第6章 第2节 能量的转化与守恒 第3节 珍惜大自然 讲义

第6章 能源与可持续发展
第2节　能量的转化与守恒
第3节　珍惜大自然
[学习目标]
1.知道不同形式的能量可相互转化，在转化过程中能量总量保持不变。
2.知道能量的转化具有方向性。
3.了解熵的概念。
[基础梳理]
一、能量的转化与守恒
1.能量的转移与转化：能量可以从一个物体转移到其他物体，也可以从一种形式转化为其他形式。
2.能量守恒定律：在一个孤立系统里，能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
3.第一类永动机：不需要任何动力或燃料就能不停运动的机器。
二、自然过程的方向性与熵
1.自然界宏观过程具有方向性，是不可能自动的逆向进行。要使它们逆向进行就必须由外界对它们施加作用。
2.开尔文及克劳修斯总结出重要的自然规律：自然界发生的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的不可逆过程。
3.熵是描述处于不同状态的物体，分子运动状态无序程度不一样的物理量。熵越高，意味系统越无序；熵越低，就意味着系统越有序。
[能力拓展]
一、能量的转化与能量守恒
1.能量转化或转移的判断
2.能量在转化或转移过程中，总能量不变。能量为状态量，对应某时刻；功与热量是过程量，对应一个过程。
二、自然过程的方向性与熵
1.引入熵后，关于自然过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少。
2.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。
[随堂演练]
1．有一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是（　　）
A．化学能转化为电能
B．内能转化为电能
C．化学能转化为光能
D．机械能转化为电能
2．关于能量耗散，下列说法中正确的是（　　）
A．能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了
B．能量耗散表明能量守恒定律具有一定的局限性
C．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，因此，可利用的品质并未降低
D．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
3．据外媒报道，瑞士的一家采石场正在运营着--辆自重45吨的自卸式电动卡车，令人惊讶的是，该卡车从来不需要充电。关于此报道，下列说法正确的是（　　）
A．这辆卡车的工作应该是满载下山，卸货后空载上山
B．这辆卡车的工作应该是空载下山，装货后满载上山
C．这违反了能量守恒定律，一定是假新闻
D．这辆卡车一定有燃油发动机提供额外动力
4．如图所示，质量为M、长度为L的小车静止在光滑水平面上，质量为m的小物块(可视为质点)放在小车的最左端。现用一水平恒力F作用在小物块上，使小物块从静止开始做匀加速直线运动。小物块和小车之间的摩擦力为f，小物块滑到小车的最右端时，小车运动的距离为x。此过程中，以下结论不正确的是（　　）
A．小物块到达小车最右端时具有的动能为(F－f)·(L＋x)
B．小物块到达小车最右端时，小车具有的动能为fx
C．小物块克服摩擦力所做的功为f(L＋x)
D．小物块和小车增加的机械能为Fx
5．如图所示，足够长粗糙斜面倾角为θ，固定在水平面上，物块a通过平行于斜面的轻绳跨过光滑轻滑轮与物块b相连，b的质量为m。开始时，a、b均静止且a刚好不受斜面摩擦力作用。现对b施加竖直向下的恒力F，使a、b做加速运动。则在b下降h高度过程中（　　）
A．a的加速度等于
B．a的重力势能增加mghsinθ
C．绳的拉力对a做的功等于a机械能的增加
D．F对b做的功与摩擦力对a做的功之和等于a、b动能的增加
6．如图所示，质量为m的滑块在水平面上以速率v撞上劲度系数为k的轻质弹簧，当滑块将弹簧压缩了x0时速度减小到零，然后弹簧又将滑块向右推开。已知滑块与水平面间的动摩擦因数为μ，整个过程弹簧未超过弹性限度且二者未拴接，则下列判断正确的是（　　）
A．弹簧弹性势能的最大值为
B．滑块离开弹簧时的速度大小为
C．滑块与弹簧接触过程中，产生的热能为
D．滑块最终停在距离弹簧右端处
7．某同学利用如图1所示的装置测量弹簧的弹性势能和可看成质点的物块与桌面间的动摩擦因数，实验步骤如下
①用重锤确定物块运动到桌边时投影到地面的位置O
②将轻弹簧一端固定在桌面边沿的墙面上；
③推动物块，把弹簧压缩到P点，由静止释放物块，测出物块落地点与O点间的水平距离x；
④通过在物块上增减砝码来改变物块的质量，重复步骤③的操作
⑤根据得到的一系列的物块质量m与水平距离x的值，作出的图线如图2所示．
已知重力加速度g，回答下列问题：
（1）为达到实验目的，除已经测出的物块的质量m和物块落地点与O点的水平距离x，还需要测量__________
A．弹簧的原长
B．弹簧压缩后物块到桌面右边眼的距离L
C．桌面到地面的高度H
D．弹簧压缩前物块到周末右边沿的距离
（2）根据图2可知弹簧被压缩到P点时弹性势能为_________，物块与桌面间的动摩擦因数为________．（用图像中的a、b和（1）中所选物理量的符号表示结果）
8．如图所示，一弹射游戏装置由安装在水平台面上的固定弹射器、竖直圆轨道（在最低点E分别与水平轨道EO和EA相连）、高度h可调的斜轨道AB组成。游戏时滑块从O点弹出，经过圆轨道并滑上斜轨道。全程不脱离轨道且恰好停在B端则视为游戏成功。已知圆轨道半径，OE长，AC长，圆轨道和EA轨道光滑，滑块与AB、OE之间的动摩擦因数，滑块质量且可视为质点，弹射时从静止释放且弹簧的弹性势能完全转化为滑块动能。忽略空气阻力，各部分平滑连接、（取）求：
（1）滑块恰好能过圆轨道最高点F时的速度大小；
（2）当且游戏成功时，滑块经过E点对圆轨道的支持力大小及弹簧的弹性势能；
（3）要使游戏成功，弹簧的弹性势能与高度之间需满足的关系。
试卷第1页，总3页
参考答案
1．D
【详解】
根据题意用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生 10kV~20kV 的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，所以为机械能转化为电能。
故选D。
2．D
【详解】
A．根据能量守恒定律，能量的总量是保持不变的，故A错误；
B．能量守恒定律是普遍适用的定律，不存在局限性，故B错误；
C．能量耗散的本质是可利用的能量在数量上减少了，故C错误；
D．能量耗散说明能量的转化具有方向性，从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性，故D正确。
故选D。
3．A
【详解】
这辆卡车的工作应该是满载下山，减少的重力势能一部分转化为电能，用于空载上山；空载上山重力势能的增加量远小于满载下上时重力势能的减小量，所以不需要燃油发动机提供额外动力，也不违反能量守恒定律。故A正确。
故选A。
4．D
【详解】
A．对物块分析，物块对地的位移为L+x，根据动能定理得
知物块到达小车最右端时具有的动能
Ek物=(F－f)·(L＋x)
故A正确。
B．对小车分析，小车对地的位移为x，根据动能定理得
fx=Ek车-0
知物块到达小车最右端时，小车具有的动能
Ek车=fx
故B正确。
C．小物块克服摩擦力所做的功为f（L+x），故C正确。
D．系统产生的内能等于系统克服摩擦力做的功，即物块与小车增加的内能
Q=fx相对=fL
根据能量守恒，小物块和小车增加的机械能为
故D错误。
本题选择错误的，故选D。
5．D
【详解】
A．a、b两物块均静止，根据平衡条件有
解得
施加恒力F后，分别对物块a、b应用牛顿第二定律，对物块a有
对物块b有
联立解得
故A错误；
B．物块a重力势能的增量为
故B错误；
C．根据能量守恒定律，轻绳的拉力对物块a做的功等于物块a机械能的增加量和克服摩擦力做功产生的内能之和，所以轻绳的拉力对物块a做的功大于物块a增加的机械能，故C错误；
D．对物块a、b及轻绳组成的系统应用动能定理有
即
故D正确。
故选D。
6．D
【详解】
A．由题意可知，从开始运动到将弹簧压缩到最短，由能量守恒可得
可知
A错误；
B．从开始运动到滑块被弹回，离开弹簧时，由动能定理
解得
B错误；
C．滑块与弹簧接触过程中，产生的热量为
C错误；
D．滑块被弹回，离开弹簧后继续减速运动，从离开弹簧到停下，由动能定理
结合B选项分析可知
联立解得
D正确。
故选D。
7．BC
【详解】
设桌面距离地面的高度为H、P点距离桌面右边沿的距离为L，根据能量守恒定律可得，物块离开桌面后做平抛运动，水平方向由，竖直方向由，联立可得，则，，解得，，故还需要测量弹簧压缩后物块到桌面右边眼的距离L、桌面到地面的高度H
【点睛】
本题考查了实验数据处理，知道实验原理是解题的前提与关键，应用能量守恒定律求出图象的函数表达式是即可解题，要掌握应用图象法处理实验数据的方法．
8．（1）（2），（3），
【详解】
（1）滑块恰过F点的条件
解得
（2）滑块从E到B，动能定理
在E点根据牛顿第二定律
解得
从O到B点，根据能量守恒定律
解得
（3）滑块恰能过F点的弹性势能
到B点减速到0
解得
能停在B点，则
解得
此时，从O到B点
，