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第7章 第10节
基础夯实
1．下列关于能源的说法中正确的是( )
A．自然界中的能量是守恒的，所以能量永不枯竭，不必节约能源
B．煤、石油、天然气等属于常规能源
C．水能是可再生能源
D．常规能源的大量使用，有时对环境有较大的影响，如：产生“温室效应”
答案：BCD
2．(聊城模拟)我国人民有在房前种树的习惯，夏天大树长出茂密的叶子，为人们挡住炎炎烈日，冬天叶子又会全部掉光，使温暖的阳光照入屋内，可以起到冬暖夏凉的作用．炎热的夏天，我们在经过有树的地方时，也会感到很明显的凉意，关于树木周围比较凉爽的现象，下列说法中正确的是( )
A．树木把大部分太阳光反射出去，使地面温度降低
B．树木吸收阳光，使自己温度升高，周围温度降低
C．树木吸收阳光，将阳光的能量转化为化学能，使环境温度变低
D．白天大树将热量存起来，晚上再将热量放出来，所以白天在树林里感觉凉爽而晚上感觉到热
答案：C
解析：植物发生光合作用，消耗掉太阳能转化成化学能，根据能量守恒，阳光的能量被转化成化学能，所以树木下会比较凉爽，故C正确．
3．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象中所包含 的相同的物理过程是( )
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
答案：AD
解析：汽车制动受到摩擦阻力，动能转化为内能；流星在空中下坠受到空气阻力，动能和势能不断转化为内能；降落伞在空中匀速下降，受到空气阻力，势能转化为内能；条形磁铁在线圈中下落，在线圈中产生感应电流，该电流又阻碍磁铁下落(产生磁场)，机械能转化为电能，最终又转化为内能．上述现象中所包含的相同物理过程是A、D.
注：不同的能与不同的运动形式相对应，做功的过程，就是能量的转化过程．
4．仔细观察下面的图片，说说它们具有哪种形式的能量( )
答案：A.机械能 B．光能 C．内能 D．核能
5．人们为什么能够利用能量？能量是守恒的，为什么要节约能源？
答案：利用能源的过程是一个做功的过程，做功的过程实现了一种形式的能向另一种形式能的转化，也就是说不同形式的能量可以相互转化，为人们利用能源提供了依据．
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，但在可利用品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了．这是能源危机更深层次的含意，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因．
因此我们要节约能源，同时积极研究和开发利用新能源，如核能、太阳能．
6．大规模开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求，太阳能的光—热转换是目前技术最为成熟、成本最低廉、应用最广泛的形式．如图(a)是太阳能热水器的构造示意图，下方是像日光灯管似的集热管，外层是透明的玻璃管，内层是黑色管子(管内蓄水)，由导热性能良好的材料制成，在黑色管和透明管之间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是块光亮的铝合金板，做成凹凸的曲面，水箱在顶部．
(1)试说明太阳能热水器这样构造的道理．
(2)如图(b)中A是集热管，B是储水器，C是辅助加热器，在太阳光的照射下，水将沿________流动，(填“顺时针”或“逆时针”)并解释这种现象．
答案：(1)集热管表面积较大，便于吸收较多的太阳能，透明玻璃管内有黑色管子，使阳光直射入玻璃管而不易被反射．将黑色管和透明管之间抽成真空，可减少两管间因空气对流损失的能量，减少热传导．集热管下方的铝合金板，做成凹凸的曲面(抛物面)，利用凹面镜将太阳光聚集在水管内，水箱装在顶部，是为了便于水的对流．
(2)顺时针．因为集热管中的水被太阳晒热后密度变小受浮力作用将沿管向上运动．
7．水从20m高处落下，如果水重力势能的20%用来使水的温度升高，水落下后的温度将升高多少？
答案：9.5×10－3℃
解析：设质量为m的水从高h＝20m高处落下，使水温度升高Δt，水的比热容为c，则：
mgh×20%＝cmΔt
得Δt＝9.5×10－3℃.
能力提升
1．有关功和能，下列说法正确的是( )
A．力对物体做了多少功，物体就具有多少能
B．物体具有多少能，就一定能做多少功
C．物体做了多少功，就有多少能量消失
D．能量从一种形式转化为另一种形式时，可以用功来量度能量转化的多少
答案：D
解析：功是能量转化的量度，即物体做了多少功，就有多少能量发生了转化；并非力对物体做了多少功，物体就具有多少能；也非物体具有多少能，就一定能做多少功，所以A、B错误．做功的过程是能量转化的过程，能量在转化过程中能量守恒并不消失，所以C错误．正确答案是D.
2．一小滑块放在如图所示的凹形斜面上，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．若已知在这过程中，拉力F所做的功的大小(绝对值)为A，斜面对滑块作用所做的功的大小为B，重力做功的大小为C，空气阻力做功的大小为D.当用这些量表达时，小滑块的动能的改变(指末态动能减去初态动能)等于________，滑块的重力势能的改变等于________；滑块机械能(指动能与重力势能之和)的改变等于________．
答案：A－B＋C－D －C A－B－D
解析：根据功能关系，动能的改变等于外力做功的代数和，其中做负功的有空气阻力，斜面对滑块的作用力的功(因弹力不做功，实际上为摩擦阻力的功)．因此
ΔEk＝A－B＋C－D；
重力势能的减少等于重力做的功，因此ΔEP＝－C；
滑块机械能的改变等于重力之外的其他力做的功，因此
ΔE＝A－B－D.
3．一次台风的平均能量为1.1×1018J左右．台风登陆以后，由于和地表面的摩擦，引起了能量的消耗．这个能量的消耗是每秒1.1×1013J左右．因此，如果不从外界补充能量，台风应该在s＝105s，也就是大约一日就消失了．但是，还没有听说过台风在一日内就消失了的事情．这说明台风从什么地方得到了能够补充它消耗的巨大能量？请你说明补充的能量是从什么能量转化来的．
答案：能量来源是伴随着台风的暴雨．
雨是凝结了的水蒸气，因为在水蒸气凝结的时候，要放出热量，这个热补充了台风能量的消耗．从能量转化的角度来看，是水蒸气所具有的内能转化为台风整体的机械能，水蒸气是由太阳能在赤道地区的海上产生的．就是在不明显的地方，太阳能也起着巨大作用．
4．(2009·沈阳高一检测)如图所示，皮带的速度是3m/s，两圆心距离s＝4.5m，现将m＝1kg的小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：
(1)小物体获得的动能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？(g＝10m/s2)
答案：(1)4.5J (2)4.5J (3)9J
解析：(1)μmg＝ma a＝1.5m/s2 μmgs′＝mv2
所以s′＝3m<4.5m，即物体可与皮带达共同速度，
Ek＝mv2＝×1×32J＝4.5J
(2)v＝at t＝2s
Q＝μmg(vt－s′)＝0.15×1×10×(6－3)J＝4.5J
(3)E电＝Ek＋Q＝4.5J＋4.5J＝9J.
5．为了测量太阳的辐射功率，某人采取如下简单实验，取一个横截面积是3×10－2m2的圆筒，筒内装水0.6kg，用水测量射到地面的太阳能，某一天中午在太阳光直射2min后，水的温度升高了1℃.
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？
答案：(1)4.2J/min·cm2
(2)P＝4.6×1026W
解析：(1)圆筒内的水经过2min照射后，增加的内能为：ΔE＝Q＝cmΔt代入数据可得：ΔE＝4.2×103×0.6×1J＝2.5×103J
每分钟获得的能量为＝1.25×103J/min
圆筒面积S＝3×10－2m2＝3×102cm2
地球上每分钟每平方厘米获得的能量为：
＝J/(min·cm2)＝4.2J/(min·cm2)
(2)上述能量也相当于以太阳为球心，以日地距离r为半径的球面上每分钟每平方厘米获得的能量，设太阳辐射的功率为P，则：
×43%＝其中r＝1.5×1013cm，解得：P＝4.6×1026W
6．风能将成为21世纪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．如图所示．
(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ρ气流速度为v，风轮机叶片长度为r.求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm；
(2)已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比．某风力发电机在风速v1＝9m/s时能够输出电功率P1＝540kW.我国某地区风速不低于v2＝6m/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．
答案：(1)πρr2v3 (2)8×105kW·h
解析：(1)风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大．
单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为ρvS，S＝πr2
风能的最大功率可表示为
P＝(ρvS)v2
＝ρvπr2v2＝πρr2v3
(2)按题意，风力发电机的输出功率为
P2＝()3·P1＝()3×540kW＝160kW
最小年发电量约为
W＝P2t＝160×5000kW·h＝8×105kW·h.
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** 掌握能量守恒定律，理解这个定律的重要意义
** 能用能量守恒定律去分析计算有关能量守恒的综合性问题
* 理解能量耗散，认清节约能源的重要性
各种形式的能都可以互相转化，你能说出下列现象(见下图)中，能是如何转化的吗？
1．我们可以从千差万别的各种自然现象中抽象出一个共通的量——________，这说明不同的运动形式在相互转化中有________确定关系．
2．导致能量守恒定律最后确立的两类重要事实是：______________和______________．
3．能量既不会________，也不会创生，它只会________________________，或者__________________________，而在转化和转移的过程中，__________________.这就是能量守恒定律．
4．燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会再次____________供人类重新利用；电池中的化学能转化为________，它又通过灯泡转化成________和________，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的________，我们也无法把这些______________重新利用．这种现象叫做____________．
5．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________．能源的利用受____________制约，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的．
答案：1.能量 数量上的
2．确认了永动机的不可能性 发现了各种自然现象之间相互联系与转化
3．消灭 从一种形式转化为其他形式 从一个物体转移到另一个物体 能量的总量保持不变
4．自动聚集起来 电能 内能 光能 内能 内能收集起来 能量的耗散
5．方向性 这种方向性的
(1)一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量．
(2)能量有各种不同的形式．运动的物体具有动能；被举高的重物具有重力势能；发生弹性形变的物体具有弹性势能．另外自然界中还存在如化学能、电能、光能、太阳能、风能、潮汐能、原子能等等不同形式的能．
不同的能与物体的不同运动形式相对应，如机械能对应机械运动；内能与大量微观粒子的热运动相对应.
(1)能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变．这个规律叫做能量守恒定律．
(2)能量守恒定律的重要意义
①能量守恒定律是普遍适用的．对宏观世界与微观世界、高速运动与低速运动等都成立．
②能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系，提醒人们自然科学是相互联系的，相互统一的．能量守恒定律对人类认识自然、改造自然起着重要的指导作用．
③能量的转化和守恒定律是19世纪自然科学中三大发现之一．
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“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1m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，如图所示．溜溜球在运动过程中
( )
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，溜溜球的势能转变为动能
B．在溜溜球上下运动中，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，会损失一部分能量
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
答案：ACD
解析：溜溜球向下运动时由于重力做正功，动能一定增大，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CD正确，B错误.
(1)概念：能够提供可利用能量的物质，都可以称为能源．
(2)分类
①从人类开发能源的历史划分
常规能源：煤、石油、天然气等；
新能源：核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等．
②从使用分类
一次能源：未经人工加工的能源，如煤、石油、天然气、水能、风能、生物能、海洋能等．
二次能源：从一次能源直接或间接转化来的能源．如：电能、氢能、焦炭．
③从能否再生分类：
可再生能源：水能、风能等；
不可再生资源：石油、煤等．
④从对环境的影响分类：
清洁能源(也称“绿色环保”能源)：太阳能、风能等；
非清洁能源：煤、石油、天然气等.
(1)自然界中自发的能量的转化和转移具有方向性．
①热量可以自发的由高温物体传递给低温物体，但不能自发的由低温物体传给高温物体．
②冒起的煤烟和散开的炭灰不可能又重新组合成一堆煤炭．
③散失到周围环境中的内能不能回收重新利用．
(2)在能量的转化过程中，一部分能量转化为内能流散到周围环境中，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散．
根据如图所示的情景，判断图中A，B两台机器，哪台是发电机？哪台是电动机？并描述这一情景中所涉及的能量转化．
答案：B是发电机，A是电动机．
瀑布的水流下来将水的重力势能转化为动能，水流推动水轮机带动发电机B转动发电，是将机械能转化为电能，发电机产生电流流经电动机A时，又将电能转化为机械能.
(1)表达式ΔE1减＝ΔE2增
(2)含义
①某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量一定和增加量相等．
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)应用步骤
①分清多少种形式的能(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增的表达式．
③依据能量守恒列式求解．
特别提醒：
能量守恒定律表达式中虽然没有出现功，但功是能量转化的量度．能量变化中也体现功的本质及做功多少．
竖直向上的恒力F作用在质量为m的物体A上，使A从静止开始运动升高h，速度达到v，在这个过程中，设阻力恒为F阻．则下列表述正确的是
( )
解析：对于上面提出的各项问题，应从能的转化与守恒的角度去认识，在自然界，能的形态是多种多样的，有机械能(包括动能和势能，势能又包括重力势能和弹性势能)、内能、电势能等．各种形态的能之间是可以相互转化的，这是大家熟知的事实，问题是各种形态的能之间是如何转化的．
答案：CE
点评：由此题可以总结出在解决综合性习题时，切入点可以选择在物体受力上，从分析物体受力入手，或是分析物体的能量变化，从能量入手，从而抓住各个物理量间的相互关系，给出解答．
(福建六校09～10学年高一下学期期中)如图，木块m放在光滑的水平面上，一颗子弹水平射入木块中，子弹受到的平均作用力为f，射入深度为d，此过程中木块移动了s，则
( )
A．子弹损失的动能为fs
B．木块增加的动能为f(s＋d)
C．子弹动能的减少等于木块动能的增加
D．子弹、木块系统总机械能的损失为fd
答案：D
解析：子弹克服阻力做功为Wf＝f(s＋d)，子弹损失的动能为f(s＋d)，A错；f对木块做的功为Wf′＝fs，木块增加的动能为fs，B错；由功能关系知，子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块系统增加的内能之和，C错；子弹和木块组成的系统机械能的损失量等于系统内能的增加量等于fd，D正确.
如图所示是打秋千的示意图，最初人直立站在踏板上(A点所示)，绳与竖直方向成θ角，人的重心到悬点O的距离为L1；从A点向最低点B运动的过程中，人由直立状态自然下蹲，在B点人的重心到悬点O的距离为L2；在最低点处，人突然由下蹲状态变成直立状态(人的重心到悬点O的距离恢复为L1)且保持该状态到最高点C.设人的质量为m，踏板和绳的质量不计，空气阻力不计．求：
(1)人刚到最低点B还处于下蹲状态时，两根绳中的总拉力F为多大
(2)人到达左端最高点C时，绳与竖直方向的夹角α为多大？(用反三角函数表示)
解析：以人和踏板组成的系统为研究对象，它们从A到B的过程中，受到拉力和重力的作用，但只有重力做功，所以系统的机械能守恒，在B点，人突然由下蹲状态变成直立状态，人的动能没有变化，但人的重力势能增加了，人做了功．
(1)从A→B的过程中，系统重力势能的减少量：ΔEp＝mg(L2－L1cosθ)①
点评：当人在最低点时，并非处于平衡状态，而是由合力提供向心力，在B点时，人突然由下蹲状态变成直立状态，体内的化学能转化成人的机械能，所以从A到C的过程中，人的机械能并不守恒，而是增加了，必须分段求解．荡秋千可以越荡越高，同学们对于其中的能量转化的分析常感到困惑，所以对于机械能的变化与实际情景相结合的题目，一定要认真分析能量在各个细节过程的转化．这类与实际联系密切的题应是今后高考的重点．
能源问题也是当前的热门话题，传统的能源——煤和石油一方面储量有限，有朝一日将要被开采完毕，另一方面，使用过程中也带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即是一例．
关于潮汐，古人说：“潮者，据朝来也；汐者，言夕至也”．如图表示的是利用潮汐发电．左方为陆地和海湾，中间为水坝，其下有通道，水经通道可带动发电机，涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同，堵住通道(如图甲所示)，潮落至最低时放水发电(如图乙所示)；等内外水面高度相同，不再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又进水发电(如图丙所示)．设海湾面积为5.0×108m2，高潮与低潮间高度差为3.0m，则一天内水流的平均功率为______________W.
答案：1.0×109
液体能够沿着很细的毛细管上升一段距离而高出原来的液面，这种现象叫做毛细现象．棉线浸在煤油中，煤油会沿着棉线上升一段较大的高度，有人根据这一现象制造了一台可以源源不断地对外做功的机器，如图所示．
试根据能的转化和守恒定律，分析说明这台装置能够正常工作吗？若不能正常工作，原因可能出现在哪里？
解析：这台装置不能正常工作．假设它能正常工作，便意味着这台装置不需要外界的能量而源源不断地对外工作，对外界输出能量，这违背了能量转化和守恒定律，此装置成为一台永动机．煤油能沿棉线上升一个较大的高度，这是一个不争的事实，如果B槽中有煤油便会向下流动冲击叶轮对外做功也是无可置疑的，此装置不能工作的原因是煤油虽上升到B槽高处，但不能滴落到B槽中．
答案：不能工作．违背能的转化和守恒定律，原因是煤油不能从棉线上滴落．
点评：这是一道考查学生对自然现象的观察能力和应用能的转化和守恒定律分析解决实际问题能力的题目．例如，我们容易注意到毛细现象，但往往不注意观察上升的液体是否能从毛细管中流出．
太阳能的储存一直是个难题．科学家发现，盐水湖被太阳晒久了，湖底的温度会越来越高，并难以通过湖水的对流将热散发出去，而淡水湖不具备这一特点．根据这一特点，可以利用盐水湖来储存太阳能．你能分析这是为什么吗？你能根据这一规律设计出一种储存太阳能的具体方案吗？(提示：盐水湖中含盐量高的湖水密度大，总是留在湖底不会上浮)．
答案：建造一个具有一定深度的浓度足够高的盐水池，使其具有很好的保温性能，并且在水池底部安装热传导装置，就可以实现利用盐水储存太阳能并且利用这部分储存太阳能为生产生活服务．
在含盐量高的湖水的表面吸收了太阳能之后，部分水分被蒸发，使湖水表面水层含盐量变大且温度也随之升高．由于含盐量高的湖水密度大，所以这部分密度大、温度高的表层湖水就会在重力作用下沉，将所吸收的部分太阳能带到湖底，使湖底温度越来越高．由于湖底盐水密度大于上部湖水密度，因此湖底的盐水不会再向上运动，将热量散失，这就使得太阳能得到储存．
