物理(教科版必修2)第四章 第6节能源的开发与利用

第6节能源的开发与利用
1．能量既不会凭空________，也不会凭空________，它只能从一种形式________为另一种形式，或者从一个物体________到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量__________，这个规律称为能量守恒定律．
2．能源是指能够提供某种形式能量的____________．人类利用的能源最初有____________、________、________、________等．人类对能源的利用经历了三个时期：________时期、________时期、________时期．
3．煤、石油、天然气等化石燃料使用后不能再次生成，也不可重复使用，所以称为____________能源．并且化石燃料的使用会造成严重的环境污染，因此我们应____________、积极开发和利用____________．
【概念规律练】
知识点一能量守恒定律
1．关于能量守恒定律，下列说法错误的是()
A．能量能从一种形式转化为另一种形式，但不能从一个物体转移到另一物体
B．能量的形式多种多样，它们之间可以相互转化
C．一个物体能量增加了，必然伴随着别的物体能量减少
D．能量守恒定律说明了能量既不会凭空产生也不会凭空消失
2．下列说法正确的是()
A．随着科技的发展，永动机是可以制成的
B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消
失了
C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的
D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明
能量可以凭空产生
3．历史上曾有许多人试图发明一种机器，它可以不消耗能量而连续不断地对外做功，或
者消耗少量能量而做大量的功．如图1所示为一种永动机的设计模型．人们把这种设想
中的不消耗能量的机器叫做第一类永动机．这样的机器能制造出来吗？请你谈谈你的看
法．
图1
知识点二能量转化问题分析
4．指出下列现象中能量的转化或转移情况．
(1)植物的光合作用．
(2)雨天时发生雷电．
(3)人在跑步时，身体发热．
(4)手摇发电机发电使灯泡发光．
(5)风吹动帆船前进．
5．一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块，并从中穿出．关于这一过程，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．子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和
【方法技巧练】
一、利用能量守恒定律解题的方法
6.
图2
如图2所示，质量为m，速度为v0的子弹，水平匀速飞行，击中前方悬挂于长为L的轻绳下端的木块(质量为M)；子弹未能穿出木块，使悬绳偏离竖直方向的最大偏角为θ，则子弹击中木块后产生的内能为多少？
7．水从20 m高处落下，如果水的重力势能的20%用来使水的温度升高，则水落下后的温度将升高多少？(g取10 m/s2)
二、用功能关系分析能量的转化
8．如图3所示，
图3
质量为m 的物体(可视为质点)以某一速度由底端冲上倾角为30°的固定斜面，上升的最
大高度为h ，其加速度大小为3
4
g .在这个过程中，物体( )
A ．重力势能增加了mgh
B ．动能损失了mgh
C ．动能损失了3mgh
2
D ．机械能损失了mgh
1．关于功和能，下列说法中正确的是( ) A ．功和能的单位相同，物理意义也相同 B ．物体未对外做功，这个物体就不具有能量 C ．物体对外做功多，这个物体具有的能量就多 D ．功和能不能相互转化，是不同的两个物理量 2．有关功和能，下列说法正确的是( ) A ．力对物体做了多少功，物体就具有多少能 B ．物体具有多少能，就一定能做多少功 C ．物体做了多少功，就有多少能量消失
D ．能量从一种形式转化为另一种形式时，可以用功来量度能量转化的多少 3．下列关于对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 ．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加
C ．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机不可能制成
D ．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
4．有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度．他的办法是：关好房间的门窗然后打开 冰箱的所有门让冰箱运转，且不考虑房间内外热量的传递，则开机后，室内的温度将 ( )
A ．逐渐有所升高
B ．保持不变
C ．开机时降低，停机时又升高
D ．开机时升高，停机时降低
5．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火焰； 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 6.
图4
一质量均匀且不可伸长的绳索，重为G ，A 、B 两端固定在天花板上，如图4所示．今在 最低点C 施加一竖直向下的力将绳缓慢拉至D 点，在此过程中，绳索AB 的重心位置 ( )
A ．逐渐升高
B ．逐渐降低
C ．先降低后升高
D ．始终不变 7．如图5所示，
图5
轻质弹簧长为L，竖直固定在地面上，质量为m的小球，在离地面高度为H处，由静止开始下落，正好落在弹簧上，使弹簧的最大压缩量为x.在下落过程中，小球受到的空气阻力为F阻，则弹簧在最短时具有的弹性势能为()
A．(mg－F阻)(H－L＋x)
B．mg(H－L＋x)－F阻(H－L)
C．mgH－F阻(H－L)
D．mg(L－x)＋F阻(H－L＋x)
8．如图6所示，
图6
在抗洪救灾中，一架直升机通过绳索用恒力F竖直向上拉起一个漂在水面上的木箱，使其由水面开始加速上升到某一高度，若考虑空气阻力而不考虑空气浮力，则在此过程中，以下说法正确的有()
A．力F所做的功减去克服阻力所做的功等于木箱重力势能的增量
B．木箱克服重力所做的功等于木箱重力势能的增量
C．力F、重力、阻力三者的合力所做的功等于木箱动能的增量
D．力F和阻力的合力所做的功等于木箱机械能的增量
9.
图7
如图7所示，一块长木板B放在光滑的水平面上，在B上放一物体A，现以恒定的外力拉B，由于A、B间摩擦力的作用，A将在B上滑动，以地面为参照物，A、B都向前移动一段距离．在此过程中()
A．外力F做的功等于A和B动能的增量
B．B对A的摩擦力所做的功，等于A的动能增量
C．A对B的摩擦力所做的功，等于B对A的摩擦力所做的功
D．外力F对B做的功等于B的动能的增量与B克服摩擦力所做的功之和
10．如图8所示，
图8
跳水运动员最后踏板的过程可以简化为下述模型：运动员从高处落到处于自然状态的跳板(A位置)上，随跳板一同向下运动到最低点(B位置)，对于运动员从开始与跳板接触到运动至最低点的过程，下列说法中正确的是()
A．运动员到达最低点时，其所受外力的合力为零
B．在这个过程中，运动员的动能一直在减小
C ．在这个过程中，跳板的弹性势能一直在增加
D ．在这个过程中，运动员所受重力对他做的功小于跳板的作用力对他做的功 11．水平传送带以速度v 匀速转动，
图9
一质量为m 的小木块A 由静止轻放在传送带上，若小木块与传送带间的动摩擦因数为μ， 如图9所示，在小木块与传送带相对静止时，转化为内能的能量为( ) A ．m v 2 B ．2m v 2 C.1m v 2 D.1m v 2
图10
如图10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木块右端．小铁块与木块间的动摩擦因数为 μ，当小铁块在木块上相对木块滑动L 时与木块保持相对静止，此时长木块对地位移为 l .求这个过程中：
(1)小铁块增加的动能；
(2)木块减少的动能；
(3)系统机械能的减少量；
(4)系统产生的热量．
第6节能源的开发与利用
课前预习练
1．产生消失转化转移保持不变
2．物质资源人的体能畜力风力水力柴草煤炭
石油
3．非再生节约能源新能源
课堂探究练
1．A[能量可以在不同物体之间转移也可以转化，但能的总量保持不变．]
2．C[永动机是指不消耗能量，而可以大量对外做功的装置，历史上曾出现过各式各样的所谓永动机的发明，结果都以失败告终，原因就是违背了能量守恒定律．人类只能发现规律、利用规律．违背规律行事，即使以后科技再发达，也要受自然规律的制约，所以永动机是永远不可能制成的，A 错．
太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极小的一部分，就形成了风云雨雪，使万物生长，但辐射到星际空间的能量也没有消失，一定是转化成了别的能量，B错．
马和其他动物，包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源是食物中储存的生物质能，C 对．
所谓“全自动”手表其内部还是有能量转化装置的，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，使摆锤不停摆动，给游丝弹簧补充能量，才会维持手表的走动，D错．]
3．永动机是不可能制成的，因为它违背了能量守恒定律，机器只能转化能量，不能创造和消灭能量．实验和事实证明，一切永动机的设想和制造都以失败而告终．
4．见解析
解析(1)植物利用太阳光进行化学合成，应是光能转化为化学能；(2)发生雷电时，发出震耳欲聋的响声、耀眼的强光和放出热量，应是电能转变为声能、光能和内能；(3)人跑步时身体发热，是身体剧烈运动时，加速人体内新陈代谢的生理机能，应是人体内储存的化学能转化为内能；(4)发电机的动能转化为电能，电能使灯泡发光，应是机械能转化为电能，电能转化为内能；(5)空气的流动形成风，风具有机械能，帆船前进具有的仍是机械能，应是风的机械能转移给帆船，是机械能的转移．
点评(1)一种形式的能量减少时，一定有另外形式的能量增加，一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增加，不管能量如何转移和转化，能量的总和保持不变．
(2)物体间发生能量转移时，能量的形式不变；而发生能量的转化时，能量的形式要发生改变，在确定能量转化的方向时，可以从消耗什么能，得到什么能进行比较来确定．
5．BD[由能量守恒定律可知对子弹来讲，减少的机械能一是用于增加木块动能，二是用于增加木块和子弹的内能，D对．对子弹和木块来讲减少的机械能只用来增加它们的内能，B对，A、C 错．]
6.12m v 20
－(M ＋m )gL (1－cos θ) 解析 取子弹与木块组成的系统为研究对象，规定开始时M 位置的势能为零，子弹击中木块前系统的机械能
E 1＝12m v 20
，
击中木块后偏角最大时，M 速度为零， 系统的机械能为 E 2＝(M ＋m )gL (1－cos θ)
由能量守恒定律可知
E 内＝E 1－E 2＝1
2m v 20－(M ＋m )gL (1－cos θ)．
7．9.5×10－
3 °C
解析 质量为m 的水从高h 处落下，使水的温度升高了Δt ，水的比热容为c ，由能量守恒定律有：mgh ×20%＝cm Δt ，代入数据，解得Δt ＝9.5×10－3 °C. 方法总结 用能量守恒定律解题的一般步骤
(1)首先分析系统的能量，弄清哪种形式的能量在增加，哪种形式的能量在减少． (2)分别列出减少的能量和增加的能量． (3)根据能量守恒定律列方程ΔE 减＝ΔE 增求解．
8．AC [物体重力势能的增加量等于克服重力做的功，A 正确；合力做的功等于动能的减少量
ΔE k ＝max ＝ma h sin 30°＝3
2
mgh ，B 错误，C 正确；机械能的损失量等于克服摩擦力做的功，因mg sin 30°
＋f ＝ma ，所以f ＝14mg ，故克服摩擦力做的功为fx ＝14mg ·2h ＝1
2
mgh ，D 项错误．]
方法总结 做功引起能量的转化，并且功是能量转化的量度．
课后巩固练
1．D 2.D 3.ABC
4．A [压缩机电机有电流流过，会产生热量，即消耗电能，产生了内能，且房间与外界没有能量交换，所以房内温度会升高，A 正确．]
5．AD [四个现象中物体运动过程中都受到阻力，汽车主要是制动阻力，流星、降落伞是空气阻力，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成其他形式的能，总之是机械能转化为其他形式的能，D 对．]
点拨 本题考查综合分析能力，从若干不同的现象中分析找出相同的规律，正确分析理解四种现象中的能量及能量间的相互转化是解决问题的关键．
6．A [当用力将绳上某点C 拉到D 时，外力在不断做功，而物体的动能不增加．因此外力做的功必定转化为物体的重力势能．重力势能增加了，则说明物体的重心升高了，外力不断地做功，重心就会不断地升高，正确选项为A.]
7．A [设物体克服弹力做功为W 弹，则对物体应用动能定理得(mg －F 阻)(H －L ＋x )－W 弹＝ΔE k
＝0，所以，W 弹＝(mg －F 阻)(H －L ＋x )，即为弹簧在最短时具有的弹性势能．]
8．BCD [木箱运动过程中，有力F 、重力、阻力三个力对木箱做功，合力做功决定着物体动能的改变量，C 正确；重力做功决定着重力势能的改变量，B 正确，A 错误；除重力做功以外，其他力做功的代数和等于物体机械能的改变量，D 正确．]
9．BD [A 物体所受的合外力等于B 对A 的摩擦力，对A 物体运用动能定理，则有B 对A 的摩擦力所做的功等于A 的动能增量，即B 对．A 对B 的摩擦力与B 对A 的摩擦力是一对作用力与反作用力，大小相等，方向相反，但是由于A 在B 上滑动，A 、B 对地的位移不等，故二者做功不等，C 错．对B 应用动能定理，W F －W f ＝ΔE k B ，即W F ＝ΔE k B ＋W f 就是外力F 对B 做的功，等于B 的动能增量与B 克服摩擦力所做的功之和，D 对．由上述讨论知B 克服摩擦力所做的功与A 的动能增量(等于B 对A 的摩擦力所做的功)不等，故A 错．]
10．CD [运动员与跳板接触至F 弹＝mg 的过程中，做加速度减小的加速运动，之后F 弹>mg ，运动员开始减速，到最低点时速度减为零，此时运动员受向上的合外力，选项A 错误；该过程运动员动能先增大后减小，选项B 错误；在最低点，跳板形变量最大，弹性势能最大，选项C 正确；全
过程由动能定理得，W G －W 弹＝0－12m v 2，即W G ＝W 弹－1
2
m v 2，选项D 正确．]
11．D [相对滑动时木块的加速度a ＝μg ，从放上至相对静止所用时间t ＝v a ＝v
μg
.此过程中传送
带对地的位移x 1＝v t ＝v 2μg .木块对地位移为x 2＝v 2t ＝v
22μg .摩擦力对木块做的功等于木块动能的增加，即
E 1＝W 1＝μmgx 2＝1
2
m v 2.传送带克服摩擦力做的功W 2＝μmgx 1＝m v 2.此过程中传送带克服摩擦力做功
将传送带能量转化为木块的动能及内能，由能量守恒定律，内能为ΔE ＝W 2－W 1＝μmg (x 1－x 2)＝
1
2m v 2，故D 正确．]
12．见解析
解析 画出这一过程两物体的位移示意图，如图所示．
(1)小铁块与长木块相对静止时的速度为v ，则根据动能定理有μmg (l －L )＝1
2m v 2－0，其中(l －L )
为小铁块相对地面的位移，从上式可看出ΔE k m ＝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量．
(2)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系ΔE k M ＝－μmgl ，即木块减少的动能等于其克服摩擦力做的功，为μmgl .
(3)系统机械能的减少量等于木块减小的动能减去小铁块增加的动能ΔE ＝μmg l －μmg (l －L )＝μmgL
(4)m 、M 间相对滑动的位移为L ，根据能量守恒定律，知Q ＝μmgL ，即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量．。