2020版高中物理 第四章 机械能和能源 6 能源的开发与利用课件 教科版必修2

6.能源的开发与利用一、能量守恒定律【思考】“神舟十号”飞船返回舱进入大气层很长时间,加速下落,返回舱表面温度升高。问题1:返回舱的动能和势能如何变化?提示:动能增加,势能减少,有内能产生。问题2:机械能还守恒吗?提示:不守恒。1.能量的相互转化:自然界任何形式的能量在转移和_____的过程中,都要遵循具有普遍意义的能量守恒定律。转化2.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_____为另一种形式,或者从一个物体_____到另一个物体,在转化或转移的过程中其_____保持不变。转化转移总量3.物理意义:(1)能量守恒定律是自然界最_____、最_____、最可靠的自然规律之一,是大自然普遍和谐性的一种表现形式。(2)机械能守恒定律是普遍的_____________的一种特殊形式。普遍重要能量守恒定律二、能源分类和新能源开发1.能源:指能够提供某种形式能量的_________。物质资源2.能源利用:(1)时期:人类利用能源的历史时期有_____、_____、_____时期等。柴草煤炭石油(2)意义。①能源利用方式的改进极大地提高了___________。②新能源的利用引起人类社会经济_____和_________。③能源消耗的多少成为一个国家和地区经济发展水平的重要_____之一。劳动生产率飞跃产业革命标志(3)分类。①煤、石油和天然气为化石燃料,这些能源不可再生,也不可重复利用,所以又称为_______能源。②新能源多为_______能源。非再生可再生3.新能源:目前,正在开发的新能源有风能、海洋能、_______、地热能、氢能、生物质能及_________等。太阳能核聚变能一能量守恒定律的理解和应用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)。【思考·讨论】有人说:热传递的方向可以从低温物体向高温物体。讨论该说法是否正确?(科学思维)提示:该说法不严密、不全面,正确的应是:热传递中,内能不能自动地从低温物体向高温物体转移。【典例示范】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①，若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ②，如图所示。传送带足够长，当小木块与传送带相对静止时③，求：世纪金榜导学号(1)小木块的位移和传送带转过的路程。(2)小木块获得的动能。(3)摩擦过程中产生的内能④。(4)因传送小木块电动机多消耗的电能。【审题关键】序号信息提取①小木块的初速度为零②滑动摩擦力是小木块运动的动力③小木块的末速度为v④摩擦生热的计算公式Q=Ff·x相对【解析】(1)由牛顿第二定律:μmg=ma,得a=μg,由公式v=at得小木块的位移传送带始终匀速运动,路程x2=vt=vtg＝，21vvxt22g＝＝2vg(2)小木块获得的动能Ek=(3)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=mv221mv22v2g，12(4)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)mv2(3)mv2(4)mv2122v2g12122vg【定向训练】1.关于能量守恒定律,下列说法中错误的是()A.能量能从一种形式转化为另一种形式,但不能从一个物体转移到另一个物体B.能量的形式多种多样,它们之间可以相互转化C.一个物体能量增加了,必然伴随着别的物体能量减少D.能量守恒定律表明了能量既不会创生,也不会消失【解析】选A。能量可以在不同物体之间转移,也可以转化,但能量的总量保持不变。本题选A。2.(多选)(2015·江苏高考)如图所示,轻质弹簧一端固定,另一端与一质量为m、套在粗糙竖直固定杆A处的圆环相连,弹簧水平且处于原长。圆环从A处由静止开始下滑,经过B处的速度最大,到达C处的速度为零,AC=h。圆环在C处获得一竖直向上的速度v,恰好能回到A。弹簧始终在弹性限度内,重力加速度为g。则圆环世纪金榜导学号()A.下滑过程中,加速度一直减小B.下滑过程中,克服摩擦力做的功为mv2C.在C处,弹簧的弹性势能为mv2-mghD.上滑经过B的速度大于下滑经过B的速度1414【解析】选B、D。圆环受到重力、弹力、阻力、支持力,圆环的运动是先做加速度减小的加速运动,再做加速度增大的减速运动,最后静止,A项错误;A到C过程,根据能量守恒定律有mgh-Wf=Ep(Wf为阻力做功,Ep为弹性势能),C到A过程,mv2+Ep=mgh+Wf,联立解得Wf=mv2,1412B项正确;在C处,弹簧的弹性势能为mgh-mv2,C项错误;A到B过程,mgh1-Wf1=+ΔEp1,C到B过程,mv2+ΔEp2=+mgh2+Wf2,比较得vB2vB1,D项正确。142B11mv2122B21mv2【补偿训练】1.(多选)在最近几年的家电市场上出现一个新宠——“变频空调”,据专家介绍变频空调比定频的要节能,因为定频空调开机时就等同于汽车起动时,很耗能,是正常运行的5至7倍。空调在工作时达到设定温度就停机,等温度高了再继续起动。这样会频繁起动,耗电多,而变频空调起动时有一个由低到高的过程,而运行过程是自动变速来保持室内温度,从开机到关机中间不停机。而是达到设定温度后就降到最小功率运行,所以比较省电。阅读上述介绍后,探究以下说法中合理的是()A.变频空调节能,运行中不遵守能量守恒定律B.变频空调运行中做功少,转化能量多C.变频空调在同样工作条件下运行效率高,省电D.变频空调与定频空调做同样多的功时,消耗同样电能【解析】选C、D。自然界的一切过程都遵守能量守恒定律,A错。功是能量转化的量度,做同样多的功,消耗同样电能,B错、D对。由变频空调的工作特点可知省电的原理是效率高,C对。2.某地平均风速为5m/s,已知空气密度是1.2kg/m3,有一风车,它的风叶转动时可形成半径为12m的圆面。如果这个风车能将圆面内10%的气流动能转变为电能,则该风车带动的发电机功率是多大?【解析】在t时间内作用于风车的气流质量m=πr2v·tρ这些气流的动能为转变成的电能21mv2，21Emv10%2＝所以风车带动发电机的功率为代入数据得P=3.4kW答案:3.4kW23E1Prv10%t2＝＝二功能关系的理解和应用1.功能关系概述:(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机功能量转化关系式两物体间滑动摩擦力对物体系统做功内能的改变f·x相对=Q【典例示范】(2018·全国卷Ⅰ)如图,abc是竖直面内的光滑固定轨道,ab水平,长度为2R;bc是半径为R的四分之一圆弧,与ab相切于b点。一质量为m的小球,始终受到与重力大小相等的水平外力的作用,自a点处从静止开始向右运动。重力加速度大小为g。小球从a点开始运动到其轨迹最高点,机械能的增量为世纪金榜导学号()A.2mgRB.4mgRC.5mgRD.6mgR【解析】选C。设小球运动到c点的速度大小为vc,小球由a到c的过程,由动能定理得:F·3R-mgR=又F=mg,解得:=4gR。小球离开c点后,在水平方向做初速度为零的匀加速直线运动,竖直方向在重力作用下做匀减速直线运动,整个过程运动轨迹如图所示,由牛顿第二定律可知,小球离开c点后水平方向和竖直方向的2c1mv2，2cv加速度大小均为g,则由竖直方向的运动可知,小球从离开c点到其轨迹最高点所需的时间小球在水平方向的位移为x=gt2,解得x=2R。小球从a点开始运动到其轨迹最高点的过程中,水平方向的位移大小为x+3R=5R,则小球机械能的增加量ΔE=F·5R=5mgR。cvtg，12【定向训练】1.(2019·广元高一检测)如图1为某体校的铅球训练装置,图2是示意图。假设运动员以6m/s速度将铅球从倾角为30°的轨道底端推出,当铅球向上滑到某一位置时,其动能减少了72J,机械能减少了12J,已知铅球(包括其中的上挂设备)质量为12kg,滑动过程中阻力大小恒定,则下列判断正确的是()世纪金榜导学号A.铅球上滑过程中减少的动能全部转化为重力势能B.铅球向上运动的加速度大小为4m/s2C.铅球返回底端时的动能为144JD.运动员每推一次消耗的能量至少为60J【解析】选C。铅球从开始到经过斜轨道上某一点时,受重力、支持力和阻力,根据动能定理,有:-mg·lsin30°-f·l=Ek-Ek0=-72J,机械能的减小量等于克服摩擦力做的功:f·l=ΔE=12J,联立可解得:l=1m,f=12N,根据牛顿第二定律可得:-mg·sin30°-f=ma,解得:a=-6m/s2,故B错误;当该物体经过斜轨道上某一点时,动能减少了72J,机械能减少了12J,所以当物体到达最高点时动能减少了216J,机械能减少了36J,所以物体上升过程中克服摩擦力做功是36J,全过程摩擦力做功为:W=-72J,从出发到返回底端,重力不做功,设回到出发点的动能为Ek′,由动能定理可得:W=Ek′-Ek0,解得:Ek′=144J,故C正确;铅球上滑过程中减少的动能全部转化为重力势能和内能,故A错误;根据能量守恒可知运动员每推一次消耗的能量至少为216J,故D错误。所以C正确,A、B、D错误。2.(2017·全国卷Ⅲ)如图,一质量为m,长度为l的均匀柔软细绳PQ竖直悬挂。用外力将绳的下端Q缓慢地竖直向上拉起至M点,M点与绳的上端P相距重力加速度大小为g。在此过程中,外力做的功为()13。l1Amg91Bmg61Cmg31Dmg2．．．．llll【解析】选A。把Q点提到M点的过程中,PM段软绳的机械能不变,MQ段软绳的机械能的增量为ΔE=由功能关系可知:在此过程中,外力做的功为W=故A正确,B、C、D错误。21mg()36l211mg()mg339，ll1mg9，l【补偿训练】1.如图所示,滑块静止于光滑水平面上,与之相连的轻质弹簧处于自然伸直状态。现用恒定的水平外力F作用于弹簧右端,在向右移动一段距离的过程中,拉力F做了10J的功。上述过程中()A.弹簧的弹性势能增加了10JB.滑块的动能增加了10JC.滑块和弹簧组成的系统机械能增加了10JD.滑块和弹簧组成的系统机械能守恒【解析】选C。拉力F做功既增加了弹簧的弹性势能,还增加了滑块的动能,A、B错;系统增加的机械能等于拉力F做的功,C对,D错。2.(多选)某直升机在执行救助任务。直升机通过绳索用恒力F竖直向上拉起救助官兵和被困人员,示意图如图所示,使其由水面开始加速上升到某一高度,若考虑空气阻力而不考虑空气浮力,则在此过程中,以下说法正确的有()A.力F和阻力的合力所做的功等于两人机械能的增量B.两人克服重力所做的功等于两人重力势能的增量C.力F、重力、阻力三者合力所做的功等于两人动能的增量D.力F所做功减去克服阻力所做的功等于两人重力势能的增量【解析】选A、B、C。根据除重力外其他力做的功等于物体机械能的增量,选项A正确,D错误;根据重力做功与重力势能的关系,选项B正确;根据动能定理,选项C正确。【拓展例题】考查内容:能量守恒定律在实际中的应用【典例】一水电站,水流的落差为20m,水流冲击水轮发电机后,水流的能有20%转化为电能,若发电机的功率为200