46《能量能量轉(zhuǎn)化與守恒定律》學案(粵教版必修2)

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1、方法點撥 自然界中存在不同 形式的能，不同形式的能 可以相互轉(zhuǎn)化. 有外力做功將引起 物體運動狀態(tài)變化. 物體由于運動而具 有的能是動能. 物體由于被舉高而 具有的能為重力勢能. 物體由于發(fā)生彈 性形變而具有的能為 彈性勢能. 小球在上升和下 落過程中，阻力總是 做負功，將機械能全 部轉(zhuǎn)化為熱能而最終 耗散. 全析提示 仔細分析比較課 本 74 頁的表格，認識 和理解各種形式的能 量與哪些“運動”形 式相關(guān). 能量在自然界中 無處不在，請找一找 身邊的事物，說明它 們的能量形式. 能量的轉(zhuǎn)化過 程，就是做功的過程. 答案不唯一，注 意抓住哪種運動形式 對應(yīng)哪種能量. 思維

2、拓展 （1）該定律是貫穿 ［教材習題研討］ 1. 翠鳥消耗自身的化學能轉(zhuǎn)化為動能，動能轉(zhuǎn)化為葦稈和水的振動能量，葦 稈和水振動過程中動能和勢能又互相轉(zhuǎn)化. 2. B D 3.（1）動能. （2）彈性勢能. （3）重力勢能. （4）動能和重力勢能. （5）動能. （6）彈性勢能. 4.以小球為研究對象，運動過程受重力和空氣阻力以地面為零勢面.初始狀態(tài) 小球有重力勢能Ep=mgh,運動過程克服空氣阻力做功，重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能f?s. 由能量守恒定律得 mgh=f ? s 則小球所通過的路程s=泌. f ［教材優(yōu)化全析］ 各種各樣的能量 一、 對能量概念的初步認

3、識 能量簡稱為能.一個物體能夠?qū)ν庾龉Γ覀兙驼f這個物體具有能量. 二、 能量形式的多樣性 物質(zhì)的運動形式是多種多樣的，物質(zhì)的每一種運動形式都對應(yīng)著 一種形式的能量 .與物體的機械運動對應(yīng)的能量稱機械能 .與物體內(nèi)大 量分子熱運動及分子間相互作用勢能對應(yīng)的能量稱內(nèi)能，與電磁運動 對應(yīng)的能量稱電磁能，與物質(zhì)的化學運動對應(yīng)的能量稱化學能. 討論與交流 1. 汽艇在海上行駛具有動能. 2. 用電照明，具有光能. 3. 篝火具有熱能. 4. 原子彈爆炸，具有核能. 能量之間的相互轉(zhuǎn)化 自然界中，能的表現(xiàn)形式是多種多樣的，除了機械能外，還有內(nèi) 能、電能、光能、化學能等，這些能量間可以

4、相互轉(zhuǎn)化，但總的能量 不變，即遵守能的轉(zhuǎn)化和守恒定律. 討論與交流 l.A.電動機B.發(fā)電機 水從高處流下，水的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，推動水輪機轉(zhuǎn)動，使 水輪機帶動發(fā)電機；動能轉(zhuǎn)化成電能，發(fā)電機帶動電動機轉(zhuǎn)動，使電 能轉(zhuǎn)化為機械能. 能量守恒定律 一、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律 1.定律的內(nèi)容 能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形 式，或從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程中總能量守恒.功是能 量轉(zhuǎn)化的量度. 2.定律的表達式 EfE終；△ E嚴E減 某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加，且減少量一定和增加量相 等. 某個物體的能量減少，一

5、定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一 定相等. 3.用能量守恒解題的基本步驟 （1）分清有多少種形式的能（如機械能、熱能、電能等）在變化. （2） 分別列出減少的能弧E減和增加的能業(yè)E增的表達式. （3） 列式求解. 能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性 熱傳導的方向性：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物 體傳給低溫物體，結(jié)果使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高. 也可以這樣說，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，但熱 量卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體.要將熱量從低溫物體傳向高 溫物體，必須有外界的影響或幫助，就是要有外界對其做功才能完成 電冰箱就是一例. 整個

6、物理學的基本規(guī)律 之一，是學習物理學的一 條主線. （2）要分清系統(tǒng) 中有多少種形式的 能，發(fā)生了哪些轉(zhuǎn)化 和轉(zhuǎn)移. 全析提示 這也是我們列能 量守恒表達式時的兩 條基本思路. 思維拓展 “自發(fā)地”過程就 是不受外來干擾進行 的自然過程. 在整個自然界中， 無論是有生命的還是 無生命的，所有的宏 觀自發(fā)過程都具有單 向性，都有一定的方 向性，都是一種不可 逆過程，如河水向低 處流、重物向下落. ［學習目標導航］ 1. 知道自然界中存在各種不同形式的能量. 2. 了解各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化. 3. 明確能量轉(zhuǎn)化過程中總的能量守恒. 4. 會分析具體實例中能量的轉(zhuǎn)化.

7、 ［自主學習互動］ 1.舉例說明你所知道的能量形式. 答案：機械能（動能、勢能）、電能、內(nèi)能、化學能等. 學習提示 通過本節(jié)課的學 習，學會用能量守恒 的觀點去分析和解決 問題，也是本節(jié)的難 點.重點是知道各種不 同形式的能可以相互 轉(zhuǎn)化，但總能量守恒. 知識鏈接 能量轉(zhuǎn)化與守恒 定律是自然界中普遍 第六節(jié) 能量 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 適用的規(guī)律，了解功 和能的關(guān)系、能量的 各種形式對理解能量 轉(zhuǎn)化守恒定律有很大 幫助.機械能守恒定律 是能量轉(zhuǎn)化與守恒的 一個具體應(yīng)用. 2. 在只有 情形下， 和 相互轉(zhuǎn)化，而總的機械能不 變，叫機械能守恒定律. 答案：重力做功 動能 重力勢

8、能 3. 一個物體能夠 ，我們就說物體具有能量，能是表示 的物 理量. 答案：對外做功 物體做功本領(lǐng)大小 ?規(guī)律總結(jié) 能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界的最基本規(guī)律之一，被稱為19 世紀自然科學 三大成就之一.與其他都有一個固定的數(shù)學公式相對應(yīng)的物理定律、定理不同， 能量轉(zhuǎn)化和守恒定律并沒有固定的公式，它需要我們深刻領(lǐng)會、牢固樹立能量轉(zhuǎn) 化和守恒的思想，根據(jù)不同的情形列出不同的方程. 第六節(jié) 能量 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 ?合作討論 請你說說自己一天的生活工作學習中會與哪些能量及其轉(zhuǎn)換有關(guān)？ 我的思路:不僅僅是機械能，還會有內(nèi)能、化學能等其他形式的能.人的運動 吃飯、學習甚至睡覺休息時都有能

9、量轉(zhuǎn)化. ?思維過程 與前面學習的機械能守恒受條件限制不同，能量的轉(zhuǎn)化和守恒是無條件的 . 能量守恒定律是最基本、最普遍、最重要的自然規(guī)律之一 .任何形式的能量相互 之間都可以轉(zhuǎn)化，但轉(zhuǎn)化過程并不減少它們的總量. 我們在分析物理過程、求解實際問題時，對減少的某種能量，要能追蹤它的 去向；對增加的能量，要能查尋它的來源 .可以按照“總的減少量等于總的增加 量”列出數(shù)學方程. 能源利用實際就是不同形式能量間的轉(zhuǎn)換，把不便于人們利用的能量形式轉(zhuǎn) 變成便于利用的形式.(比如把水的機械能轉(zhuǎn)變成電能) 【例1】一質(zhì)量為2 kg的物塊從離地80 m高處自由落下，測得落地速度為 30 m/s，求下落過

10、程中產(chǎn)生的內(nèi)能.(g=10 m/s2) 思路:下落過程中減少的機械能變成了內(nèi)能. 解析:根據(jù)能量守恒，產(chǎn)生的內(nèi)能為： E=mgh— - mv2=(2 X 10X80- — X2X 302) J=700 J. 22 【例2】如圖4—28, 一固定的楔形木塊，其斜面的傾角為=30°，另一邊 與地面垂直，頂上有一定滑輪，一柔軟的細線跨過定滑輪，兩端分別與物塊和B 連接，A的質(zhì)量為4m，B的質(zhì)量為m.開始時將B按在地上不動，然后放開手，讓A 沿斜面下滑而B上升?物塊A與斜面間無摩擦設(shè)當A沿斜面下滑s距離后，細線突 然斷了?求物塊B上升的最大高度 圖 4 － 28 思路:本題

11、是恒力作用的情形，可以采用隔離法，用牛頓定律求解，也可以 利用機械能守恒求解.現(xiàn)在我們直接根據(jù)普遍的能量守恒定律求解. 物塊A下滑時，減少的重力勢能有三個去處：使自己的動能增加，使物塊B 的動能、重力勢能都增加. 細線斷后，物體 B 做豎直上拋運動. 解析:細線斷時，A、B的速度大小相同，設(shè)為v，B上升的高度為h=s，由 能量守恒得： 4mgssin0 =— X 4m X v2+ — mv2+mgs 22 設(shè)物體B在細線斷后還能再上升h2,單獨對物體B上升h2的這一段用能量 守恒得： -2 mv2=mgh2 聯(lián)立以上兩式可得：h=-s 2 5 所以，物體B上升的最大高度為：

12、h=h—+h=-s. 1 2 5 點評:當我們直接用普遍的能量守恒定律求解時，發(fā)現(xiàn)根本不需要再去考慮 零勢能面、機械能守恒的條件了. ?新題解答 【例 3】 “和平號”空間站已于 200— 年 3 月 23 日成功地墜落在南太平洋 海域，墜落過程可簡化為從一個近圓軌道(可近似看作圓軌道)開始，經(jīng)過與大氣 摩擦，空間站的絕大部分經(jīng)過升溫、熔化，最后汽化而銷毀，剩下的殘片墜入大 海.此過程中，空間站原來的機械能中，除一部分用于銷毀和一部分被殘片帶走 外，還有一部分能量E'通過其他方式散失(不考慮墜落過程中化學反應(yīng)的能量 變化).(1)試導出用下列各物理量的符號表示散失能量E'的公式.(2)

13、算出E'的 數(shù)值(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字). 墜落開始時空間站的質(zhì)量M=1.17X105 kg；軌道離地面的高度為i=146 km；地 球半徑R地=6.4X105 m；墜落空間范圍內(nèi)重力加速度可看作|=10 m/s2；入海殘片的 質(zhì)量m=1.2X104 kg；入海時殘片的溫度比墜落開始時升高了 T=3000 K入海殘片 的入海速度為聲速0=340 m/ s；空間站材料每 1 kg升溫1 K平均所需能量c=1.0X 103 J/(kg? K)；每銷毀1 kg材料平均所需能量U =1.0X107 J. 解析:本題描述的是 2001 年世界矚目的一件大事：“和平號”空間站成功地 墜落在南太平洋海域

14、.讓繞地球運行的空間站按照預定的路線成功墜落在預定的 海域，這件事情本身就極富挑戰(zhàn)性，表達了人類征服自然改造自然的雄心和實力. (1) 首先我們應(yīng)弄清題目所述的物理過程，建立一個正確的物理模型.我們將 空間站看作一個質(zhì)點，開始時以一定的速度繞地球運行，具有一定的動能和勢能， 墜落開始時空間站離開軌道，經(jīng)過摩擦升溫，空間站大部分升溫、熔化，最后汽 化而銷毀，剩下的殘片墜落大海，整個過程中，總能量是守恒的. 根據(jù)題述條件，從近圓軌道到地面的空間中重力加速度g=10 m/s2，若以地 面為重力勢能的零點，墜落過程開始時空間站在近圓軌道上的勢能為： Ep=Mgh. ① 以 v 表示空間站在軌

15、道上的速度，可得 ( R 地表示地球半徑， M 地是地球的質(zhì) MM v 2 G — = M - 式中G是萬有引力常量. (R + h)2 R + h 地地 ② MM 因為G 地— =Mg (R + h)2 地 由式②③可得空間站在軌道上的動能： E =1 Mg(R +h) k 2 地 由式①④可得，在近圓軌道上空間站的機械能 E=1 Mg(R 地+h)+Mgh 在墜落過程中，用于銷毀部分所需要的能量為： Q 汽=(M~m)p . ⑥ 用汽于殘片升溫所需要的能量： Q =cmA T. 殘 殘片的動能為：E 殘=- m-02 殘 2 0 以E'表示其他方式

16、散失的能量，則由能量守恒定律可得: E=Q +E +Q +E' 汽殘殘 由此得：E" = — Mg(R 地+h)+Mgh—(M—m)p — — m-02—cmA T. 22 ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ (2)將題給數(shù)據(jù)代入得：E' =4.1X1012 J. 點評:本題題目很長，包含了較多的信息.它取材于重大的科技事件，讓人覺 得尖端科技離我們并不遙遠，仍然離不開最基本的物理學原理. ［典型例題探究］ 【例1】某高度處每噸水計作M,相對發(fā)電機具有勢能E0,落下來經(jīng)過發(fā)電 機后，還具有動能E.不計其他能量損失，一晝夜時間計作t0,通過發(fā)電機的水流 量為Q(Q為每秒鐘水流過的體積)，水的

17、密度為o .則一晝夜里水對水輪發(fā)電機 做多少功？如發(fā)電機的發(fā)電效率為。，則發(fā)電機每晝夜的發(fā)電量是多少？ 解析：因不計其他能量損失，則每噸水經(jīng)過發(fā)電機的過程中損失了 E-E的 機械能，根據(jù)功能關(guān)系，必對發(fā)電機做了 E0-E的功?一晝夜里所做的總功為 W=(Eo 一 已)PQt° M 發(fā)電量為 E 電=(E°_E川Qt0 電 M W= (E0 - E) PQt0 規(guī)律發(fā)現(xiàn) 功是能量轉(zhuǎn)化的量 度，做多少功就有多少能 量發(fā)生了轉(zhuǎn)化.

18、 e =(E — E 川 Qt E 審 o o 電 M 對于“熱傳導是 有方向的”，可以從各 個不同角度來命題， 要注意題意表面所掩 蓋的物理本質(zhì)，注意 能量守恒定律是無一 例外地普遍適用的. 【例 2】下列說法中正確的是( ) A. 熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體 B. 熱量不能從低溫物體傳到高溫物體 C. 熱傳導是有方向的 D. 能量耗散說明能量是不守恒的 解析：“熱量能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體”是符合熱力學第二定律關(guān) 于“熱傳導是有方向的”規(guī)律的，所以選項A和C正確?熱量雖然不能

19、自發(fā)地從 低溫物體傳到高溫物體，但在一定外加條件下，也能做到“熱量從低溫物體傳到 高溫物體”.例如電冰箱等電器的工作過程，所以選項B是不正確的?所謂“能量 耗散”是指在能量的轉(zhuǎn)化過程中沒有辦法把流散的能量重新收集起來，重新加以 利用，“能量耗散”過程中能的總量還是守恒的，只是能量的轉(zhuǎn)化是有方向性的， 而不是能量不守恒，因此選項D也是錯誤的. 答案：AC ?變式練習 1. 能量既 ，也不會 ，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為 ， 或者從一個物體轉(zhuǎn)移到 ，而能的 保持不變. 答案：不會憑空產(chǎn)生 憑空消失 另一種形式 另一個物體 總量 2. 在國際單位制中，焦耳是 、 和 的單位. 答案：功 能

20、量 熱量 3. 冰塊沿地面滑動，往往會逐漸熔化，在這一過程中是 能轉(zhuǎn)化為 能；把鐵絲多次彎折，彎折處會發(fā)熱，是把 能轉(zhuǎn)化成 能. 答案：機械 內(nèi) 機械 內(nèi) 4. 寫出下列現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化的形式. (1) 電動機帶動水泵抽水是 ； (2) 汽車突然緊急剎車停住是 ； (3) 用毛巾反復擦背，感覺后背熱了是 ； (4) 利用木柴燒水的過程是 . 答案：電能轉(zhuǎn)化為機械能 機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 木柴的 化學能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能并通過熱傳遞傳遞給水 5. 關(guān)于能的轉(zhuǎn)化與守恒定律的下列說法錯誤的是 A. 能量能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但不能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物 體

21、 B. 能量的形式多種多樣，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化 C. 一個物體能量增加了，必然伴隨著別的物體能量的減少 D. 能的轉(zhuǎn)化與守恒定律證明了第一類永動機是不可能存在的 答案： A 6. 一個物體沿粗糙斜面勻速滑下，則下列說法正確的是 A. 物體機械能不變，內(nèi)能也不變 B. 物體機械能減少，內(nèi)能不變 C. 物體機械能減少，內(nèi)能增大，機械能與內(nèi)能總量減少 D. 物體機械能減少，內(nèi)能增大，機械能與內(nèi)能總量不變 答案：D 7. 一輛汽車在關(guān)閉油門后繼續(xù)在水平方向上向前移動，從能的轉(zhuǎn)化來看，它 的 A. 動能不變 B. 機械能不變 C. 動能轉(zhuǎn)化為勢能 D. 動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 答案

22、： D 8. 在以下過程中，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的是 A. 冰塊在地面上滑動時熔化 B. 砂輪磨刀 C. 水開了會頂動壺蓋 D. 火柴摩擦后燃燒 答案： C 9. 用鐵錘打擊鐵釘，設(shè)打擊時有 80％的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能的 50％用 來使鐵釘?shù)臏囟壬?問打擊20 次后，鐵釘?shù)臏囟壬叨嗌贁z氏度？已知鐵錘的 質(zhì)量為1.2 kg，鐵錘打擊鐵釘時的速度是10 m / s,鐵釘質(zhì)量是40 g，鐵的比熱 是 5.0X102 j/（kg ? °C）. 答案：24 C 10. 地球表面平均每平方米每分鐘接收2.1 J的太陽能，試估算整個地球每分 鐘所接收到的太陽能為多少？人類每年消耗的能量

23、換算成石油，約為 50億噸， 已知燃燒1 g石油得到的熱量大約是4.2X104 J，計算人類每年消耗的能量為多 少？人類每年消耗的能量相當于太陽在多長時間內(nèi)投到地球的能量？ 答案： 1.1X1019 J 19 min 11. 地球所接受到的太陽能僅為太陽所釋放出能量的極小的一部分，如此大 的太陽能是由什么能轉(zhuǎn)化來的？ 答案：核能 12. 一次臺風的平均能量為1.1 X 1018 J左右.臺風登陸以后，由于和地表面的 摩擦，引起了能量的消耗?這個能量的消耗是每秒1.1X1013 J左右?因此，如果不從 外界補充能量，臺風應(yīng)該在口 1⑹8 S=105 S,也就是大約一日就消失了 ?但是，

24、 1.1 X 1013 還沒有聽說過臺風在一日內(nèi)就消失了的事情.這說明臺風從什么地方得到了能夠 補充它消耗的巨大能量.請你說明補充的能量從什么能量轉(zhuǎn)化來的. 答案：水蒸氣的內(nèi)能 13?一個人維持生存所必需的食品的熱量是每天1.26X107 J（3000千卡）左右， 若世界總?cè)丝跒?60億，試估算人類活動所需要的能量是人類生存所必需能量的 多少倍 . 答案： 7.6 倍 14.拮抗肌在動物奔跑過程中所做的功是隨著每邁一步對腿的加速和減速完 成的，腿離開地面時，腿從靜止直到接近等于身體的速度，拮抗肌做功.同樣，在 腿又回到靜止的過程中，拮抗肌又做了相當?shù)墓?現(xiàn)有一個以3 m/s的速度奔跑的 質(zhì)量為70 kg的人，他每條腿的質(zhì)量約為10 kg,其步子的長度（同一只腳的兩個 相鄰足跡之間的距離）為2 m,此人每秒內(nèi)每條腿邁出1.5步.求此人奔跑過程中 的能量消耗率（肌肉的效率n約為0.25）. 答案：1080 W