2019-2020年高中物理 4.6能量 能量轉(zhuǎn)化與守恒定律 學(xué)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(zhuǎn)化與守恒定律 學(xué)案 粵教版必修2 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 一、知識(shí)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(guò)能量守恒以及能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性，認(rèn)識(shí)提高效率的重要性． 4、通過(guò)永動(dòng)機(jī)研制的失敗，體會(huì)能量守恒定律建立的重要性。 二、過(guò)程與方法： 1、注意自然界中各種不同形式的能量，體會(huì)自然界能量形式的多樣性． 2、關(guān)注自然界能量相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，知道能量的多樣性和復(fù)雜性，了解人類(lèi)創(chuàng)造和發(fā)明的許多技術(shù)設(shè)備都是為人類(lèi)服務(wù)的能量轉(zhuǎn)化器． 3、列舉自然界中能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性的例子，體會(huì)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(jià)值觀 1、 認(rèn)識(shí)自然界中各種不同形式能量及其轉(zhuǎn)化，體會(huì)自然界能量的多樣性． 2、通過(guò)能量守恒定律的建立過(guò)程，體會(huì)自然界的和諧統(tǒng)一． 【學(xué)習(xí)重點(diǎn)】 1、能量守恒定律 2、能量和轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性 【知識(shí)要點(diǎn)】 各種各樣的能量 一、對(duì)能量概念的初步認(rèn)識(shí) 能量簡(jiǎn)稱(chēng)為能.一個(gè)物體能夠?qū)ν庾龉?，我們就說(shuō)這個(gè)物體具有能量. 二、能量形式的多樣性 物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式是多種多樣的，物質(zhì)的每一種運(yùn)動(dòng)形式都對(duì)應(yīng)著一種形式的能量.與物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量稱(chēng)機(jī)械能.與物體內(nèi)大量分子熱運(yùn)動(dòng)及分子間相互作用勢(shì)能對(duì)應(yīng)的能量稱(chēng)內(nèi)能，與電磁運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量稱(chēng)電磁能，與物質(zhì)的化學(xué)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的能量稱(chēng)化學(xué)能. 能量之間的相互轉(zhuǎn)化 自然界中，能的表現(xiàn)形式是多種多樣的，除了機(jī)械能外，還有內(nèi)能、電能、光能、化學(xué)能等，這些能量間可以相互轉(zhuǎn)化，但總的能量不變，即遵守能的轉(zhuǎn)化和守恒定律. 能量守恒定律 一、能的轉(zhuǎn)化和守恒定律 1.定律的內(nèi)容 能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過(guò)程中總能量守恒.功是能量轉(zhuǎn)化的量度. 2.定律的表達(dá)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(gè)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(jī)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(dá)式. （3）列式求解. 能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性 熱傳導(dǎo)的方向性：兩個(gè)溫度不同的物體相互接觸時(shí)，熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，結(jié)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(shuō)，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(duì)其做功才能完成，電冰箱就是一例. 【典型例題】 例1 一質(zhì)量為2kg的物塊從離地80m高處自由落下，測(cè)得落地速度為30m/s ，求下落過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)能。（g=10m/s2） 精析：這里，顯然內(nèi)能無(wú)法直接計(jì)算，但是下落過(guò)程中減少的機(jī)械能變成了內(nèi)能。 解析：根據(jù)能量守恒，產(chǎn)生的內(nèi)能為： 綠色通道：本題中雖然是“自由落下”，但是機(jī)械能并不守恒，可是能量守恒定律卻是完全能用的。 具體應(yīng)用時(shí)，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(xì)線跨過(guò)定滑輪，兩端分別與物塊A和B連結(jié)，A的質(zhì)量為4m，B的質(zhì)量為m。開(kāi)始時(shí)將B按在地上不動(dòng)，然后放開(kāi)手，讓A沿斜面下滑而B(niǎo)上升。物塊A與斜面間無(wú)摩擦。設(shè)當(dāng)A沿斜面下滑S距離后，細(xì)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(jī)械能守恒求解?，F(xiàn)在我們直接根據(jù)普遍的能量守恒定律求解。 物塊A下滑時(shí)，減少的重力勢(shì)能有三個(gè)去處：使自己的動(dòng)能增加，使物塊B的動(dòng)能、重力勢(shì)能都增加。 細(xì)線斷后，物體B做豎直上拋運(yùn)動(dòng)。 解：細(xì)線斷時(shí)，A、B的速度大小相同，設(shè)為v ，B上升的高度為h1=S ，由能量守恒得： 設(shè)物體B在細(xì)線斷后還能再上升h2 ，單獨(dú)對(duì)物體B上升h2的這一段用能量守恒得： 聯(lián)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(dāng)我們直接用普遍的能量守恒定律求解時(shí)，發(fā)現(xiàn)根本不需要再去考慮零勢(shì)能面、機(jī)械能守恒的條件等。 例3 “和平號(hào)”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(guò)程可簡(jiǎn)化為從一個(gè)近圓軌道（可近似看作圓軌道）開(kāi)始，經(jīng)過(guò)與大氣摩擦，空間站的絕大部分經(jīng)過(guò)升溫、熔化，最后汽化而銷(xiāo)毀，剩下的殘片墜入大海。此過(guò)程中，空間站原來(lái)的機(jī)械能中，除一部分用于銷(xiāo)毀和一部分被殘片帶走外，還有一部分能量E′通過(guò)其它方式散失（不考慮墜落過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)的能量）。（1）試導(dǎo)出用下列各物理量的符號(hào)表示散失能量E′的公式.（2）算出E′的數(shù)值（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字） 　　墜落開(kāi)始時(shí)空間站的質(zhì)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(nèi)重力加速度可看作g=10m/s2；入海殘片的質(zhì)量m=1.2104kg；入海時(shí)殘片的溫度比墜落開(kāi)始時(shí)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(xiāo)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(hào)”空間站成功地墜落在南太平洋海域。讓繞地球運(yùn)行的空間站按照預(yù)定的路線成功墜落在預(yù)定的海域，這件事情本身就極富挑戰(zhàn)性，表達(dá)了人類(lèi)征服自然改造自然的雄心和實(shí)力。 仔細(xì)閱讀題目，弄清楚能量的來(lái)龍去脈，特別是減少的能量的去處?！? 首先我們應(yīng)弄清題目所述的物理過(guò)程，建立一個(gè)正確的物理模型。 我們將空間站看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，開(kāi)始時(shí)以一定的速度繞地球運(yùn)行，具有一定的動(dòng)能和勢(shì)能，墜落開(kāi)始時(shí)空間站離開(kāi)軌道，經(jīng)過(guò)摩擦升溫，空間站大部分升溫、熔化，最后汽化而銷(xiāo)毀，剩下的殘片墜落大海，整個(gè)過(guò)程中，總能量是守恒的 解析： 　?。?）根據(jù)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(shì)能的零點(diǎn)，墜落過(guò)程開(kāi)始時(shí)空間站在近圓軌道上的勢(shì)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(zhì)量）： 　　 ?。?） 　　式中G是萬(wàn)有引力恒量。 ∵ （3） 　　由式(2)、(3)可得空間站在軌道上的動(dòng)能： 　　 （4） 　　由式(1)、(4)可得，在近圓軌道上空間站的機(jī)械能 　　 （5） 　　在墜落過(guò)程中，用于銷(xiāo)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(dòng)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(shù)據(jù)代入得：E′=4.11012J. 綠色通道：本題題目很長(zhǎng)，包含了較多的信息。它取材于重大的科技事件，讓人覺(jué)得尖端科技離我們并不遙遠(yuǎn)，仍然離不開(kāi)最基本的物理學(xué)原理。我們不要被它的表面現(xiàn)象所嚇到，“仔細(xì)讀題”，“建立數(shù)學(xué)模型”是關(guān)鍵。 【當(dāng)堂反饋】 1.能量既________，也不會(huì)________，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為_(kāi)_______，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到________，而能的________保持不變. 2.在國(guó)際單位制中，焦耳是________、________和________的單位. 3.冰塊沿地面滑動(dòng)，往往會(huì)逐漸熔化，在這一過(guò)程中是________能轉(zhuǎn)化為_(kāi)_______能；把鐵絲多次彎折，彎折處會(huì)發(fā)熱，是把________能轉(zhuǎn)化成________能. 4.寫(xiě)出下列現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化的形式. (1)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵抽水是________； (2)汽車(chē)突然緊急剎車(chē)停住是________； (3)用毛巾反復(fù)擦背，感覺(jué)后背熱了是________； (4)利用木柴燒水的過(guò)程是________. 5.關(guān)于能的轉(zhuǎn)化與守恒定律的下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是 A.能量能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但不能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體 B.能量的形式多種多樣，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化 C.一個(gè)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(zhuǎn)化與守恒定律證明了第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能存在的 6.一個(gè)物體沿粗糙斜面勻速滑下，則下列說(shuō)法正確的是 A.物體機(jī)械能不變，內(nèi)能也不變 B.物體機(jī)械能減少，內(nèi)能不變 C.物體機(jī)械能減少，內(nèi)能增大，機(jī)械能與內(nèi)能總量減少 D.物體機(jī)械能減少，內(nèi)能增大，機(jī)械能與內(nèi)能總量不變 7.一輛汽車(chē)在關(guān)閉油門(mén)后繼續(xù)在水平方向上向前移動(dòng)，從能的轉(zhuǎn)化來(lái)看，它的 A.動(dòng)能不變 B.機(jī)械能不變 C.動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能 D.動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 8.在以下過(guò)程中，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的是 A.冰塊在地面上滑動(dòng)時(shí)熔化 B.砂輪磨刀 C.水開(kāi)了會(huì)頂動(dòng)壺蓋 D.火柴摩擦后燃燒 9.用鐵錘打擊鐵釘，設(shè)打擊時(shí)有80％的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能的50％用來(lái)使鐵釘?shù)臏囟壬?問(wèn)打擊20次后，鐵釘?shù)臏囟壬叨嗌贁z氏度？已知鐵錘的質(zhì)量為1.2 kg，鐵錘打擊鐵釘時(shí)的速度是10 m／s，鐵釘質(zhì)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(yáng)能，試估算整個(gè)地球每分鐘所接收到的太陽(yáng)能為多少？人類(lèi)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(jì)算人類(lèi)每年消耗的能量為多少？人類(lèi)每年消耗的能量相當(dāng)于太陽(yáng)在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)投到地球的能量？ 11.地球所接受到的太陽(yáng)能僅為太陽(yáng)所釋放出能量的極小的一部分，如此大的太陽(yáng)能是由什么能轉(zhuǎn)化來(lái)的？ 12.一次臺(tái)風(fēng)的平均能量為1.11018 J左右.臺(tái)風(fēng)登陸以后，由于和地表面的摩擦,引起了能量的消耗.這個(gè)能量的消耗是每秒1.11013 J左右.因此，如果不從外界補(bǔ)充能量，臺(tái)風(fēng)應(yīng)該在s=105 s，也就是大約一日就消失了.但是，還沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)臺(tái)風(fēng)在一日內(nèi)就消失了的事情.這說(shuō)明臺(tái)風(fēng)從什么地方得到了能夠補(bǔ)充它消耗的巨大能量.請(qǐng)你說(shuō)明補(bǔ)充的能量從什么能量轉(zhuǎn)化來(lái)的. 13.一個(gè)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?cè)丝跒?0億，試估算人類(lèi)活動(dòng)所需要的能量是人類(lèi)生存所必需能量的多少倍. 14.拮抗肌在動(dòng)物奔跑過(guò)程中所做的功是隨著每邁一步對(duì)腿的加速和減速完成的，腿離開(kāi)地面時(shí)，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(guò)程中，拮抗肌又做了相當(dāng)?shù)墓?現(xiàn)有一個(gè)以3 m/s的速度奔跑的質(zhì)量為70 kg的人，他每條腿的質(zhì)量約為10 kg，其步子的長(zhǎng)度(同一只腳的兩個(gè)相鄰足跡之間的距離)為2 m，此人每秒內(nèi)每條腿邁出1.5步.求此人奔跑過(guò)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(huì)憑空產(chǎn)生 憑空消失 另一種形式 另一個(gè)物體 總量 2、功 能量 熱量 3、機(jī)械 內(nèi) 機(jī)械 內(nèi) 4、電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 木柴的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能并通過(guò)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(nèi)能 13、7.6倍 14、1080 W 【反思】 收 獲 疑 問(wèn)