2020年高中物理教学设计(新人教必修二)7.10《能量守恒定理与能源》2.docx

第10节  能量守恒定律与能源备课参考
备课参考
科学概念的作用在于它具有概括多种自然现象的力量，能量就是从千差万别的各种自然现象中抽象出来的概念。能量从更深的层次上反映了物质运动和相互作用的本质。能量守恒定律是人们生疏自然的重要工具。能量关系到人们的衣食住行，关系到国家的兴盛发达。能源的开发和利用，是关系人类生存和进展的一个重大的社会问题。我们应直立科学的世界观，形成可持续进展的意识。
1.  各种形式能量的相互转化
现实生活的阅历告知我们，各种形式的能量是可以相互转化的。例如：在摩擦生热的现象中，克服摩擦力做多少功，就有多少机械能转化成等量的内能；通过电流的导线变热，电能转化成内能；燃料燃烧生热，化学能转化成内能；灼热的灯丝发光，内能转化成光能。试验证明，在这些转化过程中，能量都是守恒的。
2.  科学家对能量守恒的探究
对于能量守恒，科学家进行了长期的探究：1801年，戴维发觉了电流的化学效应；1820年，奥斯特发觉了电流的磁效应；1821年，塞贝克发觉了温差电现象；1831年，法拉第发觉了电磁感应现象；1840年，焦耳发觉了电流的热效应；1842年，迈尔表述了能量守恒定律，并计算出热功当量的数值；1843年，焦耳测定了热功当量的数值。从而，确立了电化学、电和磁、电和热、力和热等自然现象之间的联系。1847年，亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律。……
发觉能量守恒定律的历史表明，能量守恒定律的发觉不是偶然的它是人类对自然生疏进展到肯定阶段的产物；除了物理学外，别的学科对能量守恒定律的发觉也有贡献。
3.  关于能量守恒定律
能量既不会毁灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。
能量守恒定律是经过人类的长期探究在19世纪确立的。恩格斯曾经把这肯定律称为“宏大的运动基本规律”，认为它的发觉是19世纪连同细胞学说、达尔文的生物进化论在内的自然科学的三大发觉之一。
能量守恒定律自建立以来，就是人们生疏自然、改造自然的有力武器。这个定律把广泛的自然科学技术领域联系起来使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言，并取得了很多重大成就。现在，能量守恒定律仍旧是我们争辩自然科学的强有力的武器之一。
4.  为什么要节省能源
教材在本节“思考与争辩”栏目中提出了这样的问题：“既然能量是守恒的，不行能毁灭，为什么我们还要节省能源？”这一问题值得争辩。其实，节省能源主要是出于以下两方面的考虑：
① 能源短缺 在近二三百年以来，人类相继创造了蒸汽机、内燃机、电动机等动力机械，使生产力得到了飞速进展。但是，能源的消耗也急剧增长。争辩人员估量，依据目前的石油开采和消耗速度，地球上的石油贮存将在百年内用完；煤的储量稍多一些，但也将在二百多年的时间内采完。可以想象，假如没有了石油和煤炭，汽车、飞机、轮船和铁路上的内燃机车都不能开动，火力发电厂将停止发电，人类的社会生活将会瘫痪。
② 能量耗散 宏观过程具有肯定的方向性，例如：两种气体放在一个容器内，总会均匀地混合到一起，但不会再自发地分别开来。在能量的转化和转移过程中也是如此，例如：摩擦力做功的过程，要损耗机械能而生热，产生的热不行能全部用来做机械功；热量只能自发地从高温物体传给低温物体，而不行能从低温物体传向高温物体又不产生其他影响；燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它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，它又通过灯泡转化为内能和光能，我们也无法把这些内能收集起来重新利用。这些实例说明，在能量的转化和转移过程中，能量的总量是守恒的，但能量的品质却降低了，可被人类直接利用的能量在渐渐削减，这就是能量耗散现象。所以。能量虽然守恒，但我们还要节省能源。
5.  能量转化和能量转移方向性的进一步说明
在物理学中，能量转化和能量转移的方向性是用热力学其次定律来表述的。热力学其次定律有多种表述，两种最常见的表述形式是：
开尔文表述——不行能从单一热源吸热，使之完全变成有用的功，而不引起其他变化。
克劳修斯表述——不行能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。
热力学其次定律使人们生疏到，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。可见，不消耗任何能量而能不断做功，或者少消耗能量而能做更多功的机器（第一类永动机）是不行能的；从单一热源吸热，使之完全变成有用的功而不产生其他影响的机器（其次类永动机）也是不行能的。前者违反了能量守恒定律，后者尽管不违反能量守恒定律，但是却违反反映能量转化和能量转移方向性的规律——热力学其次定律。
对于热力学其次定律，以及反映功、热量跟内能变化之间定量关系的热力学第肯定律，我们将在物理选修模块中深化争辩。
6.  能源的开发和利用
目前，对能源的开发和利用已越来越受到人们的极大关注。我们不仅要留意节省能源，还要重视能源的合理开发。
节省能源的方法有：接受高效锅炉，节省燃料；接受高温高压蒸汽轮机，提高热机效率；充分利用废气余热，提高燃料利用率；从能源直接得到电能，提高发电效率；等等。
在合理开发和节省使用煤、石油、自然气等常规能源的同时，要大力开发核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等新能源。
7.  对功是能量转化的量度的再生疏
能量转化是与做功紧密地联系在一起的。力做功时，必定伴随着能量的转化，而且功与能量转化的量值是相等的。这一等量关系不仅供应了计算功的大小的另一种途径，而且涉及功与能的其他物理量也可能在这一等量关系中求出。在力学中，常涉及以下几种力的功引起的相应的能量变化的等量关系：
① 合外力所做的功或外力所做功的代数和等于物体或物体系动能的变化——动能定理；
② 除了重力和弹力外，其他力对物体系所做的功等于物体系机械能的变化——功能原理；
③ 重力或弹力对物体所做的功与重力势能或弹性势能的变化数值相等；
④ 两物体间滑动摩擦力对物体系所做的功与物体系增加的内能数值相等。
典型例题
本节学问的应用主要涉及对能量守恒定律和能源问题的理解，以及有关能量转化、能源开发和利用问题的计算。
例1 试说明下列现象中能量是怎样转化的：
A. 在水平大路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最终停止。
B. 电风扇通电后开头转动，断电后转动着的风扇又渐渐停下来。
C. 火药爆炸产生燃气，子弹在燃气的推动下从枪膛放射出去，射穿一块钢板，速度减小。
D. 用柴油机带动发电机发电，供应电动水泵抽水，把水从低处抽到高处。
提示 从能量的种类和做功状况加以分析。
解析 A. 在水平大路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最终停止。这一过程中，汽车所受的阻力做负功，机械能转化为内能。
B. 电风扇通电后开头转动，电流做功，电能转化为机械能，有一部分转化为内能；断电后转动着的风扇又渐渐停下来，阻力做负功，机械能转化为内能。
C. 火药爆炸产生燃气，化学能转化为内能；子弹在燃气的推动下从枪膛放射出去，推力做功，内能转化为机械能；子弹射穿一块钢板，速度减小，阻力做负功，机械能转化为内能。
D. 用柴油机带动发电机发电，化学能转化为机械能，又转化为电能；发电机发电后供应电动水泵抽水，电流做功，电能转化为机械能；电动水泵把水从低处抽到高处，水泵对水做功，使水泵的机械能传递给水。
点悟 做功的过程就是能量转化或转移的过程。各种能量可以相互转化，而在转化过程中，能量的总量则保持不变。
图1
D
A
B
C
例2 一质量均匀、不行伸长的绳索，重为G，A、B两端固定在天花板上，如图1所示。现在最低点C处施加一竖直向下的力，将最低点缓慢拉至D点。在此过程中，绳的重心位置（ ）
A. 渐渐上升 B. 渐渐降低
C. 先降低后上升 D. 始终不变
提示 从外力做功引起绳索重力势能的变化进行分析。
解析 外力对绳索做功，绳索的机械能增加。由于绳索的动能不变，增加的必是重力势能，重力势能增加是重心上升的结果。正确选项为A。

图2
点悟 本题绳索重心的具体位置很难确定，且往往会错误地认为：外力将绳索向下拉，绳索的重心会渐渐降低。这里，我们应用功能原理，对问题作出了正确的推断。
例3 约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图2所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为：假如在斜坡底放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。
　　在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机竟然改头换面地消灭过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，而且竟在德国取得了专利权！
请你分析一下，维尔金斯“永动机”能实现吗?
提示 运用能量守恒定律进行分析。
解析 维尔金斯“永动机”不行能实现，由于它违反了能量守恒定律。小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消。可见，维尔金斯“永动机”不行能源源不断向外供应能量，所以维尔金斯“永动机”不行能实现。
点悟 能量守恒定律告知我们：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，那种不消耗能量的所谓“永动机”是不行能造成的。人类利用自然，必需遵循自然规律，而不是去研制永久无法实现的“永动机”。
例4 随着人类能量消耗的快速增加，如何有效地提高能量利用率是人类所面临的一项重要任务。上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案将站台抬高了一些，与站台连接的轨道有一个小的坡度。请你从提高能量利用效率的角度，分析这种设计的优点。
提示 从能量转化的角度分析如何提高能量的利用率。
解析 列车进站时，利用上坡使部分动能转化为重力势能加以储存，削减了因刹车而损耗的机械能；列车出站时，利用下坡把储存的重力势能又转化为动能，起到节能的作用，从而提高了能量的利用率。
点悟 节省能源是涉及社会可持续进展的重大问题，应当引起人们的极大关注。上海“明珠线”某轻轨车站的上述设计方案，正是从节省能源的角度提出的。这里，我们看到了物理规律与实际生活的亲密联系及其发挥的重要作用。
例5 下列说法正确的是（ ）
A. 热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B. 只要对热机不断改革，就可使热机把它得到的全部内能转化为机械能
C. 不行能从单一热源吸取热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
D. 凡是不违反能量守恒定律的过程都肯定能实现
提示 用反映能量转化和能量转移方向性的规律——热力学其次定律进行推断。
解析 热量会自发地从高温物体传给低温物体，而不会自发地才低温物体传给高温物体，但假如有外界的影响或者挂念，热量也能从低温物体传到高温物体。例如：电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功，能够不断地把冰箱内（低温）的热量传给外界的空气（高温）。
热机不能把它得到的全部内能转化为机械能，由于热机必需有热源和冷凝器，热机工作时总要向冷凝器散热，不行避开地要由工作物质带走一部分热量。
依据热力学其次定律，不行能从单一热源吸取热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
不违反能量守恒定律，但违反热力学其次定律的过程，同样不能实现。
可见，正确选项为C。
图3
A
B
C
点悟 热力学其次定律是关于热量传递不行逆性的一条基本规律。对热力学其次定律的正确理解是：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
例6 如图3所示，小球以60J的初动能从A点动身沿粗糙斜面对上运动，在上升到B点的过程中，小球的动能损失了50J，机械能损失了10J，则小球连续向上运动至最高点C再运动至动身点A时的动能为多少？
提示 由于斜面粗糙，小球克服摩擦力做功，机械能转化为内能，所以小球的机械能不守恒，可应用动能定理和功能原理求解。
解析 小球在由A点到B点的过程中，动能的损失量对应于克服合外力所做的功，机械能的损失量对应于克服摩擦力所做的功。由动能定理得WG+WF=△Ek=－50J，由功能关系得WF=△E=－10J，又F︰G =WF︰WG，由以上三式可得 F︰G =1︰4。
小球在由B点到C点的过程中，动能削减10J，由动能定理得WG’+WF’=△Ek’=－10J，又WF’︰WG’ = F︰G =1︰4，由以上两式可得WF’=－2J。
所以，上升过程中小球克服摩擦力做功12J，一上一下，全过程小球克服摩擦力做功24J。在小球运动的全过程中由动能定理得 = Ekt－Ek0，
解得小球运动至动身点A时的动能为Ekt=+ Ek0=－24J+60J=36J。
点悟 本题涉及功与能的几个对应关系。争辩动能的变化，只要看合外力做了多少功（本题中即为重力与摩擦力所做功之和）；争辩机械能的变化，只要看除重力、弹力以外的力总共做了多少功（本题中即为摩擦力所做的功）。必需弄清各种能量的变化与什么力所做的功相对应，否则可能乱套公式而出错。

课本习题解析

1. 家用电饭锅是把电能转化为内能，洗衣机是把电能转化为动能，等等。
2. (1) 依题意可知，三峡水库其次期蓄水后，用于发电的水流量每秒为
 1.35×104m3－3 500m3=10 000m3/s
每秒钟转化为的电能是mgh×20%=ρVgh×20%=1.0×103×1.0×104×10×135×20%J/s=2.7×109 J/s，发电功率最大是2.7×109W=2.7×106kW。
(2) 设三口之家每户的家庭生活用电功率为1kW，考虑到不是每家同时用1kW的电，我们平均每家同时用电0.5kW，则三峡发电站能供应 户=5.8×106户用电，人口数为3×5.8×106人≈17×106人，即可供17个百万人口城市的生活用电。
巩固练习
1. 能源是人类社会活动的物质基础。人类利用能源大致经受了三个时期，依次是（ ）
A. 柴薪时期、煤炭时期、石油时期    B. 柴薪时期、石油时期、煤炭时期
C. 煤炭时期、石油时期、电力时期 D. 畜力时期、热力时期、电力时期
2. 关于能量耗散，下列说法中正确的是（ ）
A. 能量耗散是指在肯定条件下，能量在转化过程中总量削减了
B. 能量耗散表明，能量守恒定律具有肯定的局限性
C. 能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未削减，但在可利用的品质上降低了
D. 能量耗散从能量转化的角度，反映出自然界中宏观过程的方向性
3. 下列说法中正确的是（ ）
A. 不同形式能量的转化是通过做功来实现的
B. 做功的过程总是伴随着能量的变化
C. 某种形式的能量增加10J，肯定有其他形式的能量削减10J
D. 某个物体的能量削减10J，肯定有其他物体的能量增加10J
4. 运动员把原来静止的足球踢出去，使足球获得100J的动能。则在运动员踢球的过程中，运动员消耗的体能（ ）
A. 等于100J   B. 大于100J   C. 小于100J  D. 无法确定
5. 斜面的高是0.6m，倾角是37°，质量是1kg的物体由顶端滑到底端。已知动摩擦因数是0.5，g取10m/s2，在这个过程中产生多少热量？
6. 水能是可再生能源，可用来发电为人类供应清洁的能源。若一水力发电站水库平均流量为Q m3/s，落差为h m。试回答和计算：
(1) 水力发电过程是什么能之间的转化？
(2) 设发电效率为η，则全年的发电量为多少？（用kW·h来表示）
O
Ek
s
(a)
O
(b)
O
(c)
O
(d)
图4
Ek
Ek
Ek
s
s
s
8. 将一物体竖直向上抛出，不计空气阻力，则物体的动能—路程图象应是图4中的（ ）
A. (a) 图    B. (b) 图    C. (c) 图    D. (d) 图
9. 小球质量为m，在距地面h高度处以v0的初速度竖直向上抛出，设空气阻力恒为F，且小于mg，小球与地面碰撞过程中不损失机械能，则小球在整个过程中经受的路程是多少？
10. 用一个底面积是500cm2、高不小于2cm的圆柱形容器，内装水1kg，可用来估测射到地面上的太阳能。在日光垂直照射5min后，水温上升了2.5°C。试估算在日光直射下地球表面每平方米每秒钟获得的热量。（忽视容器吸取的和散失到四周的热量）
参考答案
1. A 2. CD 3. ABCD 4. ABC
5. 原来静止的足球获得了100J的动能，说明在踢球过程中运动员对足球做了100J的功，有100J的体能（即体内的化学能）转化成了动能；同时运动员在踢球的过程中，由于自身的猛烈运动，也要消耗一部分体能。所以，运动员消耗的体能大于100J。
6. 在这个过程中产生的热量等于物体克服摩擦力所做的功，即
Q=W=Fx=μmgcosθ·J=4J。
7. (1) 水力发电过程是水的重力势能转化为动能，再转化为电能。
(2) 全年的发电量为W=Pt=ηρQght=ηQh×103×9.8×10-3×24×365 kW·h≈8.58×104ηQh kW·h。
8. 设物体抛出时的初动能为Ek 0，物体所能达到的最大高度为H，依据重力做功与物体动能变化的关系，在物体上升阶段由 －mgs=Ek－Ek 0，可得Ek= Ek 0－mgs（0≤s≤H），在物体的动能—路程（Ek－s）图象中应是向下倾斜的直线段。
同理，在物体下落阶段由mg(s－H)= Ek ，可得Ek= mgs－mgH（H≤s≤2H），在物体的动能—路程（Ek－s）图象中应是向上倾斜的直线段。
所以，正确选项为B。
9. 小球在整个过程中克服阻力做功，机械能转化为内能，有，解得小球经受的路程是。
10. 设日光直射下地球表面每平方米每秒钟获得的热量为E0，依据能量守恒定律有E0St=cm△t，所以J/(m2·s)=700 J/(m2·s)。