2019-2020学年高中物理 第七章 机械能守恒定律 第10节 能量守恒定律与能源课件 新人教版必

第10节能量守恒定律与能源学习目标1.了解各种不同形式的能,知道能量是一个重要的物理量。2.知道能量守恒定律确立的两类重要事实。3.叙述能量守恒定律的内容,认识建立能量守恒定律的重大意义,能用能量守恒的观点分析、解决实际问题。4.了解能量耗散,了解自然界中能量在宏观过程的方向性。5.感受节约能源、保护环境的紧迫性,认识到节约能源、保护环境是每一个公民应具有的意识和素养。6.了解能量守恒、能量转化和转移的方向性,认识能量守恒与能量可用的区别。自主学习教材提炼[知识梳理]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,或者从一个物体到别的物体,在转化或转移的过程中,保持不变。2.定律确立的两类重要事实(1)确认了的不可能性。(2)发现了各种自然现象之间能量的相互联系与转化。二、能源和能量耗散1.能源利用的三个时期:、煤炭时期、。转移能量的总量第一类永动机柴薪时期石油时期2.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。如电池中的化学能转化为电能,电能又通过灯泡转化成,热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的,我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。内能和光能内能[练一练]1.关于能量和能源,下列说法中正确的是()A.由于自然界的能量守恒,所以不需要节约能源B.在利用能源的过程中,能量在数量上并未减少C.能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造B解析:自然界的总能量是守恒的,能量只能从一种形式转化为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体,能量不可能被创造;在利用能源的过程中,能量在数量上并未减少,能量耗散使能量的利用品质降低了,能量转化具有方向性,因此要节约能源,故选项B正确,A,C,D错误。2.关于能源的开发和利用,下列说法中正确的是()A.能源利用的过程就是内能转化为机械能的过程B.化石能源的能量归根结底来自于太阳能,因此化石能源永远不会枯竭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.“全自动”手表不用任何电源,却能一直走动,说明永动机是可以制成的C解析:能源利用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程,各种转化形式均可为人类服务,A错误;化石能源的能量虽然来自太阳能,但要经过数亿年的地质演变才能形成,且储量有限,为不可再生能源,B错误;马和其他动物,包括人,要运动,必须消耗能量,选项C正确;所谓“全自动”手表,内部还是有能量转化装置的,一般是一个摆锤,当人戴着手表活动时,使摆锤不停摆动,给游丝弹簧补充能量,才会维持手表的运行,如果把这种手表放在桌面上静置几天,它一定会停止走动,选项D错误。3.冲击钻是一种打孔的工具,工作时,钻头在电动机带动下不断地冲击墙壁打出圆孔(如图所示),冲击钻在工作的过程中()A.有电能和机械能、热能的转化B.只有电能和机械能的转化C.只有电能和热能的转化D.只有机械能和热能的转化A解析:从能量的转化情况看,电动机工作消耗电能,通过做功把电能转化成曲柄、连杆的机械能,压缩气体带动冲击活塞冲击工具的尾端,使工具向前冲打,钻头与墙体摩擦产生热能,所以有电能和机械能、内能的转化,选项A正确。解析:太阳能电池板将太阳能转化为电能,小电动机将电能转化为机械能。故选项A正确。4.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A5.(2016·浙江4月选考)图示中的路灯为太阳能路灯,每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3×106J。如果每天等效日照时间约为6h,光电池一天产生的电能可供30W的路灯工作8h。光电池的光电转换效率约为()A.4.8%B.9.6%C.16%CD.44%解析:光伏电池板每天接收的太阳能E1=3×106×0.3×6J=5.4×106J,路灯每天消耗电能E2=30×10-3×8×3.6×106J=8.64×105J,则光电转换效率η=21EE=16%。C课堂探究要点一功能关系的理解和应用[例1]如图所示,轻质弹簧的左端固定,并处于自然状态。小物块的质量为m,从A点向左沿水平地面运动,压缩弹簧后被弹回,运动到A点恰好静止。物块向左运动的最大距离为s,与地面间的动摩擦因数为μ,重力加速度为g,弹簧未超出弹性限度。在上述过程中()CA.弹簧的最大弹力为μmgB.物块克服摩擦力做的功为μmgsC.弹簧的最大弹性势能为μmgsD.物块在A点的初速度为2gs解析:物块向左运动压缩弹簧,弹簧最短时,物块具有向右的加速度,弹力大于摩擦力,即Fμmg,故A错误;根据功的公式,物块克服摩擦力做的功W=μmgs+μmgs=2μmgs,故B错误;根据能量守恒,弹簧弹开物块的过程中,弹簧的弹性势能通过摩擦力做功转化为内能,即Epm=μmgs,故C正确;根据能量守恒,在整个过程中,物块的初动能通过摩擦力做功转化为内能,即12mv2=2μmgs,解得v=2gs,故D错误。规律方法利用功能关系分析问题的基本思路(1)在应用功能关系解决具体问题的过程中,若只涉及动能的变化用动能定理分析。(2)只涉及重力势能的变化用重力做功与重力势能变化的关系分析。(3)只涉及机械能变化用除重力和弹力之外的力做的功与机械能变化相等的关系分析。针对训练1: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()DA.重力做功2mgRB.机械能减少mgRC.合外力做功mgRD.克服摩擦力做功12mgR解析:重力做功与路径无关,所以WG=mgR,选项A错误;小球在B点时所受重力提供向心力,即mg=m2vR,所以v=gR,从P点到B点,由动能定理知W合=12mv2=12mgR,故选项C错误;根据能量守恒知,机械能的减少量为|ΔE|=|ΔEp|-|ΔEk|=12mgR,故选项B错误;克服摩擦力做的功等于机械能的减少量,故选项D正确。要点二对能量守恒定律的理解与应用[例2]三峡水电站是我国最大的水力发电站,平均水位落差约为100m,每秒约有1×104m3的水用来发电,水的重力势能约有20%转化为电能。已知水的密度为1.0×103kg/m3,火电厂每发一度电大约需耗标准煤0.3kg,同时排放二氧化碳1kg。关于三峡水电站,下列说法正确的是()A.发电平均功率约为2×1012WB.每天的发电量约为4.8×107kW·hC.相比于同功率的火电厂,每天约可减少煤炭消耗2×106kgD.相比于同功率的火电厂,每天约可减少二氧化碳排放4.8×106kgB解析:发电平均功率约为P=Wt=mght×20%=341.010110101001×20%W=2×109W,故A错误;每天的发电量约为E电=Pt=2×106kW×24h=4.8×107kW·h,B正确;每天约可减少煤炭消耗为m=E电×0.3kg=1.44×107kg,故C错误;火电厂每发一度电排放二氧化碳1kg,故每天约可减少二氧化碳排放4.8×107kg,故D错误。针对训练2:太阳能汽车是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能工作的一种新型汽车。已知太阳辐射的总功率约为4×1026W,太阳到地球的距离r约为1.5×1011m,假设太阳光传播到达地面的过程中约有40%的能量损耗,某太阳能汽车所用太阳能电池板接收到的太阳能转化为机械能的转化效率约为15%,汽车太阳能电池板的面积为8m2。如果驱动该太阳能汽车正常行驶所需的机械功率的20%来自太阳能电池,则该太阳能汽车正常行驶所需的机械功率约为(已知半径为r的球表面积为S=4πr2)()A.0.2kWB.5kWC.100kWD.1000kWB解析:地面上每单位面积接收到的太阳辐射功率为24πPr总×60%,则24πPr总×60%×8m2×15%=P机×20%,解得P机≈5kW。要点三能量耗散[例3]下列说法中不正确的是()A.某种形式的能减少,一定存在其他形式能的增加B.因为能量守恒,所以“能源危机”是不可能的C.能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了D.能源的利用受能量耗散的制约,所以能源的利用是有条件的,也是有代价的B思路探究:能量守恒定律与能量耗散矛盾吗?答案:能量只能转化或转移,在转化或转移过程中总量不变;能量耗散是指可以利用的能量转化成无法收集起来重新利用的内能(即品质降低了),但转化过程仍遵循能量守恒定律,二者并不矛盾。解析:能量守恒定律是自然界中普遍存在的规律,它适用于任何形式的能量转移和转化,选项A正确;能量耗散是指可以利用的能量转化成无法收集起来重新利用的内能(即品质降低了),但转化过程仍遵循能量守恒定律,选项B错误,C,D正确。针对训练3:下列哪些现象属于能量的耗散()A.利用水流能发电产生电能B.电能在灯泡中变成光能C.电池的化学能变成电能D.火炉把屋子烤暖D解析:能量耗散是指其他形式的能转变为内能,最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象,则选项D正确。要点四综合运用功能关系解决实际问题[例4]某砂场为提高运输效率,研究砂粒下滑的高度与砂粒在传送带上运动的关系,建立如图所示的物理模型。竖直平面内有一倾角θ=37°的直轨道AB,其下方右侧放置一水平传送带,直轨道末端B与传送带间距可近似为零,但允许砂粒通过。转轮半径R=0.4m、转轴间距L=2m的传送带以恒定的线速度逆时针转动,转轮最低点离地面的高度H=2.2m。现将一小物块放在距离传送带高h处静止释放,假设小物块从直轨道B端运动到达传送带上C点时,速度大小不变,方向变为水平向右。已知小物块与直轨道和传送带间的动摩擦因数均为μ=0.5。(g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)解析:(1)在A点到B点过程中,由动能定理得mgh-μmgcosθ·sinh=12m2Bv-0,得vB=4m/s。(2)若小物块落到传送带左侧地面,使小物块到达D点之前速度减为0,假设小物块运动到D点时速度恰好为0,则在A点到D点过程中,由动能定理得mgh-μmgcosθ·sinh-μmgL=0-0,解得h=3m,即当h≤3m时小物块会落到传送带左侧地面。答案:(1)4m/s(2)h≤3m(1)若h=2.4m,求小物块到达B端时速度的大小。(2)若小物块落到传送带左侧地面,求h需要满足的条件。(3)改变小物块释放的高度h,小物块从传送带的D点水平向右抛出,求小物块落地点到D点的水平距离x与h的关系式及h需要满足的条件。解析:(3)小物块从D点向右抛出后做平抛运动H+2R=12gt2,x=vDtmgh-μmgcosθ·sinh-μmgL=12m2Dv-0,vD≥gR,解得x=412h,且h≥3.6m。答案:(3)x=412h,且h≥3.6m规律方法(1)综合运用功能关系解决实际问题的基本思路①当涉及摩擦力做功,机械能不守恒时,一般应用能量守恒定律解决问题。②解题时,首先确定初末状态,然后分析状态变化过程中哪种形式的能量减少,哪种形式的能量增加,求出减少的能量总和ΔE减和增加的能量总和ΔE增,最后由ΔE减=ΔE增列式求解。(2)常用的几种功能关系功能的变化表达式重力做功正功重力势能减少WG=-ΔEp=Ep1-Ep2负功重力势能增加弹力做功正功弹性势能减少W弹=-ΔEp=Ep1-Ep2负功弹性势能增加合力做功正功动能增加W合=ΔEk=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其他=ΔE=E2-E1负功机械能减少两物体间滑动摩擦力对物体系统做功内能变化Ffx相对=Q针对训练4:(2016·浙江10月选考)如