2018-2019学年高中物理 第四章 机械能和能源 第六节 能量的转化与守恒学案 粤教版必修2

第六节能量的转化与守恒知识目标核心素养1.了解自然界中存在多种形式的能量.2.知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一.3.通过能量守恒以及能量转化和转移的方向，认识提高效率的重要性.1.科学认识生活中能量转化的实例.2.理解能量守恒定律的确切含义，会根据能量守恒定律解决多种能量转化问题.一、能量转化及守恒定律1各种形式的能量自然界存在着不同形式的能量如：机械能、内能、电能、电磁能、核能、化学能等2能量的存在形式多种多样，不同形式的能量可以相互转化我们所消耗的能量，大部分是太阳能辐射到地球后转化而来的3能量转化与守恒定律(1)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，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量不变(2)意义：揭示了自然界各种运动形式不仅具有多样性、而且具有统一性宣布“第一类永动机”不可能制成二、能量转化和转移的方向性在整个自然界中，所有宏观自发过程都具有单向性，都有一定的方向性，都是一种不可逆过程(1)热传导的方向性两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传给低温物体，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高(2)机械能和内能转化过程的方向性机械能是可以全部转化为内能的，但在任何情况下都不可能把从高温热源吸收的热量全部转变为有用的机械功，而且工作物质本身又回到原来的状态，即内能不可能全部转化为机械能，而不引起其他变化1判断下列说法的正误(1)机械能守恒定律是能量守恒定律的一种特殊形式()(2)在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少()(3)内能不可能全部转化为机械能而不引起其他变化()2质量为0.4 kg的皮球，从离地面高0.5 m处自由落下，与地面碰撞后以2 m/s的速度反弹，不计空气阻力，g取10 m/s2，碰撞时损失的机械能为_，损失的机械能转化为_能答案1.2 J内一、对能量守恒定律的理解1在验证机械能守恒定律的实验中，计算发现，重物减少的重力势能的值总大于增加的动能的值，即机械能的总量在减少机械能减少的原因是什么？减少的部分机械能是消失了吗？答案机械能减少的原因是由于要克服摩擦阻力和空气阻力做功，机械能转化成了内能不是2请说明下列现象中能量是如何转化或转移的？(1)植物进行光合作用(2)放在火炉旁的冰融化变热(3)电流通过灯泡，灯泡发光答案(1)光能转化为化学能(2)内能由火炉转移到冰(3)电能转化为光能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对能量守恒定律的理解某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等例1(多选)从光滑斜面上滚下的物体，最后停止在粗糙的水平面上，则()A在斜面上滚动时，只有动能和势能的相互转化B在斜面上滚动时，有部分势能转化为内能C在水平面上滚动时，总能量正在消失D在水平面上滚动时，机械能转化为内能，总能量守恒答案AD解析在斜面上滚动时，只有重力做功，只发生动能和势能的相互转化；在水平面上滚动时，有摩擦力做功，机械能转化为内能，总能量是守恒的，故选A、D.【考点】对能的转化与守恒的理解【题点】机械能和内能的转化二、能量守恒定律的应用1能量守恒定律的表达式(1)从不同状态看，E初E末(2)从能的转化角度看，E增E减(3)从能的转移角度看，EA增EB减2能量守恒定律应用的关键步骤(1)明确研究对象和研究过程(2)找全参与转化或转移的能量，明确哪些能量增加，哪些能量减少(3)列出增加量和减少量之间的守恒式例2如图1所示，皮带的速度是3 m/s，两圆心的距离s4.5 m，现将m1 kg的小物体轻放在左轮正上方的皮带上，物体与皮带间的动摩擦因数0.15，电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时，求：(g取10 m/s2)图1(1)小物体获得的动能Ek；(2)这一过程摩擦产生的热量Q；(3)这一过程电动机消耗的电能E.答案(1)4.5 J(2)4.5 J(3)9 J解析(1)设小物体与皮带达到共同速度时，物体相对地面的位移为s.mgsmv2，解得s3 m<4.5 m，即物体可与皮带达到共同速度，此时Ekmv2×1×32 J4.5 J.(2)由mgma得a1.5 m/s2，由vat得t2 s，则Qmg(vts)0.15×1×10×(63) J4.5 J.(3)由能量守恒知EEkQ4.5 J4.5 J9 J.【考点】能量守恒定律的理解与基本应用【题点】摩擦生热及内能的理解与计算针对训练1一弹珠弹射玩具模型如图2所示，水平粗糙管AB内装有一轻弹簧，左端固定竖直放置光滑管道BCD，其中CD为半径R0.1 m的四分之一圆周，C点与地面间的高度H0.1 m，用质量m10.2 kg的弹珠(可看成质点)将弹簧缓慢压缩到某一确定位置M，弹珠与弹簧不固连由静止释放后弹珠恰能停在D点用同种材料、质量m20.1 kg的弹珠仍将弹簧缓慢压缩到M点再由静止释放，弹珠由D点飞出后落在与D点正下方D点相距x0.8 m处g取10 m/s2.求：图2(1)弹珠m2从D点飞出时的速度大小；(2)弹簧被缓慢压缩到M点时储存的弹性势能；(3)保持弹珠m2仍将弹簧缓慢压缩到M点，改变H的高度，从D点飞出后落在与D点正下方D点距离x是不同的，求x的最大值答案(1)4 m/s(2)1.6 J(3)1 m解析(1)弹珠m2由D点飞出后做平抛运动，有HRgt2得t0.2 sm2从D点飞出时的速度大小vD4 m/s(2)研究弹珠从释放到D点的过程，由能量守恒定律得：释放m1的过程，有Epm1gxm1g(HR)释放m2的过程，有Epm2gxm2g(HR)m2vD2解得Ep1.6 J(3)由能量守恒定律：Epm2gxm2g(HR)m2vD2解得vDxvDt2由基本不等式得xm1 m【考点】能量守恒定律的理解与基本应用【题点】能量守恒定律的理解与基本应用在涉及弹性势能等多种形式的能量转化问题中，用能量守恒的思想解题可以化繁为简三、功能关系的理解与应用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，具体功能关系如下表：功能量转化关系式重力做功重力势能的改变WGEp弹力做功弹性势能的改变WFEp合外力做功动能的改变W合Ek除重力、系统内弹力以外的其他力做功机械能的改变WE机两物体间滑动摩擦力对物体系统做功内能的改变f·s相对Q例3如图3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AP2R，重力加速度为g，则小球从P到B的运动过程中()图3A重力做功2mgRB机械能减少mgRC合外力做功mgRD克服摩擦力做功mgR答案D解析重力做功与路径无关，所以WGmgR，选项A错；小球在B点时所受重力提供向心力，即mgm，所以v，从P点到B点，由动能定理知：W合mv2mgR，故选项C错；根据能量守恒知：机械能的减少量为|E|Ep|Ek|mgR，故选项B错；克服摩擦力做的功等于机械能的减少量，故选项D对【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用应用功能关系解题的关键应用功能关系解题的关键是深刻理解不同功能关系的含义：(1)重力做功是物体重力势能变化的原因，重力做多少功，重力势能就减少多少；(2)弹力做功是弹簧弹性势能变化的原因，弹力做多少功，弹性势能就减少多少；(3)合力做功是物体动能变化的原因，合力做多少功，动能就增加多少；(4)除重力和系统内弹力之外的其他力做功是机械能变化的原因，其他力做多少功，机械能就增加多少针对训练2(多选)如图4所示，质量为m的物体(可视为质点)以某一速度从A点冲上倾角为30°的固定斜面，其运动的加速度大小为g，此物体在斜面上上升的最大高度为h，则在这个过程中物体()图4A重力势能增加了mghB克服摩擦力做功mghC动能损失了mghD机械能损失了mgh答案CD解析这个过程中重力势能增加了mgh，故A错误；加速度ag，摩擦力fmg，物体在斜面上能够上升的最大高度为h，发生的位移为2h，则克服摩擦力做功，故B错误；由动能定理可知，动能损失量为合外力做的功的大小，所以EkF合·2hm·g·2hmgh，故C正确；机械能的损失量为fsmg·2hmgh，故D正确【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用1(能源的利用)关于能源的开发和应用，下列说法中正确的是()A能源应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在广大的农村推广沼气意义重大，既变废为宝，减少污染，又大量节约能源D随着科学技术的发展，煤炭资源将取之不尽、用之不竭答案C解析能源应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；在广大农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大，功在当代，利在千秋，C正确；无论技术先进与否，煤炭资源不可能取之不尽、用之不竭，D错误【考点】能源的利用与节约、能量耗散【题点】能源的认识2.(功能关系)如图5所示，在高台跳水比赛中，质量为m的跳水运动员进入水中后受到水的阻力(包含浮力)而竖直向下做减速运动，设水对她的阻力大小恒为F，则在她减速下降深度为h的过程中，下列说法正确的是(g为当地的重力加速度)()图5A她的动能减少了FhB她的重力势能减少了mghC她的机械能减少了(Fmg)hD她的机械能减少了mgh答案B【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用3(功能关系)(多选)如图6所示，质量为M的木块放在光滑的水平面上，质量为m的子弹(可视为质点)以速度v0沿水平方向射中木块，并最终留在木块中与木块一起以速度v运动已知当子弹相对木块静止时，木块前进距离为l，子弹进入木块的深度为d，若木块对子弹的阻力f视为恒定，则下列关系式中正确的是()图6AflMv2BfdMv2Cfdmv02(Mm)v2Df(ld)mv02mv2答案ACD解析画出运动过程示意图，从图中不难看出，当木块前进距离为l，子弹进入木块的深度为d时，子弹相对于地面发生的位移为ld.由牛顿第三定律知，子弹对木块的作用力大小也为f.子弹对木块的作用力对木块做正功，由动能定理得f·lMv2木块对子弹的作用力对子弹做负功，由动能定理得f·(ld)mv2mv02由得f·dmv02(Mm)v2所以，选项A、C、D正确【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用4(能量守恒定律的应用)如图7所示，一物体质量m2 kg，在倾角37°的斜面上的A点以初速度v03 m/s下滑，A点距弹簧上端B的距离AB4 m当物体到达B后将弹簧压缩到C点，最大压缩量BC0.2 m，然后物体又被弹簧弹上去，弹到最高位置为D点，D点距A点AD3 m挡板及弹簧质量不计，g取10 m/s2，sin 37°0.6，cos 37°0.8.求：(小数点后保留两位小数)图7(1)物体与斜面间的动摩擦因数；(2)弹簧的最大弹性势能Epm.答案(1)0.52(2)24.46 J解析(1)物体从开始位置A点到最后D点的过程中，弹性势能没有发生变化，动能和重力势能减少，机械能的减少量为EEkEpmv02mglADsin 37°物体克服摩擦力产生的热量为Qfs其中s为物体的路程，即s5.4 mfmgcos 37°由能量守恒定律可得EQ由式解得0.52.(2)物体由A到C的过程中，动能减小Ekmv02重力势能减少EpmglACsin 37°摩擦生热QflACmgcos 37°lAC由能量守恒定律得弹簧的最大弹性势能为EpmEkEpQ联立解得Epm24.46 J.一、选择题考点一能量守恒定律1下列说法正确的是()A随着科技的发展，永动机是可以制成的B太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了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有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量是可以凭空产生的答案C【考点】能量守恒定律的理解与基本应用【题点】能量守恒定律的理解2能源在“两型”社会的建设中有着重要的意义，节约用电应成为现代公民的行为准则下列用电方式中属于科学、合理地节约用电的是()A家电尽量长时间待机B用节能灯替换白炽灯C楼道、走廊照明灯尽量不采用声、光控制D不要清除冰箱内的冰、霜答案B解析待机浪费电，家电尽量不要长时间待机，才属于科学、合理地节约用电，故A错误；用节能灯替换白炽灯，可节约用电，故B正确；楼道、走廊照明灯采用声、光控制，才属于科学、合理地节约用电，故C错误；清除冰箱内的冰、霜，能够提高冰箱的工作效率，才属于科学、合理地节约用电，故D错误【考点】能源的利用与节约、能量耗散【题点】能源的利用3.蹦床运动员与床垫接触的过程可简化为下述模型：运动员从高处落到处于自然状态的床垫(A位置)上，随床垫一同向下做变速运动到达最低点(B位置)，如图1.有关运动员从A运动至B的过程，下列说法正确的是()图1A运动员的机械能守恒B运动员的速度一直减小C运动员的机械能先增加后减小D运动员先失重后超重答案D解析运动员从A运动至B的过程，床垫弹力对运动员做负功，运动员的机械能转化成了蹦床的弹性势能，运动员的机械能不断减小，A、C错；该过程运动员受到的合力先向下后向上，加速度也是先向下后向上，所以运动员先失重后超重，D对；运动员的速度是先增加后减小的，B错【考点】对能的转化与守恒的理解【题点】机械能的转化与守恒的理解4两块完全相同的木块A、B，其中A固定在水平桌面上，B放在光滑的水平桌面上，两颗同样的子弹以相同的水平速度射入两木块，穿透后子弹的速度分别为vA、vB，在子弹穿透木块过程中因克服摩擦力产生的热量分别为QA、QB，设木块对子弹的摩擦力大小一定，则()AvA>vB，QA>QB BvA<vB，QAQBCvAvB，QA<QB DvA>vB，QAQB答案D解析两颗同样的子弹穿透木块的过程中，摩擦阻力f相同，子弹相对木块滑动的距离相同，所以摩擦力做功过程中产生的内能Qfs相同，根据能量守恒定律有：mv2QAmvA2，mv2QBmvB2mBv2，由以上两式可知vA>vB，故选项D正确【考点】能量守恒定律的理解与基本应用【题点】摩擦生热及内能的理解与计算考点二功能关系5.如图2所示为低空跳伞表演，假设质量为m的跳伞运动员，由静止开始下落，在打开伞之前受恒定阻力作用，下落的加速度为g，在运动员下落h的过程中，下列说法正确的是()图2A运动员的重力势能减少了mghB运动员的动能增加了mghC运动员克服阻力所做的功为mghD运动员的机械能减少了mgh答案B解析在运动员打开伞之前下落h的过程中，重力势能减少了mgh，故A错误；根据牛顿第二定律得，运动员所受的合力为F合mamg，则根据动能定理得，合力做功为mgh，则动能增加了mgh，故B正确；合力做功等于重力做功与阻力做功的代数和，因为重力做功为mgh，则运动员克服阻力做功为mgh，故C错误；重力势能减少了mgh，动能增加了mgh，故机械能减少了mgh，故D错误【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用6(多选)某运动员采用蹲踞式起跑，在发令枪响后，左脚迅速蹬离起跑器，在向前加速的同时提升身体重心如图3所示，假设该运动员的质量为m，在起跑时前进的距离s内，重心升高量为h，获得的速度为v，重力加速度为g，则此过程中()图3A运动员克服重力做功WGmghB运动员的机械能增加了mv2C运动员的机械能增加了mv2mghD运动员对自身做功Wmv2mgh答案ACD解析运动员在此过程中重力势能增加mgh，动能增加mv2，机械能增加mv2mgh，A、C正确，B错误运动员通过蹬地对自身做功，做功的量为其机械能的增量，D正确【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用7(多选)如图4所示，木块静止在光滑水平桌面上，一子弹(可视为质点)水平射入木块的深度为d时，子弹与木块相对静止，在子弹入射的过程中，木块沿桌面移动的距离为s，木块对子弹的平均阻力为f，那么在这一过程中正确的是()图4A木块的机械能增量为fsB子弹的机械能减少量为f(sd)C系统的机械能减少量为fdD系统的机械能减少量为f(sd)答案ABC解析木块机械能的增量等于子弹对木块的作用力f 做的功fs，A对；子弹机械能的减少量等于动能的减少量，即子弹克服阻力做的功f(sd)，B对；系统增加的机械能等于力f做的总功，即Efsf(sd)fd，故机械能减少量为fd，C对，D错【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用8(多选)如图5所示，在粗糙的桌面上有一个质量为M的物块，通过轻绳跨过定滑轮与质量为m的小球相连，不计轻绳与滑轮间的摩擦，在小球下落的过程中，下列说法正确的是()图5A小球的机械能守恒B物块与小球组成的系统机械能守恒C若小球匀速下降，小球减少的重力势能等于物块M与桌面间摩擦产生的热量D若小球加速下降，小球减少的机械能大于物块M与桌面间摩擦产生的热量答案CD解析由于绳子对小球做负功，因此小球的机械能减小，A错误；由于桌面粗糙，摩擦力对M做负功，因此物块与小球组成的系统机械能减小，B错误；若小球匀速下降，根据能量守恒，小球减小的重力势能没有转化为动能，而是完全转化为物块M与桌面间摩擦产生的热量，C正确；若小球加速下降，则小球减小的机械能一部分转化为摩擦产生的热量，另一部分转化为M的动能，因此D正确【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用9(多选)如图6所示，轻质弹簧的一端与固定的竖直板P拴接，另一端与物体A相连，物体A静止于光滑水平桌面上，右端接一细线，细线绕过光滑的定滑轮与物体B相连开始时用手托住B，让细线恰好伸直，然后由静止释放B，直至B获得最大速度下列有关该过程的分析正确的是()图6AB物体的机械能一直减小BB物体的动能增加量等于B物体重力势能的减少量CB物体机械能的减少量等于弹簧的弹性势能的增加量D细线拉力对A做的功等于A物体与弹簧所组成的系统机械能的增加量答案AD解析从开始到B速度达到最大的过程中，细线的拉力对B一直做负功，所以B的机械能一直减小，故A正确；对于B物体，只有重力与细线拉力做功，根据动能定理可知，B物体动能的增加量等于它所受重力与拉力做功之和，不等于它的重力势能的减少量，故B错误；整个系统中，根据功能关系可知，B减少的机械能转化为A的机械能以及弹簧的弹性势能，故B物体机械能的减少量大于弹簧弹性势能的增加量，故C错误；系统机械能的增加量等于系统除重力和弹簧弹力之外的力所做的功，A物体与弹簧所组成的系统机械能的增加量等于细线拉力对A做的功，故D正确【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用10.(多选)质量为m1、m2的两物体，静止在光滑的水平面上，质量为m的人站在m1上用恒力F拉绳子，经过一段时间后，两物体的速度大小分别为v1和v2，位移分别为s1和s2，如图7所示，则这段时间内此人所做的功的大小等于()图7AFs2BF(s1s2)C.m2v22(mm1)v12D.m2v22答案BC解析根据能量守恒可知，人通过做功消耗的化学能将全部转化为物体m1和m2的动能以及人的动能，所以人做的功的大小等于F(s1s2)m2v22(mm1)v12，故B、C正确【考点】各种功能关系及应用【题点】各种功能关系及应用二、非选择题11(能量守恒定律)如图8所示，质量为m的小铁块A(A的长度可忽略)以水平速度v0从左侧冲上质量为m1、长为l、置于光滑水平面C上的木板B，刚好不从木板上掉下，已知A、B间的动摩擦因数为，重力加速度为g，此时木板对地位移为s，求这一过程中：图8(1)木板增加的动能；(2)小铁块减少的动能；(3)系统机械能的减少量；(4)系统产生的热量答案(1)mgs(2)mg(sl)(3)mgl(4)mgl解析(1)对木板B根据动能定理得mgsm1v20所以木板增加的动能EkBmgs.(2)滑动摩擦力对小铁块A做负功，根据能量关系可知EkAmv2mv02mg(sl)即小铁块的动能减少了mg(sl)(3)系统机械能的减少量为E减EkAEkBmgl.(4)根据能量守恒定律，系统减少的机械能全部转化为内能，则QE减mgl.【考点】板块模型的处理【题点】板块模型的处理12(能量守恒定律)如图9所示，绷紧的皮带与水平面的夹角30°，皮带在电动机的带动下，始终保持v02 m/s的速率运行，现把一质量为m10 kg的工件(可看成质点)轻轻放在皮带的底端，经过时间1.9 s，工件被传送到h1.5 m的高处，取g10 m/s2，求：图9(1)工件与皮带间的动摩擦因数；(2)电动机由于传送工件多消耗的电能答案(1)(2)230 J解析(1)由题图可知，皮带从底端到顶端的长度s3 m.工件速度达到v0前，做匀加速运动的位移s1t1t1，匀速运动的位移为ss1v0(tt1)，解得加速运动的时间t10.8 s.加速运动的位移s10.8 m，所以加速度a2.5 m/s2，由牛顿第二定律有：mgcos mgsin ma，解得：.(2)从能量守恒的观点看，显然电动机多消耗的电能用于增加工件的动能、势能以及克服皮带与工件之间发生相对位移时摩擦力做功产生的热量在时间t1内，皮带运动的位移s皮v0t11.6 m，在时间t1内，工件相对皮带的位移s相s皮s10.8 m，在时间t1内，摩擦生热Qmgcos ·s相60 J，工件获得的动能Ekmv0220 J，工件增加的重力势能Epmgh150 J，电动机多消耗的电能WQEkEp230 J.【考点】传送带问题的处理【题点】传送带问题的处理18