第四章 1.能量 能量守恒定律-【金版新学案】2023-2024学年新教材高二物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

1．能量　能量守恒定律 【核心素养目标】 物理观念 能量、能量守恒定律。 科学思维 理解能量守恒的内容及应用。 科学探究 通过对生活中能量转化的实例，分析探究机械能守恒与不守恒的条件。 科学态度与责任 能量守恒定律是自然科学的基本规律，违背这一规律的永动机是不可能制造出来的。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 一、机械能的守恒与不守恒 1．系统机械能守恒的条件：只有重力或弹力做功。 2．系统机械能不守恒的条件：除了重力和弹力做功外，还有其他力做功。 3．内力和外力 (1)外力：系统以外的物体对系统内物体的作用力。 (2)内力：系统内的物体间除重力或弹力外的其他相互作用力。 4．做功和机械能的变化 (1)一个系统除重力或弹力以外，还有外力做功，系统的机械能会发生变化，外力做正功，系统的机械能增加；外力做负功，系统的机械能减少。 (2)一个系统除重力或弹力以外，还有其他内力做功，系统的机械能会变化。 二、能量的分类　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．能量根据学科领域(或研究对象)划分 学科领域 能量形式 力学 机械能 热学 内能 电磁学 电磁能 2．能量根据物质的运动形式划分 运动形式 能量形式 机械运动 机械能 热运动 内能 电磁运动 电磁能 化学变化 化学能 原子核的变化 核能 三、能量守恒定律 1．能量守恒定律的建立 (1)1786 年意大利的伽伐尼发现了“动物电”现象，很快伏打发明了电池。 (2)1820 年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应。 (3)1831 年英国物理学家发现了电磁感应现象。 学生用书第128页 (4)英国物理学家焦耳准确地测出了“热功当量”的数值。 (5)1847 年亥姆霍兹第一次提出了能量守恒定律。 2．能量守恒定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移过程中总量不变。这个规律叫作能量守恒定律。 　判断正误 (1)系统内一对相互作用的静摩擦力做功，系统的机械能一定减少。(　　) (2)系统内一对相互作用的滑动摩擦力做功之和一定是负值。(　　) (3)一个系统的外力做正功，系统的机械能一定增加。(　　) (4)电场、磁场及其与电荷、电流的相互作用对应的能量主要是电磁能。(　　) (5)能量是根据学科领域，即根据研究对象不同划分的，也是根据物质的运动形式划分的。(　　) (6)能量的形式与物质的运动形式无关。(　　) (7)随着科技的发展永动机是可以制造出来的。(　　) (8)能量在开发和利用过程中发生转移或转化，但能的总量是不变的。(　　) 答案：　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√　(6)×　(7)×　(8)√ 知识点一　摩擦力做功与能量转化 如图所示，质量为M、长度为l的小车静止在光滑的水平面上。质量为m的小物块放在小车的最左端。现有一水平恒力F作用在小物块上，使物块从静止开始做匀加速直线运动，物块和小车之间的摩擦力为f。小车运动的位移为s，物块滑到小车最右端的过程中， (1)系统的机械能守恒吗？系统机械能是增加还是减少？ (2)系统内的摩擦力做正功还是负功？ 提示：(1)系统机械能不守恒，系统机械能增加。 (2)系统内的摩擦力的代数和为负值。 1．两种摩擦力的做功与能量转化的关系 — 静摩擦力 滑动摩擦力 物理 情景 光滑平面上，木板、物块在外力作用下一起匀加速 光滑平面上，木板、物块均向前滑动，物块速度大于木板速度 不同点 功 Wf1＝－fs，Wf2＝fs Wf1＝－fs1，Wf2＝fs2 图析功能关系 一对摩擦力的总功 一对静摩擦力所做功的代数和总等于零 一对滑动摩擦力所做功的代数和不为零，总功W＝－f·s相对，即摩擦时产生的内能 能量的变化 只有能量的转移，而没有能量的转化 既有能量的转移，又有能量的转化 相同点 功的正负 两种摩擦力对物体可以做正功、负功，还可以不做功 学生用书第129页 2．相对滑动物体能量问题的解题流程 如图所示，一张薄纸板放在光滑水平面上，其右端放有小木块，小木块与薄纸板的接触面粗糙，原来系统静止。现用水平恒力F向右拉薄纸板，小木块在薄纸板上发生相对滑动，直到从薄纸板上掉下来。上述过程中有关功和能的说法正确的是(　　) A．拉力F做的功等于薄纸板和小木块动能的增加量 B．摩擦力对小木块做的功一定等于系统中由摩擦产生的热量 C．离开薄纸板前小木块可能先做加速运动，后做匀速运动 D．小木块动能的增加量可能小于系统中由摩擦产生的热量 D　[由功能关系可知，拉力F做的功等于薄纸板和小木块动能的增加量与系统产生的内能之和，A错误；摩擦力对小木块做的功等于小木块动能的增加量，B错误；离开薄纸板前小木块一直在做匀加速运动，C错误；对于系统，由摩擦产生的热量Q＝fΔl，其中Δl为小木块相对薄纸板运动的路程，若薄纸板的位移为l1，小木块相对地面的位移为l2，则Δl＝l1－l2，且Δl存在大于、等于或小于l2三种可能，对小木块，fl2＝ΔEk，即Q存在大于、等于或小于ΔEk三种可能，D正确。] 针对练．(多选)如图所示，在粗糙的桌面上有一个质量为M的物块，通过轻绳跨过定滑轮与质量为m的小球相连，不计轻绳与滑轮间的摩擦，在小球下落的过程中，下列说法正确的是(　　) A．小球的机械能守恒 B．物块与小球组成的系统机械能守恒 C．若小球匀速下降，小球减少的重力势能等于物块M与桌面间摩擦产生的热量 D．若小球加速下降，小球减少的机械能大于物块M与桌面间摩擦产生的热量 CD　[由于绳子对小球做负功，因此小球的机械能减小，A错误；由于桌面粗糙，摩擦力对M做负功，因此物块与小球组成的系统机械能减小，B错误；若小球匀速下降，根据能量守恒，小球减小的重力势能没有转化为动能，而是完全转化为M与桌面摩擦生成的热量，C正确；而若小球加速下降，则小球减小的机械能一部分摩擦生热，另一部分转化为物块与小球组成系统的动能，因此D正确。] 知识点二　能量守恒定律 “神舟十一号”飞船返回舱进入地球大气层以后，由于它的高速下落，而与空气发生剧烈摩擦，返回舱的表面温度达到1 000摄氏度。 (1)进入大气层很长一段时间，返回舱加速下落，返回舱表面温度逐渐升高。该过程动能和势能怎么变化？机械能守恒吗？ (2)返回舱表面温度越高，内能越大。该过程中什么能向什么能转化？机械能和内能的总量变化吗？ 提示：(1)势能减少　动能增加　机械能不守恒 (2)机械能转化为内能　不变 1．能量守恒定律的理解 (1)既不会凭空产生，也不会凭空消失，存在于自然界中。 总量保持不变。 2．功是能量转化的量度 不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是各种形式的能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)，因此，功是能量转化(或转移)的量度。 3．能量守恒定律的表达式 (1)E初＝E终。 (2)ΔE增＝ΔE减。 学生用书第130页 构建和谐型、节约型社会深得民心，遍布于生活的方方面面。自动充电式电动车就是很好的一例，电动车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接。当骑车者用力蹬车或电动自行车自动滑行时，自行车就可以通过发电机向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来。某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水平路面上滑行，第一次关闭自动充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化的关系如图中图线①所示；第二次启动自动充电装置，其动能随位移变化的关系如图中图线②所示，则第二次向蓄电池所充的电能是 (　　) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 A．200 J B．250 J C．300 J D．500 J A　[电动车在运动过程中的摩擦力大小不变，从题图看出，第二次的位移是第一次的。故节约的能量为初动能的，由能量守恒定律得所充的电能为Ek0＝×500 J＝200 J，A正确。] 用能量守恒定律解题的基本步骤 (1)首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式。 (2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。 (3)依据ΔE减＝ΔE增列式求解。　　 针对练．某偏远山区为了实现供电，自己修建了小型水利发电站，如图所示，若该发电站蓄水池平均每天蓄水的有效总库容量为786 m3，发电过程中上下水库平均水位差为64 m。则下列说法正确的是(　　) A．若每天发电40 kW·h，则能源利用效率约为35% B．发电时下水库出水口的水流速度可达到36 m/s C．蓄水池中水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约139 kW·h D．平均每天所发电能可供10户居民同时用电(每户电功率为1．4kW)约10 h C　[蓄水池中能用于发电的水的重力势能为Ep＝mgh＝ρVgh＝1．0×103×786×10×64 J≈5．0×108 J，则能源利用效率η＝＝＝28．8%，A错误；若没有任何阻力，由机械能守恒得mgh＝mv2，得v＝＝ m/s≈36 m/s，由题知，水流下的过程中受到阻力，所以发电时流入下水库的水流速度小于36 m/s，故B错误；蓄水池中能用于发电的水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约 kW·h≈139 kW·h，故C正确；若重力势能全部转化为电能，平均每天所发电能可供10户居民同时用电时间t＝≈10 h，由于效率不可能达到100%，可供给10户居民用电时间小于10 h，D错误。] 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．不同的物理现象往往反映出相同的物理规律。如图所示的现象中在能量转化方面的共同点是(　　) A．物体的机械能转化为其他形式的能量 B．物体的动能全部转化为重力势能 C．其他形式的能量转化为物体的机械能 D．物体的重力势能转化为其他形式的能量 A　[题图中几种现象的共同特点是物体的机械能转化为其他形式的能量，选项A正确。] 2．(多选)从光滑斜面上滚下的物体，最后停止在粗糙的水平面上，则(　　) A．在斜面上滚动时，只有动能和势能的相互转化 B．在斜面上滚动时，有部分势能转化为内能 C．在水平面上滚动时，总能量正在消失 D．在水平面上滚动时，机械能转化为内能，总能量守恒 AD　[在斜面上滚动时，只有重力做功，只发生动能和势能的相互转化；在水平面上滚动时，有摩擦力做功，机械能转化为内能，总能量是守恒的，故A、D正确。] 学生用书第131页 3．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其他能量，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 C　[永动机是不消耗或少消耗能量，可以大量对外做功的装置，违背能量守恒定律，A错误；能量不可能凭空消失，B错误；能量也不可能凭空产生，C正确，D错误。] 4．如图是城市照明中常使用的“风光互补”景观照明灯。它“头顶”小风扇，“肩扛”光电池板，“腰挎”照明灯，“脚踩”蓄电池。下列解释合理的是(　　) A．光电池板是将电能转化为光能 B．照明灯是将内能转化为电能 C．小风扇利用风力发电，将机械能转化为电能 D．蓄电池夜晚放电，将电能转化为化学能 C　[这种新能源的路灯，“肩扛”太阳能电池板可以把太阳能转化为电能，A错误；照明灯消耗电能而发光，是将电能转化为光能，B错误；“头顶”的小风扇利用风力发电，是将机械能转化为电能，C正确；蓄电池在夜晚放电时，将化学能转化为电能，D错误。] 5．某诗词中曾写到“一代天骄成吉思汗，只识弯弓射大雕”。不计阻力，成吉思汗在弯弓射雕过程中，涉及机械能的转化不正确的是(　　) A．箭被射出过程中，弓的弹性势能转化为箭的动能 B．箭上升过程中，动能向重力势能转化 C．下落过程中，重力势能又向动能转化 D．箭落到地面上，机械能仍是守恒的 D　[箭被射出过程中，弓的弹性势能转化为箭的动能，A正确；箭上升过程中，动能向重力势能转化，B正确；下落过程中，重力势能又向动能转化，C正确；箭落到地面上，地面的阻力对箭做功，则机械能减小，D错误。] 学科网（北京）股份有限公司 $$