2019-2020年高中物理 4.6能量 能量轉化與守恒定律 學案 粵教版必修2.doc

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2019-2020年高中物理 4.6能量 能量轉化與守恒定律 學案 粵教版必修2 【學習目標】 一、知識與技能： 1、了解自然界中存在多種形式的能量。 2、知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一． 3、通過能量守恒以及能量轉化和轉移的方向性，認識提高效率的重要性． 4、通過永動機研制的失敗，體會能量守恒定律建立的重要性。 二、過程與方法： 1、注意自然界中各種不同形式的能量，體會自然界能量形式的多樣性． 2、關注自然界能量相互轉化的過程，知道能量的多樣性和復雜性，了解人類創(chuàng)造和發(fā)明的許多技術設備都是為人類服務的能量轉化器． 3、列舉自然界中能量轉化和轉移具有方向性的例子，體會提高能源利用率和節(jié)約能源的重要性． 三、情感、態(tài)度與價值觀 1、 認識自然界中各種不同形式能量及其轉化，體會自然界能量的多樣性． 2、通過能量守恒定律的建立過程，體會自然界的和諧統(tǒng)一． 【學習重點】 1、能量守恒定律 2、能量和轉化和轉移具有方向性 【知識要點】 各種各樣的能量 一、對能量概念的初步認識 能量簡稱為能.一個物體能夠對外做功，我們就說這個物體具有能量. 二、能量形式的多樣性 物質的運動形式是多種多樣的，物質的每一種運動形式都對應著一種形式的能量.與物體的機械運動對應的能量稱機械能.與物體內大量分子熱運動及分子間相互作用勢能對應的能量稱內能，與電磁運動對應的能量稱電磁能，與物質的化學運動對應的能量稱化學能. 能量之間的相互轉化 自然界中，能的表現形式是多種多樣的，除了機械能外，還有內能、電能、光能、化學能等，這些能量間可以相互轉化，但總的能量不變，即遵守能的轉化和守恒定律. 能量守恒定律 一、能的轉化和守恒定律 1.定律的內容 能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或從一個物體轉移到另一個物體，在轉化或轉移過程中總能量守恒.功是能量轉化的量度. 2.定律的表達式 E初=E終；ΔE增=ΔE減 某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加，且減少量一定和增加量相等. 某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等. 3.用能量守恒解題的基本步驟 （1）分清有多少種形式的能（如機械能、熱能、電能等）在變化. （2）分別列出減少的能量ΔE減和增加的能量ΔE增的表達式. （3）列式求解. 能量轉化和轉移的方向性 熱傳導的方向性：兩個溫度不同的物體相互接觸時，熱量會自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，結果使高溫物體的溫度降低，低溫物體的溫度升高. 也可以這樣說，熱量可以自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，但熱量卻不能自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體.要將熱量從低溫物體傳向高溫物體，必須有外界的影響或幫助，就是要有外界對其做功才能完成，電冰箱就是一例. 【典型例題】 例1 一質量為2kg的物塊從離地80m高處自由落下，測得落地速度為30m/s ，求下落過程中產生的內能。（g=10m/s2） 精析：這里，顯然內能無法直接計算，但是下落過程中減少的機械能變成了內能。 解析：根據能量守恒，產生的內能為： 綠色通道：本題中雖然是“自由落下”，但是機械能并不守恒，可是能量守恒定律卻是完全能用的。 具體應用時，可以不同的思路列方程。比如“初、末狀態(tài)的能量相等”、“減少的能量等于增加的能量”等。 例2 如圖4-30 ，一固定的楔形木塊，其斜面的傾角為θ=300，另一邊與地面垂直，頂上有一定滑輪，一柔軟的細線跨過定滑輪，兩端分別與物塊A和B連結，A的質量為4m，B的質量為m。開始時將B按在地上不動，然后放開手，讓A沿斜面下滑而B上升。物塊A與斜面間無摩擦。設當A沿斜面下滑S距離后，細線突然斷了。求物塊B上升的最大高度。 A B θ 圖4-30 精析：本題是恒力作用的情形，可以采用隔離法，用牛頓定律求解，也可以利用機械能守恒求解?，F在我們直接根據普遍的能量守恒定律求解。 物塊A下滑時，減少的重力勢能有三個去處：使自己的動能增加，使物塊B的動能、重力勢能都增加。 細線斷后，物體B做豎直上拋運動。 解：細線斷時，A、B的速度大小相同，設為v ，B上升的高度為h1=S ，由能量守恒得： 設物體B在細線斷后還能再上升h2 ，單獨對物體B上升h2的這一段用能量守恒得： 聯立以上兩式可得： 所以，物體B上升得最大高度為： 綠色通道：當我們直接用普遍的能量守恒定律求解時，發(fā)現根本不需要再去考慮零勢能面、機械能守恒的條件等。 例3 “和平號”空間站已于xx年3月23日成功地墜落在南太平洋海域，墜落過程可簡化為從一個近圓軌道（可近似看作圓軌道）開始，經過與大氣摩擦，空間站的絕大部分經過升溫、熔化，最后汽化而銷毀，剩下的殘片墜入大海。此過程中，空間站原來的機械能中，除一部分用于銷毀和一部分被殘片帶走外，還有一部分能量E′通過其它方式散失（不考慮墜落過程中化學反應的能量）。（1）試導出用下列各物理量的符號表示散失能量E′的公式.（2）算出E′的數值（結果保留兩位有效數字） 　　墜落開始時空間站的質量M=1.17105kg；軌道離地面的高度為h=146km；地球半徑R地=6.4106m；墜落空間范圍內重力加速度可看作g=10m/s2；入海殘片的質量m=1.2104kg；入海時殘片的溫度比墜落開始時升高了ΔT=3000K；入海殘片的入海速度為聲速V0=340m/ｓ；空間站材料每1kg升溫1K平均所需能量c=1.0103J/(kg.K)；每銷毀1kg材料平均所需能量μ=1.0107J. 精析：本題描述的是xx年世界矚目的一件大事：“和平號”空間站成功地墜落在南太平洋海域。讓繞地球運行的空間站按照預定的路線成功墜落在預定的海域，這件事情本身就極富挑戰(zhàn)性，表達了人類征服自然改造自然的雄心和實力。 仔細閱讀題目，弄清楚能量的來龍去脈，特別是減少的能量的去處。　 首先我們應弄清題目所述的物理過程，建立一個正確的物理模型。 我們將空間站看作一個質點，開始時以一定的速度繞地球運行，具有一定的動能和勢能，墜落開始時空間站離開軌道，經過摩擦升溫，空間站大部分升溫、熔化，最后汽化而銷毀，剩下的殘片墜落大海，整個過程中，總能量是守恒的 解析： 　　（1）根據題述條件，從近圓軌道到地面的空間中重力加速度g=10m/s2，若以地面為重力勢能的零點，墜落過程開始時空間站在近圓軌道上的勢能為： Ep=Mgh.　　 （1） 　　以v表示空間站在軌道上的速度，可得（R地表示地球半徑，M地是地球的質量）： 　　 ?。?） 　　式中G是萬有引力恒量。 ∵ （3） 　　由式(2)、(3)可得空間站在軌道上的動能： 　　 （4） 　　由式(1)、(4)可得，在近圓軌道上空間站的機械能 　　 （5） 　　在墜落過程中，用于銷毀部分所需要的能量為： Q汽=(M-m)μ. （6） 　　用于殘片升溫所需要的能量： Q殘=cmΔT. （7） 　　殘片的動能為：E殘= （8） 　　以E′表示其他方式散失的能量，則由能量守恒定律可得： 　　 E=Q汽+E殘+Q殘+E′ （9） 　　由此得：E′=Mg(R地+h)+Mgh－(M－m)μ－－cmΔT （10） 　 (2) 將題給數據代入得：E′=4.11012J. 綠色通道：本題題目很長，包含了較多的信息。它取材于重大的科技事件，讓人覺得尖端科技離我們并不遙遠，仍然離不開最基本的物理學原理。我們不要被它的表面現象所嚇到，“仔細讀題”，“建立數學模型”是關鍵。 【當堂反饋】 1.能量既________，也不會________，它只會從一種形式轉化為________，或者從一個物體轉移到________，而能的________保持不變. 2.在國際單位制中，焦耳是________、________和________的單位. 3.冰塊沿地面滑動，往往會逐漸熔化，在這一過程中是________能轉化為________能；把鐵絲多次彎折，彎折處會發(fā)熱，是把________能轉化成________能. 4.寫出下列現象中能量轉化的形式. (1)電動機帶動水泵抽水是________； (2)汽車突然緊急剎車停住是________； (3)用毛巾反復擦背，感覺后背熱了是________； (4)利用木柴燒水的過程是________. 5.關于能的轉化與守恒定律的下列說法錯誤的是 A.能量能從一種形式轉化為另一種形式，但不能從一個物體轉移到另一個物體 B.能量的形式多種多樣，它們之間可以相互轉化 C.一個物體能量增加了，必然伴隨著別的物體能量的減少 D.能的轉化與守恒定律證明了第一類永動機是不可能存在的 6.一個物體沿粗糙斜面勻速滑下，則下列說法正確的是 A.物體機械能不變，內能也不變 B.物體機械能減少，內能不變 C.物體機械能減少，內能增大，機械能與內能總量減少 D.物體機械能減少，內能增大，機械能與內能總量不變 7.一輛汽車在關閉油門后繼續(xù)在水平方向上向前移動，從能的轉化來看，它的 A.動能不變 B.機械能不變 C.動能轉化為勢能 D.動能轉化為內能 8.在以下過程中，內能轉化為機械能的是 A.冰塊在地面上滑動時熔化 B.砂輪磨刀 C.水開了會頂動壺蓋 D.火柴摩擦后燃燒 9.用鐵錘打擊鐵釘，設打擊時有80％的機械能轉化為內能，內能的50％用來使鐵釘的溫度升高.問打擊20次后，鐵釘的溫度升高多少攝氏度？已知鐵錘的質量為1.2 kg，鐵錘打擊鐵釘時的速度是10 m／s，鐵釘質量是40 g，鐵的比熱是5.0102 J／(kg℃). 10.地球表面平均每平方米每分鐘接收2.1 J的太陽能，試估算整個地球每分鐘所接收到的太陽能為多少？人類每年消耗的能量換算成石油，約為50億噸，已知燃燒1 g石油得到的熱量大約是4.2104 J，計算人類每年消耗的能量為多少？人類每年消耗的能量相當于太陽在多長時間內投到地球的能量？ 11.地球所接受到的太陽能僅為太陽所釋放出能量的極小的一部分，如此大的太陽能是由什么能轉化來的？ 12.一次臺風的平均能量為1.11018 J左右.臺風登陸以后，由于和地表面的摩擦,引起了能量的消耗.這個能量的消耗是每秒1.11013 J左右.因此，如果不從外界補充能量，臺風應該在s=105 s，也就是大約一日就消失了.但是，還沒有聽說過臺風在一日內就消失了的事情.這說明臺風從什么地方得到了能夠補充它消耗的巨大能量.請你說明補充的能量從什么能量轉化來的. 13.一個人維持生存所必需的食品的熱量是每天1.26107 J(3000千卡)左右，若世界總人口為60億，試估算人類活動所需要的能量是人類生存所必需能量的多少倍. 14.拮抗肌在動物奔跑過程中所做的功是隨著每邁一步對腿的加速和減速完成的，腿離開地面時，腿從靜止直到接近等于身體的速度,拮抗肌做功.同樣，在腿又回到靜止的過程中，拮抗肌又做了相當的功.現有一個以3 m/s的速度奔跑的質量為70 kg的人，他每條腿的質量約為10 kg，其步子的長度(同一只腳的兩個相鄰足跡之間的距離)為2 m，此人每秒內每條腿邁出1.5步.求此人奔跑過程中的能量消耗率(肌肉的效率η約為0.25). 【參考答案】 1、不會憑空產生 憑空消失 另一種形式 另一個物體 總量 2、功 能量 熱量 3、機械 內 機械 內 4、電能轉化為機械能 機械能轉化為內能 機械能轉化為內能 木柴的化學能轉變?yōu)閮饶懿⑼ㄟ^熱傳遞傳遞給水 5、A 6、D 7、D 8、C 9、24 ℃ 10、1.11019 J 19 min 11、核能 12、水蒸氣的內能 13、7.6倍 14、1080 W 【反思】 收 獲 疑 問