通用版2018-2019版高考物理总复习主题三机械能及其守恒定律3.9能量守恒定律与能源学案新人教版.doc

3.9能量守恒定律与能源学习目标核心提炼1.知道能量守恒定律的内容，了解能源和能量耗散的定义。1个定律能量守恒定律2个概念能量耗散、能源危机2.通过对生活中能量转化的实例分析，领悟能量守恒定律的确切含义。3.知道合理使用能源的重要性，养成节能意识。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_B_(A.可能B.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。思维拓展“神舟十号”飞船返回舱进入地球大气层以后，由于它的高速下落，而与空气发生剧烈摩擦，返回舱的表面温度达到1 000摄氏度。图1(1)进入大气层很长一段时间，返回舱加速下落，返回舱表面温度逐渐升高。该过程动能和势能怎么变化？机械能守恒吗？(2)返回舱表面温度越高，内能越大。该过程中什么能向什么能转化？机械能和内能的总量变化呢？答案(1)势能减少动能增加机械能不守恒(2)机械能转化为内能不变二、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，热和光被其他物质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。思维拓展图2情景1：如图2甲所示，煤炭和石油是常规能源。尽管我国的常规能源资源非常丰富，但由于人口众多，所以能源的需求量很大，能源的浪费很严重，将来会面临能源危机。情景2：如图2乙、丙所示，太阳能、风能、地热能、海洋能等是新能源，积极开发利用新能源是实现我国经济社会可持续发展的必然选择。(1)能量耗散与能量守恒是否矛盾，为什么？(2)能量是守恒的，为什么还要节约能源？答案(1)能量耗散和能量守恒并不矛盾，能量耗散并不是能量消失了，而是在能源利用的过程中，能量发生了转化，使能量的品质下降。但能量在数量上并没有减少。(2)能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用品质上降低了，从便于利用的能量变成不便于利用的能量了。这是能源危机更深层次的含义，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因。因此我们要节约能源，同时积极研究和开发利用新能源和可再生能源，如核能、太阳能、风能、海洋能、生物质能等。能量守恒定律的理解和应用要点归纳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)E增E减，能量的增加量等于能量的减少量。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)。精典示例例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其他能量，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，说明能量可以凭空产生解析永动机是不消耗或少消耗能量，可以大量对外做功的装置，违背能量守恒定律，A错误；能量不可能凭空消失，B错误；能量也不可能凭空产生，C正确，D错误。答案C方法总结运用能量守恒定律解题的基本思路针对训练1 某地平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的风叶转动时可形成半径为12 m的圆面。如果这个风车能将圆面内10%的气流动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？解析在t时间内作用于风车的气流质量mr2vt这些气流的动能为mv2转变成的电能Emv210%所以风车带动发电机的功率为Pr2v310%代入数据得P3 391.2 W。答案3 391.2 W摩擦生热及产生内能的有关计算要点归纳1.系统内一对静摩擦力即使对物体做功，但由于相对位移为零而没有内能产生，只有物体间机械能的转移。2.作用于系统的滑动摩擦力和物体间相对滑动的距离的乘积，在数值上等于滑动过程产生的内能。即QF滑x相对，其中F滑必须是滑动摩擦力，x相对必须是两个接触面的相对滑动距离(或相对位移)。精典示例例2 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，如图3所示。传送带足够长，当小木块与传送带相对静止时，求：图3(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)摩擦过程中产生的内能；(5)因传送小木块电动机多消耗的电能。解析(1)由牛顿第二定律：mgma，得ag由公式vat得t，小木块的位移x1t(2)传送带始终匀速运动，路程x2vt(3)小木块获得的动能Ekmv2(4)小木块在和传送带达到共同速度的过程中，相对传送带移动的距离x相对x2x1，产生的内能Qmgx相对mv2(5)根据能量守恒定律，因传送小木块电动机多消耗电能EQmv2mv2答案(1)(2)(3)mv2(4)mv2(5)mv2方法总结计算内能的两种方法：(1)由公式QF滑x相对进行计算。(2)由能量守恒定律产生的内能Q等于其他能量的减少量，即QE减。针对训练2 (多选)如图4所示，质量为M、长度为l的小车静止在光滑的水平面上。质量为m的小物块放在小车的最左端。现有一水平恒力F作用在小物块上，使物块从静止开始做匀加速直线运动，物块和小车之间的摩擦力为f。经过时间t，小车运动的位移为s，物块刚好滑到小车的最右端，下列说法正确的是()图4A.此时物块的动能为(Ff)(sl)B.这一过程中，物块对小车所做的功为f(sl)C.这一过程中，物块和小车增加的机械能为FsD.这一过程中，物块和小车产生的内能为f l解析根据动能定理得，(Ff)(sl)mv20，则物块的动能为Ek(Ff)(sl)，故A正确；这一过程中，物块对小车有压力和摩擦力，压力不做功，摩擦力所做的功为fs，故物块对小车所做的功为fs，故B错误；由功能关系得知，物块和小车增加的机械能为F(sl)f l，故C错误；系统产生的内能等于系统克服滑动摩擦力做功f l，故D正确。答案AD功能关系的理解和应用要点归纳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之间转化的过程。(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Ffx相对Q精典示例例3 如图5所示，某段滑雪雪道倾角为30，总质量为m(包括雪具在内)的滑雪运动员从距底端高为h处的雪道上由静止开始匀加速下滑，加速度为g。在他从上向下滑到底端的过程中，下列说法正确的是()图5A.运动员减少的重力势能全部转化为动能B.运动员获得的动能为mghC.运动员克服摩擦力做功为mghD.下滑过程中系统减少的机械能为mgh解析运动员的加速度为g，小于gsin 30，所以必受摩擦力的作用，且大小为mg，克服摩擦力做功为mgmgh，故C错误；摩擦力做功，机械能不守恒，减少的势能没有全部转化为动能，而是有mgh转化为内能，故A错误，D正确；由动能定理知，运动员获得的动能为mgmgh，故B错误。答案D针对训练3 (多选)如图6所示，质量为m的物体放在升降机的底板上。若升降机从静止开始以a的加速度竖直向下运动一段位移h。下列说法正确的是()图6A.物体所受的支持力为B.物体动能的增加量为mghC.物体重力势能的减少量为mghD.物体机械能的减少量为解析根据牛顿第二定律得：mgFNma，得物体所受的支持力为FNmgma，故A错误；合力做功为W合mahmgh，根据动能定理得，物体动能的增加量为EkW合mgh，故B错误；重力做功为mgh，则物体重力势能的减少量为mgh，故C正确；根据功能关系得知，物体机械能的减少量等于物体克服支持力做功，即为mgh，故D正确。答案CD1.下列关于能源开发和利用的说法中，正确的是()A.能源利用的过程是内能转化成机械能的过程B.能量是守恒的，因此不需要节约能源C.能源利用的过程是一种形式的能向另外一种形式的能转化的过程D.无论是节约能源还是开发能源，我国都要外国支援答案C2.(多选)下列关于能量守恒定律的认识正确的是()A.某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机械永动机不可能制成D.石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了解析根据能量守恒定律可知，能量既不会消灭，也不会创生。能量只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，A、B正确，D错误；永动机违背了能量守恒定律，故它不可能制造出来，C正确。答案ABC3.两块完全相同的木块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分别为QA、QB，设木块对子弹的摩擦力大小一定，则()A.vAvB，QAQB B.vAvB，QAQBC.vAvB，QAQB D.vAvB，QAQB解析设子弹的初速度为v0，质量为m，木块的厚度为d，穿透过程中子弹所受阻力大小为Ff，未固定的木块前进了x，根据动能定理：Ff dmvmv，Ff(dx)mvmv，比较以上两式得vAvB，两种情况下产生的热量相等，QAQBFf d，故D正确。答案D4.(多选)如图7所示，楔形木块abc固定在水平面上，粗糙斜面ab和光滑斜面bc与水平面的夹角相同，顶角b处安装一定滑轮。质量分别为M、m(Mm)的滑块，通过不可伸长的轻绳跨过定滑轮连接，轻绳与斜面平行。两滑块由静止释放后，沿斜面做匀加速运动。若不计滑轮的质量和摩擦，在两滑块沿斜面运动的过程中()图7A.两滑块组成系统的机械能守恒B.重力对M做的功等于M动能的增加C.轻绳对m做的功等于m机械能的增加D.两滑块组成系统的机械能损失等于M克服摩擦力做的功解析因为M克服摩擦力做功，所以系统机械能不守恒，A错误；由功能关系知系统减少的机械能等于M克服摩擦力做的功，D正确；对M，除重力外还有摩擦力和轻绳拉力对其做功，由动能定理知B错误；对m，有拉力和重力对其做功，由功能关系知C正确。答案CD基础过关1.关于能源的利用和节能，下列说法中正确的是()A.根据能量守恒定律，能源的利用率应该是100%B.由于能量既不会消灭，也不会创生，总是守恒的，所以节约能源的意义不大C.节约能源只要提高节能意识就行，与科学进步无关D.在能源的利用中，总会有一部分能源未被利用而损失掉解析能源的使用在任何情况下都不可能达到理想状态，即不可能做到没有任何损失，虽然遵从能量守恒定律，但它指的是损失部分和被利用部分总和与原来能源总量相等，选项A错误，选项D正确；根据能量转化的方向性可知，能量经转化后，可利用的能量只可能减少，不可能增加，因此节能的意义重大。同时，只有节能意识是不够的，必须利用科技提高能源的利用率，不断开发新能源，以满足人类社会可持续发展的需要，故选项B、C错误。答案D2.一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法中正确的是()A.物体机械能不变，内能不变B.物体机械能减少，内能不变C.物体机械能减少，内能增加，机械能与内能总量减少D.物体机械能减少，内能增加，机械能与内能总量不变答案D3.如图1是安装在列车车厢之间的摩擦缓冲器结构图。图中和为楔块，和为垫板，楔块与弹簧盒、垫板间均有摩擦。在车厢相互撞击使弹簧压缩的过程中()图1A.缓冲器的机械能守恒B.摩擦力做功消耗机械能C.垫板的动能全部转化为内能D.弹簧的弹性势能全部转化为动能解析在弹簧压缩过程中，摩擦力做功，缓冲器的机械能不守恒，故A项错误，B项正确；根据能量守恒可知，垫板的动能转化为弹簧的弹性势能以及克服摩擦力做功产生的内能，故C、D两项错误。答案B4.一质量均匀不可伸长的绳索，固定在A、B两端，重为G，A、B两端固定在天花板上，如图2所示。今在最低点C施加一竖直向下的力，将绳索缓慢拉至D点，在此过程中，绳索AB的重心位置将()图2A.升高 B.降低C.先降低后升高 D.始终不变解析物体的重心不一定在物体上，对于一些不规则的物体要确定重心是比较困难的，本题绳索的重心是不容易标出的。因此，要确定重心的变化，只有通过其他途径确定。当用力将绳索缓慢地从C点拉到D点，外力在不断地做功，而绳索的动能不增加，因此外力做功必定使绳索的重力势能增加，故绳索的重心将升高。答案A5.(多选)竖直向上的恒力F作用在质量为m的物体上，使物体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Ff。则下列表述正确的是()A.恒力F对物体做的功等于物体动能的增量，即Fhmv2B.恒力F对物体做的功等于物体机械能的增量，即Fhmv2mghC.恒力F与阻力Ff的合力对物体做的功等于物体机械能的增量，即(FFf)hmv2mghD.物体所受合力对物体做的功等于物体动能的增量，即(FFfmg)hmv2解析恒力F的作用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，因为有阻力的存在，还将有内能产生，其值为Ff h，可见Fhmv2，同时，Fhmv2mgh，Fhmghmv2Ff h，经变形后，可得C、D正确。答案CD6.如图3所示，光滑坡道顶端距水平面高度为h，质量为m的小物块A从坡道顶端由静止滑下，进入水平面上的滑道时无机械能损失，为使A制动，将轻弹簧的一端固定在水平滑道延长线M处的墙上，另一端恰位于坡道的底端O点。已知在OM段，小物块A与水平面间的动摩擦因数为，其余各处的摩擦不计，重力加速度为g。求：图3(1)小物块滑到O点时的速度；(2)轻弹簧在最大压缩量d时的弹性势能(设轻弹簧处于原长时弹性势能为零)。解析(1)由机械能守恒定律得mghmv2，解得v。(2)在水平滑道上小物块A克服摩擦力所做的功为Wmgd由能量守恒定律得mv2Epmgd以上各式联立得Epmghmgd。答案(1)(2)mghmgd能力提升7.如图4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，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()图4A.mgh B.mghC.mgh D.mgh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h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Qmghmgh，故A正确。答案A8. (多选)如图5所示，固定的倾斜光滑杆上套有一个质量为m的小球，小球与一轻质弹簧一端相连，弹簧的另一端固定在地面上的A点，已知杆与水平面之间的夹角45，当小球位于B点时，弹簧与杆垂直，此时弹簧处于原长。现让小球自C点由静止释放，在小球滑到杆底端的整个过程中，关于小球的动能、重力势能和弹簧的弹性势能，下列说法正确的是()图5A.小球的动能与重力势能之和保持不变B.小球的动能与重力势能之和先增大后减小C.小球的动能与弹簧的弹性势能之和保持不变D.小球的机械能与弹簧的弹性势能之和保持不变解析由题意知，小球、弹簧和地球组成的系统机械能守恒，D项正确；弹簧的形变量越大，弹性势能越大，小球到B点时，弹簧为原长，故小球由C滑到杆底端的过程中，弹簧的弹性势能先减小后增大，因此小球的机械能先增大后减小，A项错误，B项正确；整个过程中，小球的重力势能不断减小，故动能与弹性势能之和不断增大，C项错误。答案BD9.水平传送带以速度v匀速转动，一质量为m的小木块A由静止轻放在传送带上，若小木块与传送带间的动摩擦因数为，并且传送带足够长，如图6所示，在小木块与传送带相对静止时，转化为内能的能量为()图6A.mv2 B.2mv2C.mv2 D.mv2解析相对滑动时小木块的加速度ag，从放上至相对静止所用时间t。此过程中传送带对地的位移x1vt。木块对地位移为x2t。木块与传送带的相对位移为x，因而内能Ef xmgmv2，故D正确。答案D10.(多选)如图7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7A.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解析过程中重力势能增加了mgh，故A错误；加速度ag，摩擦力Ffmg，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，动能损失量为合力做的功的大小，所以EkF合2hmg2hmgh，故C正确；机械能的损失量为Ff xmg2hmgh，故D正确。答案CD11.一质量m0.6 kg的物体以v020 m/s的初速度从倾角30的斜坡底端沿斜坡向上运动。当物体向上滑到某一位置时，其动能减少了Ek18 J，机械能减少了E3 J。不计空气阻力，重力加速度g取10 m/s2，求：(1)物体向上运动时加速度的大小；(2)物体返回斜坡底端时的动能。解析(1)设物体运动过程中所受的摩擦力为Ff，向上运动的加速度的大小为a，由牛顿第二定律可知a设物体的动能减少Ek时，在斜坡上运动的距离为s，由功能关系可知Ek(mgsin Ff)s，EFf s联立上式，并代入数据可得a6 m/s2。(2)设物体沿斜坡向上运动的最大距离为sm，由运动学规律可得sm设物体返回斜坡底端时的动能为Ek，由动能定理得Ek(mgsin Ff)sm联立以上各式，并代入数据可得Ek80 J。答案(1)6 m/s2(2)80 J12.如图8所示，在光滑的水平面上，有一质量为M的长木块以一定的初速度向右匀速运动，将质量为m的小铁块无初速度地轻放到长木块右端，小铁块与长木块间的动摩擦因数为，当小铁块在长木块上相对长木块滑动L时与长木块保持相对静止，此时长木块对地的位移为l，求这个过程中：图8(1)系统产生的热量；(2)小铁块增加的动能；(3)长木块减少的动能；(4)系统机械能的减少量。解析画出这一过程两物体位移示意图，如图所示。(1)m、M间相对滑动的位移为L，根据能量守恒定律，有QmgL，即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量。(2)根据动能定理有mg(lL)mv20，其中(lL)为小铁块相对地面的位移，从上式可看出Ekmmg(lL)，说明摩擦力对小铁块做的正功等于小铁块动能的增加量。(3)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系，得EkMmgl，即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功mgl。(4)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功EmgL。答案(1)mgL(2)mg(lL)(3)mgl(4)mgL