物理必修210.能量守恒定律与能源优质教学设计及反思

10.能量守恒定律与能源

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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变．

2．建立定律的两个重要事实

(1)确认了永动机的不可能性．

(2)各种自然现象之间能量的相互联系与转化．

3．机械能守恒定律与能量守恒定律的关系

机械能守恒定律是能量守恒定律的特殊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(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．

Dennis Lee和他的永动机

图7­10­1

【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．

“神舟十一号”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7­10­2

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．

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：

1．(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：50152144】

图7­10­3

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

2．如图7­10­4所示，是某兴趣小组通过弹射器研究弹性势能的实验装置．半径为R的光滑半圆管道(管道内径远小于R)竖直固定于水平面上，管道最低点B恰与粗糙水平面相切，弹射器固定于水平面上．某次实验过程中，一个可看作质点的质量为m的小物块，将弹簧压缩至A处，己知A、B相距为L.弹射器将小物块由静止开始弹出，小物块沿圆管道恰好到达最高点C.己知小物块与水平面间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g，求：

图7­10­4

(1)小物块到达B点时的速度vB及小物块在管道最低点B处受到的支持力；

(2)小物块在AB段克服摩擦力所做的功；      

(3)弹射器释放的弹性势能Ep.

 【导学号：50152145】

【解析】　(1)判断：小物块恰到C点，则vC＝0

从B点到C点小物块机械能守恒，则mv＝2mgR

所以，vB＝2

B处，由牛顿第二定律得：FN－mg＝m

所以，FN＝5mg.

(2)小物块在AB段克服摩擦力所做的功WAB＝μmgL.

(3)由能量守恒可知，弹射器释放的弹性势能Ep＝WAB＋2mgR＝mg(2R＋μL)．

【答案】　(1)2　5mg　(2)μmgL

(3)mg(2R＋μL)

利用能量转化与转移解题的两点注意

(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化，也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移．

(2)能量在转化与转移的过程中，能量的总量保持不变．利用能量守恒定律解题的关键是正确分析有多少种能量变化，分析时避免出现遗漏．

1．能量耗散

燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用．电池中的化学能转化为电能，它又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物体吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些散失的能量收集起来重新利用．这种现象叫做能量的耗散．

2．能源危机的含义

在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了．

3．能量转化的方向性与节约能源的必要性

能量耗散反映了能量转化的宏观过程具有方向性，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源．

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．(×)

近几年流行一种“自发电电动车”(如图7­10­5)，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7­10­5

【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7­10­6

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

3．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

4．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

5．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．②③   D．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.