高考物理必修知識點知識講解 能量守恒定律與能源

《高考物理必修知識點知識講解 能量守恒定律與能源》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《高考物理必修知識點知識講解 能量守恒定律與能源（9頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、 能量守恒定律與能源 編稿：周軍 審稿：隋偉 【學習目標】 1．理解能量的概念，知道各種不同形式的能量． 2．明確能量守恒的含義． 3．知道能源的合理利用及能量耗散的概念． 【要點梳理】 要點一、能量 要點詮釋： (1)概念：一個物體能夠對外做功，我們就說這個物體具有能量．如：運動的物體可以推動與其接觸的另一個物體一起向前運動，對被推動的物體做功，說明運動的物體具有能量．又如流動的河水、被舉高的重物、被壓縮的彈簧、高溫高壓氣體等都能對外做功，因此都具有能量． (2)形式：能量有各種不同的形式．運動的物體具有動能；被舉高的重物具有重力勢能；發(fā)生彈性

2、形變的物體具有彈性勢能；由大量粒子構成的系統(tǒng)具有內能．另外自然界中還存在如化學能、電能、光能、太陽能、風能、潮汐能、原子能等不同形式的能． 不同形式的能與物體的不同運動形式相對應，如機械能對應機械運動；內能與大量微觀粒子的熱運動相對應． (3)能量的轉化：各種不同形式的能量可以相互轉化，而且在轉化過程中總量保持不變也就是說當某個物體的能量減少時，一定存在其他物體的能量增加，且減少量一定等于增加量；當某種形式的能量減少時，一定存在其他形式的能量增加，且減少量一定等于增加量． (4)功是能量轉化的量度． 不同形式的能量之間的轉化是通過做功實現(xiàn)的．做功的過程就

3、是各種形式的能量之間轉化(或轉移)的過程．且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉化(或轉移)，因此，功是能量轉化的量度． 如舉重運動員把重物舉起來，對重物做了功．這一過程中，運動員通過做功消耗了體內的化學能，轉化為重物的重力勢能．并且，運動員做了多少功，就有多少化學能轉化為重力勢能． 能量的具體值往往無多大意義，我們關心的大多是能量的變化量，能量的變化必須通過做功才能實現(xiàn)，某種力做功往往與某一具體的能量變化相聯(lián)系，即所謂功能關系．力學中常見力做功與能量轉化的對應關系如下： 功 能的變化 表達式 重力做功 正功 重力勢能減少 重力勢能變化 負功 重力勢能增加 彈力做

4、功 正功 彈性勢能減少 彈性勢能變化 負功 彈性勢能增加 合力做功 正功 動能增加 動能變化 負功 動能減少 除重力(或系統(tǒng)內彈力)外其他力做功 正功 機械能增加 機械能變化 負功 機械能減少 要點二、能量守恒定律 要點詮釋： (1)內容：能量既不會消滅，也不會產生，它只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化和轉移過程中，能量的總量保持不變，這個規(guī)律叫做能量守恒定律． (2)表達式：；． (3)利用能量守恒定律解題的基本思路． ①某種形式的能量減少，一定存在其他形式的能量增加

5、，且減少量一定和增加量相等． ②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． (4)利用能量守恒定律解題應注意的問題： ①該定律是貫穿整個物理學的基本規(guī)律之一，是學習物理的一條主線． ②要分清系統(tǒng)中有多少種形式的能量，發(fā)生哪些轉移和轉化． ③滑動摩擦力與相對距離的乘積在數值上等于產生的內能，即． 要點三、能源 要點詮釋： 指能夠提供可利用能量的物質，它是人類社會活動的物質基礎． (1)分類： ①從人類開發(fā)能源的歷史劃分： 常規(guī)能源：已被廣泛應用的能源，如煤、石油、天然氣、水力等． 新能源：指目前尚未被人類

6、大規(guī)模利用而有待進一步研究、開發(fā)和利用的能源，如核能、太陽能、風能、地熱能、海洋能等． ②從使用分類： 一次能源：未經人工加工的能源，如煤、石油、天然氣、水能、風能、生物質能、海洋能等． 二次能源：從一次能源直接或間接轉化來的能源．如：電能、氫能、焦炭． ③從能否再生分類： 可再生能源：水流能、風能等． 不可再生能源：石油、煤等． ④從對環(huán)境的影響分類： 清潔能源(也稱“綠色環(huán)?！蹦茉?：太陽能、風能等． 非清潔能源：煤、石油、天然氣等． (2)常規(guī)能源和新能源的轉化方式： 要點四、能源的開發(fā) 要點

7、詮釋： 1．能源的開發(fā) 作為常規(guī)能源的煤炭、石油、天然氣等面臨枯竭，節(jié)能和開發(fā)新的能源已是人類必須面對的實際問題．能源對造福人類具有極其重要的意義，節(jié)約每一份能源，不僅能提高能源的利用價值，對于維護人類賴以生存的環(huán)境也有不可忽視的作用．新的能源有待于人類去開發(fā)，如核能的利用、太陽能的利用等，還有許多艱苦的工作需要去做． (1)為什么煤、石油和天然氣被人們稱為不可再生能源? 由于煤、石油和天然氣都是幾億年以前的生物遺體形成的，所以人們也稱它們?yōu)榛剂希捎谶@些能源是不能再次生產，也不可能重復使用的，所以稱為非再生能源． (2)人類利用能源的過程及新能源的開發(fā)和利用

8、． ①人類利用能源大致經歷的三個時期是：柴薪時期、煤炭時期、石油時期． ②有待開發(fā)和利用的新能源主要指：太陽能、地熱能、風能、水能、核能． (3)人類與能源的關系。 能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善．人類社會每一次重大的經濟飛躍和產業(yè)革命，都與新的能源和動力裝置的利用密切相關．能源消耗的多少已經成為衡量一個國家或地區(qū)經濟發(fā)展水平的重要標志．所以說人類離不開能源．但能源的大量使用會給環(huán)境帶來極大的破壞，例如人類在利用化石燃料的過程中產生的煙塵，污染大氣，造成酸雨和溫室效應，對人類造成危害． (4)自然界中自發(fā)的能量的轉化和轉移具有方向性．

9、 ①熱量可以自發(fā)的由高溫物體傳遞給低溫物體，但不能自發(fā)的由低溫物體傳遞給高溫物體． ②冒出的煤煙和散開的炭灰不可能又重新組合成一堆煤炭． ③散失到周圍環(huán)境中的內能不能回收重新利用。 2．能量耗散 燃料燃燒時一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會自動聚集起來供人類重新利用；電池中的化學能轉化為電能，它又通過燈泡轉化為內能和光能，熱和光被其他物質吸收之后變成周圍環(huán)境的內能，我們也無法把這些內能收集起來重新利用．這種現(xiàn)象叫做能量的耗散． 能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉化過程中，能量在數量上并未減少，但在可利用的品質上降低了，從便于利用的變成不便于

10、利用的了．這是能源危機更深層次的含意，也是“自然界的能量雖然守恒，但還是要節(jié)約能源”的根本原因． 要點四、功能原理 要點詮釋： 1. 功能原理 （1）推導 由動能定理可以知道，外力對物體做功的代數和等于物體動能的增量，可表示為： 這里說的外力包括作用于物體上的全部做功的力，可分為三部分：①系統(tǒng)內的重力、彈力；②系統(tǒng)內的摩擦力；③系統(tǒng)外物體對它的作用力， 則動能定理的表達式可寫成 又因為： 所以有： 等式的右邊為動能的增量跟勢能增量的和，即為物體機械能的增量， 即： （2）內容表述 除重力、彈簧彈力以外力對物體做功的代數和，等于物體機械能的增量。這就是功能原理。即

11、 2、功能原理與動能定理的區(qū)別與聯(lián)系 功能原理、動能定理都是“功是能量轉化的量度”這一功能實質關系的體現(xiàn)。只是考查對象不同。動能定理考查物體動能的變化，功能原理考查物體機械能的變化，從功能原理我們知道，外力和系統(tǒng)內摩擦力做功，將引起系統(tǒng)機械能的變化，但這機械能不會消失，也不能創(chuàng)生，只是由機械能和其它形式的能之間發(fā)生轉換。 【典型例題】 類型一、摩擦力做功與產生內能的關系 例1、如圖所示，A物體放在B物體的左側，用水平恒力F將A拉至B的右端，第一次B固定在地面上，F(xiàn)做功為，產生熱量為，第二次讓B在光滑地面上自由滑動，F(xiàn)做功為，產生熱量為，則應有（ ） A． B

12、． C． D． F B A 思路點撥：本題牽扯到摩擦力做功問題，需要考察摩擦力做功特點，并輔助動能定理加以解決。 解析：當B固定時， 當B不固定時，木塊A、B的位移關系為 對A應用動能定理： 對B應用動能定理： 兩式相加得 所以： 答案：A 總結升華：摩擦力做功與產生內能的關系： （1）靜摩擦力做功的過程中，只有機械能的相互轉移（靜摩擦力起著傳遞機械能的作用），而沒有內能的產生。 （2）滑動摩擦力做功的過程中，能量的轉移由兩個方向，一是相互摩擦的物體之間機械能的轉移；二是機械能轉化為內能，轉化為內能的量值等于機械能的減少量，表達式為 舉一反三

13、【變式】在一光滑的水平面上有一長木板，質量為M，板足夠長。一質量為m、速度為的小滑塊滑上長木板，最后獲得共同速度，此時長木板移動了的距離，滑塊在木板上移動了的距離，求此過程中產生的熱量是（ ） A． B． C． D． 答案：ABC 解析：對M應用動能定理： 故A對。 對m應用動能定理： 故B選項正確。 由能量守恒轉化為內能的量值等于機械能的減少量，即，故C選項正確，D錯誤。 類型二、功能關系的應用 例2、面積很大的水池，水深為H，水面上浮著一正方體木塊，木塊邊長為，且 a〈 H，密度為水的，質量為，開始時，木塊靜止，有一半沒入水中，如圖

14、甲所示，現(xiàn)用力F將木塊緩慢地壓到池底，不計摩擦，求 （1）從開始到木塊剛好完全沒入水的過程中，力F所做的功。 （2）若將該木塊放在底面為正方形（邊長為a）的盛水足夠深的長方體容器中，開始水面靜止時，水高也為H，如圖乙所示，現(xiàn)用一個向下的力F＇將木塊緩慢地壓到容器底部，若水不會從容器中溢出，不計摩擦。求全過程F＇所做的功。 圖甲 H a 圖乙 H 思路點撥：此題考察變力做功問題，變力做功一是應用動能定理可以求出，再就是可以根據功能關系來求出，在本題我們應用功能關系來求解。 解析：（1）木塊靜止，有一半沒入水中，所以有= 解得= 因水池面積很大，可忽略因木塊壓入水中所引起

15、的水深變化，木塊剛好完全沒入水中時，圖中原來處于劃斜線區(qū)域的水被排開，結果等效于使這部分水平鋪于水面，這部分水的質量為m，其勢能的改變量為： 木塊勢能的改變量為： 根據功能關系知力F所做的功： (2) 因容器水面面積為2a2，只是木塊底面積的2倍，不可忽略因木塊壓入水中所引起的水深變化， 木塊向下壓，水面就升高，木塊剛好完全沒入水中時，圖乙中原來處于下方劃斜線區(qū)域的水被排開到上方劃斜線區(qū)域。由于木塊橫截面積是容器的1/2，由體積關系有2a2H+ a2=2 a2H′，即2H+=2H′ 解得H′=H+，所以△H=H′-H= 所以當木塊上底面與水面平齊時，水面上升a/4，木塊下

16、降a/4，也就是說木塊下降a/4，同時把它新占據的下部V/4體積的水重心升高3a/4，這部分水的質量為/2，其勢能的改變量為： 木塊勢能的改變量為： 由功能關系可得這一階段壓力所做的功 壓力繼續(xù)把木塊壓到容器底部，在這一階段，木塊重心下降，同時底部被木塊所占空間的水重心升高，這部分水的質量為2m，其勢能的改變量為： 木塊勢能的改變量為： 由功能關來自系可得這一階段壓力所做的功 整個過程壓力做的總功為： 總結升華：用功能關系時解題，一是注意前后能量的變化，二是注意都是哪些力做了功，分別做的什么功，最后的總功是多少。 舉一反三 【高清課程：能量守恒定律與能源 例題4

17、】 【變式】在水平地面上平鋪n塊磚，每塊磚的質量為m，厚度為h，如將磚一塊一塊地疊放起來，至少做多少功? 【答案】 類型三、能量轉化和守恒定律 例3、行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降。上述不同現(xiàn)象所包含的相同物理過程是（ ） A．物體克服阻力做功 B．物體的動能轉化為其他形式的能量 C．物體的勢能轉化為其他形式的能量 D．物體的機械能轉化為其他形式的能量 思路點撥：此題考察學生綜合分析能力，從若干不同的現(xiàn)象中分析找出相同的規(guī)律。 解析：汽車主要是制動阻力，流星、降落傘是空氣阻力，因而物體都是克服阻

18、力做功，A對；三個物體運動過程中，汽車是動能轉化成了內能，流星、降落傘是重力勢能轉化成其他形式的能，總之是機械能轉化成了其他形式的能，D對。 答案：AD 總結升華：自然界中各種形式的能之間都可以相互轉化，但在轉化過程中具有方向性。 舉一反三 【高清課程：能量守恒定律與能源 例題1】 【變式】一小孩從公園中粗糙的滑梯上自由加速滑下，其能量的變化情況是(　　) A．重力勢能減小，動能不變，機械能減小，總能量減小 B．重力勢能減小，動能增加，機械能減小，總能量不變 C．重力勢能減小，動能增加，機械能增加，總能量增加 D．重力勢能減小，動能增加，機械能守恒，總能量不變 【答案】

19、B 類型四、能量轉化與守恒定律的應用 例4、飛機場上運送行李的裝置為一水平放置的環(huán)形傳送帶，傳送帶的總質量為M，其俯視圖如圖所示。現(xiàn)開啟電動機，傳送帶達穩(wěn)定運行的速度后，將行李依次輕輕放到傳送帶上。若有n件質量均為m的行李需通過傳送帶運送給旅客。假設在轉彎處行李與傳送帶無相對滑動，忽略皮帶輪、電動機損失的能量。求從電動機開啟，到運送完行李需要消耗的電能為多少? 思路點撥：在此問題中必須知道“需要消耗的電能”分別是什么，都是轉化為哪幾種形式的能量了，分別轉化了多少，是我們解題的關鍵。 解析：設行李與傳送帶間的動摩擦因數為，則傳送帶與行李間由于摩擦產生的總熱量 由運動學公式得：

20、 又 聯(lián)立解得： 由能量守恒得： 所以： 總結升華：在傳送帶運送行李的過程中，消耗的電能分成了三部分，一部分是傳送帶的動能，一部分是行李的動能，還有一部分是由于行李和傳送帶之間的摩擦轉化的內能，這一部分在解題時容易忽視，在解決問題時要注意。 舉一反三 【變式1】如圖所示，繃緊的傳送帶與水平面間的夾角=30°，傳送帶在電動機的帶動下，始終保持v =2m/s的速率運行. 現(xiàn)把一質量為m =10kg的工件（可看為質點）輕輕放在傳送帶的底端，經時間t=1.9s，工件被傳送到h =1.5m的高處，取g =10m/s2求： （1）工件與傳送帶間的動摩擦因數； （2）電動機由于傳送工件多消

21、耗的電能. 解析：（1）圖中斜面長 設工件經時間t1速度達到v，做勻加速運動的位移 工件速度達v后做勻速運動的位移為 勻加速運動的加速度 工件受的支持力 由牛頓第二定律，有 解得動摩擦因數 （2）在時間t1內： 皮帶運動位移 工件箱對皮帶位移 摩擦發(fā)熱 工件增加的動能 工件增加的勢能 電動機多消耗的電能 解得W=230J 【高清課程：能量守恒定律與能源 例題6】 【變式2】某地平均風速為5 m/s，已知空氣密度是1.2 kg/m3，有一風車，它的車葉轉動時可形成半徑為12 m的圓面．如果這個風車能將

22、圓面內10%的氣流動能轉變?yōu)殡娔?，則該風車帶動的發(fā)電機功率是多大？ 【答案】3.4 kW. 類型五、能源和能量耗散 例5、以下說法正確的是（ ） A．煤、石油、天然氣等燃料最初來源可追溯到太陽能 B．汽油是一種清潔能源 C．水能是可再生能源 D．煤、石油等常規(guī)能源是取之不盡、用之不竭的 思路點撥：此題考察能源與環(huán)境問題 解析：煤、石油、天然氣等燃料是動、植物轉化成的，其來源可追溯到太陽能，A正確；汽油燃料會引起一些化合物的產生，導致有毒氣體的生成，B錯；水源是可再生能源，故C正確；煤、石油等儲存量是有限的，是不可再生能源，故D錯誤。 答案：AC 總結升華：太陽能的優(yōu)點取之不盡、用之不竭的最大能源。 舉一反三 【變式】出行是人們工作生活中必不可少的環(huán)節(jié)，出行的工具五花八門，使用的能源也各不相同．自行車、電動自行車、普通汽車消耗能量的類型分別是( ) ①生物能 ②核能 ③電能 ④太陽能 ⑤化學能 A．①④⑤ B．①③⑤ C．①②③ D．①③④ 【答案】B 【解析】人騎自行車是將生物能轉化為機械能；電動自行車是將蓄電池的電能轉化為機械能；普通汽車是將汽油的化學能轉化為機械能，所以B選項正確．