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物理·必修2（人教版）
第七章 机械能守恒定律
第十节 能量守恒定律与能源
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永动机：空想与诈骗
20世纪20年代德国的一张明信片拿爱因斯坦开玩笑．想想看永动机为什么不
行．自古至今，声称自己发明了永动机的人，无非两种人：那些只是在嘴上、纸上宣布自己设计出了永动机的人，可能是无知(不知道物理学定律)或偏执(认定物理学定律不成立)的可怜的空想家；当然也可能是骗子．
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而那些声称已制造出了永动机、到处推销的人，则可以肯定是百分之百的骗子．在历史上，有的这类骗子相当成功，骗取了大量的投资．
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1．理解能量的概念，知道各种不同形式的能量．
2．明确能量守恒的含义．
3．知道能源的合理利用及能量耗散的概念．
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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_____________为另一种形式，或者从一个物体________________，在转化或转移的过程中，________保持不变．
2．建立定律的两个重要事实．
(1)确认了________的不可能性．
(2)各种自然现象之间能量的相互联系与转化．
一、能量守恒定律
一种形式转化
转移到别的物体
能量
永动机
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1．能源：能源是人类社会活动的物质基础，人类对能源的利用大致经历了三个时期，即________、________、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________．
二、能源和能量耗散
柴薪时期
煤炭时期
内能和光能
内能
耗散
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3．能量转化的方向性：能量的耗散从________的角度反映出自然界中宏观过程的方向性．
4．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，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上________了，从便于利用的变成_________的了．
能量转化
降低
不便利用
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问题一 如何认识功能关系？
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1．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．利用这种关系可以定量地研究能量及其转化的问题．功和能量是有区别的：功是过程量，能是状态量．只能说处于某一状态的物体(或系统)具有多少能，而不能说这个物体(或系统)具有多少功；功是能量转化的量度，绝不能说“功是能的量度”，因为功只能用来量度物体状态变化时能量变化的多少，而不能用来量度物体在某一状态所具有的能量．
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2．功能关系．
我们关心的大多是能量的变化量，而不是能量的具体数值，能量的转化必须通过做功才能实现，某种力做功往往与某一具体的能量变化相联系，即所谓功能关系．
3．几种常见的功能关系．
功 能的变化 表达式
重力做功 正功 重力势能减少 重力势能变化 WG＝Ep1－Ep2
负功 重力势能增加
问 题
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（续表）
弹力做功 正功 弹性势能减少 弹性势能变化 W弹＝Ep1－Ep2
负功 弹性势能增加
合力做功 正功 动能增加 动能变化 W合＝E2－E1
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 机械能
变化 W外＝E2－E1
负功 机械能减少
问 题
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名师提示：功和能的关系可以从以下三个层次来理解和把握：
(1)能量有多种不同的形式，且不同形式的能量可以相互转化．
(2)不同形式的能量之间的转化通过做功来实现，即做功的过程就是能量转化的过程．
(3)做了多少功就有多少能量从一种形式转化为另一种形式，即能量转化的多少可用做功的多少来量度．
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尝试应用
1．关于能量转化的说法中不正确的是( )
A．举重运动员把重物举起来．体内的一部分化学能转化为重力势能
B．电流通过电阻丝使电能转化为机械能
C．内燃机做功的过程是内能转化为机械能的过程
D．做功过程是能量转化过程，某过程做了10 J的功，一定有10 J的能量发生了转化
B
答案：
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问题二 如何理解和应用能量守恒定律？
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1．意义．
(1)普遍性：能量守恒定律是分析解决问题的一个极为重要的方法，它比机械能守恒定律更普遍．例如物体在空中下落受到阻力时，物体的机械能不守恒，但包括内能在内的总能量是守恒的．
(2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系．
(3)能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一．
2．应用能量守恒定律分析问题的基本思路．
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(1)某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等．
(2)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．
3．用能量守恒定律解题的基本步骤．
(1)分清有多少种形式的能(如机械能、热能、电能等)在变化．
(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表示式．
(3)列式求解．
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用能量观点去分析、解决物理问题，往往具有简便、适用范围广等优点．同学们要逐步养成用能量的观点分析、解决问题的素养．
名师提示：①该定律是贯穿物理学的基本规律之一，是学习物理学的一条主线．
②要分清系统中有多少种形式的能，发生了哪些转化和转移．
③某种形式的能的减少，一定伴随着其他形式的能的增加，且增加量一定等于减少量．
问 题
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尝试应用
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2．(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是( )
A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
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
ABC
答案：
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题型1 能量的转化与守恒
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例1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
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解析：
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永动机是指不消耗或少消耗能量，而可以大量对外做功的装置，违背了能量转化和守恒定律，A错．太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，但辐射到星际空间的能量也没有消失，一定是转化成了别的能量，B错．马和其他动物，包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源是食物中储存的生物质能，C正确．所谓的“全自动”手表内部是有能量转化装置的，只有当人戴着手表活动时，才能不断补充能量，维持手表的运行，如果把表放在桌面上静置两天，它一定会停摆的，D错．
答案：
C
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1．一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．子弹机械能的损失量等于子弹与木块组成的系统产生的热量
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
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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
答案：
D
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题型2 功能关系
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解析：
答案：
BD
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名师归纳：运用功能关系解题，应弄清楚各种力做功情况及与相应能的变化的关系，如重力做什么功，从而判断重力势能(或弹性势能)、动能、机械能的变化．
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2．(双选)如图所示，卷扬机的绳索通过定滑轮用力F拉位于粗糙斜面上的木箱，使之沿斜面加速向上移动，在移动过程中，下列说法正确的是( )
A．F对木箱做的功等于木箱增加的动能与木箱克服摩擦力所做的功之和
B．F对木箱做的功等于木箱克服摩擦力和克服重力所做的功之和
C．木箱克服重力做的功等于木箱增加的重力势能
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CD
答案：
D．F对木箱做的功等于木箱增加的机械能与木箱克服摩擦力做的功之和
F对木箱做的功等于木箱增加的动能、重力势能与木箱克服摩擦力所做的功之和，A、B错，D对；木箱克服重力做多少功，木箱的重力势能增加多少，C对．
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题型3 生活中的能量守恒
例3风能是一种环保型能源，目前我国风力发电总装机容量已达2 640 MW.风力发电是将风的动能转化为电能．设空气的密度为ρ，水平风速为v，风力发电机每个叶片的长度为L，风力发电机将风能转化为电能的效率为η.求：
(1)该风力发电机的发电功率P的数学表达式．
(2)若某地平均水平风速为v＝10 m/s，空气密度ρ＝1.3 kg/m3，所用风力发电机的叶片长度L＝4 m，效率η＝25%，平均每天发电20小时，则平均每天能获得多少电能？．
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名师归纳：能量守恒定律是处理不同形式的能量转化守恒的一个基本定律，获取题目信息，建立能量转化的模型，利用能量守恒定律建立方程是解题的基本方法．
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3．风力发电是一种环保的电能获取方式．设计使每台风力发电机的功率为40 kW.实验测得风的动能转化为电能的效率约为20%，空气的密度是1.29 kg/m3，当地水平风速约为10 m/s，问风力发电机的叶片长度约为多少才能满足设计要求？
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解析：
答案：
10 m物理·必修2(人教版)
机械能守恒定律
第十节 能量守恒定律与能源
1．关于“节约能源”，下列说法中正确的是( )
A．由于自然界的能量的总和是守恒的，所以节约能源是毫无意义的
B．浪费能源，只是浪费个人金钱，对整个社会和自然是无关紧要的，因为能量是守恒的
C．从能量转化的角度看，自然界中宏观过程是有方向性的，能源的利用受这种方向性的制约，所以“节约能源”对人类社会发展有很大的影响
D．上述说法都是错误的
答案：C
2．关于功和能，下列说法中正确的是( )
A．功和能的单位相同，物理意义也相同
B．物体对外未做功，这个物体就不具有能量
C．物体对外做功多．这个物体具有的能量就多
D．做功的过程，就是能量转化的过程
答案：C
3．水流从高处落下，对水轮机做3×108 J的功，对这句话理解正确的是( )
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．水流在对水轮机做功的过程中，3×108 J的能量转化为水轮机的动能
答案：D
4.
在质量为0.5 kg的重物上安装一极轻的细棒(设细棒足够长)，如图所示的那样，用手在靠近重物处握住细棒，使重物静止，握细棒的手不动，稍稍减小握力，使手和细棒间保持一定的摩擦力，让重物和细棒保持一定的加速度下落，在起初的1.0 s的时间里，重物落下了0.50 m．在此过程中手和细棒之间所产生的热量是多少？(取g＝10 m/s2)
解析：物体下落0.50 m，重力势能的减少量ΔEP＝2.5 J，物体匀加速下落：＝＝0.50 m/s
＝得v＝1 m/s
增加的动能：
ΔEk＝mv2＝×0.5×1 J＝0.25 J
产生的内能：
Q＝ΔEp－ΔEk＝2.25 J
另解：
s＝at2①
mg－f＝ma②
fs＝Q③
联立①②③解得Q＝2.25 J.
1．节约能源的重要意义在于( )
A．可提高经济效益，降低成本
B．能暂缓能源紧张的局面
C．提高能源的利用率
D．可减少对化石燃料的开采
解析：节约能源指的是减少总的能源的消耗，重要意义在于缓和能源紧张的局面．
答案：B
2．关于功和能，下列说法正确的是( )
A．功和能单位相同，意义相同，功就是能，能就是功
B．功和能虽然是两个不同的物理量，但是功和能可以相互转化
C．水对水轮机做了8.9×106 J的功，表示水的能量减少了8.9×106 J
D．竖直上抛的石子上升过程中克服重力做功5 J，表示石子将5 J的功转化为5 J的重力势能
答案：C
3．(双选)下列关于功和机械能的说法，正确的是( )
A．在有阻力作用的情况下，物体重力势能的减少不等于重力对物体所做的功
B．合力对物体所做的功等于物体动能的改变量
C．物体的重力势能是物体与地球之间的相互作用能，其大小与势能零点的选取有关
D．运动物体动能的减少量一定等于其重力势能的增加量
答案：BC
4．关于能源的利用和节能，下列说法正确的是( )
A．根据能量守恒定律，能源的利用率应该是100%
B．由于能量既不会消灭，也不会创生，总是守恒的，所以节约能源的意义不大
C．节约能源只要提高节能意识就行，与科学进步无关
D．在能源的利用中，总会有一部分能源未被利用而损失掉
答案：D
5．有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度．他的办法是：关好房间的门窗，然后打开冰箱的所有门让冰箱运转，且不考虑房间内外热量的传递，则开机后，室内的温度将( )
A．升高
B．保持不变
C．开机时降低，停机时又升高
D．开机时升高，停机时降低
解析：压缩机运行时，一部分电能转化为内能，室温升高．
答案：A
6．(双选)如右图所示，长木板A放在
光滑的水平面上，物体B以水平速度冲上A后，由于摩擦力作用，最后停止在木板A上，则从B冲上木板A到相对木板A静止的过程中，下列说法正确的是( )
A．物体B动能的减少量等于B克服摩擦力做的功
B．物体B克服摩擦力做的功小于B动能的减少量
C．物体B损失的机械能等于木板A获得的动能与系统损失的机械能之和
D．摩擦力对木板A做的功等于系统机械能的变化量
答案：AC
7．如图所示是某类潮汐发电示意图．涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门(如图甲)，落潮时，开闸放水发电(如图乙)．设海湾水库面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨落潮两次，发电机的平均能量转化效率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ海水＝1.0×103 kg/m3，g＝10 m/s2)( )
A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW
C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW
答案：B
8．某地平均风速为5 m/s，已知空气密 ( http: / / www.21cnjy.com )度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面．如果这个风车能将圆面内10%的气流动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？
解析：在t时间内作用于风车的气流质量m＝πr2vtρ，
这些气流的动能为mv2，转变成的电能：E＝mv2×10%所以风车带动发电机的功率为：
P＝＝πr2ρv3×10%
代入数据得P＝3.4 kW.
答案：3.4 kW
9．为了测量太阳的辐射功率，某人采取如下简 ( http: / / www.21cnjy.com )单实验．取一个横截面积是3×10－2 m2的圆筒，筒内装水0.6 kg，用来测量射到地面的太阳能．某一天中午在太阳光直射 2 min 后，水的温度升高了1℃.(太阳到地球的距离为1.5×1011 m)求：
(1)在阳光直射下，地球表面每平方厘米每分钟获得的能量．
(2)假设射到大气顶层的太阳能只有43%到达地面，另外57%被大气吸收和反射而未到达地面．你能由此估算出太阳辐射的功率吗？
解析：(1)圆筒内的水经过2 min照射后 ( http: / / www.21cnjy.com )，增加的内能为ΔU＝Q＝cmΔt，其中c＝4.2×103 J/(kg·℃)，所以ΔU＝4.2×103×0.6×1＝2.52×103 (J)
每分钟获得的能量为 J＝1.26×103 J
圆筒面积S＝3×10－2 m2＝3×102 cm2
地球表面每分钟每平方厘米获得的能量为
J＝4.2 J.
(2)以太阳为球心，以日地距离r为半径作一个球面，根据上述观测，在此球面的每平方厘米面积上每秒接收到的太阳能(即射到大气顶层的太阳能)为
J≈0.163 J
太阳是向四面八方均匀辐射的，上述球面每秒接收到的太阳能即为太阳的辐射功率P.
上述球面的面积为4πr2， ( http: / / www.21cnjy.com )其中r＝1.5×1011 m，所以辐射功率P≈4πr2×0.163≈4π×(1.5×1011×102)2×0.163≈4.6×1026 (W)．
答案：(1)4.2 J (2)4.6×1026 W
