1、4.6 能量 能量转化与守恒定律 【学习目标】 一、知识与技能： 1、了解自然界中存在多种形式的能量。 2、知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一 3、通过能量守恒以及能量转化和转移的方向性，认识提高效率的重要性 4、通过永动机研制的失败，体会能量守恒定律建立的重要性。 二、过程与方法： 1、注意自然界中各种不同形式的能量，体会自然界能量形式的多样性 2、关注自然界能量相互转化的过程，知道能量的多样性和复杂性，了解人类创造和发 明的许多技术设备都是为人类服务的能量转化器 3、列举自然界中能量转化和转移具有方向性的例子，体会提高能源利 用率和节约能 源的重要性 三、情感、态度与价值观 1
2、、 认识自然界中各种不同形式能量及其转化，体会自然界能量的多样性 2、通过能量守恒定律的建立过程，体会自然界的和谐统一 【学习重点】 1、能量守恒定律 2、能量和转化和转移具有方向性 【知识要点】 各种各样的能量 一、对能量概念的初步认识 能量简称为能.一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量. 二、能量形式的多样性 物质的运动形式是多种多样的，物质的每一种运动形式都对应着一种形式的能量.与物 体的机械运动对应的能量称机械能.与物体内大量分子热运动及分子间相互作用势能对应的 能量称内能，与电磁运动对应的能量称电磁能，与物质的化学运动对应的能量称化学能. 能量之间的相互转化 自然界中，能的
3、表现形式是多种多样的，除了机械能外，还有内能、电能、光能、化 学能等，这些能量间可以相互转化，但总的 能量不变，即遵守能的转化和守恒定律. 能量守恒定律 一、能的转化和守恒定律 1.定律的内容 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，或从 一个物体转移到另一个物体，在转化或转移过程中总能量守恒.功是能量转化的量度. 2.定律的表达式 E 初 =E 终 ；E 增 =E 减 某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量一定和增加量相等. 某个物体的能量减 少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等. 3.用能量守恒解题的基本步骤 （1）分清有多少
4、种形式的能（如机械能、热能、电能等）在变化. （2）分别列出减少的能量 E 减 和增加的能量 E 增 的表达式. （3）列式求解. 能量转化和转移的方向性 热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时 ，热量会自发地从高温物体传给低 温物体，结果使高温物体的温度降低，低温物体的温度升高. 也可以这样说，热量可以自发地从高温物体传向低温物体，但热量却不能自发地从低温物 体传向高温物体.要将热量从低温物体传向高温物体，必须有外界的影响或帮助，就是要有 外界对其做功才能完成，电冰箱就是一例. 【典型例题】 例 1 一质量为 2kg 的物块从离地 80m 高处自由落下，测得落地速度为 30m/s ，求
5、下 落过程中产生的内能。 （g=10m/s 2） 精析：这里，显然内能无法直接计算，但是下落过程中减少的机械能变成了内能。 解析：根据能量守恒，产生的内能为： )(J7032180mv21ghE 绿色通道：本题中虽然是“自由落下” ，但是机械能并不守恒，可是能量守恒定律却是 完全能用的。 具体应用时，可以不同的思路列方程。比如“初、末状态的能量相等” 、 “减少的能量 等于增加的能量”等。 例 2 如图 4-30 ，一固定的楔形木块，其斜面的倾角为 =300，另一边与地面垂直， 顶上有一定滑轮，一柔软的细线跨过定滑轮，两端分别与物块 A 和 B 连结，A 的质量为 4m，B 的质量为 m。开始
6、时将 B 按在地上不动，然后放开手，让 A 沿斜面下滑而 B 上升。 物块 A 与斜面间无摩擦。设当 A 沿斜面下滑 S 距离后，细线突然断了。求物块 B 上升的 最大高度。 精析：本题是恒力作用的情形，可以采用隔离法， 用牛顿定律求解，也可以利用机械能守恒求解。现在我 们 直接根据普遍的能量守恒定律求 解。 物块 A 下滑时，减少的重力势能有三个去处：使 自己的动能增加，使物块 B 的动能、重力势能都增加。 细线断后，物体 B 做竖直上抛运动。 解：细线断时，A、B 的速度大小相同，设为 v ，B 上升的高度为 h1=S ，由能量守恒得： mgS2142mgS4sin 设物体 B 在细线断后
7、还能再上升 h2 ，单独对物体 B 上升 h2 的这一段用能量守恒得：gv 联立以上两式可得： S512 所以，物体 B 上升得最大高度为： S56h21 绿色通道：当我们直接用普遍的能量守恒定律求解时，发现根本不需要再去考虑零势 A B 图 4-30 能面、机械能守恒的条件等。 例 3 “和平号”空间站已于 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，空间站的绝大 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
8、 E通过其它方式散 失（不考虑坠落过程中化学反应的能量） 。 （1）试导出用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（结果保留两位有效数字） 坠落开始时空间站的质量 M=1.17105kg；轨道离地面的高度为 h=146km；地球半径 R 地 =6.4106m；坠落空间范围内重力加速度可看作 g=10m/s2；入海残片的质量 m=1.2104kg；入海时残片的温度比坠落开始时升高了 T=3000K；入海残片的入海速度为 声速 V0=340m/；空间站材料每 1kg 升温 1K 平均所需能量 c=1.0103J/(kg.K)；每销毁 1kg 材料平均所需能量 =1.010
9、7J. 精析：本题描述的是 2001 年世界瞩目的一件大事：“和平号”空间站成功地坠落在南 太平洋海域。让绕地球运行的空间站按照预定的路线成功坠落在预定的海域，这件事情本 身就极富挑战性，表达了人类征服自然改造自然的雄心和实力。 仔细阅读题目，弄清楚能量的来龙去脉，特别是减少的能量的去处。 首先我们应弄清题目所述的 物理过程，建立一个正确的物理模型。 我们将空间站看 作一个质点，开始时以一定的速度绕地球运行，具有一定的动能和势能，坠落开始时空间 站离开轨道，经过摩擦升温，空间站大部分升温、熔化，最后汽化而销毁，剩下的残片坠 落大海，整个过程中，总能量是守恒的 解析： （1） 根据题述条件，从近
10、圆轨道到地面的空间中重力加速度 g=10m/s2，若以地面为 重力势能的零点，坠落过程开始时空间站在近圆轨道上的势能为： Ep=Mgh. （1） 以 v 表示空间站在轨道上的速度，可得（R 地 表示地球半径，M 地 是地球的质量）： （2） hRvhMG22地地)( 式中 G 是万有引力恒量。 （3）g2)(地 由式(2)、(3) 可得空间站在轨道上的动能 ： （4） )(hRM1EK地 由式(1)、(4) 可得，在近圆轨道上空间站的机械能 （5） gg2)(地 在坠落过程中，用于销毁部分所需要的能量为： Q 汽 =(M-m). （6） 用于残片升温所需要的能量： Q 残 =cmT. （7）
11、残片的动能为：E 残 = （8） 20mV1 以 E表示其他方式散失的能量，则由能量守恒定律可得： E=Q 汽 +E 残 +Q 残 +E （9） 由此得：E= Mg(R 地 +h)+Mgh(M m) cmT （10） 220mV1 (2) 将题给数据代入得：E=4.110 12J. 绿色通道：本题题目很长，包含了较多的信息。它取材于重大的科技事件，让人觉得尖端 科技离我们并不遥远，仍然离不开最基本的物理学原理。我们不要被它的表面现象所吓到， “仔细读题” ， “建立数学模型”是关键。 【当堂反馈】 1.能量既_，也不会_，它只会从一种形式转化为_ _，或者从一 个物体转移到_，而能的_保持不变
12、. 2.在国际单位制中，焦耳是_、_和_的单位. 3.冰块沿地面滑动，往往会逐渐熔化，在这一过程中是_能转化为_能； 把铁丝多次弯折，弯折处会发热，是把_能转化成_能. 4.写出下列现象中能量转化的形式. (1)电动机带动水泵抽水是_； (2)汽车突然紧急刹车停住是_； (3)用毛巾反复擦背，感觉后背热了是_； (4)利用木柴烧水的过程是_. 5.关于能的转化与守恒定律的下列说法错误的是 A.能量能从一种形式转化为另一种形式，但不能从一个物体转移到另一个物体 B.能量的形式多种多样，它们之间可以相互转化 C.一个物体能量增加了，必然伴随着别的物体能量的减少 D.能的转化与守恒定律证明了第一类永
13、动机是不可能存在的 6.一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法正确的是 A.物体机械能不变，内能也不变 B.物体机械能减少，内能不变 C.物体机械能减少，内能增大，机械能与内能总量减少 D.物体机械能减少，内能增大，机械能与内能总量不变 7.一辆汽车在关闭油门后继续在水平方向上向前移动，从能的转化来看，它的 A.动能不变 B.机械能不变 C.动能转化为势能 D.动能转化为内能 8.在以下过程中，内能转化为机械能的是 A.冰块在地面上滑动时熔化 B.砂轮磨刀 C.水开了会顶动壶盖 D.火柴摩擦后燃烧 9.用铁锤打击铁钉，设打击时有 80的机械能转化为内能，内能的 50用来使铁钉的 温度升高.问打
14、击 20 次后，铁钉的温度升高多少摄氏度？已知铁锤的质量为 1.2 kg，铁锤打 击铁钉时的速度是 10 ms，铁钉质量是 40 g，铁的比热是 5.0102 J(kg). 10.地球表面平均每平方米每分钟接收 2.1 J 的太阳能，试估算整个地球每分钟所接收 到的太阳 能为多少？人类每年消耗的能量换算成石油，约为 50 亿吨，已知燃烧 1 g 石油得 到的热量大约是 4.2104 J，计算人类每年消耗的能量为多少？人类每年消耗的能量相当于 太阳在多长时间内投到地球的能量？ 11.地球所接受到的太阳能仅为太阳所释放出能量的极小的一部分，如此大的太阳能是 由什么能转化来的？ 12.一次台风的平均
15、能量为 1.11018 J 左右.台风登陆以后，由于和地表面的摩擦,引起 了能量的消耗.这个能量的消耗是每秒 1.11013 J 左右. 因此，如果不从外界补充能量，台 风应该在 s=105 s，也就是大约一日就消失了. 但是，还没有听说过台风在一日内13 80. 就消失了的事情.这说明台风从什么地方得到了能够补充它消耗的巨大能量.请你说明补充的 能量从什么能量转化来的. 13.一个人维持生存所必需的食品的热量是每天 1.26107 J(3000 千卡) 左右，若世界总 人口为 60 亿，试估算人类活动所需要的能量是人类生存所必需能量的多少倍. 14.拮抗肌在动物奔跑过程中所做的 功是随着每迈
16、一步对腿的加速和减速完成的，腿离 开地面时，腿从静止直到接近等于身体的速度,拮抗肌做功.同样，在腿又回到静止的过程中， 拮抗肌又做了相当的功.现有一个以 3 m/s 的速度奔跑的质量为 70 kg 的人，他每条腿的质 量约为 10 kg，其步子的长度( 同一只脚的两个相邻足迹之间的距离 )为 2 m，此人每秒内每 条腿迈出 1.5 步.求此人奔跑过程中的能量消耗率(肌肉的效率 约为 0.25). 【参考答案】 1、不会凭空产生 凭空消失 另一种形式 另一个物体 总量 2、功 能量 热量 3、机械 内 机械 内 4、电能转化为机械能 机械能转化为内能 机械能转化为内能 木柴的化学能转变为 内能并通过热传递传递给水 5、A 6、D 7、D 8、C 9、24 10、1.110 19 J 19 min 11、核能 12、水蒸气的内能 13、7.6 倍 14、1080 W
