第十二章第4节能源与可持续发展培优练习-2021-2022学年高中物理人教版（2019）必修第三册word版含答案

2021-2022学年高二物理人教版（2019）必修第三册第十二章第4节能源与可持续发展培优练习
第I卷（选择题）
一、单选题
1．下列说法正确的是（　　）
A．汽车在平直公路上匀速行驶，能量守恒不用耗油
B．内能不能转化为动能
C．电动机工作时把电能全部转化为机械能
D．自然界中能的转化和转移是有方向性的
2．物体只在重力和一个不为零的向上的拉力作用下，分别做匀速上升、加速上升和减速上升三种运动．在这三种情况下，物体机械能的变化情况是（　　）
A．匀速上升机械能不变，加速上升机械能增加，减速上升机械能减小
B．匀速上升和加速上升机械能增加，减速上升机械能减小
C．由于该拉力与重力大小的关系不明确，所以不能确定物体机械能的变化情况
D．三种情况中，物体的机械能均增加
3．两块完全相同的木块A、B，其中A固定在水平桌面上，B放在光滑的水平桌面上，两颗同样的子弹以相同的水平速度在光滑的水平桌面上，两颗同样的子弹以相同的水平速度射入两木块，穿透木块后子弹的速度分别为、，在子弹穿透木块过程中因克服摩擦力产生的热量分别为、，设木块对子弹的摩擦力大小一定，则（）
A．，
B．，
C．，
D．，
4．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．木块动能的增加量等于f(s＋d)
B．子弹损失的动能等于fs
C．子弹与木块总机械能的损失等于fs
D．子弹与木块总机械能的损失等于fd
5．如图所示，固定在地面上的半圆轨道直径水平，质点与半圆轨道的动摩擦因数处处一样，当质点从点正上方高处自由下落，经过轨道后从点冲出竖直上升，上升的最大高度为，空气阻力不计。当质点首次从点上方下落时，下列说法正确的是（　　）
A．质点不能从点冲出半圆轨道
B．质点能从点冲出半圆轨道，但上升的最大高度
C．质点能从点冲出半圆轨道，但上升的最大高度
D．无法确定能否从点冲出半圆轨道
6．某偏远山区为了实现供电，自己修建了小型水利发电站。如图所示，若该发电站蓄水池平均每天蓄水的有效总库容量为，发电过程中上下水库平均水位差为。则下列说法正确的是（　　）
A．若每天发电，则能源利用效率约为35%
B．发电时下水库出水口的水流速度可达到
C．蓄水池中水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约
D．平均每天所发电能可供10户居民同时用电（每户电功率为）约
7．在日常生活中，人们习惯于用几何相似性放大（或缩小）的倍数去得出推论，例如一个人身高了50％，做衣服用的布料也要多50％，但实际上这种计算方法是错误的，若物体的几何线度长为L，当L改变时，其他因素按怎样的规律变化？这类规律可称之为标度律，它们是由纲量关系决定的．在上例中，物体的表面积S=kL2，所以身高变为1.5倍，所用的布料变为1.52=2.25倍．以跳蚤为例：如果一只跳蚤的身长为2mm，质量为0.2g，往上跳的高度可达0.3m．可假设其体内能用来跳高的能量E∝L3（L为几何线度），在其平均密度不变的情况下，身长变为2m，则这只跳蚤往上跳的最大高度最接近（
）
A．0.3m
B．3m
C．30m
D．300m
8．动车组列车进站前的减速过程分为两个阶段进行：第一阶段采用“再生刹车”技术，速度从250km/h减至90km/h，这期间停止动力供给，列车依靠惯性继续前行，并带动发电机发电；第二阶段采用机械刹车，速度从90km/h开始不断减小直至停止；关于列车进站过程中的能量转化，下列说法中正确的是（
）
A．第一阶段减小的动能全部转化为电能，即电能等于减小的动能
B．第一阶段减小的动能有一部分转化为电能，即电能小于减小的动能
C．第二阶段减小的动能主要转化为内能，且内能等于减小的动能
D．第二阶段减小的动能主要转化为内能，且内能大于减小的动能
9．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，现拿去盖板，液体开始运动，由于液体受罐壁阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为（
）
A．
B．
C．
D．
10．如图所示，A、B、C三个一样的滑块从粗糙斜面上的同一高度同时开始运动，A由静止释放，B的初速度方向沿斜面向下，大小为，C的初速度方向沿斜面水平，大小也为。下列说法中正确的是（
）
A．A和C将同时滑到斜面底端
B．滑到斜面底端时，B的机械能减少最多
C．滑到斜面底端时，B的动能最大
D．C的重力势能减少最多
11．下列过程中，动能转化为重力势能的是（
）．
A．直升机匀速上升
B．人骑车匀速下桥
C．火车徐徐进站
D．将小球向上抛出，小球在上升阶段
12．如图所示，一小物块在粗糙程度相同的两个固定斜面上从A经B滑动到C，若不考虑物块在经过B点时机械能的损失,则下列说法中正确的是(　　)
A．从A到B和从B到C，减少的机械能相等
B．从A到B和从B到C，减少的重力势能相等
C．从A到B和从B到C，因摩擦而产生的热量相等
D．小物块在C点的动能一定最大
13．如图所示，一块长木板B放在光滑的水平面上，在B上放一A物体，现以恒定的外力拉B，使A、B间产生相对滑动，如果以地面为参考系，A、B都向前移动一段距离．在此过程中
A．外力F做的功等于A和B动能的增量
B．B对A的摩擦力所做的功，等于A的动能增量
C．A对B的摩擦力所做的功，等于B对A的摩擦力所做的功
D．外力F对B做的功等于B的动能的增量
14．如图所示为机场用于检查物品的装置，主要由水平传送带和Ⅹ光透视系统两部分组成．若乘客把物品轻放在传送带上之后，物品总会先、后经历两个阶段的运动，传送过程传送带速度不变．用表示传送带速率，用μ表示物品与传送带间的动摩擦因数，则
A．前阶段，物品可能向传送方向的相反方向运动
B．后阶段，物品受到摩擦力的方向跟传送方向相同
C．v相同时，μ不同的等质量物品与传送带摩擦产生的热量相同
D．μ相同时，v增大为原来的2倍，前阶段物品的位移也增大为原来的2倍
第II卷（非选择题）
二、填空题
15．以初速度竖直上抛一球，若不计空气阻力，在上升过程中，从抛出到小球动能减少一半所经历的时间是__________，上升的高度为_________．
16．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、应用最广泛的形式。太阳能热水器的构造示意图如图甲所示，下方是日光灯管似的集热管，由导热性能良好的材料制成，在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸状的曲面。
试分析下列有关太阳能的利用问题：
(1)说明太阳能热水器哪些结构与其功能相适应，水箱为何安装在顶部而非下部？（______）
(2)图中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿________时针方向流动，这是因为________。C是辅助加热器，其作用是________。请在图中适当位置安上进水阀门和出水阀门，并说明选择位置的理由________。
17．如图（a）所示，“”型木块放在光滑水平地面上，木块的AB水平表面是粗糙的，与水平方向夹角的BC斜面是光滑的.此木块的右侧与竖直墙壁之间连接着个力传感器，当力传感器受挤压时，其示数为正值；当力传感器被拉伸时，其示数为负值.一个可视为质点的滑块从C点由静止开始下滑，运动过程中力传感器记录到的力一时间关系图像图如图（b）所示，设滑块通过B点前后速度大小不变.（，，.）则滑块C的质量为_________kg，它在木块上运动全过程中损失的机械能为_________J.
（a）（b）
18．我国自古有“昼涨称潮，夜涨称汐”的说法。潮汐主要是由太阳和月球对海水的引力造成的，以月球对海水的引力为主。
(1)世界两大观潮胜地，一处是亚马孙河北河口，另一处是我国的___________入海口。
(2)图中，a、b是某些潮汐发电示意图。涨潮时开闸门（图a），水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门，当落潮时，开闸放水发电（图b）。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为（ρ水取1.0×103kg/m3，g取10m/s2）___________。
A．2.6×104kW
B．5.2×104kW
C．2.6×105kW
D．5.2×105kW
三、解答题
19．如图所示，河道中的水在稳恒地流淌（各处的水流速度不随时间改变），设截面A1B1的面积为S1，流速与截面垂直，速度为V1；截面A2B2的面积为S2，速度为V2，通过观察和分析，本题中位于A1B1A2B2区域中的水的体积是否为一个守恒量？若是的话，你可以推断出S1、S2、V1、V2满足什么规律？
20．如图所示，质量m1=2kg小物块放在足够长的质量m2=1kg的木板的左端，板和物块间的动摩擦因数μ1=0.2，板和水平面间的动摩擦因数μ2=0.1，两者均静止．现突然给木板向左的初速度v0=3.5m/s，同时对小物块施加一水平向右的恒定拉力F=10N，当木板向左运动最远时撤去F，取g=10m/s2．求：
(1)木板开始运动时，小物块和木板的加速度大小；
(2)整个过程中，木板在水平面上滑行的位移大小；
(3)整个过程中，小物块、木板和水平面组成系统摩擦产生的热．
21．如图甲所示，倾角的粗糙斜面固定在水平面上，斜面足够长．一根轻弹簧一端固定在斜面的底端，另一端与质量m=1.0kg的小滑块（可视为质点）接触，滑块与弹簧不相连，开始时弹簧处于压缩状态．当t=0时释放滑块，在0～0.24s时间内，滑块的加速度a随时间t变化的关系如图乙所示．已知弹簧的劲度系数，当t=0.14s时，滑块的速度．g取，，．弹簧弹性势能的表达式为(式中k为弹簧的劲度系数，x为弹簧的形变量）．求：
（1）斜面对滑块摩擦力的大小；
（2）t=0.14s时滑块与出发点间的距离d；
（3）在0～0.44s时间内，摩擦力做的功W．
22．2016年2月11日，美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）团队向全世界宣布发现了引力波，这个引力波来自于距离地球13亿光年之外一个双黑洞系统的合并．已知光在真空中传播的速度为c，太阳的质量为M0，万有引力常量为G．黑洞密度极大，质量极大，半径很小，以最快速度传播的光都不能逃离它的引力，因此我们无法通过光学观测直接确定黑洞的存在．假定黑洞为一个质量分布均匀的球形天体。
(1)因为黑洞对其他天体具有强大的引力影响，我们可以通过其他天体的运动来推测黑洞的存在。天文学家观测到，有一质量很小的恒星独自在宇宙中做周期为T，半径为r0的匀速圆周运动．由此推测，圆周轨道的中心可能有个黑洞。利用所学知识求此黑洞的质量M；
(2)严格解决黑洞问题需要利用广义相对论的知识，但早在相对论提出之前就有人利用牛顿力学体系预言过黑洞的存在。我们知道，在牛顿体系中，当两个质量分别为m1、m2的质点相距为r时也会具有势能，称之为引力势能，其大小为（规定无穷远处势能为零）．请你利用所学知识，推测质量为M′的黑洞，之所以能够成为“黑”洞，其半径R最大不能超过多少？
参考答案
1．D
【详解】
A．汽车运动中动能不变，机械能不变，但是克服阻力做功消耗能量，所以要不断耗油，故A错误；
B．内能可以转化成动能，只是不能全部转化为动能，故B错误；
C．电动机工作时一部分能量转化为内能，故电能不能全部转化为机械能，故C错误；
D．能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程具有方向性．选项D正确。
故选D。
2．D
【详解】
无论物体怎样向上运动，拉力都做正功，物体的机械能均增加，故ABC错误，D正确。
故选D。
3．D
【详解】
两颗同样的子弹穿透相同木块的过程中，摩擦力相同，子弹相对木块滑动的距离相同，则摩擦力做功过程产生的内能相同。根据能量守恒定律得：
由以上两式可知，故D正确，ABC错误。
4．D
【详解】
A.
木块位移为s，木块动能的增加量等于fs，故A错误；
B.
木块位移为s+d，子弹损失的动能等于f(s+d)，故B错误；
CD.
子弹在木块中滑行的距鹑为d，木块系统损失的机械能转化为系统的内能，损失的机械能为fd，故C错误，D正确．
5．B
【详解】
质点第一次在半圆轨道中运动的过程，由动能定理有
为质点克服摩擦力做功大小，解得
，
即质点第一次在半圆轨道中运动损失的机械能为，由于第二次质点在半圆轨道中运动时，对应位置处速度变小，因此半圆轨道给质点的弹力变小，动摩擦因数不变，所以摩擦力变小，摩擦力做功小于，机械能损失小于，因此质点再次冲出点时，能上升的高度大于零而小于，故ACD错误，B正确。
故选B。
6．C
【详解】
A．蓄水池中能用于发电的水的重力势能为
则能源利用效率
A错误；
B．若没有任何阻力，由机械能守恒得
得
由题知，水流下的过程中受到阻力，所以发电时流入下水库的水流速度小于，故B错误；
C．蓄水池中能用于发电的水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约
故C正确；
D．若重力势能全部转化为电能，平均每天所发电能可供10户居民同时用电时间
由于效率不可能达到100%，可供给10户居民用电时间小于，D错误；
故选C。
7．A
【详解】
由题意知，依据能量的转换和守恒，跳蚤上升过程中：，
可得：，k是常数，由于不变，所以高度h不变，故A正确，BCD错误．
点睛：该题的关键依据题意分析出h的相关表达式，这是开放性的题目，应注重从题目中获取信息的能力．
8．B
【详解】
第一阶段减速过程中，由于速度变小，所以动能变小，由于继续行驶并带动发电机发电，故将一部分动能转化为电能．减小的动能有一部分转化为电能，即电能小于减小的动能，A错误B正确；第二阶段减小的动能有一部分转化为内能，有一部分转化成了电能，所以内能小于减小的动能，故CD错误．
9．A
【解析】
试题分析：液体克服阻力做功，液体的机械能转化为内能，液体减少的机械能等于产生的内能，应用能量守恒定律可以求出产生的内能．
液体最终停止时两液面等高，相当于把的液柱从右端移到左端，液体重心高度降低了，液体总质量为m，液柱总长度为4h，则液柱的质量为，液体减少的机械能转化为内能，由能量守恒定律可知，产生的内能，故A正确．
10．C
【详解】
A．A、C两个滑块所受的滑动摩擦力大小相等，但方向不同，A的摩擦力沿斜面向上，C的摩擦力与速度方向相反，沿斜面向上的力是滑动摩擦力的分力；设斜面倾角为θ，在沿斜面方向上根据
可知在沿斜面方向C的加速度大于A的加速度，C先到达斜面底端，故A错误；
B．滑动摩擦力做功与路程有关，C运动的路程大，克服摩擦力做功多，机械能减少多，故B错误；
C．下滑到底端重力做功相同，摩擦力对A、B做功相同，C克服摩擦力做功多，而B有初速度，则滑到斜面底端时B的动能最大，故C正确；
D．三个滑块下降的高度相同，重力势能减少量相同，故D错误。
故选C。
11．D
【详解】
A.
直升机匀速上升过程，重力势能增加，但动能不变，没有减少，选项A错误；
B.
人骑车匀速下桥，重力势能减少，动能不变，选项B错误；
C.
火车徐徐进站，速度减小，动能减小，但火车的重力势能没有变化，选项C错误。
D.
将小球向上抛出，小球在上升阶段，动能减少，重力势能增加，动能转化为重力势能，选项D正确。
故选D。
12．B
【详解】
A．设斜面与水平面的夹角为θ，则斜面的长度为
L＝
物块受到的摩擦力为
f＝μmgcosθ
物块下滑的过程中摩擦力做的功为
Wf＝－fL＝－μmghcotθ
可知在物块下滑的过程中，从B到C过程中克服摩擦力做的功多，物块减少的机械能多，故A错误；
B．重力势能变化量由初、末位置高度差决定，AB段的高度和BC段的高度相同，则减少的重力势能相等，故B正确；
C．摩擦力做负功产生热量，可知从B到C过程中克服摩擦力做的功多，产生的热量多，故C错误；
D．根据动能定理
ΔEk＝WG＋Wf
由于从B到C过程不知重力做功和摩擦力做功的关系，故不知B、C两位置小物块的动能大小关系，故D错误。
故选B。
13．B
【详解】
A．根据功能关系可知，外力F做的功等于A和B动能的增量与产生的内能之和，故A错误；
B．以A物体作为研究对象，A物体所受的合外力等于B对A的摩擦力，对A物体，运用动能定理，则有B对A的摩擦力所做的功等于A的动能的增量，故B正确；
C．A对B的摩擦力与B对A的摩擦力是一对作用力与反作用力，大小相等，方向相反，但是由于A在B上滑动，A、B对地的位移不等，故二者做功不相等，故C错误；
D．对B应用动能定理，有
WF-WFf=△EkB，
即
WF=△EkB+WFf
就是外力F对B做的功，等于B的动能增量与B克服摩擦力所做的功之和，故D错误。
故选B。
14．C
【解析】
前阶段，物品的速度小于传送带的速度，相对传送带向后运动，受到与传送方向相同的滑动摩擦力作用，在这个滑动摩擦力作用下向传送方向做初速度为零的匀加速直线运动，当物品的速度与传送带的速度相同时，两者无相对运动或者相对运动趋势，摩擦力为零，AB错误；过程中物体的加速度为，加速运动时间，所以摩擦产生的热量为，故v相同时，μ不同的等质量物品与传送带摩擦产生的热量相同，C正确；物品加速位移，当μ相同时，v增大为原来的2倍，前阶段物品的位移增大为原来的4倍，D错误．
15．
【详解】
[1]设动能减少一半时对应的速度为，则
解得
因此根据公式可得
解得
[2]根据公式
解得
16．日光灯管似的集热管面积较大，便于吸收较多的太阳能；外有透明玻璃管，内有黑色管子，使阳光能直射入玻璃管而不易被反射；在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，减少两管间因空气对流引起的热损失，减少热传导；集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸一定的曲面，使周围及穿过管隙的阳光尽量聚集在水管内；水箱安装在顶部而非下部，便于水的对流。
顺
集热器中的水被太阳光晒热后密度变小，受浮力作用沿管向右上方运动
在阴天用电加热的方式使水温升高
在封闭的环形管道的左下方安上进水阀门，在贮水容器下方竖直管道上安上出水阀门，可使热水流出，冷水得以补充。?
【详解】
（1）[1]
日光灯管似的集热管面积较大，便于吸收较多的太阳能；外有透明玻璃管，内有黑色管子，使阳光能直射入玻璃管而不易被反射；在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，减少两管间因空气对流引起的热损失，减少热传导；集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸一定的曲面，使周围及穿过管隙的阳光尽量聚集在水管内；水箱安装在顶部而非下部，便于水的对流。
（2）[2]
图中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿顺时针方向流动。
[3]
集热器中的水被太阳光晒热后密度变小，受浮力作用沿管向右上方运动。
[4]
C是辅助加热器，其作用是在阴天用电加热的方式使水温升高。
[5]
在封闭的环形管道的左下方安上进水阀门，在贮水容器下方竖直管道上安上出水阀门，可使热水流出，冷水得以补充。
17．2.5
40
【详解】
(1)[1]分析滑块在斜面上的受力，可知物体受到重力、支持力的作用，沿斜面方向的力是重力的分力，由牛顿第二定律得：
通过图象可知滑块在斜面上运动时间为：
由运动学公式得：
滑块对斜面的压力为：
木板对传感器的压力为：
由图象可知：
解得：
(2)[2]滑块滑到点的速度为：
由图象可知：
根据牛顿第二定律可得：
根据运动公式可得：
它在木块上运动全过程中损失的机械能为：
18．钱塘江
B
【详解】
(1)[1]钱塘江是世界著名的观潮胜地，有“八月十八潮，壮观天下无”的说法。
(2)[2]发电时水减少的势能
ΔEp=mgΔh=ρ水ShgΔh
其中
Δh=
一天发电两次，转化成的电能
E=2ΔEp×10%，P=
代入数值得
P=5.2×104kW
故选B。
19．S1V1=
S2V2
【详解】
由于水不可压缩，单位时间内流入A1B1的水的体积应等于流出A2B2面的体积，因此位于A1B1A2B2区域中的水的体积是一个守恒量．考察很短的时间Δt，流入A1B1的水的体积为ΔV1=S1V1Δt，流出A2B2面的的水的体积ΔV2=S2V2Δt，所以S1V1=
S2V2，截面积越小的地方，水的流速越大．
20．(1)3
m/s2；7m/s2；(2)-0.625m；(3)9.875J
【详解】
(1)由题意知木块向右作匀加速运动，木板先向左匀减速运动，再向右匀加速运动，木块与木板间滑动摩擦力为：
则木块的加速度大小为：
方向向右
木板与地面之间的摩擦力为：
根据牛顿第二定律知,木板的加速度大小为：
方向向右
(2)当木板向左的位移最大时，对地面的速度为0，选取向右为正方向，则木板的位移为：
经历的时间为：
此时小物块的速度为：
此过程中小物块的位移为：
在撤去后的小物块水平方向只受到摩擦力，则加速度为：
此后木块向右运动，此时受到地面的摩擦力的方向向左，则木板的加速度为：
设经过时间二者的速度相等,则有：
代入数据得：
此时刻的速度为：
此过程中小物块的位移为：
木板的位移为：
当木块、木板具有共同速度时，若两者不再发生相对滑动，则二者一起做减速运动，它们在水平方向只受到地面的摩擦力；
以小物块与木板组成的系统为研究对象，整体的加速度为：
由于，可知满足二者一起减速的条件．设经过时间，两者速度为0，则有：
代入数据得：
该过程中二者的位移为：
所以木板在水平面上的总位移为：
负号表示方向向左
(3)小物块与木板之间产生的热量为：
木板与地面之间产生的热量为：
所以小物块、木板和水平面组成系统摩擦产生的热为：
21．（1）4.0N；（2）0.20m；（3）－1.64J．
【详解】
（1）当时，滑块与弹簧开始分离，此后滑块受重力、斜面的支持力和摩擦力，滑块开始做匀减速直线运动．
由题中的图乙可知，在这段过程中滑块加速度的大小为：；
根据牛顿第二定律有：，代入数据解得：；
（2）当时弹簧恰好恢复原长，所以此时滑块与出发点间的距离d等于t0=0时弹簧的形变量x，所以在0～0.14s时间内弹簧弹力做的功为．
在这段过程中，根据动能定理有，
代入数据解得；
（3）设从时开始，经时间滑块的速度减为零，则有，
这段时间内滑块运动的距离为：；
此时，此后滑块将反向做匀加速直线运动，根据牛顿第二定律可求得此时加速度的大小为：，
在0.34s～0.44s（△t2=0.1s）时间内，滑块反向运动的距离为，
代入数据解得；
所以在时间内，摩擦力f做的功为，
代入数据解得．
22．(1)；(2)
【详解】
(1)小恒星绕黑洞做匀速圆周运动，设小恒星质量为m，根据万有引力定律和牛顿第二定律
解得
(2)设质量为m的物体，从黑洞表面至无穷远处，根据能量守恒定律
解得
因为连光都不能逃离，有v
=
c
所以黑洞的半径最大不能超过