7.10能量守恒定律与能源 学案

7.10能量守恒定律与能源
【学习目标】
1.了解各种不同形式的能，知道能量守恒定律确立的两类重要事实.
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.了解能量耗散，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．
【知识探究】
一、能量守恒定律
[导学探究]　(1)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．是不是由于各种摩擦和阻力的存在部分能量就消失了呢？21cnjy.com
(2)请说明下列现象中能量是如何转化的？
①植物进行光合作用．
②放在火炉旁的冰融化变热．
③电流通过灯泡，灯泡发光．
　
[知识梳理]　对能量守恒定律的理解
1．建立能量守恒定律的两个重要事实
(1)确认了永动机的__________(选填“可能”或“不可能”)性．
(2)发现了各种自然现象之间能量的________和________．
2．能量守恒定律
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________为另一种形式，或者从一个物体________到别的物体，在________或________的过程中，能量的总量____________．【来源：21cnj*y.co*m】
3．意义：能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃，它是最________、最________、最________的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式．
[即学即用]　世界上最大的太阳能飞机已经实现跨国飞行，它长达63.4 m 的机翼上覆盖着太阳能电池板．下列说法正确的是(　　)【版权所有：21教育】
A．太阳能可以转化为电能
B．太阳能不可以转化为电能
C．太阳能的利用，说明能量可以消灭
D．太阳能的利用，说明能量可以创生
二、能源和能量耗散
[导学探究]　既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源(试举例说明)?
　
[知识梳理]　能源和能量耗散
(1)能源：指能够提供可利用能量的________，它是人类社会活动的物质基础．
(2)能量耗散：流散的内能______________________加以利用的现象．
①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____________，但在可利用的品质上________了，从便于利用的变成______________的了．
②能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的__________．
[即学即用]　“绿色、环保、低碳”是当今世界的关键词，“低碳”要求我们节约及高效利用能源．关于能源与能量，下列说法正确的是(　　)
A．能量被使用后就消失了，所以要节约能源
B．自然界中石油、煤炭等能源可供人类长久使用
C．人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源
D．人类不断地开发和利用新的能源，所以能量可以被创造
【典例精析】
一、能量守恒定律的理解
例1　从光滑斜面上滚下的物体，最后停止在粗糙的水平面上，说明(　　)
A．在斜面上滚动时，只有动能和势能的相互转化
B．在斜面上滚动时，有部分势能转化为内能
C．在水平面上滚动时，总能量正在消失
D．在水平面上滚动时，机械能转化为内能，总能量守恒
[总结提升]
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．
二、能量守恒定律的应用
例2　如图1所示，是一种升降电梯的示意图，A为载人厢，B为平衡重物，它们的质量均为M，上下均由跨过滑轮的钢索系住，在电动机的牵引下使电梯上下运动．如果电梯中人的总质量为m，匀速上升的速度为v，电梯即将到顶层前关闭电动机，依靠惯性上升h高度后停止，在不计空气阻力和摩擦阻力的情况下，h为(　　)21教育网
图1
A. B.
C. D.
[方法总结]
1．能量守恒定律的表达式
(1)从不同状态看，E初＝E末．
(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．
2．能量守恒定律应用的关键步骤：
(1)明确研究对象和研究过程．
(2)找全参与转化的能量，明确哪些能量增加，哪些能量减少．
(3)列出增加量和减少量之间的守恒式．
针对训练　如图2所示，物体沿一曲面从A点无初速度滑下，滑至曲面的最低点B时，下滑高度为5 m，若物体的质量为1 kg，到B点时的速度为6 m/s，则在下滑过程中，通过摩擦产生的热量为多少？(g取10 m/s2)21·世纪*教育网
图2
　
三、功能关系的理解与应用
例3　一小滑块放在如图3所示的凹形斜面上，用力F沿斜面向下拉小滑块，小滑块沿斜面运动了一段距离．若已知在该过程中，拉力F所做功的大小为W1，斜面对小滑块的作用力所做功的大小为W2，重力做功的大小为W3，空气阻力做功的大小为W4.当用这些量表达时，小滑块动能的改变为多少？小滑块重力势能的改变为多少？小滑块机械能的改变为多少？
图3
　
[总结提升]
功能关系的理解
例4　如图4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l，求这个过程中：【来源：21·世纪·教育·网】
图4
(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．
　
　【达标检测】
1. (多选)溜溜球是一种流行的健身玩具，具有很浓的趣味性，备受学生的欢迎．溜溜球类似于“滚摆”，对称的左、右两轮通过固定轴连接(两轮均用透明塑料制成)，轴上套一个可以自由转动的圆筒，圆筒上系条长约1 m的棉线，玩时手掌向下，用力向正下方掷出溜溜球，当滚到最低处时，轻抖手腕，向上拉一下绳线，溜溜球将返回到你的手上，如图5所示．溜溜球在运动过程中(　　)www-2-1-cnjy-com
图5
A．一边转动一边向下运动，由于重力做功，溜溜球越转越快，动能不断增大，溜溜球的势能转化为动能
B．在溜溜球上下运动的过程中，由于发生动能和势能的相互转化，因此机械能守恒
C．在溜溜球上下运动的过程中，由于空气阻力和绳子与固定轴之间摩擦力的作用，会损失一部分机械能
D．在溜溜球转到最低点绳子将要开始向上缠绕时，轻抖手腕，向上拉一下绳子，给溜溜球提供能量
2．(多选)升降机底板上放一质量为100 kg的物体，物体随升降机由静止开始竖直向上移动5 m时速度达到4 m/s，则此过程中(g取10 m/s2)(　　)2-1-c-n-j-y
A．升降机对物体做功5 800 J
B．合外力对物体做功5 800 J
C．物体的重力势能增加5 000 J
D．物体的机械能增加800 J
3．(多选)如图6所示，质量为M的木块放在光滑的水平面上，质量为m的子弹以速度v0沿水平方向射中木块，并最终留在木块中与木块一起以速度v运动．已知当子弹
图6
相对木块静止时，木块前进距离为l，子弹进入木块的深度为d，若木块对子弹的阻力Ff视为恒定，则下列关系式中正确的是(　　)21*cnjy*com
A．Ffl＝Mv2
B．Ffd＝Mv2
C．Ffd＝mv－(M＋m)v2
D．Ff(l＋d)＝mv－mv2
4.如图7所示，皮带的速度是3 m/s，两圆心距离s＝4.5 m，现将m＝1 kg的物体轻放在左轮正上方的皮带上，物体与皮带间的动摩擦因数μ＝0.15，电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时，求：(g＝10 m/s2)21教育名师原创作品
图7
(1)物体获得的动能Ek；
(2)这一过程摩擦产生的热量Q；
(3)这一过程电动机消耗的电能E是多少？

答案精析
知识探究
一、
导学探究　(1)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．2·1·c·n·j·y
(2)①光能转化为化学能
②内能由火炉转移到冰
③电能转化为光能
知识梳理
1．(1)不可能　(2)相互联系　转化
2．转化　转移　转化　转移　保持不变
3．普遍　重要　可靠
即学即用　A　[太阳能电池板工作时，将太阳能转化为电能，为电动机提供能量，能量可以相互转化，但不能创生和消灭，故B、C、D错误．]21·cn·jy·com
二、
导学探究　在能量的转化和转移过程中，能的总量是守恒的，但能量的品质却降低了，即可被人直接利用的能减少了．比如煤炭和石油资源是有限的，它们在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．www.21-cn-jy.com
知识梳理　(1)物质　(2)无法重新收集起来　①虽未减少　降低
不便于利用　②方向性
即学即用　C　[能量守恒定律告诉我们，能量是不会减少的，煤炭、石油、天然气等化石能源使用后，化学能转化为内能耗散了，虽然总能量没有减少，但是可以利用的品质降低了，故依然要节约能源，故A错误；自然界中石油、煤炭等能源是有限的，故会不断减少，故B错误；新能源是可以循环利用的，故人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源，故C正确；人类不断地开发和利用新的能源，如风能、太阳能，本质上都来源于太阳，符合能量守恒定律，故D错误．]【出处：21教育名师】
典例精析
一、
例1　AD　[在斜面上滚动时，只有重力做功，只发生动能和势能的相互转化；在水平面上滚动时，有摩擦力做功，机械能转化为内能，总能量是守恒的．]21*cnjy*com
例2　D　[依靠惯性向上运动的过程中，人和电梯的动能、平衡重物的动能、平衡重物的重力势能都在减少，而人和电梯的重力势能增加．根据能量守恒定律(M＋m)gh＝(M＋m)v2＋Mv2＋Mgh，可得h＝，选项D正确．]
针对训练　32 J
解析　从A点滑到B点过程中，物体的重力势能减少，动能、摩擦产生的内能增加，由能量守恒定律得：mgh＝mv2＋Q解得：Q＝32 J．即通过摩擦产生的热量为32 J.
例3　W1－W2＋W3－W4　－W3　W1－W2－W4
解析　由动能定理知，小滑块动能的改变为ΔEk＝W1－W2＋W3－W4；
小滑块重力势能的改变为ΔEk＝－W3；
小滑块机械能的改变为ΔE＝W1－W2－W4.
例4　(1)μmgL　(2)μmg(l－L)　(3)μmgl　(4)μmgL
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)根据动能定理得μmg(l－L)＝ΔEk
即小铁块动能的增加量等于滑动摩擦力对小铁块做的功．
(3)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系得ΔEkM＝－μmgl，即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgl.
(4)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.
达标检测
1．ACD　[溜溜球向下运动时，由于重力做正功，动能一定增加，势能转化为动能，选项A正确．溜溜球在上下运动的过程中，由于有阻力做功，所以会损失一部分机械能，机械能不守恒，若不及时补充能量则溜溜球上升的高度会越来越低，因此可在溜溜球运动到最低点时轻抖手腕，向上拉一下绳子，给其补充能量，故选项C、D正确，选项B错误．]
2．AC　[根据动能定理得：W升－mgh＝mv2，可解得W升＝5 800 J，A正确；合外力做功为mv2＝10042 J＝800 J，B错误；物体重力势能增加mgh＝100105 J＝5 000 J，C正确；物体机械能增加等于拉力做的功ΔE＝Fh＝W升＝5 800 J，D错误．]
3．ACD　[画出运动过程示意图，从图中不难看出，当木块前进距离为l，子弹进入木块的深度为d时，子弹相对于地面发生的位移为l＋d.由牛顿第三定律知，子弹对木块的作用力大小也为Ff.
子弹对木块的作用力对木块做正功，由动能定理得
Ff·l＝Mv2①
木块对子弹的作用力对子弹做负功，由动能定理得
－Ff·(l＋d)＝mv2－mv②
由①②得Ff·d＝mv－(M＋m)v2
所以，本题正确选项为A、C、D.]
4．(1)4.5 J　(2)4.5 J　(3)9 J
解析　(1)μmg＝ma，a＝1.5 m/s2，假设物体经过s′的距离，获得与皮带相同的速度，则μmgs′＝mv221世纪教育网版权所有
所以s′＝3 m<4.5 m，即物体可与皮带达到共同速度，
Ek＝mv2＝132 J＝4.5 J.
(2)v＝at，t＝2 s
Q＝μmg(vt－s′)＝0.15110(6－3) J＝4.5 J
(3)E＝Ek＋Q＝4.5 J＋4.5 J＝9 J.