高中物理第四章机械能和能源6能量的转化与守恒课件粤教版必修2 72页

第六节　 能量的转化与守恒 一、能量的多样性及相互转化 1. 能量的多样性 : 自然界中能量的形式多种多样 , 例如 , 机械能、 _____ 、电能、电磁能、 _____ 、化学能等。 2. 能量间的转化 : 不同形式的能量可以 _________, 我们 所消耗的能量 , 大部分是 _______ 辐射到地球后转化而 来的。 内能 核能 相互转化 太阳能 二、能量转化与守恒定律 1. 建立能量守恒定律的两个重要事实 : (1) 确认了永动机的 __(A. 可能　 B. 不可能 ) 性。 (2) 发现了各种自然现象之间能量的 _________ 与 _____ 。 B 相互联系 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 _____ 为另一种形式 , 或者从一个物体 _____ 到另一个物体 , 在 _____ 或 _____ 的过程中 , 其总量 _____ _____ 。 转化 转移 转化 转移 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 _____ 、最 _____ 、最 _____ 的自然规 律之一 , 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。 基本 普遍 重要 三、能量转化和转移的方向性 化学能通过燃烧转化为内能 , 但是内能不会 _____ 地重 新转化为化学能 ; 热水中的内能通过热传递可以 _____ 地转移到冷水中去 , 但是内能不能 _____ 地再从冷水 传递给原来的热水 ; 能量在利用过程中总存在一定的 _____, 不可能 100% 被利用。 自发 自发 自发 损失 一　能量守恒定律的理解和应用 【 典例 】 如图所示 , 滑块从 A 点由静止开始沿曲面下滑 , 过 O 点后滑上右边曲面 B 点时的速度恰好等于零 ,A 、 B 间高度差为 Δh,O 点附近光滑 , 滑块经过 O 点不发生碰撞 , 如滑块从 B 点以某一速度 v 沿原 路径往回滑 , 到达 A 点时的速度也恰好为零 , 设往返过程中产生的内能相等 , 求 A 、 B 两点间的高度差。 【 解题探究 】 试分析滑块由 A 到 B 和由 B 到 A 两个过程中的能量转化问题。 提示 : 由 A 到 B: 重力势能减少 , 内能增加。 由 B 到 A: 动能减少 , 重力势能增加 , 内能增加。 【 解析 】 滑块从 A 到 B 减少的重力势能全部转化为内能 , 而滑块从 B 到 A, 其动能一部分转化为重力势能 , 一部分 转化为内能 , 且由 A 到 B 和由 B 到 A 克服摩擦力做功相同 , 转化成的内能相等。 从 A 到 B, 由能量转化与守恒定律得 Q=mgΔh 。 从 B 到 A, 由能量转化与守恒定律得 mv 2 =mgΔh+Q 。 联立解得 :Δh= 。 答案 : 【 核心归纳 】 能量守恒定律的适用范围及应用步骤 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 , 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 ) 。 【 特别提醒 】 (1) 能量守恒定律是最基本、最普遍、最重要的自然规律之一 , 任何形式的能量之间都可以转化 , 但转化过程并不减少它们的总量。 (2) 分析物理过程、求解实际问题时 , 对减少的某种能量 , 要追踪它的去向 ; 对增加的能量 , 要能查寻它的来源。可以按照“总的减少量 = 总的增加量”列出数学方程。 【 过关训练 】 1. 如图所示 , 一小孩从公园中粗糙的滑梯上自由加速滑下 , 其能量的变化情况是 ( 　　 ) A. 重力势能减小 , 动能不变 , 机械能减小 , 总能量减小 B. 重力势能减小 , 动能增加 , 机械能减小 , 总能量不变 C. 重力势能减小 , 动能增加 , 机械能增加 , 总能量增加 D. 重力势能减小 , 动能增加 , 机械能守恒 , 总能量不变 【 解析 】 选 B 。由能量守恒定律可知 , 小孩在下滑过程中总能量守恒 , 故 A 、 C 均错 ; 由于摩擦力要做负功 , 机械能不守恒 , 故 D 错 ; 下滑过程中重力势能向动能和内能转化 , 故 B 正确。 2. 飞船返回时高速进入大气层后 , 受到空气阻力的作用 , 接近地面时 , 减速伞打开 , 在距地面几米处 , 制动发动机点火制动 , 飞船迅速减速 , 安全着陆。下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 制动发动机点火制动后 , 飞船的重力势能减少 , 动能减小 B. 制动发动机工作时 , 由于化学能转化为机械能 , 飞船的机械能增加 C. 重力始终对飞船做正功 , 使飞船的机械能增加 D. 重力对飞船做正功 , 阻力对飞船做负功 , 飞船的机械能不变 【 解析 】 选 A 。制动发动机点火制动后 , 飞船迅速减速下落 , 动能、重力势能均减小 , 机械能减少 ,A 正确 ,B 错误 ; 飞船进入大气层后 , 空气阻力做负功 , 机械能一定减少 , 故 C 、 D 均错误。 【 补偿训练 】 　　 ( 多选 ) 从离地面某一高度由静止释放的乒乓球 , 落地后又立即反弹到较低一点的高度 , 然后又再次下落。反复数次便停在地面上。对于整个过程中能量转化说法正确的是 ( 　　 ) A. 小球的重力势能减少 , 但动能未增加 , 可见能量不守恒 B. 小球的重力势能减少 , 动能未变 , 可知小球机械能减少 C. 由于克服空气阻力做功 , 小球的机械能一直不断减少 D. 小球减少的机械能转化成内能 【 解析 】 选 B 、 C 、 D 。小球下落和反弹上升过程中 , 都要克服空气阻力做功 , 所以小球机械能减少 , 减少的机械能转化成内能 , 但总能量是守恒的 , 故 A 错误 ,B 、 C 、 D 正确。 二　功能关系的理解及应用 【 典例 】 如图 ,abc 是竖直面内的光 滑固定轨道 ,ab 水平 , 长度为 2R;bc 是半径为 R 的四分之 一圆弧 , 与 ab 相切于 b 点。一质量为 m 的小球 , 始终受到 与重力大小相等的水平外力的作用 , 自 a 点处从静止开 始向右运动。重力加速度大小为 g 。小球从 a 点开始运 动到其轨迹最高点 , 机械能的增量为 ( 　　 ) A.2mgR 　　 B.4mgR 　　 C.5mgR 　　 D.6mgR 【 解题探究 】 (1) 物体动能的增量等于什么力做的功 ? 提示 : 合外力做的功等于物体动能的增量。 (2) 物体机械能的增量等于什么力做的功 ? 提示 : 除重力系统内弹力外其他力做的功等于物体机械能的增量。 【 解析 】 选 C 。设小球运动到 c 点的速 度大小为 v c , 小球由 a 到 c 的过程 , 由动 能定理得 :F · 3R-mgR= m , 又 F= mg, 解得 : =4gR 。小球离开 c 点后 , 在水平方向做初 速度为零的匀加速直线运动 , 竖直方向在重力作用下做 匀减速直线运动 , 整个过程运动轨迹如图所示 , 由牛顿 第二定律可知 , 小球离开 c 点后水平方向和竖直方向的 加速度大小均为 g, 则由竖直方向的运动可知 , 小球从离 开 c 点到其轨迹最高点所需的时间 t= , 小球在水平方 向的位移为 x= gt 2 , 解得 x=2R 。小球从 a 点开始运动 到其轨迹最高点的过程中 , 水平方向的位移大小为 x+3R =5R, 则小球机械能的增加量 ΔE=F · 5R=5mgR 。 【 核心归纳 】 功能关系的理解 (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 , 具体功能关系如表 : 功 能量转化 关系式 重力做功 重力势能的改变 W G =-ΔE p 弹力做功 弹性势能的改变 W F =-ΔE p 合外力做功 动能的改变 W 合 =ΔE k 除重力、系统内弹力以外的其他力做功 机械能的改变 W=ΔE 机 两物体间滑动摩擦力对物体系统做功 内能的改变 F f ·x 相对 =Q (3) 应用功能关系解题的基本步骤。 ①明确研究对象。 ②分析物体的运动过程并画图展示。 ③分析力对研究对象的做功情况和能量转化形式。 ④根据动能定理或能量守恒定律列方程求解。 【 过关训练 】 1. 在游乐场有滑沙游乐项目 , 某游客在斜坡上下滑了一段距离 , 重力对他做功为 2 000 J, 他克服阻力做功 100 J 。则该运动员的 ( 　　 ) A. 机械能减少了 100 J 　　　 B. 动能增加了 2 100 J C. 重力势能减少了 1 900 J D. 重力势能增加了 2 000 J 【 解析 】 选 A 。重力做功 , 重力势能减少了 2 000 J,C 、 D 错误 ; 克服阻力做功 , 机械能减少 100 J,A 正确 ; 总功等于动能的增加 , 且阻力做负功 , 由动能定理有 W G +W f =ΔE k , 则 ΔE k =W 合 =1 900 J, 故 B 错误。 2. 运动员跳伞将经历加速下降和减速下降两个过程 , 将人和伞看成一个系统 , 在这两个过程中 , 下列说法正确的是 ( 　　 ) A. 阻力对系统始终做负功 B. 系统受到的合外力始终向下 C. 加速下降时 , 重力做功大于系统重力势能的减小量 D. 任意相等的时间内重力做的功相等 【 解析 】 选 A 。下降过程中 , 阻力始终与运动方向相反 , 做负功 ,A 对 ; 加速下降时合力向下 , 减速下降时合力向上 ,B 错 ; 下降时重力做的功等于重力势能的减少量 ,C 错 ; 由于任意相等的时间内下落的位移不等 , 所以 , 任意相等时间内重力做的功不等 ,D 错。 【 补偿训练 】 　　 ( 多选 ) 如图所示 , 一固定斜面倾角为 30°, 一质量为 m 的小物块自斜面底端以一定的初速度沿斜面向上做匀减速运动 , 加速度大小等于重力加速度的大小 g 。物块上升的最大高度为 H, 则此过程中 , 物块的 ( 　　 ) A. 动能损失了 2mgH 　　 B. 动能损失了 mgH C. 机械能损失了 mgH D. 机械能损失了 mgH 【 解析 】 选 A 、 C 。由于 mgsin30°+F f =mg, 故 F f = mg, 由动能定理 -mgH-F f ·2H=ΔE k 知 , 动能变化量 ΔE k = -2mgH, 即动能减少了 2mgH,A 对 ,B 错 ; 机械能的变化量 ΔE=-F f ·2H=-mgH,C 对 ,D 错。 三　对能量转化和转移方向性的理解 【 典例 】 ( 多选 ) 下列关于能量转化的说法中正确的是 ( 　　 ) A. 机械能可以转化为内能 , 但内能不能转化为机械能 B. 机械能可以转化为内能 , 内能也能转化为机械能 C. 机械能不能转化为内能 , 但内能可以转化为机械能 D. 机械能可以全部转化为内能 , 但内能不能全部转化为机械能 , 同时不引起其他变化 【 解析 】 选 B 、 D 。由能量守恒定律可知 , 各种形式的能量之间都可以相互转化 , 但是在内能转化为机械能的过程中 , 由于内能的耗散 , 内能在没有外界帮助的情况下不能完全转化为机械能 , 故选项 B 、 D 正确。 【 核心归纳 】 关于能量转化“方向性”和“自发性”的理解 : 1. 关于方向性的理解 : (1) 机械能与内能转化的方向性。 机械能可以全部转化为内能 , 但内能不可能自动地、并不引起任何变化地全部转化为机械能。机械能转化为内能不需要专门的装置 , 而内能要转化为机械能必须通过热机才能实现。 (2) 热传递的方向性。 ①在热传递过程中 , 热量可以自发地从高温物体向低温物体转移 , 但不能自发地从低温物体向高温物体转移。自然界中能量的转化和转移具有方向性。 ② 热量可以自动地从高温物体传递给低温物体 , 但不能自动地从低温物体传递给高温物体 ; 热量要从低温物体传到高温物体 , 必须要通过做功的方式来进行 , 如电冰箱、空调制冷等。散失到周围环境中的内能不能回收再重新利用。 2. 对于“自发”的理解 : (1)“ 自发”是指不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响 , 也就是指没有任何外界的影响或帮助。热量会从高温物体传向低温物体 , 这就是“自发”的方向。 (2) 机械能可以全部转化为内能 , 这个过程是“自发”的方向 , 但相反的过程不可能自发地进行而不引起任何变化。 【 过关训练 】 1. 下列哪些物理过程是可逆的 ( 　　 ) A. 在一绝热容器内盛有液体 , 通过不停地搅动使液体的温度升高 B. 在一个传热的容器内盛有液体 , 容器放在一恒温的大水池内 , 不停地搅动液体 , 但液体的温度不变 C. 用一根不可伸长的细轻绳悬挂一个小球 , 上端固定 , 把小球拉离平衡位置由静止释放 ( 不计阻力 ), 小球会摆动 D. 在一绝热容器内 , 不同温度的气体进行混合 【 解析 】 选 C 。在 A 、 B 、 D 所述的三个过程中 , 都涉及了热现象 , 即 A 中是通过做功使机械能转化为内能 ,B 中是通过做功使机械能转化为内能及“热传导” ,D 中是“热传导” , 所有过程都不可逆 , 对于 C 中的过程 , 只涉及动能与势能的转化 , 不涉及热现象 , 此过程是可逆的。 2. 下列说法中错误的是 ( 　　 ) A. 内能只能自发地从高温物体传给低温物体而不能自发地从低温物体传给高温物体 B. 内能不能转化为动能 C. 内能不能自发地转化为动能 D. 自然界中涉及热现象的宏观过程都有方向性 【 解析 】 选 B 。内能可以转化为动能 , 热机就是这种情况 , 但不能自发地转化 , 故选项 B 错误 ; 由能量转化和转移的方向性可知 , 选项 A 、 C 正确 ; 根据开尔文研究的热力学定律可知 , 选项 D 正确。 【 补偿训练 】 　　下列过程中 , 可能实现的是 ( 　　 ) A. 水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能 B. 利用不同深度的海水温度不同制造一种机器 , 把海水的内能转化为机械能 C. 粗糙水平面上运动的物体 , 它的动能转化为内能 , 使物体温度升高 D. 静止在光滑水平面上的物体 , 温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能 , 使物体运动起来 【 解析 】 选 B 、 C 。根据能量转化和转移的方向性可知 , 物体温度下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能 , 也不能使静止在光滑水平面上的物体运动起来 , 因此选项 A 、 D 是错误的 , 而选项 B 、 C 都是可实现的过程。 【 拓展例题 】 考查内容 : 能量守恒定律在实际中的应用 【 典例示范 】 一水电站 , 水流的落差为 20 m, 水流冲击 水轮发电机后 , 水流的能有 20% 转化为电能 , 若发电机的 功率为 200 kW, 则每分钟的水流量是多少 ?(g 取 10 m/s 2 ) 【 正确解答 】 设 1 分钟水的流量为 Q, 则在 1 分钟内流水的质量 m=Qρ 在 1 分钟内流水减少的重力势能 ΔE p =mgh=Qρgh 由题意可知 : 发电机的功率 P= 整理得 :Q= , 代入数据得 : Q= m 3 =300 m 3 。 答案 : 300 m 3 物理模型构建 —— 板块模型 1. 建模背景 : 木板和物块组成的相互作用的系统称为板块模型。该模型常涉及静摩擦力等静力学、牛顿运动定律、运动学规律等知识 , 还涉及动能定理和能量的转化和守恒等方面的知识。 2. 模型特点 : (1) 系统中的两个组成物体会发生相对运动。 (2) 一般是多个物体的多个过程问题。 (3) 往往涉及摩擦力做功 , 动能、内能变化问题。 (4) 处理问题时常用到整体法与隔离法。 【 案例示范 】 如图所示 , 在光滑水平地面上放置质量 M=2 kg 的长木板 , 木板上表面与固定的光滑弧面相切。一质量 m=1 kg 的小滑块自弧面上高 h 处由静止自由滑下 , 在木板上滑行 t=1 s 后 , 滑块和木板以共同速度 v=1 m/s 匀速运动 ,g 取 10 m/s 2 。求 : (1) 滑块与木板间的摩擦力大小 F f 。 (2) 滑块下滑的高度 h 。 (3) 滑块与木板相对滑动过程中产生的热量 Q 。 【 解析 】 (1) 对木板 :F f =Ma 1 , 由运动学公式有 v=a 1 t, 解得 F f =2 N 。 (2) 对滑块 :-F f =ma 2 , 设滑块滑上木板时的速度是 v 0 , 则 v-v 0 =a 2 t, 可得 v 0 =3 m/s 。 由机械能守恒定律有 mgh= h= m=0.45 m 。 (3) 根据功能关系有 Q= = ×1×3 2 J- ×(1+2)×1 2 J =3 J 。 答案 : (1)2 N 　 (2)0.45 m 　 (3)3 J 【 补偿训练 】 　　 ( 多选 ) 如图所示 , 质量为 M 的木块放在光滑的水平面上 , 质量为 m 的子弹以速度 v 0 水平射中木块 , 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 L, 子弹进入木块的深度为 s 。若木块对子弹的阻力 F f 视为恒定 , 则在此过程中产生的热量 ( 　　 ) A.Q=F f (L+s) B.Q= C.Q=F f s D.Q= 【 解析 】 选 C 、 D 。对木块 :F f L= Mv 2 对子弹 :-F f (L+s)= mv 2 - 联立可得 ,F f s= - (M+m)v 2 依据能量转化和守恒定律 ,Q= - (M+m)v 2 产生的热量 Q=F f s, 故 C 、 D 正确。