高中物理第四章机械能和能源6能源的开发与利用课件-68张 68页

6.能源的开发与利用 一、能量守恒定律 【 思考 】 “ 神舟十号”飞船返回舱进入大气层很长时间 , 加速下落 , 返回舱表面温度升高。 问题 1: 返回舱的动能和势能如何变化 ? 提示 : 动能增加 , 势能减少 , 有内能产生。 问题 2: 机械能还守恒吗 ? 提示 : 不守恒。 1. 能量的相互转化 : 自然界任何形式的能量在转移和 _____ 的过程中 , 都要遵循具有普遍意义的能量守恒定 律。 转化 2. 定律内容 : 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 , 在转化或转移的过程中其 _____ 保 持不变。 转化 转移 总量 3. 物理意义 : (1) 能量守恒定律是自然界最 _____ 、最 _____ 、最可靠 的自然规律之一 , 是大自然普遍和谐性的一种表现形 式。 (2) 机械能守恒定律是普遍的 _____________ 的一种特 殊形式。 普遍 重要 能量守恒定律 二、能源分类和新能源开发 1. 能源 : 指能够提供某种形式能量的 _________ 。 物质资源 2. 能源利用 : (1) 时期 : 人类利用能源的历史时期有 _____ 、 _____ 、 _____ 时期等。 柴草 煤炭 石油 (2) 意义。 ①能源利用方式的改进极大地提高了 ___________ 。 ②新能源的利用引起人类社会经济 _____ 和 _________ 。 ③能源消耗的多少成为一个国家和地区经济发展水平 的重要 _____ 之一。 劳动生产率 飞跃 产业革命 标志 (3) 分类。 ①煤、石油和天然气为化石燃料 , 这些能源不可再生 , 也不可重复利用 , 所以又称为 _______ 能源。 ②新能源多为 _______ 能源。 非再生 可再生 3. 新能源 : 目前 , 正在开发的新能源有风能、海洋能、 _______ 、地热能、氢能、生物质能及 _________ 等。 太阳能 核聚变能 一　能量守恒定律的理解和应用 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 ) 。 【 思考 · 讨论 】 有人说 : 热传递的方向可以从低温物体向高温物体。讨论该说法是否正确 ? ( 科学思维 ) 提示 : 该说法不严密、不全面 , 正确的应是 : 热传递中 , 内能不能自动地从低温物体向高温物体转移。 【 典例示范 】 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 ① ，若 小木块与传送 带之间的动摩擦因数为 μ ② ，如图所示。传送带足够 长， 当小木块与传送带相对静止时 ③ ，求：世纪金榜 导学号 (1) 小木块的位移和传送带转过的路程。 (2) 小木块获得的动能。 (3) 摩擦过程中产生的内能 ④ 。 (4) 因传送小木块电动机多消耗的电能。 【 审题关键 】 序号 信息提取 ① 小木块的初速度为零 ② 滑动摩擦力是小木块运动的动力 ③ 小木块的末速度为 v ④ 摩擦生热的计算公式 Q=F f ·x 相对 【 解析 】 (1) 由牛顿第二定律 :μmg=ma, 得 a=μg, 由公式 v=at 得 小木块的位移 传送带始终匀速运动 , 路程 x 2 =vt= (2) 小木块获得的动能 E k = (3) 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 =x 2 -x 1 = 产生的内能 Q=μmg · x 相对 = mv 2 (4) 根据能量守恒定律 , 因传送小木块电动机多消耗电 能 ΔE=Q+ mv 2 =mv 2 答案 : (1) (2) mv 2 　 (3) mv 2 　 (4)mv 2 【 定向训练 】 1. 关于能量守恒定律 , 下列说法中错误的是 ( 　　 ) A. 能量能从一种形式转化为另一种形式 , 但不能从一个物体转移到另一个物体 B. 能量的形式多种多样 , 它们之间可以相互转化 C. 一个物体能量增加了 , 必然伴随着别的物体能量减少 D. 能量守恒定律表明了能量既不会创生 , 也不会消失 【 解析 】 选 A 。能量可以在不同物体之间转移 , 也可以转化 , 但能量的总量保持不变。本题选 A 。 2.( 多选 )(2015· 江苏高考 ) 如图所示 , 轻质弹簧一端固 定 , 另一端与一质量为 m 、套在粗糙竖直固定杆 A 处的圆 环相连 , 弹簧水平且处于原长。圆环从 A 处由静止开始 下滑 , 经过 B 处的速度最大 , 到达 C 处的速度为零 ,AC=h 。 圆环在 C 处获得一竖直向上的速度 v, 恰好能回到 A 。 弹簧始终在弹性限度内 , 重力加速度为 g 。则圆环 A. 下滑过程中 , 加速度一直减小 B. 下滑过程中 , 克服摩擦力做的功为 mv 2 C. 在 C 处 , 弹簧的弹性势能为 mv 2 -mgh D. 上滑经过 B 的速度大于下滑经过 B 的速度 【 解析 】 选 B 、 D 。圆环受到重力、弹力、阻力、支持 力 , 圆环的运动是先做加速度减小的加速运动 , 再做加 速度增大的减速运动 , 最后静止 ,A 项错误 ;A 到 C 过程 , 根 据能量守恒定律有 mgh-W f =E p (W f 为阻力做功 ,E p 为弹性 势能 ),C 到 A 过程 , mv 2 +E p =mgh+W f , 联立解得 W f = mv 2 , B 项正确 ; 在 C 处 , 弹簧的弹性势能为 mgh- mv 2 ,C 项错 误 ;A 到 B 过程 ,mgh 1 -W f1 = +ΔE p1 ,C 到 B 过程 , mv 2 + ΔE p2 = +mgh 2 +W f2 , 比较得 v B2 >v B1 ,D 项正确。 【 补偿训练 】 　　 1.( 多选 ) 在最近几年的家电市场上出现一个新 宠 ——“ 变频空调” , 据专家介绍变频空调比定频的要 节能 , 因为定频空调开机时就等同于汽车起动时 , 很耗 能 , 是正常运行的 5 至 7 倍。空调在工作时达到设定温度 就停机 , 等温度高了再继续起动。这样会频繁起动 , 耗电多 , 而变频空调起动时有一个由低到高的过程 , 而运行过程是自动变速来保持室内温度 , 从开机到关机中间不停机。而是达到设定温度后就降到最小功率运行 , 所以比较省电。阅读上述介绍后 , 探究以下说法中合理的是 ( 　　 ) A. 变频空调节能 , 运行中不遵守能量守恒定律 B. 变频空调运行中做功少 , 转化能量多 C. 变频空调在同样工作条件下运行效率高 , 省电 D. 变频空调与定频空调做同样多的功时 , 消耗同样电能 【 解析 】 选 C 、 D 。自然界的一切过程都遵守能量守恒定律 ,A 错。功是能量转化的量度 , 做同样多的功 , 消耗同样电能 ,B 错、 D 对。由变频空调的工作特点可知省电的原理是效率高 ,C 对。 2. 某地平均风速为 5 m/s, 已知空气密度是 1.2 kg/m 3 , 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 m=πr 2 v·tρ 这些气流的动能为 转变成的电能 所以风车带动发电机的功率为 代入数据得 P=3.4 kW 答案 : 3.4 kW 二　功能关系的理解和应用 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 功 能量转化 关系式 两物体间滑动摩擦力对物体系统做功 内能的改变 f·x 相对 =Q 【 典例示范 】 (2018· 全国卷 Ⅰ) 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 【 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= 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 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 。 【 定向训练 】 1.(2019· 广元高一检测 ) 如图 1 为某体校的铅球训练装 置 , 图 2 是示意图。假设运动员以 6 m/s 速度将铅球从倾 角为 30° 的轨道底端推出 , 当铅球向上滑到某一位置时 , 其动能减少了 72 J, 机械能减少了 12 J, 已知铅球 ( 包括 其中的上挂设备 ) 质量为 12 kg, 滑动过程中阻力大小恒定 , 则下列判断正确的是 ( 　　 ) A. 铅球上滑过程中减少的动能全部转化为重力势能 B. 铅球向上运动的加速度大小为 4 m/s 2 C. 铅球返回底端时的动能为 144 J D. 运动员每推一次消耗的能量至少为 60 J 【 解析 】 选 C 。铅球从开始到经过斜轨道上某一点时 , 受重力、支持力和阻力 , 根据动能定理 , 有 :-mg· l sin30°-f· l =E k -E k0 =-72 J, 机械能的减小量等于克服 摩擦力做的功 :f· l =ΔE=12 J, 联立可解得 : l =1 m, f=12 N, 根据牛顿第二定律可得 :-mg·sin30°-f=ma, 解得 :a=-6 m/s 2 , 故 B 错误 ; 当该物体经过斜轨道上某一 点时 , 动能减少了 72 J, 机械能减少了 12 J, 所以当物体 到达最高点时动能减少了 216 J, 机械能减少了 36 J, 所 以物体上升过程中克服摩擦力做功是 36 J, 全过程摩擦 力做功为 :W=-72 J, 从出发到返回底端 , 重力不做功 , 设 回到出发点的动能为 E k ′, 由动能定理可得 :W=E k ′-E k0 , 解得 :E k ′=144 J, 故 C 正确 ; 铅球上滑过程中减少的动能全部转化为重力势能和内能 , 故 A 错误 ; 根据能量守恒可知运动员每推一次消耗的能量至少为 216 J, 故 D 错误。所以 C 正确 ,A 、 B 、 D 错误。 2.( 全国卷 Ⅲ) 如图 , 一质量为 m, 长度为 l 的均匀 柔软细绳 PQ 竖直悬挂。用外力将绳的下端 Q 缓慢地竖直 向上拉起至 M 点 ,M 点与绳的上端 P 相距 重力加速度 大小为 g 。在此过程中 , 外力做的功为 ( 　　 ) 【 解析 】 选 A 。把 Q 点提到 M 点的过程中 ,PM 段软绳的机 械能不变 ,MQ 段软绳的机械能的增量为 ΔE= 由功能关系可知 : 在此过程中 , 外力 做的功为 W= 故 A 正确 ,B 、 C 、 D 错误。 【 补偿训练 】 　　 1. 如图所示 , 滑块静止于光滑水平面上 , 与之相连的轻质弹簧处于自然伸直状态。现用恒定的水平外力 F 作用于弹簧右端 , 在向右移动一段距离的过程中 , 拉力 F 做了 10 J 的功。上述过程中 ( 　　 ) A. 弹簧的弹性势能增加了 10 J B. 滑块的动能增加了 10 J C. 滑块和弹簧组成的系统机械能增加了 10 J D. 滑块和弹簧组成的系统机械能守恒 【 解析 】 选 C 。拉力 F 做功既增加了弹簧的弹性势能 , 还增加了滑块的动能 ,A 、 B 错 ; 系统增加的机械能等于拉力 F 做的功 ,C 对 ,D 错。 2.( 多选 ) 某直升机在执行救助任务。直升机通过绳索用恒力 F 竖直向上拉起救助官兵和被困人员 , 示意图如图所示 , 使其由水面开始加速上升到某一高度 , 若考虑空气阻力而不考虑空气浮力 , 则在此过程中 , 以下说法正确的有 ( 　　 ) A. 力 F 和阻力的合力所做的功等于两人机械能的增量 B. 两人克服重力所做的功等于两人重力势能的增量 C. 力 F 、重力、阻力三者合力所做的功等于两人动能的增量 D. 力 F 所做功减去克服阻力所做的功等于两人重力势能的增量 【 解析 】 选 A 、 B 、 C 。根据除重力外其他力做的功等于物体机械能的增量 , 选项 A 正确 ,D 错误 ; 根据重力做功与重力势能的关系 , 选项 B 正确 ; 根据动能定理 , 选项 C 正确。 【 拓展例题 】 考查内容 : 能量守恒定律在实际中的应用 【 典例 】 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 ) 【 解析 】 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 整理得 : 代入数据得 : 答案 : 300 m 3 【 课堂回眸 】