知識(shí)講解 能量守恒定律與能源

1、.能量守恒定律與能源【學(xué)習(xí)目的】1理解能量的概念，知道各種不同形式的能量2明確能量守恒的含義3知道能源的合理利用及能量耗散的概念【要點(diǎn)梳理】要點(diǎn)一、能量要點(diǎn)詮釋： 1概念：一個(gè)物體可以對(duì)外做功，我們就說(shuō)這個(gè)物體具有能量如：運(yùn)動(dòng)的物體可以推動(dòng)與其接觸的另一個(gè)物體一起向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)被推動(dòng)的物體做功，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的物體具有能量又如流動(dòng)的河水、被舉高的重物、被壓縮的彈簧、高溫高壓氣體等都能對(duì)外做功，因此都具有能量 2形式：能量有各種不同的形式運(yùn)動(dòng)的物體具有動(dòng)能；被舉高的重物具有重力勢(shì)能；發(fā)生彈性形變的物體具有彈性勢(shì)能；由大量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)具有內(nèi)能另外自然界中還存在如化學(xué)能、電能、光能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、

2、原子能等不同形式的能 不同形式的能與物體的不同運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)，如機(jī)械能對(duì)應(yīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)；內(nèi)能與大量微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng) 3能量的轉(zhuǎn)化：各種不同形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化，而且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總量保持不變也就是說(shuō)當(dāng)某個(gè)物體的能量減少時(shí)，一定存在其他物體的能量增加，且減少量一定等于增加量；當(dāng)某種形式的能量減少時(shí)，一定存在其他形式的能量增加，且減少量一定等于增加量 4功是能量轉(zhuǎn)化的量度 不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過(guò)做功實(shí)現(xiàn)的做功的過(guò)程就是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，因此，功是能量轉(zhuǎn)化的量度 如舉重運(yùn)發(fā)動(dòng)把重物舉起來(lái)，對(duì)重物做了功這一過(guò)程中，運(yùn)發(fā)動(dòng)通過(guò)做功消耗了

3、體內(nèi)的化學(xué)能，轉(zhuǎn)化為重物的重力勢(shì)能并且，運(yùn)發(fā)動(dòng)做了多少功，就有多少化學(xué)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能能量的詳細(xì)值往往無(wú)多大意義，我們關(guān)心的大多是能量的變化量，能量的變化必須通過(guò)做功才能實(shí)現(xiàn)，某種力做功往往與某一詳細(xì)的能量變化相聯(lián)絡(luò)，即所謂功能關(guān)系力學(xué)中常見(jiàn)力做功與能量轉(zhuǎn)化的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：功能的變化表達(dá)式重力做功正功重力勢(shì)能減少重力勢(shì)能變化負(fù)功重力勢(shì)能增加彈力做功正功彈性勢(shì)能減少?gòu)椥詣?shì)能變化負(fù)功彈性勢(shì)能增加合力做功正功動(dòng)能增加動(dòng)能變化負(fù)功動(dòng)能減少除重力或系統(tǒng)內(nèi)彈力外其他力做功正功機(jī)械能增加機(jī)械能變化負(fù)功機(jī)械能減少要點(diǎn)二、能量守恒定律要點(diǎn)詮釋： 1內(nèi)容：能量既不會(huì)消滅，也不會(huì)產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式

4、，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，能量的總量保持不變，這個(gè)規(guī)律叫做能量守恒定律 2表達(dá)式：； 3利用能量守恒定律解題的根本思路某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加，且減少量一定和增加量相等某個(gè)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4利用能量守恒定律解題應(yīng)注意的問(wèn)題：該定律是貫穿整個(gè)物理學(xué)的根本規(guī)律之一，是學(xué)習(xí)物理的一條主線要分清系統(tǒng)中有多少種形式的能量，發(fā)生哪些轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化 滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)間隔 的乘積在數(shù)值上等于產(chǎn)生的內(nèi)能，即要點(diǎn)三、能源要點(diǎn)詮釋： 指可以提供可利用能量的物質(zhì)，它是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)根底 1分類：從人類開(kāi)發(fā)能源的歷史

5、劃分： 常規(guī)能源：已被廣泛應(yīng)用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等 新能源：指目前尚未被人類大規(guī)模利用而有待進(jìn)一步研究、開(kāi)發(fā)和利用的能源，如核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能?從使用分類： 一次能源：未經(jīng)人工加工的能源，如煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能等 二次能源：從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化來(lái)的能源如：電能、氫能、焦炭 從能否再生分類： 可再生能源：水流能、風(fēng)能等 不可再生能源：石油、煤等 從對(duì)環(huán)境的影響分類：清潔能源也稱“綠色環(huán)保能源：太陽(yáng)能、風(fēng)能等 非清潔能源：煤、石油、天然氣等2常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化方式：要點(diǎn)四、能源的開(kāi)發(fā)要點(diǎn)詮釋： 1能源的開(kāi)發(fā)作為常規(guī)能源的煤炭、石油、

6、天然氣等面臨枯竭，節(jié)能和開(kāi)發(fā)新的能源已是人類必須面對(duì)的實(shí)際問(wèn)題能源對(duì)造福人類具有極其重要的意義，節(jié)約每一份能源，不僅能進(jìn)步能源的利用價(jià)值，對(duì)于維護(hù)人類賴以生存的環(huán)境也有不可無(wú)視的作用新的能源有待于人類去開(kāi)發(fā)，如核能的利用、太陽(yáng)能的利用等，還有許多艱辛的工作需要去做 1為什么煤、石油和天然氣被人們稱為不可再生能源? 由于煤、石油和天然氣都是幾億年以前的生物遺體形成的，所以人們也稱它們?yōu)榛剂嫌捎谶@些能源是不能再次消費(fèi)，也不可能重復(fù)使用的，所以稱為非再生能源 2人類利用能源的過(guò)程及新能源的開(kāi)發(fā)和利用 人類利用能源大致經(jīng)歷的三個(gè)時(shí)期是：柴薪時(shí)期、煤炭時(shí)期、石油時(shí)期 有待開(kāi)發(fā)和利用的新能源主要指：太

7、陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能、核能 3人類與能源的關(guān)系。 能源的利用給人類的生活帶來(lái)了極大的改善人類社會(huì)每一次重大的經(jīng)濟(jì)飛躍和產(chǎn)業(yè)革命，都與新的能源和動(dòng)力裝置的利用親密相關(guān)能源消耗的多少已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)展程度的重要標(biāo)志所以說(shuō)人類離不開(kāi)能源但能源的大量使用會(huì)給環(huán)境帶來(lái)極大的破壞，例如人類在利用化石燃料的過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵，污染大氣，造成酸雨和溫室效應(yīng)，對(duì)人類造成危害 4自然界中自發(fā)的能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性 熱量可以自發(fā)的由高溫物體傳遞給低溫物體，但不能自發(fā)的由低溫物體傳遞給高溫物體 冒出的煤煙和散開(kāi)的炭灰不可能又重新組合成一堆煤炭 散失到周圍環(huán)境中的內(nèi)能不能回收重新利用。2能量耗散

8、燃料燃燒時(shí)一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會(huì)自動(dòng)聚集起來(lái)供人類重新利用；電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，它又通過(guò)燈泡轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們也無(wú)法把這些內(nèi)能搜集起來(lái)重新利用這種現(xiàn)象叫做能量的耗散 能量耗散說(shuō)明，在能源的利用過(guò)程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于利用的了這是能源危機(jī)更深層次的含意，也是“自然界的能量雖然守恒，但還是要節(jié)約能源的根本原因要點(diǎn)四、功能原理要點(diǎn)詮釋： 1. 功能原理1推導(dǎo)由動(dòng)能定理可以知道，外力對(duì)物體做功的代數(shù)和等于物體動(dòng)能的增量，可表示為：這里說(shuō)的外力包括作用于物體上的全

9、部做功的力，可分為三部分：系統(tǒng)內(nèi)的重力、彈力；系統(tǒng)內(nèi)的摩擦力；系統(tǒng)外物體對(duì)它的作用力，那么動(dòng)能定理的表達(dá)式可寫成又因?yàn)椋核杂校旱仁降挠疫厼閯?dòng)能的增量跟勢(shì)能增量的和，即為物體機(jī)械能的增量，即：2內(nèi)容表述除重力、彈簧彈力以外力對(duì)物體做功的代數(shù)和，等于物體機(jī)械能的增量。這就是功能原理。即2、功能原理與動(dòng)能定理的區(qū)別與聯(lián)絡(luò)功能原理、動(dòng)能定理都是“功是能量轉(zhuǎn)化的量度這一功能本質(zhì)關(guān)系的表達(dá)。只是考察對(duì)象不同。動(dòng)能定理考察物體動(dòng)能的變化，功能原理考察物體機(jī)械能的變化，從功能原理我們知道，外力和系統(tǒng)內(nèi)摩擦力做功，將引起系統(tǒng)機(jī)械能的變化，但這機(jī)械能不會(huì)消失，也不能創(chuàng)生，只是由機(jī)械能和其它形式的能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。

10、【典型例題】類型一、摩擦力做功與產(chǎn)生內(nèi)能的關(guān)系例1、如下圖，A物體放在B物體的左側(cè)，用程度恒力F將A拉至B的右端，第一次B固定在地面上，F(xiàn)做功為，產(chǎn)生熱量為，第二次讓B在光滑地面上自由滑動(dòng)，F(xiàn)做功為，產(chǎn)生熱量為，那么應(yīng)有 A BCDFBA思路點(diǎn)撥：此題牽扯到摩擦力做功問(wèn)題，需要考察摩擦力做功特點(diǎn)，并輔助動(dòng)能定理加以解決。解析：當(dāng)B固定時(shí)， 當(dāng)B不固定時(shí)，木塊A、B的位移關(guān)系為 對(duì)A應(yīng)用動(dòng)能定理：對(duì)B應(yīng)用動(dòng)能定理：兩式相加得所以：答案：A總結(jié)升華：摩擦力做功與產(chǎn)生內(nèi)能的關(guān)系：1靜摩擦力做功的過(guò)程中，只有機(jī)械能的互相轉(zhuǎn)移靜摩擦力起著傳遞機(jī)械能的作用，而沒(méi)有內(nèi)能的產(chǎn)生。2滑動(dòng)摩擦力做功的過(guò)程中，能量

11、的轉(zhuǎn)移由兩個(gè)方向，一是互相摩擦的物體之間機(jī)械能的轉(zhuǎn)移；二是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于機(jī)械能的減少量，表達(dá)式為舉一反三【變式】在一光滑的程度面上有一長(zhǎng)木板，質(zhì)量為M，板足夠長(zhǎng)。一質(zhì)量為m、速度為的小滑塊滑上長(zhǎng)木板，最后獲得共同速度，此時(shí)長(zhǎng)木板挪動(dòng)了的間隔 ，滑塊在木板上挪動(dòng)了的間隔 ，求此過(guò)程中產(chǎn)生的熱量是 A B C D答案：ABC解析：對(duì)M應(yīng)用動(dòng)能定理：故A對(duì)。對(duì)m應(yīng)用動(dòng)能定理：故B選項(xiàng)正確。由能量守恒轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于機(jī)械能的減少量，即，故C選項(xiàng)正確，D錯(cuò)誤。類型二、功能關(guān)系的應(yīng)用例2、面積很大的水池，水深為H，水面上浮著一正方體木塊，木塊邊長(zhǎng)為，且 a H，密度為水的，質(zhì)量

12、為，開(kāi)場(chǎng)時(shí)，木塊靜止，有一半沒(méi)入水中，如圖甲所示，現(xiàn)用力F將木塊緩慢地壓到池底，不計(jì)摩擦，求1從開(kāi)場(chǎng)到木塊剛好完全沒(méi)入水的過(guò)程中，力F所做的功。2假設(shè)將該木塊放在底面為正方形邊長(zhǎng)為a的盛水足夠深的長(zhǎng)方體容器中，開(kāi)場(chǎng)水面靜止時(shí)，水高也為H，如圖乙所示，現(xiàn)用一個(gè)向下的力F將木塊緩慢地壓到容器底部，假設(shè)水不會(huì)沉著器中溢出，不計(jì)摩擦。求全過(guò)程F所做的功。圖甲Ha圖乙H思路點(diǎn)撥：此題考察變力做功問(wèn)題，變力做功一是應(yīng)用動(dòng)能定理可以求出，再就是可以根據(jù)功能關(guān)系來(lái)求出，在此題我們應(yīng)用功能關(guān)系來(lái)求解。解析：1木塊靜止，有一半沒(méi)入水中，所以有=解得=因水池面積很大，可忽略因木塊壓入水中所引起的水深變化，木塊剛好完

13、全沒(méi)入水中時(shí)，圖中原來(lái)處于劃斜線區(qū)域的水被排開(kāi)，結(jié)果等效于使這部分程度鋪于水面，這部分水的質(zhì)量為m，其勢(shì)能的改變量為： 木塊勢(shì)能的改變量為： 根據(jù)功能關(guān)系知力F所做的功：2 因容器水面面積為2a2，只是木塊底面積的2倍，不可忽略因木塊壓入水中所引起的水深變化， 木塊向下壓，水面就升高，木塊剛好完全沒(méi)入水中時(shí)，圖乙中原來(lái)處于下方劃斜線區(qū)域的水被排開(kāi)到上方劃斜線區(qū)域。由于木塊橫截面積是容器的1/2，由體積關(guān)系有2a2H+ a2=2 a2H，即2H+=2H解得H=H+，所以H=H-H=所以當(dāng)木塊上底面與水面平齊時(shí)，水面上升a/4，木塊下降a/4，也就是說(shuō)木塊下降a/4，同時(shí)把它新占據(jù)的下部V/4體積

14、的水重心升高3a/4，這部分水的質(zhì)量為/2，其勢(shì)能的改變量為： 木塊勢(shì)能的改變量為： 由功能關(guān)系可得這一階段壓力所做的功壓力繼續(xù)把木塊壓到容器底部，在這一階段，木塊重心下降，同時(shí)底部被木塊所占空間的水重心升高，這部分水的質(zhì)量為2m，其勢(shì)能的改變量為： 木塊勢(shì)能的改變量為： 由功能關(guān)來(lái)自 xkb123 系可得這一階段壓力所做的功整個(gè)過(guò)程壓力做的總功為：總結(jié)升華：用功能關(guān)系時(shí)解題，一是注意前后能量的變化，二是注意都是哪些力做了功，分別做的什么功，最后的總功是多少。舉一反三【高清課程：能量守恒定律與能源 例題4】【變式】在程度地面上平鋪n塊磚，每塊磚的質(zhì)量為m，厚度為h，如將磚一塊一塊地疊放起來(lái)，至

15、少做多少功?【答案】類型三、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律例3、行駛中的汽車制動(dòng)后滑行一段間隔 ，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出亮堂的火焰；降落傘在空中勻速下降。上述不同現(xiàn)象所包含的一樣物理過(guò)程是 A物體抑制阻力做功B物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量C物體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量D物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量思路點(diǎn)撥：此題考察學(xué)生綜合分析才能，從假設(shè)干不同的現(xiàn)象中分析找出一樣的規(guī)律。解析：汽車主要是制動(dòng)阻力，流星、降落傘是空氣阻力，因此物體都是抑制阻力做功，A對(duì)；三個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，汽車是動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，流星、降落傘是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，D對(duì)。答案：AD總

16、結(jié)升華：自然界中各種形式的能之間都可以互相轉(zhuǎn)化，但在轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有方向性。舉一反三【高清課程：能量守恒定律與能源 例題1】【變式】一小孩從公園中粗糙的滑梯上自由加速滑下，其能量的變化情況是 A重力勢(shì)能減小，動(dòng)能不變，機(jī)械能減小，總能量減小B重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能減小，總能量不變C重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能增加，總能量增加D重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能守恒，總能量不變【答案】B類型四、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的應(yīng)用例4、飛機(jī)場(chǎng)上運(yùn)送行李的裝置為一程度放置的環(huán)形傳送帶，傳送帶的總質(zhì)量為M，其俯視圖如下圖。現(xiàn)開(kāi)啟電動(dòng)機(jī)，傳送帶達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行的速度后，將行李依次輕輕放到傳送帶上。假設(shè)有n件質(zhì)量均為

17、m的行李需通過(guò)傳送帶運(yùn)送給旅客。假設(shè)在轉(zhuǎn)彎處行李與傳送帶無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，忽略皮帶輪、電動(dòng)機(jī)損失的能量。求從電動(dòng)機(jī)開(kāi)啟，到運(yùn)送完行李需要消耗的電能為多少?思路點(diǎn)撥：在此問(wèn)題中必須知道“需要消耗的電能分別是什么，都是轉(zhuǎn)化為哪幾種形式的能量了，分別轉(zhuǎn)化了多少，是我們解題的關(guān)鍵。解析：設(shè)行李與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)為，那么傳送帶與行李間由于摩擦產(chǎn)生的總熱量由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得：又聯(lián)立解得： 由能量守恒得：所以：總結(jié)升華：在傳送帶運(yùn)送行李的過(guò)程中，消耗的電能分成了三部分，一部分是傳送帶的動(dòng)能，一部分是行李的動(dòng)能，還有一部分是由于行李和傳送帶之間的摩擦轉(zhuǎn)化的內(nèi)能，這一部分在解題時(shí)容易無(wú)視，在解決問(wèn)題時(shí)要注意。舉一反三

18、【變式1】如下圖，繃緊的傳送帶與程度面間的夾角=30°，傳送帶在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，始終保持v =2m/s的速率運(yùn)行. 現(xiàn)把一質(zhì)量為m =10kg的工件可看為質(zhì)點(diǎn)輕輕放在傳送帶的底端，經(jīng)時(shí)間t=1.9s，工件被傳送到h =1.5m的高處，取g =10m/s2求：1工件與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)；2電動(dòng)機(jī)由于傳送工件多消耗的電能.解析：1圖中斜面長(zhǎng)設(shè)工件經(jīng)時(shí)間t1速度到達(dá)v，做勻加速運(yùn)動(dòng)的位移工件速度達(dá)v后做勻速運(yùn)動(dòng)的位移為 勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度 工件受的支持力 由牛頓第二定律，有 解得動(dòng)摩擦因數(shù) 2在時(shí)間t1內(nèi)：皮帶運(yùn)動(dòng)位移 工件箱對(duì)皮帶位移摩擦發(fā)熱 工件增加的動(dòng)能 工件增加的勢(shì)能電動(dòng)機(jī)多消耗的電能解得W=230J【高清課程：能量守恒定律與能源 例題6】【變式2】某地平均風(fēng)速為5 m/s，空氣密度是1.2 kg/m3，有一風(fēng)車，它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為12 m的圓面假如這個(gè)風(fēng)車能將圓面內(nèi)10%的氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，那么該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大？ 【答案】3.4 kW.類型五、能源和能量耗散例5、以下說(shuō)法正確的選項(xiàng)是 A煤、石油、天然氣等燃料最初來(lái)源可追溯到太陽(yáng)能B汽油是一種清潔能源C水能是可再生能源D煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的思路點(diǎn)撥：此題考察能源與環(huán)境問(wèn)題解析：煤、石油、天然氣等