高中物理 第4章 机械能和能源 6 能源的开发与利用教师用书 教科

6．能源的开发与利用

学 习 目 标 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．能够叙述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．了解能量耗散，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. 知 识 脉 络 能 量 守 恒 定 律

[先填空] 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． [再判断]

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．(×) [后思考]

一个叫丹尼斯·李(Dennis Lee)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．

1

Dennis Lee和他的永动机

图4-6-1

【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．

[合作探讨]

“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1 000摄氏度．

图4-6-2

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，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． [核心点击] 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

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，具体功能关系如下：

2

功 重力做功 正功 负功 弹力做功 正功 负功 合力做功 正功 负功 除重力(或系 统内弹力)外 其他力做功 正功 负功 能的变化 重力势能减少 重力势能增加 弹性势能减少 弹性势能增加 动能增加 动能减少 机械能增加 机械能减少 机械能变化 弹性势能变化 重力势能变化 表达式 WG＝Ep1－Ep2 W弹＝Ep1－Ep2 动能变化 W合＝Ek2－Ek1 W外＝E2－E1

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：67120091】

图4-6-3

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

3

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4-6-4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70 kg.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4-6-4

(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10 m/s)

位置 速度(m/s) 时刻(s) 2

A 2.0 0 B 12.0 4 C 0 10 1212

【解析】 (1)从A到B的过程中，人与雪橇损失的机械能为ΔE＝mgh＋mvA－mvB

22损失的机械能转化为热量

Q＝ΔE＝(70×10×20＋×70×22－×70×122)J＝9 100 J

(2)人与雪橇在BC段做匀减速运动的加速度

1

212

vC－vB0－122a＝＝m/s＝－2 m/s

t10－4

根据牛顿第二定律

f＝ma＝70×(－2)N＝－140 N.

【答案】 (1)9 100 J (2)140 N

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．

4

能源的利用和新能源的开发

[先填空] 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，能量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．

[再判断]

1．煤、石油、天然气属于常规能源．(√) 2．电能、焦炭、氢能属于一次能源．(×)

3．冒起的煤烟和散开的炭灰可以重新合成一堆煤炭．(×) [后思考]

近几年流行一种“自发电电动车”(如图4-6-5)，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4-6-5

【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．

[合作探讨]

5

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