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学案解析版新人教版必修2

第10节能量守恒定律与能源一、能量守恒定律1．建立能量守恒定律的两个重要事实(1)确认了永动机的不可能性。

(2)发现了各种自然现象之间能量的相互联系与转化。

2．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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。

3．意义能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。

它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。

二、能源和能量耗散1．能源与人类社会人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。

自工业革命以来，煤和石油成为人类的主要能源。

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。

电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物体吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用。

3．能源危机的含义在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了。

4．能量转化的方向性与节约能源的必要性能量耗散反映了能量转化的宏观过程具有方向性。

所以，能源的利用是有条件的，也是有代价的，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源。

1．自主思考——判一判(1)当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多。

(√)(2)做功越多，能量的转化也越多。

(√)(3)外力对物体不做功，这个物体就没有能量。

(×)(4)煤、石油、天然气属于常规能源。

(√)(5)电能、焦炭、氢能属于一次能源。

(×)(6)冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭。

(×)2．合作探究——议一议(1) 一个叫丹尼斯·李(Dennis Lee)的美国人在《美国今日》《新闻周刊》等全国性报刊上刊登大幅广告，在全美各地表演，展示其号称无需任何能源的发电机。

你认为这种发电机能造出来吗？提示：不能。

能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间只能发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律。

丹尼斯·李发明的发电机不消耗其他能量而源源不断地产生电能，违背了能量守恒，因此这种发电机不能制造出来。

(2)如图所示是我国能源结构的统计图，请根据此图数据完成下面两个问题：①总结出我国能源结构或能源现状的规律。

②试着提出解决这种现状的合理化建议。

提示：①我国的能源结构主要以煤为主；我国的能源消耗中不可再生能源占据的比例过大，结构不合理；我国能源消耗中可再生能源的比例过小。

②建议：节能降耗；开发新能源；开发可再生能源(如太阳能、风能等)。

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．表达式(1)E初＝E末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和。

(2)ΔE增＝ΔE减，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量。

3．应用步骤(1)明确研究对象及研究过程。

(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化。

(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少。

(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)。

[典例] 如图所示，一个粗细均匀的U形管内装有同种液体，液体质量为m。

在管口右端用盖板A密闭，两边液面高度差为h，U形管内液体的总长度为4h，先拿去盖板，液体开始运动，由于管壁的阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为( )A.116mgh B.18mgh C.14mgh D.12mgh[审题指导](1)管内液体至最终停止运动时，液体的重力势能减小了。

(2)系统机械能的减少量等于系统内能的改变量。

[解析] 去掉右侧盖板之后，液体向左侧流动，最终两侧液面相平，液体的重力势能减少，减少的重力势能转化为内能。

如图所示，最终状态可等效为右侧12h 的液柱移到左侧管中，即增加的内能等于该液柱减少的重力势能，则Q ＝18mg ·12h ＝116mgh ，故A 正确。

[答案] A利用能量转化与转移解题的两点注意(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化，也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移。

(2)能量在转化与转移过程中，能量的总量保持不变。

利用能量守恒定律解题的关键是正确分析有多少种能量变化，分析时避免出现遗漏。

1．(多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。

上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( )A ．物体克服阻力做功B ．物体的动能转化为其他形式的能量C ．物体的势能转化为其他形式的能量D ．物体的机械能转化为其他形式的能量解析：选AD 这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A 正确。

四个物体的运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之机械能转化成了其他形式的能，D 正确。

2.（多选）一根轻弹簧，上端固定，下端栓一个重物P ，处于静止状态，如图所示。

现用外力把它缓慢向下拉一段距离，则以下说法正确的是( )A ．向下拉的某段过程中，重力势能的减少量可能大于弹性势能的增加量B ．向下拉的任一段过程中，重力势能的减少量一定小于弹性势能的增加量C ．撤去拉力，重物P 在任一段运动过程中，重力势能的增加量一定等于弹性势能的减少量D ．撤去拉力，重物P 在某段运动过程中，重力势能的增加量可能等于弹性势能的减少量 解析：选BD 向下拉的某段过程中，弹簧的拉力等于重力和外力的和，重力势能的减少量一定小于弹性势能的增加量，故A 错误，B 正确；撤去拉力，重物P 在运动过程中，重力和弹簧的弹力做功，弹性势能的减小量等于重力势能的增加量和重物动能的增加量的和，故C 错误；撤去拉力后，若某段运动过程中，重物P 的动能变化量为0，则重力势能的增加量等于弹性势能的减小量，故D 正确。

1．功与能量的转化不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的。

做功的过程就是各种形式的能量之间转化(或转移)的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)。

因此，功是能量转化的量度。

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：注：其他力指的是重力和系统内弹力之外的力。

[典例] (多选)竖直向上的恒力F 作用在质量为m 的物体A 上，使A 从静止开始运动，升高h ，速度达到v ，在这个过程中，设阻力恒为F 阻。

则下列表述正确的是( )A ．恒力F 对物体做的功等于物体机械能的增量，即Fh ＝12mv 2＋mghB ．恒力F 与阻力F 阻对物体做的功等于物体机械能的增量，即(F －F 阻)h ＝12mv 2＋mghC ．物体所受合力的功，等于物体机械能的增量，即(F －F 阻－mg )h ＝12mv 2＋mghD ．物体所受合力的功，等于物体动能的增量，即(F －F 阻－mg )h ＝12mv 2[解析] 本题中，施恒力F 的物体是所述过程能量的总来源。

加速运动过程终结时，物体的动能、重力势能均得到增加。

除此之外，在所述过程中，因阻力的存在，还将有内能产生，其量值为F 阻h ，可见Fh >12mv 2，同时，Fh >12mv 2＋mgh 。

选项B 的含意为：物体所受除重力、弹簧弹力以外的力对物体做的功等于物体机械能的增量，这个结果，通常又称之为功能原理。

选项D 为动能定理的具体表述。

虽说表述各有不同，但都是能量守恒的具体反映。

[答案] BD袋和液体的重心将( )A ．逐渐升高B ．逐渐降低C ．先降低再升高D ．始终不变解析：选A 人对液体做正功，液体的机械能增加，液体缓慢移动可以认为动能不变，重力势能增加，重心升高，A 正确。

2．(多选)一质量为m 的物体，在距地面高h 处以13g 的加速度由静止竖直下落到地面，下列说法中正确的是( )A ．物体的重力势能减少13mghB ．物体的机械能减少23mghC ．物体的动能增加13mghD ．物体的重力做的功为mgh解析：选BCD 物体从高h 处落到地面的过程中，重力做的功为mgh ，重力势能减少mgh ，选项A 错误，D 正确；物体的加速度为13g ，故合外力为13mg ，合外力做的功为13mgh ，根据动能定理，物体的动能增加13mgh ，选项C 正确；物体的重力势能减少mgh ，动能增加13mgh ，故机械能减少了23mgh ，选项B 正确。

[典例] 如图所示，电动机带动水平传送带以速度v 匀速传动，一质量为m 的小木块由静止轻放在传送带上。

若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ，当小木块与传送带相对静止时，求：(1)小木块的位移。

(2)传送带转过的路程。

(3)小木块获得的动能。

(4)摩擦过程产生的热量。

(5)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量。

[解析] 小木块刚放上传送带时，速度为0，受到传送带的滑动摩擦力作用，做匀加速直线运动，达到与传送带相同的速度后不再受摩擦力。

整个过程中小木块获得一定的动能，系统内因摩擦产生一定的热量。

(1)对小木块，相对滑动时，由μmg ＝ma ，得a ＝μg ， 由v ＝at ，得小木块与传送带相对静止时所用的时间t ＝vμg， 则小木块的位移l ＝12at 2＝v22μg。

(2)传送带始终匀速运动，转过的路程s ＝vt ＝v 2μg。

(3)小木块获得的动能E k ＝12mv 2。

(4)摩擦过程产生的热量Q ＝μmg (s －l )＝12mv 2。

(5)由能的转化与守恒得，电动机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的热量，所以E 总＝E k ＋Q ＝mv 2。

[答案] (1)v 22μg (2)v 2μg (3)12mv 2 (4)12mv 2 (5)mv 2F 作用下，将箱子从小车右端拉出，如果第一次小车被固定于地面，第二次小车不固定，小车在摩擦力作用下可沿水平面运动，在这两种情况下( )A ．摩擦力大小不相等B ．F 所做的功不相等C ．摩擦产生的热量相等D ．箱子增加的动能相等解析：选BC 小车固定时，箱子的位移等于小车的长度，设为L ；小车不固定时，小车相对地面的位移设为x ，则箱子的位移为x ＋L 。

两种情况下，滑动摩擦力F f 都等于μmg ，F 做的功分别为W 1＝FL ，W 2＝F (x ＋L )；摩擦产生的热量Q 都等于F f L ；箱子增加的动能分别为ΔE k1＝(F －F f )L ，ΔE k2＝(F －F f )×(x ＋L )。