第4章 6能源的开发与利用 全部知识点Word版含答案.docx

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第4章6能源的开发与利用全部知识点Word版含答案

6．能源的开发与利用

学习目标

知识脉络

1.了解各种不同形式的能，知道能量守恒定律确定的两类重要事实．（重点）

2．知道能量守恒定律的内容，会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题．（重点、难点）

3．知道能源短缺和环境恶化问题，增强节约能源和环境保护意识.

能量守恒定律

1．能量的转化

自然界存在着各种不同形式的能量—机械能（动能和势能）、内能、电能、化学能、核能等，各种不同形式的能量可以相互转化．

2．能量守恒定律

（1）定律内容

能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量保持不变．

（2）机械能守恒定律与能量守恒定律的关系

机械能守恒定律是普遍的能量守恒定律在特种背景下一种特殊表现形式．

1．当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多．（√）

2．做功越多，能量的转化也越多．（√）

3．物体做了多少功，就有多少能量消失．（×）

一个叫丹尼斯·李（DennisLee）的美国人在《美国今日》《新闻周刊》等全国性报刊上刊登大幅广告，在全美各地表演，展示其号称无需任何能源的发电机．

你认为这种发电机能造出来吗？

并说明原因．

DennisLee和他的永动机

图461

【提示】　不能．丹尼斯·李发明的发电机不消耗其他能量而源源不断地产生电能，违背了能量守恒定律，因此这种发电机不能制造出来．

“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1000摄氏度．

图462

探讨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？

【提示】　该过程动能增加，势能减少，克服空气阻力做功，机械能不守恒．

探讨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吗？

【提示】　该过程机械能向内能转化．根据能量守恒定律，机械能和内能的总量不变．

1．功与能量的转化

不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的．做功的过程就是各种形式的能量之间转化（或转移）的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化（或转移）．因此，功是能量转化的量度．

2．功与能的关系

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：

功

能的变化

表达式

重力做功

正功

重力势能减少

WG＝Ep1－Ep2

负功

重力势能增加

弹力做功

正功

弹性势能减少

W弹＝Ep1－Ep2

负功

弹性势能增加

合力做功

正功

动能增加

W合＝Ek2－Ek1

负功

动能减少

除重力（或系统内弹力）外其他力做功

正功

机械能增加

W外＝E2－E1

负功

机械能减少

1．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的光；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（　　）

A．物体克服阻力做功

B．物体的动能转化为其他形式的能量

C．物体的势能转化为其他形式的能量

D．物体的机械能转化为其他形式的能量

【解析】　这四个现象中物体运动过程中都受到运动阻力，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A对；四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化为其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，D对．故A、D选项正确．

【答案】　AD

2．（多选）在体育比赛项目中，高台跳水是我国运动员的强项．质量为m的跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动，设水对他的阻力大小恒为F，那么在他减速下降高度为h的过程中，下列说法正确的是（g为当地的重力加速度）（　　）

【导学号：

22852119】

图463

A．他的动能减少了Fh－mgh

B．他的重力势能增加了mgh

C．他的机械能减少了（F－mg）h

D．他的机械能减少了Fh

【解析】　由动能定理，ΔEk＝mgh－Fh，动能减少了Fh－mgh，A选项正确；他的重力势能减少了mgh，B选项错误；他的机械能减少了ΔE＝Fh，C选项错误，D选项正确．

【答案】　AD

3．如图464所示，某人乘雪橇从雪坡经A点滑至B点，接着沿水平路面滑至C点停止．人与雪橇的总质量为70kg.表中记录了沿坡滑下过程中的有关数据，请根据图表中的数据解决下列问题：

图464

（1）人与雪橇从A到B的过程中，产生的热量是多少？

（2）设人与雪橇在BC段所受阻力恒定，求阻力大小．（g取10m/s2）

位置

A

B

C

速度（m/s）

2.0

12.0

0

时刻（s）

0

4

10

【解析】　

（1）从A到B的过程中，人与雪橇损失的机械能为ΔE＝mgh＋

mv

－

mv

损失的机械能转化为内能

Q＝ΔE＝（70×10×20＋

×70×22－

×70×122）J＝9100J.

（2）人与雪橇在BC段做匀减速运动的加速度

a＝

＝

m/s＝－2m/s2

根据牛顿第二定律

f＝ma＝70×（－2）N＝－140N.

【答案】　

（1）9100J　

（2）140N

利用能量守恒定律解题的基本思路

（1）分清有哪几种形式的能（如机械能、内能等）在变化．

（2）分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式．

（3）列等式ΔE减＝ΔE增求解．

能源的利用和新能源的开发

1．能源的利用

（1）能源：

是指能够提供某种形式能量的物质资源．

（2）人类利用能源的历史主要分为：

柴草时期、煤炭时期和石油时期．

（3）煤、石油和天然气为化石燃料，这些能源不可再生，也不可重复使用，所以又称为非再生能源，能源的大量使用也引起了环境问题．

2．新能源的开发

目前，正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核聚变等．

1．煤、石油、天然气属于常规能源．（√）

2．既然能量守恒，所以不必担心会发生能源危机．（×）

　近几年流行一种“自发电电动车”（如图465），基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车，你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？

图465

【提示】　仅靠这种方式，不能使电动车持续运动下去．因为靠这种方式，只能将电动车的一部分能量收集起来，但电动车运动时受到的阻力做负功，不断把电动车的机械能转化为内能，根据能量守恒定律，要想使电动车持续运动下去，必须不断地给电动车补充新的能量，如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电．

图466

探讨1：

既然能量是守恒的，为什么当今社会会出现能源危机？

【提示】　能源利用的过程中，能量在总的数量上并没有减少，但在可以利用的品质上降低了，所以会出现能源危机．

探讨2：

解决能源危机的途径是什么？

【提示】　一是节约能源，二是开发新能源．

1．人类与能源的关系

（1）有利方面：

能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命，都与新的能源和动力机械的利用密切相关，能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志．

（2）不利方面：

能源的大量使用会给环境带来极大的破坏，如大气污染、温室效应、酸雨等，对人类造成很大的危害．

2．常规能源和新能源的转化途径

4．煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是（　　）

A．都为可再生能源，取之不尽，用之不竭

B．都为不可再生能源，用一点，少一点

C．都为来自太阳辐射的能量

D．都为污染环境的能源

【解析】　煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物质能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射．因此，选项C正确，其他选项均错误．

【答案】　C

5．关于能源的利用，下列说法中不正确的是（　　）

A．由于我国煤和石油的储量无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要

B．能源的利用过程，实质是能的转化和转移过程

C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气

D．煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能

【解析】　石油、煤等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错，B、C、D对．

【答案】　A

6．能源短缺和环境恶化指的是（　　）

①煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺．

②煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺．

③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化．

④大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，改变了大气成分，使环境恶化．

A．①③　　　　　　B．①④

C．②③D．②④

【解析】　煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们的储量是有限的，并不是取之不尽、用之不竭的，这是所讲的能源短缺，②正确；能源在使用时会排出有害气体污染空气，这是所讲的环境恶化，④正确．故D正确．

【答案】　D

1能源的开发和利用要以人为本，要以可持续发展为前提.

2应优先使用新能源，新能源的共同特点：

可再生、取之不尽、绿色无污染.

1．经典力学的成就与局限性

2．了解相对论（选学）

3．初识量子论（选学）

学习目标

知识脉络

1.知道经典力学的局限性和适用范围．（重点）

2.初步了解相对论时空观中的基本观点．（难点）

3.了解狭义相对论和广义相对论.

4.了解量子论的基本内容.

经典力学的成就与局限性

1．经典力学的成就

英国物理学家牛顿在《自然哲学的数学原理》中建立了一个完整的力学理论体系．他的理论只用几个基本的概念和原理，不但可以解决人们日常看到的种种物体的运动问题，也可以说明天体运动规律．

经典力学的思想方法的影响远远超出了物理学与天文学的研究领域，对其他自然科学、社会科学领域都产生了巨大影响．

2．经典力学的局限性

（1）经典力学是从日常的机械运动中总结出来的，超出宏观的、日常生活经验的领域常常就不适用了．

（2）绝对时空观：

把时间、空间、物质及其运动之间的联系割裂开来，不能解释高速运动领域的许多现象．

（3）经典力学认为一切自然现象都服从、遵守力学原理，严格按力学规律发生、演化，并且变化是连续的，这种观点与微观世界的很多现象都不相符．

3．经典力学的适用范围

（1）只适用于低速运动，不适用于高速运动．

（2）只适用于宏观物体的运动，不适用于微观粒子的运动．

（3）只适用于弱引力环境，不适用于强引力环境．

1．经典力学的基础是牛顿运动定律．（√）

2．经典力学中时间、空间与物质及其运动完全无关．（√）

3．经典力学可以研究质子、中子等微观粒子的运动规律．（×）

　洲际导弹的速度可达6000m/s，此速度属于低速还是高速？

【提示】　属于低速.6000m/s远小于光速，因此属于低速．

　地球绕太阳公转的速度是3×104m/s；设在美国伊利诺伊州费米实验室的圆形粒子加速器可以把电子加速到0.999999999987倍光速的速度．请思考：

图511

探讨：

地球的公转和电子的运动情况都能用经典力学（牛顿力学）来研究吗？

【提示】　地球的公转属于宏观、低速运动，能用经典力学来研究；而电子的运动属于微观、高速运动，经典力学就不能适用了．

1．以牛顿运动定律为基础的经典力学的成就

（1）牛顿运动三定律和万有引力定律把天体的运动与地上物体的运动统一起来，是人类对自然界认识的第一次大综合，是人类认识史上的一次重大飞跃．

（2）经典力学和以经典力学为基础发展起来的天体力学、材料力学和结构力学等得到了广泛的应用，并取得了巨大的成就．

（3）18世纪60年代，力学和热力学的发展及其与生产的结合，使机器和蒸汽机得到改进和推广，引发了第一次工业革命．

（4）由牛顿力学定律导出的动量守恒定律、机械能守恒定律等，是航空航天技术的理论基础．火箭、人造地球卫星、航天飞机、宇宙飞船、行星探测器等航天器的发射，都是牛顿力学规律的应用范例．

2．经典力学的局限性

（1）经典力学的绝对时空观，割裂了时间、空间、物质及其运动之间的联系，不能解释高速运动领域的许多客观现象．

（2）经典力学的运动观，从自然观角度来说，给出的是一幅机械运动的图景，不能解释微观世界丰富多彩的现象．

3．经典力学的适用范围

相对论和量子力学的出现，使人们认识到经典力学的适用范围：

只适用于低速运动，不适用于高速运动；只适用于宏观世界，不适用于微观世界．

1．经典力学不能适用于下列哪些运动（　　）

A．火箭的发射

B．宇宙飞船绕地球的运动

C．“勇气号”宇宙探测器在火星着陆

D．微观粒子的波动性

【解析】　经典力学适用于宏观物体的低速运动，故经典力学对A、B、C都能适用，对D不适用．

【答案】　D

2．经典力学只适用于“宏观世界”，这里的“宏观世界”是指（　　）

A．行星、恒星、星系等巨大的物质领域

B．地球表面上的物质世界

C．人眼能看到的物质世界

D．不涉及分子、原子、电子等微观粒子的物质世界

【解析】　前三个选项说的当然都属于“宏观世界”，但都很片面，没有全面描述，本题应选D.

【答案】　D

3.（多选）20世纪以来，人们发现了一些新的事实，而经典力学却无法解释．经典力学只适用于解决物体的低速运动问题，不能用来处理高速运动问题；只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子．这说明（　　）

A．随着认识的发展，经典力学已成了过时的理论

B．人们对客观事物的具体认识，在广度上是有局限性的

C．不同领域的事物各有其本质与规律

D．人们应当不断地扩展认识，在更广阔的领域内掌握不同事物的本质与规律

【解析】　人们对客观世界的认识，要受到他所处的时代的客观条件和科学水平的制约，所以形成的看法也都具有一定的局限性，人们只有不断地扩展自己的认识，才能掌握更广阔领域内的不同事物的本质与规律；新的科学的诞生，并不意味着对原来科学的全盘否定，只能认为过去的科学是新的科学在一定条件下的特殊情形．所以A错，B、C、D对．

【答案】　BCD

科学是不断发展和完善的

一切科学的发展都是人们主动认识世界的过程，而每个人的研究又都是建立在前人的基础上，通过自己的努力去发展和提高．科学的成就总是在某些条件下的局部形成，在新的科学成就形成后，它将被包括在其中．爱因斯坦的相对论并没有否定牛顿力学的理论，而是把它看成是在一定条件下的特殊情形．

了解相对论和量子论

1．狭义相对论

爱因斯坦针对经典力学的运动规律在处理微观高速时所遇到的困难，创立了狭义相对论．狭义相对论的主要效应有：

（1）长度收缩：

在观测运动的物体时，物体沿运动方向上的长度会收缩．

（2）时钟变慢：

在观测运动的时钟时，时钟显示的时间变慢．

（3）质量变化：

物体的质量随速度的增大而增大．

（4）质能关系：

物体的质量和能量之间存在着相互联系的关系，关系式为：

E＝mc2.

（5）速度上限：

任何物体的速度都不能超过光速．

一般情况下，由于物体的速度v≪c，相对论效应消失，其结果还原为经典力学．因此认为经典力学是相对论力学在低速情况下的近似．

2．广义相对论

（1）爱因斯坦于1916年创立了广义相对论．根据该理论推得一些结果，例：

（a）当光线通过强引力场时，光线会发生偏折，即时空会发生“弯曲”．（b）引力场存在引力波．

（2）广义相对论把数学与物理学紧密地联系在了一起．

3．量子论的基本内容

（1）量子假设最早是在1900年由德国物理学家普朗克提出来的．

（2）量子论认为，微观世界的某些物理量不能连续变化，而只能取某些分立值，相邻两分立值之差称为该物理量的一个量子．

（3）微观粒子有时显示出波动性，有时又显示出粒子性，这种在不同条件下分别表现出经典力学中的波动性和粒子性的性质称为波粒二象性，在粒子的质量或能量越大时，波动性变得越不显著，所以我们日常所见的宏观物体，实际上可以看做只具有粒子性．

（4）由于微观粒子运动的特殊规律性，使一个微观粒子的某些物理量不可能（填“不可能”或“一定”）同时具有确定的数值．例如粒子的位置和动量，其中的一个量愈确定，另一个量就愈不确定，粒子的运动不遵守确定性规律而遵守统计规律．

1．物体高速运动时，沿运动方向上的长度会变短．（√）

2．质量是物体的固有属性，任何时候都不会变．（×）

3．对于高速运动的物体，它的质量随着速度的增加而变大．（√）

　如果你使一个物体加速、加速、再加速，它的速度会增加到等于光速甚至大于光速吗？

【提示】　不能．因为物体的质量随速度的增大而增大，假若物体的速度趋近于光速，这时物体的质量会趋近于无穷大，故不可能把物体的速度增大到等于光速，当然更不可能大于光速，因为光速是速度的最大值．

探讨：

在狭义相对论中，长度收缩是不是指物体的长度变短了？

时钟变慢是不是指时钟走得慢了？

【提示】　不是．长度收缩和时钟变慢是由于时空条件不同而引起的观测效应，不是物体的长度真的变短或时钟真的变慢了．

1．尺缩效应

运动长度l会收缩，l＝l0

，l为沿运动方向观测到的物体长度，l0为物体静止时观测到的长度，在垂直于运动方向上，物体的长度没有变化．

2．钟慢效应

运动时钟会变慢，τ＝

，即运动时钟显示的时间τ比静止的时钟显示的时间τ0延缓了，而时钟的结构并没有改变．

3．质速关系

物体的质量m随速度v的增大而变大，m＝

，m0为静止时的质量，m为运动时的质量．

4．质能关系

质量m和能量E之间存在着一个相互联系的关系式：

E＝mc2，式中c为光速．

5．任何物体的速度不能超过光速．

6．当v≪c时，相对论效应消失，其结果还原为经典力学，因此经典力学是相对论力学在低速情况下的近似．

4．假设地面上有一列火车以接近光速的速度运行，其内站立着一个中等身材的人，站在路旁的人观察车里的人，观察的结果是（　　）

【导学号：

22852123】

A．这个人是一个矮胖子

B．这个人是一个瘦高个子

C．这个人矮但不胖

D．这个人瘦但不高

【解析】　由公式l＝l0

可知，在运动方向上，人的宽度要减小，在垂直于运动方向上，人的高度不变．

【答案】　D

5．A、B两火箭沿同一方向高速飞过地面上的某处，vA＞vB.在火箭A上的人观察到的结果正确的是（　　）

A．火箭A上的时钟走得最快

B．地面上的时钟走得最快

C．火箭B上的时钟走得最快

D．火箭B上的时钟走得最慢

【解析】　在火箭A看来，地面和火箭B都高速远离自已，由t＝

知，在火箭A上的人观察到的结果是地面和火箭B的时钟都变慢了，且

vA＞vB，故地面的时钟最慢，因此A正确，B、C、D错误．

【答案】　A

6．把电子从v1＝0.9c加速到v2＝0.97c时电子的质量增加多少？

（已知电子静止质量m0＝9.1×10－31kg）

【解析】　电子速度为v1时电子质量为

m1＝

＝

电子速度为v2时电子质量为

m2＝

＝

电子质量增量为Δm＝m2－m1＝1.66×10－30kg.

【答案】　1.66×10－30kg

时间延缓效应和长度收缩效应的应用方法

1．

（1）“钟慢效应”或“动钟变慢”是在两个不同惯性系中进行时间比较的一种效应，不要认为是时钟的结构或精度因运动而发生了变化，而是在不同参考系中对时间的观测效应．

（2）运动时钟变慢完全是相对的，在两个惯性参考系中的观测者都将发现对方的钟变慢了．

2．

（1）长度收缩效应是狭义相对论时空观的一种体现，即在不同惯性系中的观测者对同一物体的同一个空间广延性进行观测，测得的结果不同．

（2）这种沿着运动方向的长度的变化是相对的；另外垂直于速度方向的长度不变．