学案5 能量的转化与守恒 能源与可持续发展(选学)
[学习目标定位] 1.了解各种不同形式的能，知道能量守恒定律的探索过程.2.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.3.知道能源短缺和环境恶化问题，增强节约能源和环境保护意识．
一、能量的转化与守恒
1．能量的多样性：自然界中能量的形式多种多样，例如，机械能、内能、电磁能、光能、化学能、核能、生物能等．
2．能量守恒定律的确立过程：目前科学界公认迈尔、焦耳、亥姆霍兹是能量守恒定律的奠基者．
3．能量守恒定律：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．能量守恒定律确立的意义
(1)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．物体的各种运动形式之间可以相互转化．
(2)宣布“第一类永动机”不可能制成．
二、能源与可持续发展
1．能量的转化效率：能量的转化效率＝.
2．能量转化和转移的方向性：能量的转化和转移具有方向性，或者说能量的转化和转移具有不可逆性．
3．第二类永动机不可能性：第二类永动机并不违背能量守恒定律，但违背了能量转化和转移的不可逆性.
一、能量守恒定律
[问题设计]
在验证机械能守恒定律的实验中，重物带着纸带下落时，计算结果发现，减少的重力势能的值大于增加的动能的值，即机械能的总量在减少．原因就是存在纸带和打点计时器之间的摩擦力和空气的阻力等．是不是考虑了各种摩擦和阻力后这部分能量就消失了呢？
答案 不是．它转化成了机械能以外的其他形式的能量，除重力或弹力做功外，其他任何力对物体做功使物体的机械能增加或减少的过程，实质上都是其他形式的能与机械能相互转化的过程，在转化的过程中，能的总量是不变的．这是大自然的一条普遍规律，而机械能守恒定律只是这一条普遍规律的一种特殊情况．
[要点提炼]
1．能量守恒定律的理解
某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．
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．
2．能量守恒定律的表达式
(1)从不同状态看，E初＝E终．
(2)从能的转化角度看，ΔE增＝ΔE减．
(3)从能的转移角度看，ΔEA增＝ΔEB减．
3．第一类永动机违背能量守恒定律因而不能制成．
二、能量的转化效率
[问题设计]
观察教材中轿车的能量流向图，计算下列问题．
(1)轿车行驶时，做有用功的能量占燃料能量的比例是多少？
(2)在散热器和排气管中散失的能量占多大比例？
答案 (1)燃料的能量为70 kW，做有用功的能量为9 kW，所以有用功的能量占的比例为×100%≈12.9%.
(2)散失的能量为52 kW，比例为×100%≈74.3%.
[要点提炼]
1．机器做功不能将输入的能量全部转化为有用的能量，必然会有一部分能量损失掉．
2．能量转化效率是转化为有用功的能量跟输入能量的比值，即能量的转化效率＝.
三、能量转化和转移的方向性
[问题设计]
一碗热水放在室内，过一会自动变凉，说明热量从高温的水传给了周围的空气．若把一碗凉水放到温度较高的环境中，水是否会自动变热？把水放到温度较低的环境中，水是否会自动变热？
答案 会，凉水放到温度较高的环境中，吸收周围空气的热量，水的温度升高；不会，将水放到温度较低的环境中水不会自动变热．
[要点提炼]
1．能量的转化和转移具有方向性，或者说，能量的转化和转移具有不可逆性．
(1)热传递具有方向性，即与热现象相关的能量转化过程是有方向性的．
内能总是自发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．
(2)做功具有方向性：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．第二类永动机不违背能量守恒定律，但违背了能量转化和转移的不可逆性．
四、功能关系的理解
1．功和能的关系可以从以下两个方面来理解：
(1)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；
(2)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．
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
重力势
能变化
WG＝－ΔEp
＝Ep1－Ep2
负功
重力势能增加
弹力做功
正功
弹性势能减少
弹性势
能变化
W弹＝－ΔEp
＝Ep1－Ep2
负功
弹性势能增加
合力做功
正功
动能增加
负功
动能减少
动能
变化
W合＝ΔEk
＝Ek2－Ek1
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其他＝ΔE
＝E2－E1
负功
机械能减少
两物体间滑动摩擦力对物体系统做功
内能变化
fs相对＝Q
注意 功和能的本质不同，并且功和能也不能相互转化，而只能是通过做功实现能量的转化．
一、对能量守恒定律的理解
例1 下列关于能量守恒定律的认识正确的是( )
A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加
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械——永动机不可能制成
D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了
解析 根据能量守恒定律可知，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失．能量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，A、B对，D错．永动机违背了能量守恒定律，故它不可能制造出来，C对．
答案 ABC
二、能量守恒定律的应用
例2 如图1所示，一个粗细均匀的U形管内装有同种液体，液体质量为m.在管口右端用盖板A密闭，两边液面高度差为h，U形管内液柱的总长度为4h，拿去盖板，液体开始运动，由于管壁的阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为( )
图1
A.mgh B.mgh
C.mgh D.mgh
解析 去掉右侧盖板之后，液体向左侧流动，最终两侧液面相平，液体的重力势能减少，减少的重力势能转化为内能．如图所示，最终状态可等效为右侧h的液柱移到左侧管中，即增加的内能等于该液柱减少的重力势能，则Q＝mg·h＝mgh，故A正确．
答案 A
三、对功能关系的理解及应用
例3 如图2所示，在光滑的水平面上，有一质量为M的长木块以一定的初速度向右匀速运动，将质量为m的小铁块无初速度地轻放到长木块右端，小铁块与长木块间的动摩擦因数为μ，当小铁块在长木块上相对长木块滑动L时与长木块保持相对静止，此时长木块对地的位移为s，求这个过程中
图2
(1)系统产生的热量；(2)小铁块增加的动能；(3)长木块减少的动能；(4)系统机械能的减少量．
解析 画出这一过程两物体位移示意图，如图所示．
(1)m、M间相对滑动的位移为L，根据能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量．
(2)根据动能定理有μmg(s－L)＝mv2－0，其中(s－L)为小铁块相对地面的位移，从上式可看出ΔEkm＝μmg(s－L)，说明摩擦力对小铁块做的正功等于小铁块动能的增加量．
(3)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系，得ΔEkM＝－μmgs，即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgs.
(4)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.
答案 (1)μmgL (2)μmg(s－L) (3)μmgs (4)μmgL
一、能量守恒定律的表达式
E初＝E终或ΔE增＝ΔE减或ΔEA增＝ΔEB减．
二、能源与可持续发展
1．能量的转化效率：转化为有用功的能量跟输入能量的比值．
2．能量转化和转移的方向性．
三、功能关系的理解
1．功是能量转化的量度．
2．常用的几种功能关系.
1．(对能量守恒定律的理解)利用能源的过程实质上是( )
A．能量的消失过程
B．能量的创造过程
C．能量不守恒的过程
D．能量转化或转移并且耗散的过程
答案 D
解析 利用能源的过程实质上是能量转化或转移的过程，在能源的利用过程中能量是耗散的，A、B、C错误，D正确．
2．(能量守恒定律的应用)一颗子弹以某一速度击中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．子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块和子弹增加的内能之和
答案 BD
3．(功能关系的应用)如图3所示，斜面的倾角为θ，质量为m的滑块距挡板P的距离为s0，滑块以初速度v0沿斜面上滑，滑块与斜面间的动摩擦因数为μ，滑块所受摩擦力小于重力沿斜面向下的分力．若滑块每次与挡板相碰均无机械能损失，求滑块经过的总路程．
图3
答案 (＋s0tan θ)
解析 滑块最终要停在斜面底部，设滑块经过的总路程为s，对滑块运动的全程应用能量守恒定律，全程所产生的热量为
Q＝mv＋mgs0sin θ
又因为全程产生的热量等于克服摩擦力所做的功，即
Q＝μmgscos θ
解以上两式可得s＝(＋s0 tan θ).
