高中物理教科版必修二学案：第4章 4.6能源的开发与利用 Word版含答案

6．能源的开发与利用
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.了解各种不同形式的能，知道能量守恒定律确定的两类重要事实．(重点)
2．知道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．(重点、难点)
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、能量守恒定律
1．能量的转化
自然界存在着各种不同形式的能量—机械能(动能和势能)、内能、电能、化学能、核能等，各种不同形式的能量可以相互转化．
2．能量守恒定律
(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保持不变．
(2)机械能守恒定律与能量守恒定律的关系
机械能守恒定律是普遍的能量守恒定律在特种背景下一种特殊表现形式．
二、能源的利用和新能源的开发
1．能源的利用
(1)能源：能够提供某种形式能量的物质资源．
(2)能源的利用
①人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴草时期、煤炭时期、石油时期．
②能源利用方式的改进极大地提高了劳动生产率，给人类的生活带来了极大的改善，煤炭的利用和蒸汽机的诞生引起了产业革命．
(3)能源的分类
①非再生能源：如煤、石油、天然气等常规能源．
②可再生能源：如风能、水能等．
(4)常规能源产生的危害
①煤炭燃烧产生烟尘，且煤烟中含有二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物等，污染大气，造成酸雨和温室效应，导致两极冰雪融化，海平面上升．
②煤烟中的致癌物质危害身体．
③煤炭的开采和生产过程破坏土壤植被，产生的废水污染水源及农田．
④石油的开采、炼制、处理过程及其使用都对环境产生污染．
2．新能源的开发
(1)非再生能源对人类的要求
①节约能源．
②开发和利用新能源．
(2)新能源
①种类：风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核聚变能等．
②特点：多为可再生能源，且污染较少．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)机械能守恒定律是能量守恒定律的一种特殊表现形式．
(　　)
(2)人们开发和利用能源的过程中，能量在数量上逐渐减少．
(　　)
(3)能量在开发和利用过程中发生转移或转化，但能的总量是不变的． (　　)
(4)世上总能量虽然不变，但我们仍需要有节能意识． (　　)
(5)煤自古至今都是人类的主要能源． (　　)
(6)化石燃料的利用给人们的生活带来了便利，但同时引起了环境问题．(　　)
【提示】　(1)√　(2)×　(3)√　(4)√　(5)×　(6)√
2．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光；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
AD　[这四个现象中物体运动过程中都受到运动阻力，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A对；四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化为其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，D对．]
3．(多选)在体育比赛项目中，高台跳水是我国运动员的强项．质量为m的跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设水对他的阻力大小恒为F，那么在他减速下降高度为h的过程中，下列说法正确的是(g为当地的重力加速度)(　　)
A．他的动能减少了Fh－mgh
B．他的重力势能增加了mgh
C．他的机械能减少了(F－mg)h
D．他的机械能减少了Fh
AD　[由动能定理，ΔEk＝mgh－Fh，动能减少了Fh－mgh，A选项正确；他的重力势能减少了mgh，B选项错误；他的机械能减少了ΔE＝Fh，C选项错误，D选项正确．]
4．能源短缺和环境恶化指的是(　　)
①煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺．
②煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺．
③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化．
④大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，改变了大气成分，使环境恶化．
A．①③　　　　　　 B．①④
C．②③ D．②④
D　[煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们的储量是有限的，并不是取之不尽、用之不竭的，这是所讲的能源短缺，②正确；能源在使用时会排出有害气体污染空气，这是所讲的环境恶化，④正确．故D正确．]
能量守恒定律的理解和应用
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)分清哪些形式的能(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：(1)应用能量守恒规律解题时，一定要分清系统中有哪些形式的能，什么能发生了转化或转移．
(2)滑动摩擦力与相对距离的乘积在数值上等于产生的内能．
【例1】　如图所示，可视为质点的物块A放在物体B上，物体B的斜面为弧面，A、B之间有摩擦，水平地面光滑．现将物块A从物体B的顶端由静止释放，在滑到物体B的底端前，下列说法不正确的是 (　　)
A．若物体B固定，则物块A减少的重力势能等于它的动能和系统增加的内能之和
B．若物体B不固定，则物块A减少的重力势能等于物体B增加的动能
C．物体B在固定与不固定的两种情况下，系统重力势能的减少量相等
D．物体B在固定与不固定的两种情况下，摩擦产生的热量不相等
B　[若B固定，A减少的重力势能转化为A的动能和系统增加的内能，选项A正确；若B不固定，A减少的重力势能转化为A、B的动能和系统增加的内能，选项B错误；B在固定与不固定的两种情况下，A下降的高度相等，所以系统重力势能的减少量相等，选项C正确；B不固定时，由于A、B都运动，经过同一位置A的速度与B固定时A的速度不等，所以同一位置的摩擦力大小不等，因而摩擦产生的热量不等，选项D正确．]
运用能量守恒定律解题的基本思路
1.如图所示，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形管内液体的总长度为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 (　　)
A.mgh　　　　　　　 B.mgh
C.mgh D.mgh
A　[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．]
对功能关系的理解
1．功与能量的转化
不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的．做功的过程就是各种形式的能量之间转化(或转移)的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)．因此，功是能量转化的量度．
2．功与能的关系
某种力做功往往与某一种具体形式的能量转化相联系，具体功能关系如下：
功
能的变化
表达式
重力做功
正功
重力势能减少
WG＝Ep1－Ep2
负功
重力势能增加
弹力做功
正功
弹性势能减少
W弹＝Ep1－Ep2
负功
弹性势能增加
合力做功
正功
动能增加
W合＝Ek2－Ek1
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
W外＝E2－E1
负功
机械能减少
【例2】　如图所示，某段滑雪雪道倾角为30°，总质量为m(包括雪具在内)的滑雪运动员从距底端高为h处的雪道上由静止开始匀加速下滑，加速度为g.在他从上向下滑到底端的过程中，下列说法正确的是(　　)
A．运动员减少的重力势能全部转化为动能
B．运动员获得的动能为mgh
C．运动员克服摩擦力做功为mgh
D．下滑过程中系统减少的机械能为mgh
思路点拨：解答本题时应注意以下两点：
(1)根据运动员的加速度确定其摩擦力的大小和方向．
(2)明确动能和机械能的变化对应什么力做功．
D　[运动员的加速度为g，小于gsin 30°，所以必受摩擦力的作用，且大小为mg，克服摩擦力做功为mg·＝mgh，故C错；摩擦力做功，机械能不守恒，减少的势能没有全部转化为动能，而是有mgh转化为内能，故A错，D对；由动能定理知，运动员获得的动能为mg·＝mgh，故B错．]
应用功能关系需注意的问题
搞清力对“谁”做功，对“谁”做功就对应“谁”的位移，引起“谁”的能量变化．如子弹物块模型中，摩擦力对子弹做的功必须用子弹的位移去求解，这个功引起子弹动能的变化．
2.如图所示，在竖直平面内有一半径为R的圆弧轨道，半径OA水平、OB竖直，一个质量为m的小球自A点的正上方P点由静止开始自由下落，小球沿轨道到达最高点B时恰好对轨道没有压力，已知AP＝2R，重力加速度为g，则小球从P到B的运动过程中(　　)
A．重力做功2mgR
B．机械能减少mgR
C．合外力做功mgR
D．克服摩擦力做功mgR
D　[小球从A点正上方由静止释放，通过轨道最高点B时恰好对轨道没有压力，此时只有重力提供向心力，根据牛顿第二定律有mg＝m，解得v2＝gR，小球从P点运动到B点，重力做的功为mgR，设摩擦力做的功为W，根据动能定理有mgR＋W＝mv2＝mgR，故合外力做的功为mgR，摩擦力做的功为W＝－mgR，由功能关系知小球的机械能减少mgR.故选项D正确．]
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
C　[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对；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一段时间，它一定会停摆的，D错．]
2．市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)．在阳光的照射下，小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽．该装置的能量转化情况是(　　)
A．太阳能→电能→机械能
B．太阳能→机械能→电能
C．电能→太阳能→机械能
D．机械能→太阳能→电能
A　[电池板中太阳能转化为电能，小电动机中电能转化为机械能．]
3．关于能源的利用，下列说法中不正确的是(　　)
A．由于我国煤和石油的储量无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要
B．能源的利用过程，实质是能的转化和转移过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D．煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能
A　[石油、煤等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错，B、C、D对．]
4．(多选)如图所示，一木块放在光滑水平面上，一子弹水平射入木块中，射入深度为d，平均阻力为f.设木块滑行距离为s时开始匀速前进，下列判断正确的是(　　)
A．子弹损失的动能等于fd
B．子弹损失的动能等于f(s＋d)
C．总机械能的损失等于fs
D．总机械能的损失等于fd
BD　[子弹受到的合外力为f，合外力做负功，即Wf＝－f(s＋d)，根据动能定理得，子弹损失的动能为f(s＋d)，选项A错误，B正确；合外力对木块做的功为W＝fs，则木块增加的动能为fs；根据以上分析知道，子弹动能的减少量大于木块动能的增加量，选项C也错误；根据能量守恒可知，子弹、木块系统总机械能的损失为ΔE＝－f(s＋d)＋fs＝－fd，选项D正确．]
5．如图所示，某人乘雪橇从雪坡经A点滑至B点，接着沿水平路面滑至C点停止．人与雪橇的总质量为70 kg.表中记录了沿坡滑下过程中的有关数据，请根据图表中的数据解决下列问题：
(1)人与雪橇从A到B的过程中，产生的热量是多少？
(2)设人与雪橇在BC段所受阻力恒定，求阻力大小．(g取10 m/s2)
位置
A
B
C
速度(m/s)
2.0
12.0
0
时刻(s)
0
4
10
[解析]　(1)从A到B的过程中，人与雪橇损失的机械能为ΔE＝mgh＋mv－mv
损失的机械能转化为内能Q＝ΔE＝(70×10×20＋×70×22－×70×122)J＝9 100 J.
(2)人与雪橇在BC段做匀减速运动的加速度
a＝＝ m/s＝－2 m/s2
根据牛顿第二定律
f＝ma＝70×(－2)N＝－140 N.
[答案]　(1)9 100 J　(2)140 N