高中物理第4章能量守恒與可持續(xù)發(fā)展4.3能量的轉(zhuǎn)化與守恒4.4能源與可持續(xù)發(fā)展教學(xué)案滬科版必修

1、4.3 能量的轉(zhuǎn)化與守恒4.4能源與可持續(xù)發(fā)展 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1. 掌握能量守恒定律. 知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一.2. 了解能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性，認(rèn)識人類珍惜和保護(hù)能源和資源的必要性.3. 了解我國能源狀況，認(rèn)識能源與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的必要性 .4. 掌握各種功能關(guān)系， 會應(yīng)用功能關(guān)系和能量守恒定律解決問題 .一、能量的轉(zhuǎn)化與守恒1. 能量的多樣性：自然界中能量的形式有多種，如：機(jī)械能、內(nèi)能、電磁能、光能、化學(xué)能、核能、生物能等，各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化.2. 能量守恒定律：(1) 內(nèi)容：能量既不能憑空產(chǎn)生， 也不能憑空消失， 它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個

2、物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變.(2) 能量守恒定律是自然界中最基本、最普遍的規(guī)律，它宣布第一類永動機(jī)( 不消耗能量而連續(xù)不斷地對外做功，或者消耗少量能量而做大量的功的機(jī)器) 是不可能 ( 填“可能”或“不可能”) 制成的 .二、能源與可持續(xù)發(fā)展1. 能量的轉(zhuǎn)化效率(1) 任何機(jī)器都不可能 ( 填“可能”或“不可能” ) 將輸入的能量全部轉(zhuǎn)化為有用的能量.有用的能量(2) 能量的轉(zhuǎn)化效率 輸入的能量 .1/13(3) 機(jī)器的能量轉(zhuǎn)化效率一定小于 ( 填“一定小于”或“可以等于” )100%. 2. 能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性研究和事實都表明：能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，或者說

3、，能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有不可逆性 .3. 第二類永動機(jī)不違反 ( 填“違反”或“不違反” ) 能量守恒定律， 但違反 ( 填“違反”或“不違反” ) 能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的不可逆性，因此不可能制成.4. 能源開發(fā)、利用與環(huán)境保護(hù)(1) 煤、石油、天然氣等化石燃料是目前所用的主要能源，是不可( 填“可以”或“不可”)再生的 .(2) 能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略： 盡可能地開發(fā)和利用各種新能源， 千方百計地提高不可再生能源的合理利用率和轉(zhuǎn)化效率，并且厲行節(jié)約，避免浪費. 即學(xué)即用 1. 判斷下列說法的正誤 .(1) 任何能量之間的轉(zhuǎn)化都遵循能量守恒定律 .( )(2) 因為能量守恒，所以我們不需要節(jié)能 .( &

4、#215;)(3) 能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有不可逆性 .( )(4) 任何機(jī)器的能量轉(zhuǎn)化效率都低于100%.()(5) 第一類永動機(jī)不能制成是因為違反了能量守恒定律 .( )(6) 第二類永動機(jī)不可能制成是因為違反了能量守恒定律 .( ×)2. 一個質(zhì)量為 60 kg 的登山運動員，他登山時平均每小時登高500 m( 豎直高度 ) ，已知人體內(nèi)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率為25%，那么他在 3 h 內(nèi)消耗的化學(xué)能為_J.( g 取 10 m/s2)答案3.6 ×10 6 J解析3 h 內(nèi)增加的機(jī)械能5E mgh60×10×500×3 J 9×

5、;10 JE 9×105 J6消耗的化學(xué)能 E 25%3.6 ×10 J.一、能量守恒定律的理解 導(dǎo)學(xué)探究 (1) 在驗證機(jī)械能守恒定律的實驗中，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 重物減少的重力勢能的值總大于增加的動能的值，即機(jī)械能的總量在減少. 機(jī)械能減少的原因是什么？減少的部分機(jī)械能是消失了嗎？(2) 請說明下列現(xiàn)象中能量是如何轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的？植物進(jìn)行光合作用 .放在火爐旁的冰融化變熱.2/13電流通過燈泡，燈泡發(fā)光.答案(1) 機(jī)械能減少的原因是由于要克服摩擦阻力和空氣阻力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能.不是 .(2) 光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能內(nèi)能由火爐轉(zhuǎn)移到冰電能轉(zhuǎn)化為光能 知識深化 1. 適用范圍

6、：能量守恒定律是貫穿物理學(xué)的基本規(guī)律，是各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律 .2. 能量守恒定律的理解某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等.某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等.例 1( 多選 ) 從光滑斜面上滾下的物體，最后停止在粗糙的水平面上，說明()A. 在斜面上滾動時，只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化B. 在斜面上滾動時，有部分勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C. 在水平面上滾動時，總能量正在消失D. 在水平面上滾動時，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總能量守恒答案 AD解析在斜面上滾動時，只有重力做功， 只發(fā)生動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化；在水平面上滾動時，有摩擦力

7、做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總能量是守恒的.二、能量守恒定律的應(yīng)用1. 能量守恒定律的表達(dá)式(1) 從不同狀態(tài)看， E 初 E末 .(2) 從能的轉(zhuǎn)化角度看，E 增 E 減.(3) 從能的轉(zhuǎn)移角度看，EA增 EB減 .2. 能量守恒定律應(yīng)用的關(guān)鍵步驟：(1) 明確研究對象和研究過程 .(2)找全參與轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的能量，明確哪些能量增加，哪些能量減少.(3)列出增加量和減少量之間的守恒式.例 2 如圖 1 所示，皮帶的速度是3 m/s ，兩圓心的距離s 4.5 m ，現(xiàn)將 1 kg 的小物體m輕放在左輪正上方的皮帶上，物體與皮帶間的動摩擦因數(shù) 0.15 ，電動機(jī)帶動皮帶將物體從左輪運送到右輪正上方時，

8、求：( g 取 10 m/s 2)3/13圖 1(1) 小物體獲得的動能 Ek；(2) 這一過程摩擦產(chǎn)生的熱量 Q；(3) 這一過程電動機(jī)消耗的電能 E.答案(1)4.5 J(2)4.5 J(3)9 J解析(1)設(shè)小物體與皮帶達(dá)到共同速度時，物體相對地面的位移為s.12mgs2mv，解得 s 3 m<4.5 m ，即物體可與皮帶達(dá)到共同速度，此時1212Ek 2mv2×1×3 J 4.5 J.(2) 由得 1.5 m/s2，由vat得t 2 s，則() 0.15 ×1×10×(6mgmaaQmg vts 3)J 4.5J.(3) 由能量守

9、恒知E 電 Ek Q 4.5 J 4.5 J 9 J.三、功能關(guān)系的理解與應(yīng)用1. 功能關(guān)系概述(1) 不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實現(xiàn)的，做功的過程就是能量之間轉(zhuǎn)化的過程.(2) 功是能量轉(zhuǎn)化的量度 . 做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化.2. 功與能的關(guān)系：由于功是能量轉(zhuǎn)化的量度，某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉(zhuǎn)化相聯(lián)系，具體功能關(guān)系如下：功能量轉(zhuǎn)化關(guān)系式重力做功重力勢能的改變WGEp彈力做功彈性勢能的改變FpWE合外力做功動能的改變W合 Ek除重力、系統(tǒng)內(nèi)彈力以外的其他力做功機(jī)械能的改變WE機(jī)兩物體間滑動摩擦力對物體系統(tǒng)做功內(nèi)能的改變f · s 相對 Q例 3如圖 2

10、 所示，在豎直平面內(nèi)有一半徑為R的圓弧軌道，半徑 OA水平、 OB豎直，一個質(zhì)量為的小球自A的正上方P點由靜止開始自由下落，小球沿軌道到達(dá)最高點B時恰好對m軌道沒有壓力 . 已知 AP2R，重力加速度為g，則小球從 P 到 B 的運動過程中 ()4/13圖 2A. 重力做功 2mgRB. 機(jī)械能減少 mgRC. 合外力做功D.克服摩擦力做功1mgR2mgR答案D解析重力做功與路徑無關(guān)，所以G，選項 A 錯；小球在B點時所受重力提供向心力，WmgRv21 21即 mg m ，所以 v gR，從 P 點到 B 點，由動能定理知： W合 mv mgR，故選項 C 錯；R221根據(jù)能量守恒知：機(jī)械能的

11、減少量為|E| |Ep| | Ek| 2mgR，故選項 B 錯；克服摩擦力做的功等于機(jī)械能的減少量，故選項D 對.例 4如圖 3 所示，在光滑的水平面上，有一質(zhì)量為M的長木塊以一定的初速度向右勻速運動，將質(zhì)量為的小鐵塊無初速度地輕放到長木塊右端，小鐵塊與長木塊間的動摩擦因數(shù)為m，當(dāng)小鐵塊在長木塊上相對長木塊滑動L 時與長木塊保持相對靜止，此時長木塊對地的位移為 l ，求這個過程中：圖 3(1) 小鐵塊增加的動能；(2) 長木塊減少的動能；(3) 系統(tǒng)機(jī)械能的減少量；(4) 系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量 .答案(1)() (2)mgl(3)mgL(4)mgLmg lL解析畫出這一過程兩物體位移示意圖，如圖所示

12、.(1) 根據(jù)動能定理得mg( l L) Ek5/13即小鐵塊動能的增加量等于滑動摩擦力對小鐵塊做的功.(2) 摩擦力對長木塊做負(fù)功， 根據(jù)功能關(guān)系得 Ek M mgl，即長木塊減少的動能等于長木塊克服摩擦力做的功 mgl.(3) 系統(tǒng)機(jī)械能的減少量等于系統(tǒng)克服摩擦力做的功E mgL.(4) m、M間相對滑動的位移為 L，根據(jù)能量守恒定律，有 QmgL，即摩擦力對系統(tǒng)做的總功等于系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，也等于系統(tǒng)減少的機(jī)械能.1.( 能源的利用 ) 關(guān)于能源的開發(fā)和應(yīng)用，下列說法中正確的是()A. 能源應(yīng)用的過程就是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程B. 化石能源的能量歸根結(jié)底來自于太陽能，因此化石能源永遠(yuǎn)不會枯

13、竭C. 在廣大的農(nóng)村推廣沼氣前景廣闊、意義重大，既變廢為寶，減少污染，又大量節(jié)約能源D. 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤炭資源將取之不盡、用之不竭答案C解析能源應(yīng)用過程并不單純是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程，各種轉(zhuǎn)化形式均可為人類服務(wù)，A 錯誤；化石能源的能量雖然來自太陽能，但要經(jīng)過數(shù)億年的地質(zhì)演變才能形成，且儲量有限，為不可再生能源， B 錯誤；在廣大農(nóng)村推廣沼氣對改善農(nóng)村環(huán)境、節(jié)約能源意義重大，功在當(dāng)代，利在千秋，C 正確；無論技術(shù)先進(jìn)與否，煤炭資源不可能取之不盡、用之不竭，D錯誤.故選 C.2.( 功能關(guān)系 )( 多選 ) 如圖 4 所示，質(zhì)量為M的木塊放在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的子彈以速度 v0

14、 沿水平方向射中木塊，并最終留在木塊中與木塊一起以速度v 運動 . 已知當(dāng)子彈相對木塊靜止時， 木塊前進(jìn)距離為l ，子彈進(jìn)入木塊的深度為d，若木塊對子彈的阻力f 視為恒定，則下列關(guān)系式中正確的是()圖 4121212121212A. fl 2Mv B.fd 2Mv C. fd 2mv0 2( M m) vD. f ( l d) 2mv0 2mv答案ACD解析畫出運動過程示意圖，從圖中不難看出，當(dāng)木塊前進(jìn)距離為l ，子彈進(jìn)入木塊的深度為 d 時，子彈相對于地面發(fā)生的位移為 l d. 由牛頓第三定律知，子彈對木塊的作用力大小也為 f .6/13子彈對木塊的作用力對木塊做正功，由動能定理得12f &

15、#183; l 2Mv木塊對子彈的作用力對子彈做負(fù)功，由動能定理得12102 f ·(l d) 2mv 2mv由得f1212· 0()d 2mv2Mm v所以，本題正確選項為A、 C、 D.3.( 能量守恒定律的應(yīng)用) 如圖 5 所示，一物體質(zhì)量 2 kg ，在傾角37°的斜面上的Am點以初速度 v0 3 m/s下滑， A 點距彈簧上端B 的距離 AB 4 m. 當(dāng)物體到達(dá)B 后將彈簧壓縮到 C點，最大壓縮量BC 0.2m，然后物體又被彈簧彈上去，彈到最高位置為D點， D點距 A點 3 m. 擋板及彈簧質(zhì)量不計，g取 10 m/s 2，sin 37 °

16、0.6 ，cos 37 ° 0.8. 求： ( 小AD數(shù)點后保留兩位小數(shù))圖 5(1) 物體與斜面間的動摩擦因數(shù)；(2) 彈簧的最大彈性勢能 Epm.答案(1)0.52(2)24.46 J解析(1) 物體從開始位置A點到最后 D點的過程中， 彈性勢能沒有發(fā)生變化，動能和重力勢能減少，機(jī)械能的減少量為EEk Ep21mv02 mglADsin 37 °物體克服摩擦力產(chǎn)生的熱量為Q fs其中 s 為物體的路程，即s 5.4 mf mgcos 37 °由能量守恒定律可得E Q由式解得0.52.(2) 物體由 A 到 C的過程中，7/13動能減小Ek12mv0 2重力勢能

17、減少Ep mglACsin 37 °摩擦生熱 Q fl AC mgcos 37 ° l AC由能量守恒定律得彈簧的最大彈性勢能為EpmEkEp Q聯(lián)立解得Epm24.46 J.課時作業(yè)一、選擇題 (1 6 題為單選題，7 10 題為多選題 )1. 下列說法正確的是()A. 隨著科技的發(fā)展，永動機(jī)是可以制成的B. 太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了C.“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的D. 有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量是可以憑空產(chǎn)生的答案 C2. 利用能源的

18、過程實質(zhì)上是()A. 能量的消失過程B. 能量的創(chuàng)造過程C. 能量不守恒的過程D. 能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移并且耗散的過程答案D解析利用能源的過程實質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程，在能源的利用過程中能量是耗散的，A、 B、C 錯誤， D 正確 .3. 能源在“兩型”社會的建設(shè)中有著重要的意義，節(jié)約用電應(yīng)成為現(xiàn)代公民的行為準(zhǔn)則. 下列用電方式中屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電的是()A. 家電盡量長時間待機(jī)B. 用節(jié)能燈替換白熾燈C. 樓道、走廊照明燈盡量不采用聲、光控制D. 不要清除冰箱內(nèi)的冰、霜答案B解析待機(jī)浪費電，家電盡量不要長時間待機(jī)，才屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故A 錯誤；用節(jié)能燈替換白熾燈，可節(jié)約用電，故

19、B 正確；樓道、走廊照明燈采用聲、光控制，才屬于8/13科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故C 錯誤；清除冰箱內(nèi)的冰、霜，能夠提高冰箱的工作效率，才屬于科學(xué)、合理地節(jié)約用電，故D錯誤.4. 如圖 1 所示，輕質(zhì)彈簧長為L，豎直固定在地面上，質(zhì)量為m的小球，在離地面高度為H處，由靜止開始下落，正好落在彈簧上，使彈簧的最大壓縮量為x，在下落過程中，小球受到的空氣阻力為F 阻 ，則彈簧在最短時具有的彈性勢能為()圖 1A.( mg F 阻)( H Lx)B. mg( H L x) F 阻( H L)C. mgH F 阻( H L)D. mg( L x) F 阻 ( H L x)答案A解析設(shè)小球克服彈力做功為W彈

20、，則對小球應(yīng)用動能定理得( mg F阻 )( H Lx) W彈 Ek 0，所以， W彈 ( mg F 阻)( HL x) ，即為彈簧在最短時具有的彈性勢能.5. 如圖 2 所示為低空跳傘表演，假設(shè)質(zhì)量為m的跳傘運動員，由靜止開始下落，在打開傘之4前受恒定阻力作用， 下落的加速度為5g，在運動員下落 h 的過程中， 下列說法正確的是 ()圖 24A. 運動員的重力勢能減少了5mgh4B. 運動員的動能增加了5mgh4C. 運動員克服阻力所做的功為5mgh4D. 運動員的機(jī)械能減少了5mgh答案B解析在運動員下落h 的過程中，重力勢能減少了mgh，故 A 錯誤；根據(jù)牛頓第二定律得，9/13運動員所

21、受的合力為 F合 ma 54mg，則根據(jù)動能定理得， 合力做功為 54mgh，則動能增加了54mgh，故 B 正確；合力做功等于重力做功與阻力做功的代數(shù)和，因為重力做功為，則克服阻力mgh做功為 1，故 C錯誤；重力勢能減少了，動能增加了4，故機(jī)械能減少了 1，故 D5mghmgh5mgh5mgh錯誤 .6. 兩塊完全相同的木塊 A、 B，其中 A 固定在水平桌面上， B 放在光滑的水平桌面上，兩顆同樣的子彈以相同的水平速度射入兩木塊，穿透后子彈的速度分別為vA、 vB，在子彈穿透木塊過程中因克服摩擦力產(chǎn)生的熱量分別為QA、 QB，設(shè)木塊對子彈的摩擦力大小一定，則()A. vA>vB，Q

22、A>QBB. vA<vB， QA QBC. vAvB，QA<QBD.vA>vB， QA QB答案D解析兩顆同樣的子彈穿透木塊的過程中，摩擦阻力 f 相同，子彈相對木塊滑動的距離相同，12121所以摩擦力做功過程中產(chǎn)生的內(nèi)能Q fs 相同，根據(jù)能量守恒定律有：2mv QA2mvA ，22B1 B21B2ABmv Q2mv2mv ，由以上兩式可知v >v ，綜上所述選項 D 正確 .7. 如圖 3 所示，高 h 2 m的曲面固定不動 . 一個質(zhì)量為 1 kg 的物體，由靜止開始從曲面的頂點滑下，滑到底端時的速度大小為4 m/s. g 取 10 m/s2. 在此過程中，

23、 下列說法正確的是()圖 3A. 物體克服摩擦力做功20 JB. 物體的動能增加了 8 JC. 物體的重力勢能減少了20 JD. 曲面對物體的支持力對物體不做功答案 BCD8. 某運動員采用蹲踞式起跑，在發(fā)令槍響后，左腳迅速蹬離起跑器，在向前加速的同時提升身體重心 . 如圖 4 所示，假設(shè)該運動員的質(zhì)量為，在起跑前進(jìn)的距離s內(nèi)，重心升高量為，mh獲得的速度為v，則此過程中 ()10/13圖 4A. 運動員克服重力做功WG mgh12B. 運動員的機(jī)械能增加了2mv12C. 運動員的機(jī)械能增加了2mv mghD. 運動員對自身做功112mghW2mv答案ACD1212解析運動員在此過程中重力勢能

24、增加mgh，動能增加 2mv，機(jī)械能增加2mv mgh，A、 C 正確， B 錯誤 . 運動員通過蹬地對自身做功，做功的量為其機(jī)械能的增量，D正確 .9. 如圖 5 所示，在粗糙的桌面上有一個質(zhì)量為M的物塊，通過輕繩跨過定滑輪與質(zhì)量為m的小球相連，不計輕繩與滑輪間的摩擦，在小球下落的過程中，下列說法正確的是()圖 5A. 小球的機(jī)械能守恒B. 物塊與小球組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒C. 若小球勻速下降，小球減少的重力勢能等于物塊M與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量D. 若小球加速下降，小球減少的機(jī)械能大于物塊 M與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量答案 CD解析由于繩子對小球做負(fù)功，因此小球的機(jī)械能減小，A 錯誤； 由于桌面粗

25、糙，摩擦力對 M做負(fù)功，因此物塊與小球組成的系統(tǒng)機(jī)械能減小，B 錯誤；若小球勻速下降，根據(jù)能量守恒，小球減小的重力勢能沒有轉(zhuǎn)化為動能，而是完全轉(zhuǎn)化為物塊M 與桌面間摩擦產(chǎn)生的熱量，C正確；若小球加速下降，則小球減小的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為摩擦產(chǎn)生的熱量，另一部分轉(zhuǎn)化為 M的動能，因此 D正確 .10. 質(zhì)量為 1、 2 的兩物體，靜止在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的人站在1 上用恒力F拉繩m mm子，經(jīng)過一段時間后，兩物體的速度大小分別為v1 和 v2，位移分別為 s1 和 s2，如圖6 所示，則這段時間內(nèi)此人所做的功的大小等于()圖 6A. Fs2B. F( s1 s2)11/13C. 21m2v2 221( m m1) v1 2D.21m2v2 2答案BC解析根據(jù)能量守恒可知， 人通過做功消耗的化學(xué)能將全部轉(zhuǎn)化為物體m1和 m2的動能以及人的動能，所以人做的功的大小等于1212221112，即 B、 C正確 .F( s s) ，也等于 2mv2( m m) v二、非選擇題11. 一