专题12.4 能源与可持续发展-2023-2024学年高二物理举一反三系列（人教版2019必修第三册）

专题12.4 能源与可持续发展 【人教版】 【题型1 能量守恒的应用】 【题型2 能量的耗散】 【题型3 能源的分类与使用】 【题型4 能源与社会发展】 【题型5 摩擦生热问题】 【题型6 机械能守恒问题】 【题型1 能量守恒的应用】 【例1】弹跳杆运动是一项广受青少年欢迎的运动，弹跳杆的结构如图甲所示，一根弹簧的下端固定在跳杆的底部，上端固定在一个套在跳杆上的脚踏板底部，质量为5m的小明站在脚踏板上，当他和跳杆处于竖直静止状态时，弹簧的压缩量为x0，小明先保持稳定姿态竖直弹跳。某次弹跳中，从弹簧处于最大压缩量为5x0开始计时，如图乙(a)所示；上升到弹簧恢复原长时，小明抓住跳杆，使得他和弹跳杆瞬间达到共同速度，如图乙(b)所示；紧接着他保持稳定姿态竖直上升到最大高度，如图乙(c)所示。已知全程弹簧始终处于弹性限度内弹簧弹性势能满足Ep＝kx2，k为弹簧劲度系数，x为弹簧形变量，跳杆的质量为m，重力加速度为g，空气阻力、弹簧和脚踏板的质量以及弹簧和脚踏板与跳杆间的摩擦均可忽略不计。求： (1)弹跳杆中弹簧的劲度系数k； (2)从开始计时至竖直上升到最大高度过程中小明的最大速度vm。 【变式1-1】(多选)某汽车研发机构在汽车的车轮上安装了小型发电机，将减速时的部分动能转化并储存在蓄电池中，以达到节能的目的。某次测试中，汽车以额定功率行驶一段距离后关闭发动机，测出了汽车动能Ek与位移x的关系图像如图所示，其中①是关闭储能装置时的关系图线，②是开启储能装置时的关系图线。已知汽车的质量为1 000 kg，设汽车运动过程中所受地面阻力恒定，空气阻力不计。根据图像所给的信息可求出(　 ) A．汽车行驶过程中所受地面的阻力为1 000 N B．汽车的额定功率为80 kW C．汽车加速运动的时间为22.5 s D．汽车开启储能装置后向蓄电池提供的电能为5×105 J 【变式1-2】如图所示为风力发电机，风力带动叶片转动，叶片再带动转子(磁极)转动，使定子(线圈，不计电阻)中产生电流，实现风能向电能的转化。若叶片长为l，设定的额定风速为v，空气的密度为ρ，额定风速下发电机的输出功率为P，则风能转化为电能的效率为(　 ) A. B. C. D. 【变式1-3】(多选)如图所示，AB为固定水平长木板，长为L，C为长木板的中点，AC段光滑，CB段粗糙，一原长为的轻弹簧一端连在长木板左端的挡板上，另一端连一物块，开始时将物块拉至长木板的右端B点，由静止释放物块，物块在弹簧弹力的作用下向左滑动，已知物块与长木板CB段间的动摩擦因数为μ，物块的质量为m，弹簧的劲度系数为k，且k＞，物块第一次到达C点时，物块的速度大小为v0，这时弹簧的弹性势能为E0，不计物块的大小，则下列说法正确的是(　 ) A．物块可能会停在CB面上某处 B．物块最终会做往复运动 C．弹簧开始具有的最大弹性势能为mv02＋E0 D．物块克服摩擦做的功最大为mv02＋μmgL 【题型2 能量的耗散】 【例2】某市有20万台空调机,每台空调机在夏季平均使用60天,每天耗电8 kW·h。为了节约能源,该市政府建议大家都把室内设定温度提高1 ℃,这样每台空调机每天可节省6%的电能。那么这样做能使该市节省多少电能?已知标准煤的热值是 2.92×107 J/kg。发电厂的发电效率是30%。请计算一下,这项节能建议的实现能为我们后辈留下多少吨标准煤? 【变式2-1】关于能源和能量,下列说法正确的是(　　)。 A.自然界中的石油、煤炭、天然气等能源储存着的是低品质的能量 B.自然界中的石油、煤炭、天然气等能源储存着的是高品质的能量 C.能量被使用后就消灭了,所以要节约能源 D.能量是守恒的,所以不需要节约能源 【变式2-2】（多选）关于能量的品质,下列说法正确的是(　　)。 A.能量的品质,是指能源的清洁度 B.能量的品质,是指能源的利用效率 C.能量的品质,是指能量可被利用的价值 D.能量耗散会导致能量品质降低 【变式2-3】“和平号”空间站于2001年3月23日成功地坠落在南太平洋海域,坠落过程可简化为从一个近圆轨道(可近似看作圆轨道)开始,经过与大气摩擦,空间站的大部分经过升温、熔化、最后汽化而销毁,剩下的残片坠入大海。此过程中,空间站原来的机械能中除一部分用于销毁和一部分被残片带走外,还有一部分能量E'通过其他方式散失(不考虑坠落过程中化学反应的能量)。 (1)试导出下列各物理量的符号表示散失能量E'的公式。 (2)算出E'的数值(结果保留2位有效数字)。 已知:坠落开始时空间站的质量M=1.57×105 kg;轨道离地面的高度h=146 km;地球半径R=6.4×106 m;坠落空间范围内重力加速度可看作g=10 m/s2;入海残片的质量m=1.