高中物理人教版必修二导学案7.10 能量守恒定律与能源 Word版含答案

10　能量守恒定律与能源
知识体系
关键点击
1个定律——能量守恒定律
1种关系——功和能的关系
知识点一　能量守恒定律
(1)建立能量守恒定律的两个重要事实
①确认了永动机的不可能性．
②发现了各种自然现象之间能量的相互联系与转化．
(2)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．
(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．它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式．
知识点二　能源与能量耗散
(1)能源是人类社会生活的物质基础，人类利用能源从远古到今天经历了柴薪时期、煤炭时期和石油时期三个时期．
(2)能量耗散：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会再次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，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们也无法把这些内能收集起来重新利用．这种现象叫作能量的耗散．能量耗散表明，能量在转化过程中，数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用变成不便于利用了．
1．当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多．(　　)
[答案]　√
2．做功越多，能量的转化也越多．(　　)
[答案]　√
3．外力对物体不做功，这个物体就没有能量．(　　)
[答案]　×
4．煤、石油、天然气属于常规能源．(　　)
[答案]　√
5．电能、焦炭、氢能属于一次能源．(　　)
[答案]　×
6．冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭．(　　)
[答案]　×
1．司机关闭油门后，汽车慢慢停下来，汽车的机械能消失了吗？
[提示]　能量并没有消失，而是通过轮胎与地面的摩擦，机械能转化成了内能．
2．近几年流行一种“自发电电动车”(如图)，基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车，你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？
[提示]　仅靠这种方式，不能使电动车持续运动下去．因为靠这种方式，只能将电动车的一部分能量收集起来，但电动车运动时受到的阻力做负功，不断把电动车的机械能转化为内能，根据能量守恒定律，要想使电动车持续运动下去，必须不断地给电动车补充新的能量，如给电动车的电源充电．
要点一 能量守恒定律的理解及应用
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，能量的增加量等于能量的减少量．
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)．
【典例】　2月13日，平昌冬奥会女子单板滑雪U形池项目中，我国选手刘佳宇荣获亚军，为我国夺得首枚奖牌．如图为U形池模型，其中A、B为U形池两侧边缘，C为U形池最低点，U形池轨道各处粗糙程度相同．一小球在池边高h处自由下落由左侧进入池中，从右侧飞出后上升的最大高度为，下列说法正确的是(　　)
A．小球再次进入池中后，能够到达A点上方h处
B．小球再次进入池中后，刚好到达左侧边缘A然后返回
C．小球再次进入池中后，不能冲出左侧边缘A然后返回
D．小球再次进入池中后，能够冲出左侧边缘A然后返回
[思路点拨]　解答本题要知道小球在圆弧中运动过程中的平均速率越大，平均压力也越大，平均摩擦力也越大，克服摩擦力做的功也越多，由此分析能量的损失情况．
[解析]　小球在池边高h处自由下落由左侧进入池中，从右侧飞出后上升的最大高度为，此过程损失的机械能为mg·；小球再次返回时，平均速率要小于由左侧进入池中过程中的平均速率，则平均摩擦力要小，克服阻力做功小于上一次，则阻力做的功小于mg·；故小球再次进入池中后，能够冲出左侧边缘A然后返回，且上升的高度小于，故A、B、C错误，D正确．
[答案]　D
[针对训练]　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
[解析]　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，历史上曾出现过各式各样的所谓的永动机的发明，结果都以失败告终，人类只能发现规律、利用规律，但绝不可以创造规律、改变规律以及违背规律行事，即使以后科技再发达，也要受自然规律的制约，所以永动机是永远不可能制成的，A错误．太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，辐射到星际空间的能量也没有消失，B错误．马和其他动物要运动，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”手表内部一定有能量转化装置，D错误．
[答案]　C
易错警示(
能量能从一种形式转化为另一种形式，但不能无中生有地制造能量.
要点二 功能关系的理解与应用
1．功与能的区别
(1)功是力在空间上的积累，是过程量．
(2)能反映了物体能够对外做功的一种本领，与物体所处的状态相对应，是状态量．
2．功能关系
功是能量转化的量度．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，而且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)，具体功能关系如表：
功
能量转化
关系式
重力做功
重力势能的改变
WG＝－ΔEp
弹力做功
弹性势能的改变
WF＝－ΔEp
合外力做功
动能的改变
W合＝ΔEk
除重力、系统内弹力以外的其他力做功
机械能的改变
W＝ΔE机
两物体间滑动摩擦力对物体系统做功
内能的改变
Ff·x相对＝Q
3.利用功能关系解题的步骤
(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．相应的有哪些力做功．
(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与对应的力做功的关系式．
【典例】　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，不计空气阻力，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
[思路点拨]　(1)小球沿轨道到达最高点B时恰好对轨道没有压力，说明此时只有重力提供向心力．
(2)合外力对小球做的功等于小球动能的变化量．
[解析]　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，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．
[答案]　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．
[针对训练]　(多选)如图所示，质量为m的物体(可视为质点)以某一速度由底端冲上倾角为30°的固定斜面，上升的最大高度为h，其加速度大小为g.在这个过程中，物体(　　)
A．重力势能增加了mgh
B．动能减少了mgh
C．动能减少了
D．机械能损失了
[解析]　物体重力势能的增加量等于克服重力做的功，选项A正确；合力做的功等于物体动能的变化，则可知动能减少量为ΔEk＝ma＝mgh，选项B错误，选项C正确；机械能的损失量等于克服摩擦力做的功，因为mgsin30°＋Ff＝ma，a＝g，所以Ff＝mg，故克服摩擦力做的功Wf＝Ff＝mg＝mgh，选项D错误．
[答案]　AC
易错警示(
功与能是两个不同的概念，功是力在空间上的积累，做功需要一个过程.能反映物体对外做功的本领.两者有本质的区别，且功与能不能相互转化，但物体的能量转化是通过做功来实现的.
1．(对能量守恒定律的理解)关于能量转化的说法错误的是(　　)
A．举重运动员举起重物，体内的一部分化学能转化为机械能
B．电流通过电阻丝使电能转化为内能
C．内燃机做功的过程是机械能转化为内能的过程
D．做功过程是能量转化过程，某过程做了10 J的功，一定有10 J的能量发生了转化
[解析]　运动员举高重物过程中，消耗了体内存储的化学能，通过对重物做功使重物的机械能增加，A正确；电流通过电阻丝时，电流做功，使电能转化为内能，B正确；内燃机中燃料燃烧膨胀，对外做功，内能转化为机械能，C错误；功是能量转化的量度，D正确．
[答案]　C
2．(多选)(能量守恒定律的应用)一颗子弹以某一水平速度击中了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．子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和
[解析]　由能量守恒定律对子弹分析可知，子弹减少的机械能一部分转化为木块增加的动能，另一部分转化为木块和子弹的内能，A、C错误，D正确．对子弹和木块组成的系统分析可知，该系统减少的机械能转化为内能，B正确．
[答案]　BD
3．(能源与能量耗散)关于能源的利用，下列说法不正确的是(　　)
A．自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
B．一座城市的能量耗散使其环境温度略高于周围农村的环境温度
C．煤炭和石油产品燃烧会造成空气污染和温室效应
D．能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的
[解析]　能源不是能量，自然界的能量是守恒的，但是能源是有限的，故需要节约能源，故A错误；能量耗散使除内能外的其他形式的能转化为内能，故一座城市的能量耗散使其环境温度略高于周围农村的环境温度，故B正确；根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源，污染型能源包括煤炭、石油等，燃烧后产生的大量含硫化合物和二氧化碳，会造成空气污染和温室效应，故C正确；能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的，煤炭和石油产品燃烧会造成空气污染和温室效应，故D正确．
[答案]　A
4．(多选)(功能关系的应用)一质量为m的物体，在距地面高h处以g的加速度由静止竖直下落到地面，下列说法中正确的是(　　)
A．物体的重力势能减少mgh
B．物体的机械能减少mgh
C．物体的动能增加mgh
D．物体的重力做的功为mgh
[解析]　物体从高h处落到地面的过程中，重力做的功为mgh，重力势能减少mgh，选项A错误，D正确；物体的加速度为g，故合外力为mg，合外力做的功为mgh，根据动能定理，物体的动能增加mgh，选项C正确；物体的重力势能减少mgh，动能增加mgh，故机械能减少了mgh，选项B正确．
[答案]　BCD
知识拓展之——摩擦力做功与能量的关系
1．两种摩擦力做功的比较
2.因摩擦而产生的内能的计算
Q＝Ff·x相对，其中Ff指滑动摩擦力的大小，x相对指发生摩擦的物体间的相对位移的大小．
【典例】　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，如图所示．传送带足够长，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)摩擦过程中产生的内能；
(5)因传送小木块电动机多消耗的电能．
[解析]　(1)由牛顿第二定律：μmg＝ma，得a＝μg
由公式v＝at得t＝，小木块的位移x1＝t＝
(2)传送带始终匀速运动，路程x2＝vt＝
(3)小木块获得的动能Ek＝mv2
(4)小木块在和传送带达到共同速度的过程中，相对传送带移动的距离x相对＝x2－x1＝，
产生的内能Q＝μmg·x相对＝mv2
(5)根据能量守恒定律，因传送小木块电动机多消耗电能
ΔE＝Q＋mv2＝mv2
[答案]　(1)　(2)　(3)mv2　(4)mv2　(5)mv2
计算内能的两种方法
(1)由公式Q＝F滑x相对进行计算．
(2)由能量守恒定律进行计算，系统产生的内能Q等于其他能量的减少量，即Q＝E减．
[针对训练]　(多选)已知一足够长的传送带与水平面的倾角为θ，以一定的速度匀速运动．某时刻在传送带适当的位置放上具有一定初速度、质量为m的物块，如图甲所示．以此时为t＝0时刻记录了小物块之后在传送带上运动速度随时间的变化关系，如图乙所示(沿斜面向上为正方向，其中v1>v2)．已知传送带的速度保持不变．g取10 m/s2，则(　　)
A．物块与传送带间的动摩擦因数μB．0～t1内摩擦力对物块做负功，t1～t2内摩擦力对物块做正功
C．0～t2内，传送带对物块做功为W＝mv－mv
D．系统产生的热量一定大于物块动能变化量的大小
[解析]　由图乙知，物块先向下运动后向上运动，则知传送带的运动方向应向上，0～t1内，传送带对物块的摩擦力方向沿传送带向上，则摩擦力对物块做负功，在t1～t2内，物块向上运动，摩擦力向上，即摩擦力对物块做正功，同时有μmgcosθ>mgsinθ，得μ>tanθ，故A错误，B正确；0～t2内，由v－t图象中“面积”等于位移可知，物块的总位移沿斜面向下，高度下降，重力对物块做正功，设为WG，根据动能定理得：W＋WG＝mv－mv，则传送带对物块做功W＝mv－mv－WG，故C错误；0～t2内，重力对物块做正功，物块的重力势能减小、动能也减小，都转化为系统产生的内能，则由能量守恒得知，系统产生的热量一定比物块动能的减少量大，故D正确．
[答案]　BD