1、课时7.10 能量守恒定律与能源 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.知道确立能量守恒定律的两类重要事实。3.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。4.认识建立能量守恒定律的重大意义。5.了解能量耗散,了解自然界宏观过程中能量守恒以及能量转化和转移的方向性,认识提高能量利用效率的重要性。6.知道能源短缺和环境恶化是关系到人类社会能否持续发展的大问题,增强节约能源和环境保护的意识。 重点难点:理解能量守恒定律的内容并运用能量守恒定律对具体的自然现象进行分析。教学建议:本节可采用讨论的形式,例如:按教材中提供的年代和事件,通过查找资料来展示19
2、世纪初到19世纪中叶的科学发展史。可以组织学生讨论,让学生谈论自己对能量的认识。特别应该对教材中的“思考与讨论”进行研究与讨论,在讨论中逐渐使学生认识到能量从更深的层次上反映了物质运动相互作用的本质。导入新课:以“功和能”的形式出现的题目,其命题特点是综合性强,涉及的知识面广,容易同新课改理念接轨,是进行创造性思维训练和培养创新能力的重要内容之一,也应当是未来高考命题的一个热点。 1.能量守恒定律(1)导致能量守恒定律最后确立的两类重要事实:确认了永动机的不可能性;发现了各种自然现象之间的相互联系与转化。(2)定律的内容: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
3、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。2.能源和能量耗散(1)人类对能源的利用大致经历了三个时期,即柴薪时期、煤炭时期和石油时期。自工业革命以来,煤和石油成为人类的主要能源。(2)能源短缺和环境恶化已成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。(3)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。电池中的化学能转化为电能,电能又通过灯泡转化为热能和光能,热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能,我们无法把这些内能收集起来重新利用,这种现象叫作能量的耗散。(4)能量耗散表明,在能源的利用过程中,即在能量的转化过程中,能量在数量上并未减少,
4、但在可利用的品质上降低了,从便于利用的变成了不便于利用的了。(5)能量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。能源的利用受这种方向性的制约,所以能源的利用是有条件的,也是有代价的。 1.电路上可以使用各种电器,它提供的能量是从哪里来的呢?解答:发电厂。2.网络上有人叫卖一种将水变成油的技术,水只要过滤一下就变成了油,这可能吗?解答:不可能。3.能量是守恒的,不可能凭空消失,是不是就意味着没有必要节约能源?解答:不是,能源使用过程中耗散的能量是无法收集利用的。 主题1:能量守恒定律问题:阅读教材中的相关内容,回答下列问题。(1)能以多种形式存在于自然界,每一种形式的能对应于一种运动形
5、式。谈谈你所知道的各种形式的能。(2)各种形式的能之间有什么样的联系?(3)各种形式的能之间相互转化的规律是什么?(4)能否将能量守恒定律表述为“能量不变”?解答:(1)能是对物质运动形式的一种描述,物质运动形式不同,对应的能也就不同,如电能、内能、化学能、机械能等。(2)各种形式的能可以相互转化,能量也可以从一个物体转移到另一个物体上。(3)各种形式的能之间相互转化的规律符合能量守恒定律: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另一个物体;在转化或转移的过程中,其总量不变。(4)不能。“守恒”是变中的不变。能量守恒是指各种形式的能会相互转化,
6、即能的形式会发生变化,而各种形式的能的总量不变。能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系。能量守恒定律是人类认识自然的重要依据。能量守恒定律是人类利用自然的重要武器。知识链接:能的转化和守恒定律是贯穿整个物理学的基本规律之一,是学习物理学的一条主线。 主题2:能源和能量耗散问题:阅读教材中的相关内容,回答下列问题。(1)什么是能量耗散?能量耗散与能量守恒是否矛盾,该怎样理解?(2)如何从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性理解能量的耗散?解答:(1)燃料燃烧时,一旦把自己的热量释放出去,它就不会再次自动聚集起来供人类重新利用,比如电池中的化学能转化为电能,电能又通过灯泡转化成内能和光能,热
7、和光被其他物质吸收后变为周围环境的内能,我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象就叫作能量的耗散。能量耗散和能量守恒并不矛盾,能量耗散表明,在能源利用的过程中,即在能量的转化过程中,能量在数量上并没有减少。但是在可利用的品质上降低了,从便于利用变为不便于利用了。 (2)能量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,正是因为能量转化的方向性,能量的利用受这种方向性的制约,所以能量的利用是有条件的,也是有代价的。知识链接:虽然能量是守恒的,但散发到空间中的内能不可能重新收集利用,能量的转移和转化具有方向性。 1.下列对能的转化和守恒定律的认识正确的是( )。A.某种形式的能减少,一定
8、存在其他形式的能增加B.某个物体的能减少,必然有其他物体的能增加C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动机是不可能制成的D.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了【解析】A选项是指不同形式的能量间在转化,转化过程中是守恒的;B选项是指能量在不同的物体间发生转移,转移过程中是守恒的;任何永动机都是不可能制成的,它违背了能量守恒定律,选项C正确;D选项中石子的机械能在变化,机械能可能要减少,但机械能并没有消失,故D是错的。【答案】ABC【点评】违背能的转化和守恒的事情都不可能发生。2.下列现象属于能量耗散的是( )。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
9、学能变成电能D.火炉把屋子烤暖【解析】能量耗散主要指其他形式的能量最终转化为环境的内能后,不能再被收集起来重新利用。【答案】D【点评】能量耗散不可避免,但要尽量减少。3.自由摆动的秋千摆动的幅度越来越小,下列说法中正确的是( )。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】在秋千摆动的过程中,由于阻力的存在,需要克服阻力做功,机械能会减少,但能量并没有消失,减少的机械能转化为内能,总能量保持不变。【答案】D【点评】所有物体的运动都会受到空气阻力作用,只是有时这种影响可以忽略不计。4.运动员把原来静止的足球踢出去,使足球获得了10
10、0 J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100 J B.大于100 JC.小于100 JD.无法确定【解析】原来静止的足球获得了100 J的动能,说明在踢球过程中运动员对足球做了100 J的功,有100 J的体能转化成了动能。同时运动员在踢球的过程中,由于自身的剧烈运动,也要消耗一部分体能。【答案】B【点评】能量的转化基本上都不是百分之百的。 拓展一、能量守恒定律的理解与辨析 1.质量为m、速度为v0的子弹,水平匀速飞行,击中前方悬挂于绳长为L的绳下端的木块(质量为M);子弹未能穿出木块,使悬绳偏离竖直方向的最大偏角为,则子弹击中木块后产生的内能为多少?【分析】子
11、弹击中木块后,克服摩擦阻力做功,使子弹与木块组成系统的机械能减少,内能增加。【解析】取子弹与木块组成的系统为研究对象,规定子弹与木块刚接触时木块位置的势能为零,子弹击中木块前系统的机械能E1=m击中木块后偏角最大时,木块速度为零,系统的机械能为E2=(M+m)gL(1-cos )由能量守恒定律可知E内=E1-E2=m-(M+m)gL(1-cos )。【答案】m-(M+m)gL(1-cos )【点评】运用能量守恒定律解题的关键是确定所研究的系统内有哪些形式的能参与了转化,什么形式的能增加了,增加了多少;什么形式的能减少了,减少了多少,分别由功能关系列出表达式,最后列能量守恒方程求解。 拓展二、应
12、用功能关系求解问题 2.如图所示,小球以60 J的初动能从A点出发沿粗糙斜面向上运动。在上升到B点的过程中,小球的动能损失了50 J,机械能损失了10 J,则小球继续向上运动至最高点C再运动至出发点A时的动能为多少?【分析】由于斜面粗糙,小球克服摩擦力做功,机械能转化为内能,所以小球的机械能不守恒,本题可用动能定理和功能原理求解。【解析】小球在由A点运动到B点的过程中,动能的损失量对应于克服合外力所做的功,机械能的损失量对应于克服摩擦力所做的功。由动能定理得:WG+Wf=Ek=-50 J由功能原理得:Wf=E=-10 J由以上两式可得:WfWG=14又:小球在由B点到C点的过程中,动能减少10
13、 J,由动能定理得:WG+Wf=Ek=-10 J得WfWG=14可得:Wf=-2 J所以,上升过程中小球克服摩擦力做的功为12 J,一上一下的全过程小球克服摩擦力做的功为24 J在小球运动的全过程中由动能定理得:Wf总=Ekt-Ek0小球运动至出发点A时的动能为Ekt=Wf总+Ek0=-24 J+60 J=36 J。【答案】36 J【点评】功是能量转化的量度,做功的过程就是能量转化的过程。做了多少功,就有多少能量发生转化;反之,转化了多少能量,就说明做了多少功。下列为几个重要的功能关系。重力做功:重力势能和其他形式能相互转化,-Ep=WG。弹力做功:弹性势能和其他形式能相互转化。合外力做功:动
14、能与其他形式能相互转化,Ek=W合。除重力、弹力外,其他力做的功:机械能与其他形式能相互转化,W其他=E机。滑动摩擦力与相对距离的乘积在数值上等于产生的内能,E损=Q=Fl相对。 拓展三、能源的开发与利用3.风能将成为人类大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能(气流的动能)转化为电能的装置,其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等,如图甲所示,试分析下列问题。 甲(1)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。设空气密度为,气流速度为v,风轮机叶片长度为r。求t时间内流向风轮机的最大风能Em。(2)一般强风的风速约为v=20 m/s,空气密度为1.3 kg/m3,如果风
15、力发电机扇叶在空间扫过横截面积为60 m2,发电机能将其中风能的4%转化为电能,则发电机电功率的大小约为多少?(3)已知风力发电机的输出功率P与Em成正比。某风力发电机在风速v1=9 m/s时能够输出的电功率P1=540 kW。我国某地区风速不低于v2=6 m/s的时间每年约为5000小时,试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。【分析】本题以新材料为媒介,考查功能关系,做题时要从冗长的叙述中沉淀出典型的物理模型,然后利用功率、动能以及能量的关系求解。 乙【解析】(1)如图乙所示,在t时间内通过风轮机的空气是以S为截面积、vt为长度的一段圆柱体,t时间内通过风轮机的空气的圆柱质量为:m=Svt, 则t时间内流向风轮机的最大风能:Em=mv2=(vtr2)v2=tr2v3。(2)根据上式可得发电机的风力发电的功率:P=Sv3=1.2104 W。(3)依题意可知:=()3,所以P2=()3P1=()3540 kW=160 kW,最小年发电量约为W=P2t=1605000 kWh=8105 kWh。【答案】(1)tr2v3 (2)1.2104 W (3)8105 kWh【点评】能源的开发与利用是能量守恒定律的具体应用。解决这类问题要分清物理过程,善于把不熟悉的模型转化为熟悉的模型进行处理。
