨道末端B与传送带间距可近似为零,但允许砂粒通过。转轮半径R=0.4 m、转轴间距 L=2 m的传送带以恒定的线速度逆时针转动,转轮最低点离地面的高度H
15、=2.2 m。现将一小物块放在距离传送带高h处静止释放,假设小物块从直轨道B端运动到达传送带上C点时,速度大小不变,方向变为水平向右。已知小物块与直轨道和传送带间的动摩擦因数均为=0.5。(g取10 m/s2,sin 37=0.6,cos 37=0.8)解析:(1)在 A 点到 B 点过程中,由动能定理得 mgh-mgcos sinh=12m2Bv-0,得 vB=4 m/s。(2)若小物块落到传送带左侧地面,使小物块到达 D 点之前速度减为 0,假设小物块运动到 D 点时速度恰好为 0,则在 A 点到 D 点过程中,由动能定理得 mgh-mgcos sinh-mgL=0-0,解得 h=3 m,
16、即当 h3 m 时小物块会落到传送带左侧地面。答案:(1)4 m/s(2)h3 m(1)若h=2.4 m,求小物块到达B端时速度的大小。(2)若小物块落到传送带左侧地面,求h需要满足的条件。(3)改变小物块释放的高度h,小物块从传送带的D点水平向右抛出,求小物块落地点到D点的水平距离x与h的关系式及h需要满足的条件。解析:(3)小物块从 D 点向右抛出后做平抛运动 H+2R=12gt2,x=vDt mgh-mgcos sinh-mgL=12 m2Dv-0,vDgR,解得 x=412h,且 h3.6 m。答案:(3)x=412h,且 h3.6 m 规律方法(1)综合运用功能关系解决实际问题的基本
17、思路 当涉及摩擦力做功,机械能不守恒时,一般应用能量守恒定律解决问题。解题时,首先确定初末状态,然后分析状态变化过程中哪种形式的能量减少,哪种形式的能量增加,求出减少的能量总和E减和增加的能量总和E增,最后由E减=E增列式求解。(2)常用的几种功能关系 功 能的变化 表达式 重力做功 正功 重力势能减少 WG=-Ep=Ep1-Ep2 负功 重力势能增加 弹力做功 正功 弹性势能减少 W弹=-Ep=Ep1-Ep2 负功 弹性势能增加 合力做功 正功 动能增加 W合=Ek=Ek2-Ek1 负功 动能减少 除重力(或系 统内弹力)外 其他力做功 正功 机械能增加 W其他=E=E2-E1 负功 机械能
18、减少 两物体间滑动摩擦 力对物体系统做功 内能变化 Ffx相对=Q 针对训练4:(2016浙江10月选考)如图1所示,游乐场的过山车可以底朝上在竖直圆轨道上运行,可抽象为图2的模型。倾角为45的直轨道AB、半径R=10 m的光滑竖直圆轨道和倾角为37的直轨道EF。分别通过水平光滑衔接轨道BC,CE平滑连接,另有水平减速直轨道FG与EF平滑连接,EG间的水平距离l=40 m。现有质量m=500 kg的过山车,从高h=40 m处的A点静止下滑,经BCDCEF最终停在G点。过山车与轨道AB,EF的动摩擦因数均为 1=0.2,与减速直轨道FG的动摩擦因数 2=0.75。过山车可视为质点,运动中不脱离轨
19、道。求:(1)过山车运动至圆轨道最低点C时的速度大小。解析:(1)过山车到达 C 点的速度为 vC 由动能定理得 mgh-1mgcos 45 cos45h=12m2Cv 代入数据可得 vC=8 10 m/s。答案:(1)8 10 m/s(2)过山车运动至圆轨道最高点D时对轨道的作用力。答案:(2)7 000 N,方向竖直向上 解析:(2)过山车到达 D 点的速度为 vD,由机械能守恒定律得 12m2Cv=2mgR+12m2Dv 由牛顿第二定律 mg+FD=m2DvR 联立代入数据可得 FD=7 000 N 由牛顿第三定律可知,轨道受到的力 FD=7 000 N,方向竖直向上。(3)减速直轨道F
20、G的长度x。(已知sin 37=0.6,cos 37=0.8,g取 10 m/s2)答案:(3)30 m 解析:(3)过山车从 A 到达 G 点,由动能定理可得 mgh-mg(l-x)tan 37-1tan45mgh-1mg(l-x)-2mgx=0 代入数据可得 x=30 m。课堂达标 1.以下关于能量和能源的认识,正确的是()A.“永动机”(不需要消耗其他形式的能量,能持续地运动下去的机器)违反了能量守恒定律 B.因为能量不会消失,所以我们没必要节约能源 C.石油、天然气都是自然界自主生成的可再生能源 D.我国煤炭和石油的资源丰富,不需要大力开发新能源 A 解析:能量是守恒的,但是我们能直接
21、利用的能源却是有限的,故节约能源是必要的,选项B错误;石油、天然气都是不可再生能源,选项C错误;我国煤炭和石油资源虽然很丰富,但我国能源消耗量也是很大,所以大力开发新能源迫在眉睫,选项D错误。只有选项A正确。2.(2017浙江4月选考)火箭发射回收是航天技术的一大进步。如图所示,火箭在返回地面前的某段运动,可看成先匀速后减速的直线运动,最后撞落在地面上。不计火箭质量的变化,则()A.火箭在匀速下降过程中,机械能守恒 B.火箭在减速下降过程中,携带的检测仪器处于失重状态 C.火箭在减速下降过程中合力做功等于火箭机械能的变化 D.火箭着地时,火箭对地的作用力大于自身的重力 D 解析:匀速下降阶段,
22、火箭除受重力外,还受阻力,且阻力做负功,所以机械能不守恒,选项A错误;在减速阶段,加速度向上,处于超重状态,而火箭克服阻力做的功等于机械能的减少,选项B,C错误;火箭着地时速度突然减小,则地面对火箭的力大于火箭的重力,由牛顿第三定律可知火箭对地的作用力大于自身的重力,故选项D正确。3.如图所示,质量为m的钩码在弹簧测力计的作用下竖直向上运动。设弹簧测力计的示数为FT,不计空气阻力,重力加速度为g。则()A.FT=mg时,钩码的机械能不变 B.FTmg时,钩码的机械能才增加 D.无论FTmg或FTmg,钩码的机械能都增加 D 解析:无论FT与mg的关系如何,FT与钩码位移的方向一致,FT做正功,
23、钩码的机械能增加,选项D正确。4.自然现象中蕴藏着许多物理知识,图甲所示为一个盛水袋,某人从侧面缓慢推袋壁使它变形;图乙所示为一根自由悬挂着的链条,某人将它的中点下拉,使它成两条直线形状。则关于两种情形中,盛水袋中的水和链条的重力势能的变化,以下分析正确的是()A.盛水袋中的水的重力势能增加,链条的重力势能减小 B.盛水袋中的水的重力势能减小,链条的重力势能增加 C.盛水袋中的水和链条的重力势能都增加 D.盛水袋中的水和链条的重力势能都减小 C 解析:两种情形中,人对水和链条均做正功,则它们的机械能增大,由于水和链条的动能不变,故它们的重力势能均增大,C正确。5.三峡水力发电站是我国最大的水力
24、发电站,三峡水库二期蓄水后,水位落差约135 m,水的流量约1.35104 m3/s,船只通航需要约3.5103 m3/s的流量,其余流量全部用来发电。已知水的密度为1.0103 kg/m3,g取 10 m/s2,水流冲击水轮机发电时,水流减少的机械能有20%转化为电能。(1)按照以上数据估算三峡发电站的发电功率。解析:(1)用于发电的水流量 Q=1.35104 m3/s-3.5103 m3/s=1.0104 m3/s,发电功率是 P=mght20%,又 m=V,V=Qt,所以,P=Qgh20%=2.7109 W。答案:(1)2.7109 W(2)设三口之家的生活用电的平均功率为0.5 kW,如果三峡电站全部用于城市生活用电,它大约可以满足多少个百万人口城市的生活用电?解析:(2)可供给用户数为 n=932.7 10 W0.5 10 W=5.4106,人口数为 N=3n=16.2106。所以,可满足 16 个百万人口城市的生活用电。答案:(2)16