10．能量守恒定律与能源
[学习目标] 1.知道能量守恒定律的内容．(重点) 2.理解能量守恒定律的确切含义． 3.掌握应用能量守恒定律解决问题的方法．(重点) 4.知道能量转化的方向性．(难点)
一、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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．
2．建立定律的两个重要事实
(1)确认了永动机的不可能性．
(2)各种自然现象之间能量的相互联系与转化．
3．机械能守恒定律与能量守恒定律的关系
机械能守恒定律是能量守恒定律的特殊背景下一种特殊的表现形式．
二、能源和能量耗散
1．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．电池中的化学能转化为电能，它又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物体吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用．这种现象叫作能量的耗散．
2．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，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了．
3．能量转化的方向性与节约能源的必要性
能量耗散反映了能量转化的宏观过程具有方向性，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多． (√)
(2)做功越多，能量的转化也越多． (√)
(3)物体做了多少功，就有多少能量消失． (×)
(4)煤、石油、天然气属于常规能源． (√)
(5)冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭． (×)
2．煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是( )
A．都为可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．都为不可再生能源，用一点，少一点
C．都为来自太阳辐射的能量
D．都为污染环境的能源
C [煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物质能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射．因此，选项C正确，其他选项均错误．]
3．“天舟一号”发射成功，我国将迈进“空间站时代”，如图所示，“天舟一号”在点火后，竖直加速上升的过程中，忽略其质量的变化，则“天舟一号”的( )
A．重力势能减少，动能减少，机械能减少
B．重力势能减少，动能增加，机械能增加
C．重力势能增加，动能减少，机械能减少
D．重力势能增加，动能增加，机械能增加
D [“天舟一号”竖直加速上升的过程中，高度增加，速度增大，由Ep＝mgh和Ek＝mv2知，其重力势能增加，动能增加，故机械能增加，D正确．]
4．一个盛水袋，某人从侧面缓慢推装液体的袋壁使它变形至如图所示位置，则此过程中袋和液体的重心将( )
A．逐渐升高
B．逐渐降低
C．先降低再升高
D．始终不变
A [人对液体做正功，液体的机械能增加，液体缓慢移动可以认为动能不变，重力势能增加，重心升高，A正确．]
功能关系的理解与应用
1．功能关系的概述
(1)不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是能量之间转化的过程．
(2)功是能量转化的量度．做了多少功，就有多少能量发生转化．
2．功与能的关系
由于功是能量转化的量度，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
重力势
能变化
WG＝
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＝
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＝
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
机械能变化
W外＝E2－E1
负功
机械能减少
【例1】 (多选)如图所示，动滑轮下系有一个质量为1 kg的物块，细线一端系在天花板上，另一端绕过动滑轮．用F＝6 N的恒力竖直向上拉细线的另一端．滑轮、细线的质量不计，不计一切摩擦．经过1 s，则( )
A．重力势能增加了
B．拉力F做功为12 J
C．物体的动能增加了10 J
D．物体的机械能增加了12 J
ABD [如图所示，物体受到两个力的作用：拉力F′＝2F和重力mg.
由牛顿第二定律得F′－mg＝ma，a＝2 m/s2，
物体从静止开始运动，1s内的位移为：x＝at2＝×2×12 m＝1 m，重力势能增加Ep＝mgx＝10 J，A正确．
拉力F的作用点为绳的端点，在物体发生1 m位移的过程中，绳的端点的位移为x′＝2x＝2 m
所以拉力F做的功为W＝Fx′＝6×2 J＝12 J，故B正确；
C．物体的速度v＝at＝2 m/s2，物体的动能增加了Ek＝mv2＝×1×22 J＝2 J，故C错误；
D．拉力做的功等于物体机械能的增加量，所以物体的机械能增加了12 J，故D正确．故选A、B、D.]
应用功能关系解题的关键
应用功能关系解题的关键是深刻理解不同功能关系的含义：
(1)重力做功是物体重力势能变化的原因，重力做多少功，重力势能就减少多少；
(2)弹力做功是弹簧弹性势能变化的原因，弹力做多少功，弹性势能就减少多少；
(3)合力做功是物体动能变化的原因，合力做多少功，动能就增加多少；
(4)除重力和系统内弹力之外的其他力做功是机械能变化的原因，其他力做多少功，机械能就增加多少．
1．(多选)如图所示，扶手电梯与水平地面的夹角为30°，质量为m的人站在电梯上，电梯由静止斜向上做匀加速运动时，人对电梯的压力是他体重的倍．人随电梯上升高度H的过程中，下列说法正确的是(重力加速度为g)( )
A．人的重力势能增加mgH
B．人的机械能增加mgH
C．人的动能增加mgH
D．电梯的加速度为
AC [电梯克服人的重力做功为：mgH，所以人的重力势能增加mgH，故A正确；根据牛顿第二定律，在竖直方向上有：N－mg＝may，解得：ay＝0.25g，根据平行四边形定则，电梯的加速度为：a＝0.5g，故D错误；人所受的合外力为：F＝ma＝mg，根据动能定理可得：ΔEk＝F＝mgH，故C正确；人的机械能的增加量等于重力势能的增加量与动能的增加量之和，即：2mgH，故B错误．所以A、C正确，B、D错误．]
能量守恒定律的理解与应用
1．适用范围
能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律．
2．表达式
(1)E初＝E末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和．
(2)ΔE增＝ΔE减，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量．
3．应用步骤
(1)明确研究对象及研究过程．
(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化．
(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少．
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)．
【例2】 如图所示，电动机带动水平传送带以速度v匀速传动，一质量为m的小木块由静止轻放在传送带上．若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ，当小木块与传送带相对静止时，求：
(1)小木块的位移；
(2)传送带转过的路程；
(3)小木块获得的动能；
(4)摩擦过程产生的热量；
(5)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量．
思路点拨：①在计算第(4)问时，要用滑动摩擦力乘木块相对皮带的位移，不是对地位移．
②要理解电动机带动传送带匀速转动输出能量的含义为：小木块获得的动能与摩擦生热的和．
[解析] 小木块刚放上传送带时，速度为0，受到传送带的滑动摩擦力作用，做匀加速直线运动，达到与传送带相同的速度后不再受摩擦力．整个过程中小木块获得一定的动能，系统内因摩擦产生一定的热量．
(1)对小木块，相对滑动时，由μmg＝ma，得a＝μg，
由v＝at，得小木块由静止到与传送带相对静止时所用的时间t＝.
则小木块的位移l＝at2＝.
(2)传送带始终匀速运动，转过的路程s＝vt＝.
(3)小木块获得的动能Ek＝mv2.
(4)摩擦过程产生的热量Q＝μmg(s－l)＝mv2.
(5)由能的转化与守恒得，电动机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的热量，所以E总＝Ek＋Q＝mv2.
[答案] (1) (2) (3)mv2 (4)mv2 (5)mv2
?1?摩擦力做功特点
①无论是静摩擦力还是滑动摩擦力，它们都可以做负功或做正功，也可以不做功.
②互为作用力和反作用力的一对静摩擦力所做的总功为零；而互为作用力和反作用力的一对滑动摩擦力所做的总功一定为负值.
?2?因摩擦而产生的内能的计算
Q＝Ff·x相，其中Ff指滑动摩擦力的大小，x相指发生摩擦的物体间的相对位移的大小.
2．如图所示，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：
(1)小铁块增加的动能；
(2)长木块减少的动能；
(3)系统机械能的减少量；
(4)系统产生的热量．
[解析] 画出这一过程两物体位移示意图，如图所示．
(1)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．
(2)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.
(3)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.
(4)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，也等于系统减少的机械能．
[答案] (1)μmg(l－L) (2)μmgl (3)μmgL (4)μmgL
能源及其开发和利用
1．人类与能源的关系
(1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命，都与新的能源和动力机械的利用密切相关，能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志．
(2)不利方面：能源的大量使用会给环境带来极大的破坏，如大气污染、温室效应、酸雨等，对人类造成很大的危害．
2．常规能源和新能源的转化途径
【例3】 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．]
?1?能源的开发和利用要以人为本，要以可持续发展为前提.
?2?应优先使用新能源，新能源的共同特点：可再生、取之不尽、绿色无污染.
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，实质是能量的转化和转移过程
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．]
课 堂 小 结
1.能量耗散是指可利用的能源最终变成了周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用．
2．能量耗散反映了能量转化的宏观方向性，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源．
3．功和能量的关系：功是能量转化的量度.
知 识 脉 络
1．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．]
2．下列关于力做功与对应能量变化的说法正确的是( )
A．合力做正功，机械能增加
B．合力做正功，物体的动能一定增加
C．摩擦力做功，物体的机械能一定减少
D．合力做负功，重力势能一定减少
B [除重力外其余力做的功等于物体机械能的变化量，除重力外其余力做正功等于物体机械能的增加量，故A、C错误；由动能定理，可知合力做功是动能变化的量度，合力做正功，物体的动能一定增加，重力势能的变化是看重力是否做功，故B正确，D错误；故选B.]
3．韩晓鹏是我国首位在冬奥会雪上项目夺冠的运动员．他在一次自由式滑雪空中技巧比赛中沿“助滑区”保持同一姿态下滑了一段距离，重力对他做功1 900 J，他克服阻力做功100 J．韩晓鹏在此过程中( )
A．动能增加了1 900 J B．动能增加了2 000 J
C．重力势能减小了1 900 J D．重力势能减小了2 000 J
C [外力对物体所做的总功为W总＝WG＋W阻＝1 900 J－100 J＝1 800 J，是正功，根据动能定理得：动能增加了1 800 J，故A、B错误．重力对物体做功为1 900 J，是正功，则物体重力势能减小了1 900 J，故C正确，D错误．故选C.]
4．如图所示，皮带的速度是3 m/s，两圆心的距离s＝4.5 m，现将m＝1 kg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：(g取10 m/s2)
(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.
[解析] (1)设小物体与皮带达到共同速度时，物体相对地面的位移为s′.
μmgs′＝mv2，解得s′＝3 m＜4.5 m，
即物体可与皮带达到共同速度，此时
Ek＝mv2＝×1×32 J＝4.5 J.
(2)由μmg＝ma得a＝1.5 m/s2，由v＝at得t＝2 s，得Q＝μmg(vt－s′)＝0.15×1×10×(6－3) J＝4.5 J.
(3)由能量守恒知
E电＝Ek＋Q＝4.5 J＋4.5 J＝9 J.
[答案] (1)4.5 J (2)4.5 J (3)9 J
课件61张PPT。第七章 机械能守恒定律10．能量守恒定律与能源转化 转移 保持不变 永动机 相互联系 转化 能量守恒定律 内能 光能 内能 未减少 降低 不便于利用 能量耗散 守恒 √
√
×
√
×功能关系的理解与应用能量守恒定律的理解与应用能源及其开发和利用点击右图进入…Thank you for watching !课时分层作业(十八)
(时间：15分钟 分值：48分)
选择题(本题共8小题，每小题6分，共48分)
1．下列对能的转化和守恒定律的认识错误的是( )
A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加
B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加
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，最后静止在地面上，说明机械能消失了
D [根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增大；某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，A、B正确；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，C正确；石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能，能量并没有消失，故D错误．]
2．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．逐渐有所升高
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
A [压缩机电机有电流流过，会产生热量，即消耗电能，产生了内能，且房间与外界没有能量交换，所以房内温度会升高，A正确．]
3．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错误；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错误；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一段时间，它一定会停摆的，D错误．]
4．(多选)质量为m的物体，在距地面h高处以的加速度由静止竖直下落到地面，下列说法中正确的有( )
A．物体的重力势能减少
B．物体的重力势能减少了mgh
C．物体的动能增加
D．重力做功mgh
BD [物体在下落过程中，重力做正功为mgh，则重力势能减小也为mgh，A错误，B、D正确；物体的合力为，则合力做功为，所以物体的动能增加为，C错误．]
5．(多选)如图所示，高h＝2 m的曲面固定不动．一个质量为1 kg的物体，由静止开始从曲面的顶点滑下，滑到底端时的速度大小为4 m/s.g取10 m/s2.在此过程中，下列说法正确的是( )
A．物体克服摩擦力做功20 J
B．物体的动能增加了8 J
C．物体的重力势能减少了20 J
D．曲面对物体的支持力对物体不做功
BCD [根据动能定理得mgh＋Wf＝mv2＝×1×42 J＝8 J，B对；其中重力做功WG＝mgh＝1×10×2 J＝20 J，故重力势能减少20 J，C对；所以摩擦力做功Wf＝8 J－20 J＝－12 J，A错；支持力始终与物体的速度垂直，故支持力不做功，D对．]
6．(多选)如图所示，轻质弹簧一端固定，另一端连接一小物块，O点为弹簧在原长时物块的位置．物块由A点静止释放，沿粗糙程度相同的水平面向右运动，最远到达B点．在从A到B的过程中，物块( )
A．加速度先减小后增大
B．经过O点时的速度最大
C．所受弹簧弹力始终做正功
D．所受弹簧弹力做的功等于克服摩擦力做的功
AD [物体从A点到O点过程，弹力逐渐减为零，刚开始弹簧弹力大于摩擦力，故可分为弹力大于摩擦力过程和弹力小于摩擦力过程；弹力大于摩擦力过程，合力向右，加速度也向右，由于弹力减小，摩擦力不变，小球所受合力减小，加速度减小，弹力等于摩擦力时速度最大，此位置在A点与O点之间，弹力小于摩擦力过程，合力方向与运动方向相反，弹力减小，摩擦力大小不变，物体所受合力增大，物体的加速度随弹簧形变量的减小而增加，物体做减速运动；从O点到B点的过程弹力增大，合力向左，加速度继续增大，选项A正确，选项B错误；从A点到O点过程，弹簧由压缩恢复原长弹力做正功，从O点到B点的过程，弹簧伸长，弹力做负功，故选项C错误；从A到B的过程中根据动能定理弹簧弹力做的功等于物体克服摩擦力做的功，故选项D正确．]
7．(多选)如图所示，楔形木块abc固定在水平面上，粗糙斜面ab和光滑斜面bc与水平面的夹角相同，顶角b处安装一定滑轮．质量分别为M、m(M＞m)的滑块，通过不可伸长的轻绳跨过定滑轮连接，轻绳与斜面平行．两滑块由静止释放后，沿斜面做匀加速运动．若不计滑轮的质量和摩擦，在两滑块沿斜面运动的过程中( )
A．两滑块组成系统的机械能守恒
B．重力对M做的功等于M动能的增加
C．轻绳对m做的功等于m机械能的增加
D．两滑块组成系统的机械能损失等于M克服摩擦力做的功
CD [因为M克服摩擦力做功，所以系统机械能不守恒，A错误．由功能关系知系统减少的机械能等于M克服摩擦力做的功，D正确．对M，除重力外还有摩擦力和轻绳拉力对其做功，由动能定理知B错误．对m，有拉力和重力对其做功，由功能关系知C正确．]
8．足够长的传送带以v匀速传动，一质量为m的小物块A由静止轻放于传送带上，若小物块与传送带之间的动摩擦因数为μ，如图所示，当小物块与传送带相对静止时，转化为内能的能量为( )
A．mv2 B．2mv2
C．mv2 D．mv2
D [物块A被放于传送带即刻做匀加速直线运动，加速度a＝＝μg，匀加速过程前进的距离：x1＝＝，该时间内传送带前进距离：x2＝vt＝v·＝，所以物块相对传送带滑动的距离：Δx＝x2－x1＝，故产生的内能：Q＝μmg·Δx＝μmg·＝mv2，D正确．]
