知識講解 能量守恒定律與能源

知識講解能量守恒定律與能源能量守恒定律與能源【學習目標】理解能量的概念，知道各種不同形式的能量.明確能量守恒的含義.知道能源的合理利用及能量耗散的概念.【要點梳理】要點一、能量要點詮釋：(1)概念：一個物體能夠?qū)ν庾龉Γ覀兙驼f這個物體具有能量.如：運動的物體可以推動與其接觸的另一個物體一起向前運動，對被推動的物體做功，說明運動的物體具有能量.又如流動的河水、被舉高的重物、被壓縮的彈簧、高溫高壓氣體等都能對外做功，因此都具有能量.l=j

|==|(2l=j

|==|不同形式的能與物體的不同運動形式相對應，如機械能對應機械運動；內(nèi)能與大量微觀粒子的熱運動相對應.

=11=化，而且在轉(zhuǎn)化過程中總量保持不變也就是說當某個物體的能量減少時，一定存在其他物體的能量增加，且減少量一定等于增加量；當某種形式的能量減少時，一定存在其他形式的能量增加，且減少量一定等于增加量.=11=（4）功是能量轉(zhuǎn)化的量度.|==|不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實現(xiàn)的.做功的過程就是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化（或轉(zhuǎn)移）的過程.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.|==|如舉重運動員把重物舉起來，對重物做了功.這一過程中，運動員通過做功消耗了體內(nèi)的化學能，轉(zhuǎn)化為重物的重力勢能.并且，運動員做了多少功，就有多少化學能轉(zhuǎn)化為重力勢能.能量的具體值往往無多大意義，我們關(guān)心的大多是能量的變化量，能量的變化必須通過做功才能實現(xiàn)，某種力做功往往與某一具體的能量變化相聯(lián)系，即所謂功能關(guān)系?力學中常見力做功與能量轉(zhuǎn)化的對應關(guān)系如下:功能的變化表達式重力做功正功重力勢能減少重力勢能變化wg=-/\e?=e?x-e?2負功重力勢能增加

(3)能量的轉(zhuǎn)化:各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)彈力做功l=J

|==|正功負功彈性勢

能減少彈性勢

能增加彈性勢

能變化W=-AE=E(3)能量的轉(zhuǎn)化:各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)彈力做功l=J

|==|正功負功彈性勢

能減少彈性勢

能增加彈性勢

能變化W=-AE=E—E彈 Pplp2=1合力做功正功負功除重力(或系

統(tǒng)內(nèi)彈力)外

其他力做功正

功

負

功動能增加動能減少機械能

增加機械能減少動能變

化機械能

變化W 二AE二E-E合 kk2k1要點二、能量守恒定律要點詮釋：內(nèi)容：能量既不會消滅，也不會產(chǎn)生，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量保持不變，這個規(guī)律叫做能量守恒定律.表達式：E=E；△E=AE”.⑶利用能量守恒定律解題的基本思路.

=1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.=1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.⑷利用能量守恒定律解題應注意的問題：該定律是貫穿整個物理學的基本規(guī)律之一，是學習物理的一條主線.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.1^1滑動摩擦力與相對距離的乘積在數(shù)值上等于產(chǎn)生的內(nèi)能，即QFl.1^1Q'相要點三、能源要點詮釋：指能夠提供可利用能量的物質(zhì)，它是人類社會活動的物質(zhì)基礎.⑴分類：從人類開發(fā)能源的歷史劃分：常規(guī)能源：已被廣泛應用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等.新能源：指目前尚未被人類大規(guī)模利用而有待進一步研究、開發(fā)和利用的能源，如核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能等.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、風能等.不可再生能源：石油、煤等.從對環(huán)境的影響分類：清潔能源(也稱“綠色環(huán)保”能源)：太陽能、風能等.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：要點四、能源的開發(fā)1?能源的開發(fā)作為常規(guī)能源的煤炭、石油、天然氣等面臨枯竭，節(jié)能和開發(fā)新的能源已是人類必須面對的實際問題.能源對造福人類具有極其重要的意義，節(jié)約每一份能源，不僅能提高能源的利用價值，對于維護人類賴以生存的環(huán)境也有不可忽視的作用?新的能源有待于人類去開發(fā),如核能的利用、太陽能的利用等，還有許多艱苦的工作需要去做.(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?由于這些能源是不能再次生產(chǎn)，也不可能重復使用的，所以稱為非再生能源?(2)人類利用能源的過程及新能源的開發(fā)和利用?①人類利用能源大致經(jīng)歷的三個時期是:柴薪時期、煤炭時期、石油時期.②有待開發(fā)和利用的新能源主要指：太陽能、地熱能、風能、水能、核能?⑶人類與能源的關(guān)系。能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善?人類社會每一次重大的經(jīng)濟飛躍和產(chǎn)業(yè)革命，都與新的能源和動力裝置的利用密切相關(guān)?能源消耗的多少已經(jīng)成為衡量一個國家或地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志?所以說人類離不開能源?但能源的大量使用會給環(huán)境帶來極大的破壞，例如人類在利用化石燃料的過程中產(chǎn)生的煙塵,污染大氣，造成酸雨和溫室效應，對人類造成危害.(4)自然界中自發(fā)的能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性?①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.②冒出的煤煙和散開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.能量耗散燃料燃燒時一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會自動聚集起來供人類重新利用；電池中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，它又通過燈泡轉(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，我們也無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用.這種現(xiàn)象叫做能量的耗散.能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，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.要點四、功能原理要點詮釋:1.功能原理（1）推導由動能定理可以知道，外力對物體做功的代數(shù)和等于物體動能的增量,可表示為:ZW于物體動能的增量,可表示為:ZW二AEk這里說的外力包括作用于物體上的全部做功的力,可分為三部分：①系統(tǒng)內(nèi)的重力、彈力；②系統(tǒng)內(nèi)的摩擦力；③系統(tǒng)外物體對它的作用力，則動能定理的表達式可寫成W+W+W+W=AE重 彈 摩擦 外 k

又因為:所以有:W二-AE,W又因為:所以有:W二-AE,W二-AE重 p重彈 p彈W+W二AE+AE+AE等式的右邊為動能的增量跟勢能增量的和，即為物體機械能的增量，即：W+W二AE摩擦 外(2)內(nèi)容表述除重力、彈簧彈力以外力對物體做功的代數(shù)和，等于物體機械能的增量。這就是功能原理。即2、功能原理與動能定理的區(qū)別與聯(lián)系功能原理、動能定理都是“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一功能實質(zhì)關(guān)系的體現(xiàn)。只是考査對象不同。動能定理考查物體動能的變化，功能原理考查物體機械能的變化，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)機械能的變化，但這機械能不會消失，也不能創(chuàng)生，只是由機械能和其它形式的能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換?！镜湫屠}】類型一、摩擦力做功與產(chǎn)生內(nèi)能的關(guān)系例1、如圖所示，A物體放在B物體的左側(cè)，用水平恒力F將A拉至B的右端，第一次B固定在地面上，F(xiàn)做功為W，產(chǎn)生熱量為Q，第二次讓B在光滑地面上自由滑動，F(xiàn)做功為W，產(chǎn)生熱量為Q，則應有( )22A b cW<W,Q二Q W=W,Q二Q W<W,Q<Q121212121212D?W=W,Q<Q1212

思路點撥：本題牽扯到摩擦力做功問題，需要考察摩擦力做功特點，并輔助動能定理加以解決。Q二f.L二卩mgLB的位移關(guān)系為解析：當B固定時，WQ二f.L二卩mgLB的位移關(guān)系為W=FS=F(L+S)>W2 A B 1對A應用動能定理:對B應用動能定理:兩式相加得(F-f)S=A對A應用動能定理:對B應用動能定理:兩式相加得(F-f)S=AEA kAfS=AEB kB所以:Q=FS(F-f)S+fSA-AE-AE2 A kA kB答案：A=AE+AEB kA kB=f.L=rmgL=Q總結(jié)升華:擦力做功與產(chǎn)生內(nèi)能的關(guān)系:(1)靜摩擦力做功的過程中，只有機械能的相互轉(zhuǎn)移(靜摩擦力起著傳遞機械能的作用)而沒有內(nèi)能的產(chǎn)生。(2)滑動摩擦力做功的過程中，能量的轉(zhuǎn)移由兩個方向，一是相互摩擦的物體之間機械能的轉(zhuǎn)移；二是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于機械能的減少量，表達式為舉一反三Q量，表達式為舉一反三Q二f.S相對【變式】在一光滑的水平面上有一長木板，質(zhì)量為M，板足夠長。一質(zhì)量為m、速度為v的小滑塊滑上長木0

板，最后獲得共同速度v，此時長木板移動了l的距離，滑塊在木板上移動了d的距離，求此過程中產(chǎn)生的熱量是A? MvA? Mv2d2/m(v2-v2)d0—2(/+d)mv2一(m+M)v22 0 2D?iimv2一mv22o2答案：ABC解析：對M應用動能定理:故A對。對m應用動能定理:故B選項正確。由能量守恒轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于機械能的減少量，即1mv2-i(m+M)v2，故C選項正確，D錯誤。2o2類型二、功能關(guān)系的應用例2、面積很大的水池，水深為H水面上浮著正方體木塊，木塊邊長為，且a〈H密度為水的i,d —2質(zhì)量為m，開始時，木塊靜止，有一半沒入水中，如圖甲所示，現(xiàn)用力F將木塊緩慢地壓到池底，不計摩擦，(1)從開始到木塊剛好完全沒入水的過程中，力F所做的功。(2)若將該木塊放在底面為正方形(邊長為護)的盛水足夠深的長方體容器中，開始水面靜止時，水高也為H如圖乙所示，現(xiàn)用一個向下的力F，將木塊緩慢地壓到容器底部，若水不會從容器中溢出，不計摩擦。求全過程F，所做的功。<a~> 圖 圖乙思路點撥：此題考察變力做功問題，變力做功一是應用動能定理可以求出，再就是可以根據(jù)功能關(guān)系來求出，在本題我們應用功能關(guān)系來求解。解析：(1)木塊靜止，有一半沒入水中，所以有—vP木vg P水2g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，木塊剛好完全沒入水中時，圖中原來處于劃斜線區(qū)域的水被排開，結(jié)果等效于使這部分水平鋪于水面，這部分水的質(zhì)量為m，其勢能的改變量為:TOC\o"1-5"\h\z3 3AE二mgH-mg(H-—a)二mga水i 4 4木塊勢能的改變量為：ae=mg(H-a)-mgH=-1mga木 2 2

根據(jù)功能關(guān)系知力F所做的功:W=AE+AE=根據(jù)功能關(guān)系知力F所做的功:水木4(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，木塊剛好完全沒入水中時，圖乙中原來處于下方劃斜線區(qū)域的水被排開到上方劃斜線區(qū)域。由于木塊橫截面積是容器的1/2,由體積關(guān)系有2a2H+a22=2a2H‘，即2H+纟=2H‘2解得W=H+a，所以AH二W-H=a4 4所以當木塊上底面與水面平齊時，水面上升a/4，木/2,其勢能的改變量為:m3AE二一mga水i8塊下降/2,其勢能的改變量為:m3AE二一mga水i8木塊勢能的改變量為：ae—1mga木i4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Ha心下降Ha=H+4-a=H-鄂同時底部被木塊所占空間的水重心升高H-3a，這部分水的質(zhì)量為2m,其勢能的改變量4為:AE為:AE二2mg（H-丸）水2 4木塊勢能的改變量為:AE二-mg(H-3a)木塊勢能的改變量為:TOC\o"1-5"\h\z木2 4由功能關(guān)系可得這一階段壓力所做的功W二-mg(H-3a)+2mg(H-3a)二mg(H-3a)2 4 4 4整個過程壓力做的總功為：W二W+W二1mga+mg(H-3a)二mg(H-5a)1 2 8 4 8總結(jié)升華：用功能關(guān)系時解題，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】在水平地面上平鋪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，至少做多少功？［答案】 nh h1W=AE=E一E=nmg一nmg—=n(n一1)mgh末初 2 22類型三、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律例3、行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降。上述不同現(xiàn)象所包含的相同物理過程是(A.B.)物體克服阻力做功物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量I=J)物體克服阻力做功物體的動能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量物體的勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量I=JI '思路點撥：此題考察學生綜合分析能力，從若干不同的現(xiàn)象中分析找出相同的規(guī)律。解析：汽車主要是制動阻力，流星、降落傘是空氣阻力，因而物體都是克服阻力做功，A對；三個物體運動過程中，汽車是動能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，流星、降落傘是重力勢能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之是機械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，D對。答案：AD總結(jié)升華：自然界中各種形式的能之間都可以相互轉(zhuǎn)化，但在轉(zhuǎn)化過程中具有方向性。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（）重力勢能減小，動能不變，i=j

i==iA.量減小B?量不變舉一反三【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（）重力勢能減小，動能不變，i=j

i==iA.量減小B?量不變量增加D.量不變機械能減小,總能重力勢能減小，動能增加,重力勢能減小，動能增加,重力勢能減小，動能增加,機械能減小,機械能增加,機械能守恒,總能總能總能【答案】B類型四、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的應用例4、飛機場上運送行李的裝置為一水平放置的環(huán)形傳送帶，傳送帶的總質(zhì)量為M,其俯視圖如圖所示?，F(xiàn)開啟電動機，傳送帶達穩(wěn)定運行的速度后，將行李依V次輕輕放到傳送帶上。若有n件質(zhì)量均為m的行李需通過傳送帶運送給旅客。假設在轉(zhuǎn)彎處行李與傳送帶無相對滑動，忽略皮帶輪、電動機損失的能量。求從電動機開啟，到運送完行李需要消耗的電能為多少？思路點撥：在此問題中必須知道“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：設行李與傳送帶間的動摩擦因數(shù)為”，則傳送帶與行李間由于摩擦產(chǎn)生的總熱量vtvt=vt一=vtvt=vt一=—22As=s一s傳v二卩gt聯(lián)立解得：Q1 2Q二一nmv221mv221mv22?E=Mv2+nmv2總結(jié)升華：在傳送帶運送行李的過程中，消耗的電能分成了三部分，一部分是傳送帶的動能，一部分是行李的動能，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，這一部分在解題時容易忽視，在解決問題時要注意。舉一反三【變式1】如圖所示，繃緊的傳送帶與水平面間的夾角廣30°，傳送帶在電動機的帶動下，始終保持v=2m/s的速率運行.現(xiàn)把一質(zhì)量為m=10kg的工件（可看為質(zhì)點）輕輕放在傳送帶的底端，經(jīng)時間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摩擦因數(shù)；（2） 電動機由于傳送工件多消耗的電能.解析：（1）圖中斜面長s_亠_3msin30。設工件經(jīng)時間t速度達到V，做勻加速運動的位移11s=vt121工件速度達V后做勻速運動的位移為s_s=v（t