第四章 学案11步步高高中物理必修二.docx
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第四章学案11步步高高中物理必修二
学案11 能源的开发与利用
[目标定位]1.了解各种不同形式的能,知道能量守恒定律确立的两类重要事实.2.理解能量守恒定律,会用能量守恒的观点分析解释一些实际问题.3.了解能源的开发和利用,知道能源短缺和环境恶化问题,增强节约能源和保护环境的意识.
一、能量守恒定律
[问题设计]
1.在验证机械能守恒定律的实验中,重物带着纸带下落时,计算结果发现,减少的重力势能的值大于增加的动能的值,即机械能的总量在减少.这部分能量消失了吗?
答案 不是.它转化成了机械能以外的其他形式的能量,除重力或弹力做功外,其他任何力对物体做功使物体的机械能增加或减少的过程,实质上都是其他形式的能与机械能相互转化的过程,在转化的过程中,能的总量是不变的.这是大自然的一条普遍规律,而机械能守恒定律只是这一条普遍规律的一种特殊情况.
2.请说明下列现象中能量是如何转化的?
(1)植物进行光合作用.
(2)放在火炉旁的冰融化变热.
(3)电流通过灯泡,灯泡发光.
答案
(1)光能转化为化学能.
(2)内能由火炉转移到冰.(3)电能转化为光能.
[要点提炼]
1.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.能量守恒定律的理解
某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加,且减少量和增加量一定相等.
某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等.
3.能量守恒定律的表达式
(1)从不同状态看,E初=E终.
(2)从能的转化角度看,ΔE增=ΔE减.
(3)从能的转移角度看,ΔEA增=ΔEB减.
二、能源的利用和新能源的开发
1.人类对能源的利用大致经历了三个时期,即柴草时期、煤炭时期、石油时期.自工业革命以来,煤和石油成为人类的主要能源.
2.能源利用方式的改进极大地提高了劳动生产率,给人类的生活带来了极大的改善,煤炭的利用和蒸汽机的诞生引起了工业革命.但能源的大量使用引起了环境问题.
3.新能源的开发
(1)在合理开发和节约使用煤、石油、天然气等常规能源的同时,要大力开发核聚变能、太阳能、风能、地热能、海洋能等新能源.
(2)正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核聚变能等.
(3)新能源的优点:
新能源多为可再生能源,且污染较小.
三、对功能关系的理解
1.功和能的关系可以从以下两个方面来理解:
(1)不同形式的能量之间的转化通过做功来实现,即做功的过程就是能量转化的过程;
(2)做了多少功就有多少能量从一种形式转化为另一种形式,即能量转化的多少可用做功的多少来量度.
2.常用的几种功能关系
功
能的变化
表达式
重力做功
正功
重力势能减少
重力势
能变化
WG=-ΔEp
=Ep1-Ep2
负功
重力势能增加
弹力做功
正功
弹性势能减少
弹性势
能变化
W弹=-ΔEp
=Ep1-Ep2
负功
弹性势能增加
合力做功
正功
动能增加
动能
变化
W合=ΔEk
=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
机械能变化
W其他=ΔE
=E2-E1
负功
机械能减少
两物体间滑动摩擦力对物体系统做功
内能变化
fx相对=Q
一、对能量守恒定律的理解
例1
下列关于能量守恒定律的认识正确的是( )
A.某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加
B.某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机械——永动机不可能制成
D.石子从空中落下,最后静止在地面上,说明机械能消失了
解析 根据能量守恒定律可知,能量既不会凭空产生,也不会凭空消失.能量只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到其他物体,A、B对,D错.永动机违背了能量守恒定律,故它不可能制造出来,C对.
答案 ABC
二、能量守恒定律的应用
例2
如图1所示,一个粗细均匀的U形管内装有同种液体,液体质量为m.在管口右端用盖板A密闭,两边液面高度差为h,U形管内液体的总长度为4h,拿去盖板,液体开始运动,由于管壁的阻力作用,最终管内液体停止运动,则该过程中产生的内能为( )
图1
A.
mghB.
mgh
C.
mghD.
mgh
解析 去掉右侧盖板之后,液体向左侧流动,最终两侧液面相平,液体的重力势能减少,减少的重力势能转化为内能.如图所示,最终状态可等效为右侧
h的液柱移到左侧管中,即增加的内能等于该液柱减少的重力势能,则Q=
mg·
h=
mgh,故A正确.
答案 A
例3
如图2所示,在光滑的水平面上,有一质量为M的长木块以一定的初速度向右匀速运动,将质量为m的小铁块无初速度地轻放到长木块右端,小铁块与长木块间的动摩擦因数为μ,当小铁块在长木块上相对长木块滑动L时与长木块保持相对静止,此时长木块对地的位移为l,求这个过程中
图2
(1)系统产生的热量;
(2)小铁块增加的动能;(3)长木块减少的动能;(4)系统机械能的减少量.
解析 画出这一过程两物体位移示意图,如图所示.
(1)m、M间相对滑动的位移为L,根据能量守恒定律,有Q=μmgL,即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量.
(2)根据动能定理有μmg(l-L)=
mv2-0,其中(l-L)为小铁块相对地面的位移,从上式可看出ΔEkm=μmg(l-L),说明摩擦力对小铁块做的正功等于小铁块动能的增加量.
(3)摩擦力对长木块做负功,根据功能关系,得ΔEkM=-μmgl,即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgl.
(4)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE=μmgL.
答案
(1)μmgL
(2)μmg(l-L) (3)μmgl (4)μmgL
三、对功能关系的理解
例4
升降机底板上放一质量为100kg的物体,物体随升降机由静止开始竖直向上移动5m时速度达到4m/s,则此过程中(g取10m/s2)( )
A.升降机对物体做功5800J
B.合外力对物体做功5800J
C.物体的重力势能增加5000J
D.物体的机械能增加800J
解析 根据动能定理得:
W升-mgh=
mv2,可解得W升=5800J,A正确;合外力做功为
mv2=
×100×42J=800J,B错误;物体重力势能增加mgh=100×10×5J=5000J,C正确;物体机械能增加量等于支持力做的功ΔE=Fh=W升=5800J,D错误.
答案 AC
针对训练 质量为m的物体以加速度a=
g,匀加速下落h,g为重力加速度,则( )
A.物体重力势能减小
mgh
B.物体重力势能减小mgh
C.物体动能增加
mgh
D.物体机械能减小
mgh
答案 BCD
解析 重力势能减少量等于重力做的功,所以ΔEp减=mgh,故A错,B对;物体动能增量ΔEk等于合力的功,故ΔEk=mah=
mgh,C对;物体机械能的减少量等于克服阻力做的功.
由牛顿第二定律知mg-f=ma
所以f=
mg
所以机械能减少量,ΔE机减=fh=
mgh,D对.
1.能量守恒定律的表达式
E初=E终或ΔE增=ΔE减或ΔEA增=ΔEB减.
2.能源的利用和新能源的开发
3.功能关系的理解
(1)功是能量转化的量度.
(2)常用的几种功能关系.
1.(对能量守恒定律的理解)利用能源的过程实质上是( )
A.能量的消失过程
B.能量的创造过程
C.能量不守恒的过程
D.能量转化或转移并且耗散的过程
答案 D
解析 利用能源的过程实质上是能量转化或转移的过程,在能源的利用过程中能量是耗散的,A、B、C错误,D正确.
2.(能量守恒定律的应用)一颗子弹以某一速度击中静止在光滑水平面上的木块,并从中穿出,对于这一过程,下列说法正确的是( )
A.子弹减少的机械能等于木块增加的机械能
B.子弹和木块组成的系统机械能的损失量等于系统产生的热量
C.子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和
D.子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块和子弹增加的内能之和
答案 BD
3.(对功能关系的理解)一质量为1kg的物体被人用手以2m/s的速度竖直向上匀速提升1m,则下列说法正确的是(g取10N/kg)( )
A.物体上升过程中机械能守恒
B.物体的机械能增加10J
C.合外力对物体做功2J
D.物体克服重力做功2J
答案 B
解析 物体匀速上升,动能不变,重力势能增加,机械能增加,A错;由力的平衡条件可知手对物体的力的大小等于物体的重力10N,故人手对物体做功10J,机械能增加10J,B对;合外力做功为零,C错;重力做功为-10J,即物体克服重力做功10J,D错.
4.(功能关系的应用)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,如图3所示.若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ,传送带足够长,当小木块与传送带相对静止时.求:
图3
(1)小木块的位移;
(2)传送带转过的路程;
(3)小木块获得的动能;
(4)摩擦过程中产生的内能;
(5)因传动小木块电动机多消耗的电能.
答案
(1)
(2)
(3)
mv2 (4)
mv2
(5)mv2
解析
(1)由牛顿第二定律:
μmg=ma,得a=μg
由公式v=at得t=
,小木块的位移x1=
t=
(2)传送带始终匀速运动,路程x2=vt=
(3)小木块获得的动能Ek=
mv2
(4)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=x2-x1=
,产生的内能Q=μmg·x相对=
mv2
(5)根据能量守恒定律电动机多消耗电能
ΔE=Q+Ek=mv2.
题组一 对能量守恒定律的理解
1.市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图1所示).在阳光的照射下,小电扇快速转动,能给炎热的夏季带来一丝凉爽.该装置的能量转化情况是( )
图1
A.太阳能→电能→机械能
B.太阳能→机械能→电能
C.电能→太阳能→机械能
D.机械能→太阳能→电能
答案 A
解析 电池板中太阳能转化为电能,小电动机中电能转化为机械能.
2.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.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
答案 AD
解析 三个现象中物体运动过程中都受到阻力,汽车主要受到制动阻力,流星、降落伞受到空气阻力,因而物体都克服阻力做功,A对;三个物体运动过程中,汽车是动能转化成了内能,流星、降落伞是重力势能转化成其他形式的能,总之是机械能转化为其他形式的能,D对.
3.自由摆动的秋千摆动的幅度越来越小,下列说法中正确的是( )
A.机械能守恒
B.能量正在消失
C.只有动能和重力势能的相互转化
D.减少的机械能转化为内能,但总能量守恒
答案 D
解析 在秋千摆动的过程中,由于阻力的存在,需要克服阻力做功,机械能会减少,但能量并没有消失,减少的机械能转化为内能,总能量保持不变.
4.在最近几年的空调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启动时,很耗能,是正常运行的5~7倍.空调在工作时达到设定温度就停机,等温度高了再继续启动.这样的频繁启动,耗电多,而变频空调启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功时,消耗同样电能
答案 CD
解析 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.
5.关于能源的开发和节约,你认为以下观点错误的是( )
A.能源是有限的,无节制地利用常规能源,如石油之类,是一种盲目的短期行为
B.根据能量守恒定律,担心能源枯竭实在是一种杞人忧天的表现
C.能源的开发利用,必须要同时考虑对环境的影响
D.和平利用核能是目前开发新能源的一项有效途径
答案 B
解析 虽然能量守恒,但由于能量耗散现象的存在,可利用能源仍存在减少问题,故要节约能源和开发新能源.
题组二 对功能关系的理解
6.将质量为m的小球在距地面高度为h处抛出.抛出时的速度大小为v0,小球落到地面时的速度大小为2v0.若小球受到的空气阻力不能忽略,则对于小球下落的整个过程中,下列说法正确的是( )
A.小球克服空气阻力做的功小于mgh
B.重力对小球做的功等于mgh
C.合外力对小球做的功小于mv
D.合外力对小球做的功等于mv
答案 AB
解析 由题意可知,小球落地时的速度比抛出时大,即从抛出到落地的过程中,动能变大了.根据动能定理W合=ΔEk,则W合>0,即重力所做的功大于阻力所做的功.而这个过程中重力对小球做的功为WG=mgh,所以A、B正确.从抛出到落地的过程中,合外力做的功等于小球动能的变化量,即W合=
m(2v0)2-
mv
=
mv
>mv
,故C、D均错.
7.悬崖跳水是一项极具挑战性的极限运动,需要运动员具有非凡的胆量和过硬的技术.跳水运动员进入水中后受到水的阻力而做减速运动,设质量为m的运动员刚入水时的速度为v,水对他的阻力大小恒为F,那么在他减速下降深度为h的过程中,下列说法正确的是(g为当地的重力加速度)( )
A.他的动能减少了(F-mg)h
B.他的重力势能减少了mgh-
mv2
C.他的机械能减少了Fh
D.他的机械能减少了mgh
答案 AC
解析 在进入水中的过程中,由动能定理,mgh-Fh=Ek′-Ek,所以动能的减少量为Ek-Ek′=(F-mg)h,故A正确;重力势能的减少量等于重力所做的功,即mgh,故B错误;克服阻力所做的功等于机械能的减少量,即等于Fh,故C正确,D错误.
8.节日燃放礼花弹时,要先将礼花弹放入一个竖直的炮筒中,然后点燃礼花弹的发射部分,通过火药剧烈燃烧产生的高压燃气,将礼花弹由炮筒底部射向空中,若礼花弹在由炮筒底部击发至炮筒口的过程中,克服重力做功W1,克服炮筒阻力及空气阻力做功W2,高压燃气对礼花弹做功W3,则礼花弹在炮筒内运动的过程中(设礼花弹发射过程中质量不变)( )
A.礼花弹的动能变化量为W3+W2+W1
B.礼花弹的动能变化量为W3-W2-W1
C.礼花弹的机械能变化量为W3-W1
D.礼花弹的机械能变化量为W3-W2-W1
答案 B
解析 A、B项,礼花弹在炮筒内运动的过程中,重力、炮筒阻力及空气阻力、高压燃气对礼花弹做功,三个力做的功的和为W3-W2-W1,故A错误,B正确;C、D项除重力外其余力做的功是机械能变化的量度,故高压燃气做的功和空气阻力和炮筒阻力做的功之和等于机械能的变化量,即机械能的变化量为W3-W2,故C、D错误.
9.2012年9月16日,首届矮寨国际低空跳伞节在湖南吉首市矮寨大桥拉开帷幕.来自全球17个国家的42名跳伞运动员在矮寨大桥上奉献了一场惊险刺激的低空跳伞极限运动表演.他们从离地350米高的桥面一跃而下,实现了自然奇观与极限运动的完美结合.如图2所示,假设质量为m的跳伞运动员,由静止开始下落,在打开伞之前受恒定阻力作用,下落的加速度为
g,在运动员下落h的过程中,下列说法正确的是( )
图2
A.运动员的重力势能减少了mgh
B.运动员的动能增加了
mgh
C.运动员克服阻力所做的功为
mgh
D.运动员的机械能减少了
mgh
答案 AB
题组三 能量守恒定律的应用
10.一质量为2kg的物块从离地80m高处自由落下,测得落地速度为30m/s,求下落过程中产生的内能.(g取10m/s2)
答案 700J
解析 这里,内能显然无法直接计算,但是下落过程中减少的机械能转化成了内能.
根据能量守恒,产生的内能为
E=mgh-
mv2=(2×10×80-
×2×302)J=700J.
11.如图3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,O点附近光滑,滑块经过O点不发生碰撞.若滑块从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,求A、B两点间的高度差.(假设滑块从A到B与从B到A因摩擦而产生的内能相同)
图3
答案
解析 滑块从A到B,由能量守恒定律得
mgΔh=E内.
滑块从B到A,由能量守恒定律得
mv2=mgΔh+E内.
联立以上两式解得
Δh=
.
12.如图4所示,皮带的速度是3m/s,两圆心距离s=4.5m,现将m=1kg的小物体轻放在左轮正上方的皮带上,物体与皮带间的动摩擦因数μ=0.15,电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时,求:
图4
(1)小物体获得的动能Ek;
(2)这一过程摩擦产生的热量Q;
(3)这一过程电动机消耗的电能E是多少?
(g=10m/s2)
答案
(1)4.5J
(2)4.5J (3)9J
解析
(1)μmgs′=
mv2
所以s′=3m<4.5m,即物体可与皮带达到共同速度,
Ek=
mv2=
×1×32J=4.5J.
(2)μmg=ma a=1.5m/s2 v=at t=2s
Q=μmg(vt-s′)=0.15×1×10×(6-3)J=4.5J
(3)E电=Ek+Q=4.5J+4.5J=9J.
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