高考物理必修知識(shí)點(diǎn)知識(shí)講解 能量守恒定律與能源

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1、 能量守恒定律與能源 編稿：周軍 審稿：隋偉 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．理解能量的概念，知道各種不同形式的能量． 2．明確能量守恒的含義． 3．知道能源的合理利用及能量耗散的概念． 【要點(diǎn)梳理】 要點(diǎn)一、能量 要點(diǎn)詮釋： (1)概念：一個(gè)物體能夠?qū)ν庾龉?，我們就說(shuō)這個(gè)物體具有能量．如：運(yùn)動(dòng)的物體可以推動(dòng)與其接觸的另一個(gè)物體一起向前運(yùn)動(dòng)，對(duì)被推動(dòng)的物體做功，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的物體具有能量．又如流動(dòng)的河水、被舉高的重物、被壓縮的彈簧、高溫高壓氣體等都能對(duì)外做功，因此都具有能量． (2)形式：能量有各種不同的形式．運(yùn)動(dòng)的物體具有動(dòng)能；被舉高的重物具有重力勢(shì)能；發(fā)生彈性

2、形變的物體具有彈性勢(shì)能；由大量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)具有內(nèi)能．另外自然界中還存在如化學(xué)能、電能、光能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、原子能等不同形式的能． 不同形式的能與物體的不同運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)，如機(jī)械能對(duì)應(yīng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)；內(nèi)能與大量微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)． (3)能量的轉(zhuǎn)化：各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，而且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總量保持不變也就是說(shuō)當(dāng)某個(gè)物體的能量減少時(shí)，一定存在其他物體的能量增加，且減少量一定等于增加量；當(dāng)某種形式的能量減少時(shí)，一定存在其他形式的能量增加，且減少量一定等于增加量． (4)功是能量轉(zhuǎn)化的量度． 不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過(guò)做功實(shí)現(xiàn)的．做功的過(guò)程就

3、是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化(或轉(zhuǎn)移)的過(guò)程．且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化(或轉(zhuǎn)移)，因此，功是能量轉(zhuǎn)化的量度． 如舉重運(yùn)動(dòng)員把重物舉起來(lái)，對(duì)重物做了功．這一過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)做功消耗了體內(nèi)的化學(xué)能，轉(zhuǎn)化為重物的重力勢(shì)能．并且，運(yùn)動(dòng)員做了多少功，就有多少化學(xué)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能． 能量的具體值往往無(wú)多大意義，我們關(guān)心的大多是能量的變化量，能量的變化必須通過(guò)做功才能實(shí)現(xiàn)，某種力做功往往與某一具體的能量變化相聯(lián)系，即所謂功能關(guān)系．力學(xué)中常見(jiàn)力做功與能量轉(zhuǎn)化的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 功 能的變化 表達(dá)式 重力做功 正功 重力勢(shì)能減少 重力勢(shì)能變化 負(fù)功 重力勢(shì)能增加 彈力做

4、功 正功 彈性勢(shì)能減少 彈性勢(shì)能變化 負(fù)功 彈性勢(shì)能增加 合力做功 正功 動(dòng)能增加 動(dòng)能變化 負(fù)功 動(dòng)能減少 除重力(或系統(tǒng)內(nèi)彈力)外其他力做功 正功 機(jī)械能增加 機(jī)械能變化 負(fù)功 機(jī)械能減少 要點(diǎn)二、能量守恒定律 要點(diǎn)詮釋： (1)內(nèi)容：能量既不會(huì)消滅，也不會(huì)產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，能量的總量保持不變，這個(gè)規(guī)律叫做能量守恒定律． (2)表達(dá)式：；． (3)利用能量守恒定律解題的基本思路． ①某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加

5、，且減少量一定和增加量相等． ②某個(gè)物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等． (4)利用能量守恒定律解題應(yīng)注意的問(wèn)題： ①該定律是貫穿整個(gè)物理學(xué)的基本規(guī)律之一，是學(xué)習(xí)物理的一條主線． ②要分清系統(tǒng)中有多少種形式的能量，發(fā)生哪些轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化． ③滑動(dòng)摩擦力與相對(duì)距離的乘積在數(shù)值上等于產(chǎn)生的內(nèi)能，即． 要點(diǎn)三、能源 要點(diǎn)詮釋： 指能夠提供可利用能量的物質(zhì)，它是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)． (1)分類： ①?gòu)娜祟愰_發(fā)能源的歷史劃分： 常規(guī)能源：已被廣泛應(yīng)用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等． 新能源：指目前尚未被人類

6、大規(guī)模利用而有待進(jìn)一步研究、開發(fā)和利用的能源，如核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等? ②從使用分類： 一次能源：未經(jīng)人工加工的能源，如煤、石油、天然氣、水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、海洋能等． 二次能源：從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化來(lái)的能源．如：電能、氫能、焦炭． ③從能否再生分類： 可再生能源：水流能、風(fēng)能等． 不可再生能源：石油、煤等． ④從對(duì)環(huán)境的影響分類： 清潔能源(也稱“綠色環(huán)?！蹦茉?：太陽(yáng)能、風(fēng)能等． 非清潔能源：煤、石油、天然氣等． (2)常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化方式： 要點(diǎn)四、能源的開發(fā) 要點(diǎn)

7、詮釋： 1．能源的開發(fā) 作為常規(guī)能源的煤炭、石油、天然氣等面臨枯竭，節(jié)能和開發(fā)新的能源已是人類必須面對(duì)的實(shí)際問(wèn)題．能源對(duì)造福人類具有極其重要的意義，節(jié)約每一份能源，不僅能提高能源的利用價(jià)值，對(duì)于維護(hù)人類賴以生存的環(huán)境也有不可忽視的作用．新的能源有待于人類去開發(fā)，如核能的利用、太陽(yáng)能的利用等，還有許多艱苦的工作需要去做． (1)為什么煤、石油和天然氣被人們稱為不可再生能源? 由于煤、石油和天然氣都是幾億年以前的生物遺體形成的，所以人們也稱它們?yōu)榛剂希捎谶@些能源是不能再次生產(chǎn)，也不可能重復(fù)使用的，所以稱為非再生能源． (2)人類利用能源的過(guò)程及新能源的開發(fā)和利用

8、． ①人類利用能源大致經(jīng)歷的三個(gè)時(shí)期是：柴薪時(shí)期、煤炭時(shí)期、石油時(shí)期． ②有待開發(fā)和利用的新能源主要指：太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能、核能． (3)人類與能源的關(guān)系。 能源的利用給人類的生活帶來(lái)了極大的改善．人類社會(huì)每一次重大的經(jīng)濟(jì)飛躍和產(chǎn)業(yè)革命，都與新的能源和動(dòng)力裝置的利用密切相關(guān)．能源消耗的多少已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志．所以說(shuō)人類離不開能源．但能源的大量使用會(huì)給環(huán)境帶來(lái)極大的破壞，例如人類在利用化石燃料的過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵，污染大氣，造成酸雨和溫室效應(yīng)，對(duì)人類造成危害． (4)自然界中自發(fā)的能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性．

9、 ①熱量可以自發(fā)的由高溫物體傳遞給低溫物體，但不能自發(fā)的由低溫物體傳遞給高溫物體． ②冒出的煤煙和散開的炭灰不可能又重新組合成一堆煤炭． ③散失到周圍環(huán)境中的內(nèi)能不能回收重新利用。 2．能量耗散 燃料燃燒時(shí)一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會(huì)自動(dòng)聚集起來(lái)供人類重新利用；電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，它又通過(guò)燈泡轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們也無(wú)法把這些內(nèi)能收集起來(lái)重新利用．這種現(xiàn)象叫做能量的耗散． 能量耗散表明，在能源的利用過(guò)程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于

10、利用的了．這是能源危機(jī)更深層次的含意，也是“自然界的能量雖然守恒，但還是要節(jié)約能源”的根本原因． 要點(diǎn)四、功能原理 要點(diǎn)詮釋： 1. 功能原理 （1）推導(dǎo) 由動(dòng)能定理可以知道，外力對(duì)物體做功的代數(shù)和等于物體動(dòng)能的增量，可表示為： 這里說(shuō)的外力包括作用于物體上的全部做功的力，可分為三部分：①系統(tǒng)內(nèi)的重力、彈力；②系統(tǒng)內(nèi)的摩擦力；③系統(tǒng)外物體對(duì)它的作用力， 則動(dòng)能定理的表達(dá)式可寫成 又因?yàn)椋? 所以有： 等式的右邊為動(dòng)能的增量跟勢(shì)能增量的和，即為物體機(jī)械能的增量， 即： （2）內(nèi)容表述 除重力、彈簧彈力以外力對(duì)物體做功的代數(shù)和，等于物體機(jī)械能的增量。這就是功能原理。即

11、 2、功能原理與動(dòng)能定理的區(qū)別與聯(lián)系 功能原理、動(dòng)能定理都是“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一功能實(shí)質(zhì)關(guān)系的體現(xiàn)。只是考查對(duì)象不同。動(dòng)能定理考查物體動(dòng)能的變化，功能原理考查物體機(jī)械能的變化，從功能原理我們知道，外力和系統(tǒng)內(nèi)摩擦力做功，將引起系統(tǒng)機(jī)械能的變化，但這機(jī)械能不會(huì)消失，也不能創(chuàng)生，只是由機(jī)械能和其它形式的能之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。 【典型例題】 類型一、摩擦力做功與產(chǎn)生內(nèi)能的關(guān)系 例1、如圖所示，A物體放在B物體的左側(cè)，用水平恒力F將A拉至B的右端，第一次B固定在地面上，F(xiàn)做功為，產(chǎn)生熱量為，第二次讓B在光滑地面上自由滑動(dòng)，F(xiàn)做功為，產(chǎn)生熱量為，則應(yīng)有（ ） A． B

12、． C． D． F B A 思路點(diǎn)撥：本題牽扯到摩擦力做功問(wèn)題，需要考察摩擦力做功特點(diǎn)，并輔助動(dòng)能定理加以解決。 解析：當(dāng)B固定時(shí)， 當(dāng)B不固定時(shí)，木塊A、B的位移關(guān)系為 對(duì)A應(yīng)用動(dòng)能定理： 對(duì)B應(yīng)用動(dòng)能定理： 兩式相加得 所以： 答案：A 總結(jié)升華：摩擦力做功與產(chǎn)生內(nèi)能的關(guān)系： （1）靜摩擦力做功的過(guò)程中，只有機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)移（靜摩擦力起著傳遞機(jī)械能的作用），而沒(méi)有內(nèi)能的產(chǎn)生。 （2）滑動(dòng)摩擦力做功的過(guò)程中，能量的轉(zhuǎn)移由兩個(gè)方向，一是相互摩擦的物體之間機(jī)械能的轉(zhuǎn)移；二是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于機(jī)械能的減少量，表達(dá)式為 舉一反三

13、【變式】在一光滑的水平面上有一長(zhǎng)木板，質(zhì)量為M，板足夠長(zhǎng)。一質(zhì)量為m、速度為的小滑塊滑上長(zhǎng)木板，最后獲得共同速度，此時(shí)長(zhǎng)木板移動(dòng)了的距離，滑塊在木板上移動(dòng)了的距離，求此過(guò)程中產(chǎn)生的熱量是（ ） A． B． C． D． 答案：ABC 解析：對(duì)M應(yīng)用動(dòng)能定理： 故A對(duì)。 對(duì)m應(yīng)用動(dòng)能定理： 故B選項(xiàng)正確。 由能量守恒轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的量值等于機(jī)械能的減少量，即，故C選項(xiàng)正確，D錯(cuò)誤。 類型二、功能關(guān)系的應(yīng)用 例2、面積很大的水池，水深為H，水面上浮著一正方體木塊，木塊邊長(zhǎng)為，且 a〈 H，密度為水的，質(zhì)量為，開始時(shí)，木塊靜止，有一半沒(méi)入水中，如圖

14、甲所示，現(xiàn)用力F將木塊緩慢地壓到池底，不計(jì)摩擦，求 （1）從開始到木塊剛好完全沒(méi)入水的過(guò)程中，力F所做的功。 （2）若將該木塊放在底面為正方形（邊長(zhǎng)為a）的盛水足夠深的長(zhǎng)方體容器中，開始水面靜止時(shí)，水高也為H，如圖乙所示，現(xiàn)用一個(gè)向下的力F＇將木塊緩慢地壓到容器底部，若水不會(huì)從容器中溢出，不計(jì)摩擦。求全過(guò)程F＇所做的功。 圖甲 H a 圖乙 H 思路點(diǎn)撥：此題考察變力做功問(wèn)題，變力做功一是應(yīng)用動(dòng)能定理可以求出，再就是可以根據(jù)功能關(guān)系來(lái)求出，在本題我們應(yīng)用功能關(guān)系來(lái)求解。 解析：（1）木塊靜止，有一半沒(méi)入水中，所以有= 解得= 因水池面積很大，可忽略因木塊壓入水中所引起

15、的水深變化，木塊剛好完全沒(méi)入水中時(shí)，圖中原來(lái)處于劃斜線區(qū)域的水被排開，結(jié)果等效于使這部分水平鋪于水面，這部分水的質(zhì)量為m，其勢(shì)能的改變量為： 木塊勢(shì)能的改變量為： 根據(jù)功能關(guān)系知力F所做的功： (2) 因容器水面面積為2a2，只是木塊底面積的2倍，不可忽略因木塊壓入水中所引起的水深變化， 木塊向下壓，水面就升高，木塊剛好完全沒(méi)入水中時(shí)，圖乙中原來(lái)處于下方劃斜線區(qū)域的水被排開到上方劃斜線區(qū)域。由于木塊橫截面積是容器的1/2，由體積關(guān)系有2a2H+ a2=2 a2H′，即2H+=2H′ 解得H′=H+，所以△H=H′-H= 所以當(dāng)木塊上底面與水面平齊時(shí)，水面上升a/4，木塊下

16、降a/4，也就是說(shuō)木塊下降a/4，同時(shí)把它新占據(jù)的下部V/4體積的水重心升高3a/4，這部分水的質(zhì)量為/2，其勢(shì)能的改變量為： 木塊勢(shì)能的改變量為： 由功能關(guān)系可得這一階段壓力所做的功 壓力繼續(xù)把木塊壓到容器底部，在這一階段，木塊重心下降，同時(shí)底部被木塊所占空間的水重心升高，這部分水的質(zhì)量為2m，其勢(shì)能的改變量為： 木塊勢(shì)能的改變量為： 由功能關(guān)來(lái)自系可得這一階段壓力所做的功 整個(gè)過(guò)程壓力做的總功為： 總結(jié)升華：用功能關(guān)系時(shí)解題，一是注意前后能量的變化，二是注意都是哪些力做了功，分別做的什么功，最后的總功是多少。 舉一反三 【高清課程：能量守恒定律與能源 例題4

17、】 【變式】在水平地面上平鋪n塊磚，每塊磚的質(zhì)量為m，厚度為h，如將磚一塊一塊地疊放起來(lái)，至少做多少功? 【答案】 類型三、能量轉(zhuǎn)化和守恒定律 例3、行駛中的汽車制動(dòng)后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降。上述不同現(xiàn)象所包含的相同物理過(guò)程是（ ） A．物體克服阻力做功 B．物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 C．物體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 D．物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量 思路點(diǎn)撥：此題考察學(xué)生綜合分析能力，從若干不同的現(xiàn)象中分析找出相同的規(guī)律。 解析：汽車主要是制動(dòng)阻力，流星、降落傘是空氣阻力，因而物體都是克服阻

18、力做功，A對(duì)；三個(gè)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，汽車是動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，流星、降落傘是重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成其他形式的能，總之是機(jī)械能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能，D對(duì)。 答案：AD 總結(jié)升華：自然界中各種形式的能之間都可以相互轉(zhuǎn)化，但在轉(zhuǎn)化過(guò)程中具有方向性。 舉一反三 【高清課程：能量守恒定律與能源 例題1】 【變式】一小孩從公園中粗糙的滑梯上自由加速滑下，其能量的變化情況是(　　) A．重力勢(shì)能減小，動(dòng)能不變，機(jī)械能減小，總能量減小 B．重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能減小，總能量不變 C．重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能增加，總能量增加 D．重力勢(shì)能減小，動(dòng)能增加，機(jī)械能守恒，總能量不變 【答案】

19、B 類型四、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的應(yīng)用 例4、飛機(jī)場(chǎng)上運(yùn)送行李的裝置為一水平放置的環(huán)形傳送帶，傳送帶的總質(zhì)量為M，其俯視圖如圖所示。現(xiàn)開啟電動(dòng)機(jī)，傳送帶達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行的速度后，將行李依次輕輕放到傳送帶上。若有n件質(zhì)量均為m的行李需通過(guò)傳送帶運(yùn)送給旅客。假設(shè)在轉(zhuǎn)彎處行李與傳送帶無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，忽略皮帶輪、電動(dòng)機(jī)損失的能量。求從電動(dòng)機(jī)開啟，到運(yùn)送完行李需要消耗的電能為多少? 思路點(diǎn)撥：在此問(wèn)題中必須知道“需要消耗的電能”分別是什么，都是轉(zhuǎn)化為哪幾種形式的能量了，分別轉(zhuǎn)化了多少，是我們解題的關(guān)鍵。 解析：設(shè)行李與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)為，則傳送帶與行李間由于摩擦產(chǎn)生的總熱量 由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得：

20、 又 聯(lián)立解得： 由能量守恒得： 所以： 總結(jié)升華：在傳送帶運(yùn)送行李的過(guò)程中，消耗的電能分成了三部分，一部分是傳送帶的動(dòng)能，一部分是行李的動(dòng)能，還有一部分是由于行李和傳送帶之間的摩擦轉(zhuǎn)化的內(nèi)能，這一部分在解題時(shí)容易忽視，在解決問(wèn)題時(shí)要注意。 舉一反三 【變式1】如圖所示，繃緊的傳送帶與水平面間的夾角=30°，傳送帶在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，始終保持v =2m/s的速率運(yùn)行. 現(xiàn)把一質(zhì)量為m =10kg的工件（可看為質(zhì)點(diǎn)）輕輕放在傳送帶的底端，經(jīng)時(shí)間t=1.9s，工件被傳送到h =1.5m的高處，取g =10m/s2求： （1）工件與傳送帶間的動(dòng)摩擦因數(shù)； （2）電動(dòng)機(jī)由于傳送工件多消

21、耗的電能. 解析：（1）圖中斜面長(zhǎng) 設(shè)工件經(jīng)時(shí)間t1速度達(dá)到v，做勻加速運(yùn)動(dòng)的位移 工件速度達(dá)v后做勻速運(yùn)動(dòng)的位移為 勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度 工件受的支持力 由牛頓第二定律，有 解得動(dòng)摩擦因數(shù) （2）在時(shí)間t1內(nèi)： 皮帶運(yùn)動(dòng)位移 工件箱對(duì)皮帶位移 摩擦發(fā)熱 工件增加的動(dòng)能 工件增加的勢(shì)能 電動(dòng)機(jī)多消耗的電能 解得W=230J 【高清課程：能量守恒定律與能源 例題6】 【變式2】某地平均風(fēng)速為5 m/s，已知空氣密度是1.2 kg/m3，有一風(fēng)車，它的車葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為12 m的圓面．如果這個(gè)風(fēng)車能將

22、圓面內(nèi)10%的氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，則該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大？ 【答案】3.4 kW. 類型五、能源和能量耗散 例5、以下說(shuō)法正確的是（ ） A．煤、石油、天然氣等燃料最初來(lái)源可追溯到太陽(yáng)能 B．汽油是一種清潔能源 C．水能是可再生能源 D．煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的 思路點(diǎn)撥：此題考察能源與環(huán)境問(wèn)題 解析：煤、石油、天然氣等燃料是動(dòng)、植物轉(zhuǎn)化成的，其來(lái)源可追溯到太陽(yáng)能，A正確；汽油燃料會(huì)引起一些化合物的產(chǎn)生，導(dǎo)致有毒氣體的生成，B錯(cuò)；水源是可再生能源，故C正確；煤、石油等儲(chǔ)存量是有限的，是不可再生能源，故D錯(cuò)誤。 答案：AC 總結(jié)升華：太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)取之不盡、用之不竭的最大能源。 舉一反三 【變式】出行是人們工作生活中必不可少的環(huán)節(jié)，出行的工具五花八門，使用的能源也各不相同．自行車、電動(dòng)自行車、普通汽車消耗能量的類型分別是( ) ①生物能 ②核能 ③電能 ④太陽(yáng)能 ⑤化學(xué)能 A．①④⑤ B．①③⑤ C．①②③ D．①③④ 【答案】B 【解析】人騎自行車是將生物能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電動(dòng)自行車是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；普通汽車是將汽油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所以B選項(xiàng)正確．