一、能量守恒定律
1．定律內(nèi)容
能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．
2．建立定律的兩個重要事實
(1)確認了永動機的不可能性．
(2)各種自然現(xiàn)象之間能量的相互聯(lián)系與轉(zhuǎn)化．
3．機械能守恒定律與能量守恒定律的關(guān)系
機械能守恒定律是能量守恒定律的特殊背景下一種特殊的表現(xiàn)形式．
二、能源與可持續(xù)發(fā)現(xiàn)
1．能量耗散和品質(zhì)降低
(1)能量耗散：有序度較高(集中度較高)的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流散到環(huán)境中無法重新收集起來加以利用的現(xiàn)象．
(2)各種形式的能量向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，是無序程度較小的狀態(tài)向無序程度較大的狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，是能夠自動發(fā)生、全額發(fā)生的．
(3)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)變化過程具有方向性．
(4)能量耗散雖然不會導致能量總量的減少，卻會導致能量品質(zhì)的降低，它實際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)形式降級為不大可用的低品質(zhì)形式．
2．能源與環(huán)境
(1)常規(guī)能源：人們把煤、石油、天然氣等化石能源叫作常規(guī)能源，人類消耗的能源主要是常規(guī)能源．
(2)新能源：主要有太陽能、生物質(zhì)能、風能、水能、核能等．
(3)環(huán)境問題：化石能源的大量消耗帶來的環(huán)境問題有溫室效應(yīng)、酸雨、光化學煙霧等．
1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)根據(jù)能量守恒定律可知，節(jié)約能源是沒有必要的．(×)
(2)能量耗散會導致總能量的減少，也會導致能量品質(zhì)降低．(×)
(3)能源的開發(fā)和利用必須同時考慮其對環(huán)境的影響．(√)
2．煤、石油、天然氣和生物質(zhì)能作為能源的共同特點是( )
A．都為可再生能源，取之不盡，用之不竭
B．都為不可再生能源，用一點，少一點
C．都為來自太陽輻射的能量
D．都為污染環(huán)境的能源
C [煤、石油、天然氣是不可再生能源，對環(huán)境污染嚴重，生物質(zhì)能是可再生能源，對環(huán)境無污染或污染少，但它們都來自太陽輻射．因此，選項C正確，其他選項均錯誤．]
3．一個盛水袋，某人從側(cè)面緩慢推裝液體的袋壁使它變形至如圖所示位置，則此過程中袋和液體的重心將( )
A．逐漸升高
B．逐漸降低
C．先降低再升高
D．始終不變
A [人對液體做正功，液體的機械能增加，液體緩慢移動可以認為動能不變，重力勢能增加，重心升高，A正確．]
1.適用范圍
能量守恒定律是貫穿物理學的基本規(guī)律，是各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律．
2．表達式
(1)E初＝E末，初狀態(tài)各種能量的總和等于末狀態(tài)各種能量的總和．
(2)ΔE增＝ΔE減，增加的那些能量的增加量等于減少的那些能量的減少量．
3．應(yīng)用步驟
(1)明確研究對象及研究過程．
(2)明確該過程中，哪些形式的能量在變化．
(3)確定參與轉(zhuǎn)化的能量中，哪些能量增加，哪些能量減少．
(4)列出增加的能量和減少的能量之間的守恒式(或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式)．
【例1】 如圖所示，電動機帶動水平傳送帶以速度v勻速傳動，一質(zhì)量為m的小木塊由靜止輕放在傳送帶上．若小木塊與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)為μ，當小木塊與傳送帶相對靜止時，求：
(1)小木塊的位移；
(2)傳送帶轉(zhuǎn)過的路程；
(3)小木塊獲得的動能；
(4)摩擦過程產(chǎn)生的熱量；
(5)電動機帶動傳送帶勻速轉(zhuǎn)動輸出的總能量；
思路點撥：(1)在計算第(4)問時，要用滑動摩擦力乘木塊相對皮帶的位移，不是對地位移．
(2)要理解電動機帶動傳送帶勻速轉(zhuǎn)動輸出能量的含義為：小木塊獲得的動能與摩擦生熱的和．
[解析] 小木塊剛放上傳送帶時，速度為0，受到傳送帶的滑動摩擦力作用，做勻加速直線運動，達到與傳送帶相同的速度后不再受摩擦力．整個過程中小木塊獲得一定的動能，系統(tǒng)內(nèi)因摩擦產(chǎn)生一定的熱量．
(1)對小木塊，相對滑動時，由μmg＝ma，得a＝μg，
由v＝at，得小木塊由靜止到與傳送帶相對靜止時所用的時間t＝eq \f(v,μg).
則小木塊的位移l＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(v2,2μg).
(2)傳送帶始終勻速運動，轉(zhuǎn)過的路程s＝vt＝eq \f(v2,μg).
(3)小木塊獲得的動能Ek＝eq \f(1,2)mv2.
(4)摩擦過程產(chǎn)生的熱量Q＝μmg(s－l)＝eq \f(1,2)mv2.
(5)由能的轉(zhuǎn)化與守恒得，電動機輸出的總能量轉(zhuǎn)化為小木塊的動能與摩擦產(chǎn)生的熱量，所以E總＝Ek＋Q＝mv2.
[答案] (1)eq \f(v2,2μg) (2)eq \f(v2,μg) (3)eq \f(1,2)mv2 (4)eq \f(1,2)mv2 (5)mv2
(1)摩擦力做功特點
①無論是靜摩擦力還是滑動摩擦力，它們都可以做負功或做正功，也可以不做功．
②互為作用力和反作用力的一對靜摩擦力所做的總功為零；而互為作用力和反作用力的一對滑動摩擦力所做的總功一定為負值．
(2)因摩擦而產(chǎn)生的內(nèi)能的計算
Q＝Ff·x相，其中Ff指滑動摩擦力的大小，x相指發(fā)生摩擦的物體間的相對位移的大?。?br>1．如圖所示，在光滑的水平面上，有一質(zhì)量為M的長木塊以一定的初速度向右勻速運動，將質(zhì)量為m的小鐵塊無初速度地輕放到長木塊右端，小鐵塊與長木塊間的動摩擦因數(shù)為μ，當小鐵塊在長木塊上相對長木塊滑動L時與長木塊保持相對靜止，此時長木塊對地的位移為l，求這個過程中：
(1)小鐵塊增加的動能；
(2)長木塊減少的動能；
(3)系統(tǒng)機械能的減少量；
(4)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量．
[解析] 畫出這一過程兩物體位移示意圖，如圖所示．
(1)根據(jù)動能定理得μmg(l－L)＝ΔEk，即小鐵塊動能的增加量等于滑動摩擦力對小鐵塊做的功．
(2)摩擦力對長木塊做負功，根據(jù)功能關(guān)系得ΔEkM＝－μmgl，即長木塊減少的動能等于長木塊克服摩擦力做的功μmgl.
(3)系統(tǒng)機械能的減少量等于系統(tǒng)克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.
(4)m、M間相對滑動的位移為L，根據(jù)能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力對系統(tǒng)做的總功等于系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，也等于系統(tǒng)減少的機械能．
[答案] (1)μmg(l－L) (2)μmgl (3)μmgL (4)μmgL
1.如何正確理解能量耗散和品質(zhì)降低
(1)各種形式的能最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也不過只能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能驅(qū)動機器做功了．
(2)從可被利用的價值來看，內(nèi)能較之機械能、電能等，是一種低品質(zhì)的能量. 由此可知，能量耗散雖然不會導致能量的總量減少，卻會導致能量品質(zhì)的降低，實際上是將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式．
(3)能量耗散導致可利用能源減少，所以要節(jié)約能源．
2．能源的分類
【例2】 能源短缺和環(huán)境惡化指的是( )
①煤炭和石油的開采與技術(shù)有關(guān)，在當前技術(shù)條件下，煤炭和石油的開采是有限的，這叫能源短缺．
②煤炭和石油資源是有限的，以今天的開采和消耗速度，石油儲藏將在百年內(nèi)用盡，煤炭資源也不可能永續(xù)，這叫能源短缺．
③煤炭和石油具有很大的氣味，在開采、存放和使用過程中這些氣味會聚集在空氣中污染空氣，使環(huán)境惡化．
④大量煤炭和石油產(chǎn)品在燃燒時排出的有害氣體污染了空氣，改變了大氣成分，使環(huán)境惡化．
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
D [煤炭和石油都是由幾億年以前的生物遺體形成的，這些能源不能再次生成，也不可重復使用，它們的儲量是有限的，并不是取之不盡、用之不竭的，這是所講的能源短缺，②正確；能源在使用時會排出有害氣體污染空氣，這是所講的環(huán)境惡化，④正確．故D正確．]
(1)能源的開發(fā)和利用要以人為本，要以可持續(xù)發(fā)展為前提．
(2)應(yīng)優(yōu)先使用新能源，新能源的共同特點：可再生、取之不盡、綠色無污染．
2．關(guān)于能源的利用，下列說法中不正確的是( )
A．由于我國煤和石油的儲量無限，所以太陽能和核能的開發(fā)在我國根本沒有必要
B．能源的利用過程，實質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程
C．現(xiàn)在人類社會使用的能源主要是煤、石油和天然氣
D．煤、石油和天然氣的化學能歸根到底來自太陽能
A [石油、煤等為非再生的能源，儲量有限，能源的利用中雖然總量不變，但品質(zhì)降低，可再利用能源越來越少，所以新能源的開發(fā)和利用是當今世界各國面臨的課題，A錯，B、C、D對．]
1．市面上出售一種裝有太陽能電扇的帽子(如圖所示)．在陽光的照射下，小電扇快速轉(zhuǎn)動，能給炎熱的夏季帶來一絲涼爽．該裝置的能量轉(zhuǎn)化情況是( )
A．太陽能→電能→機械能
B．太陽能→機械能→電能
C．電能→太陽能→機械能
D．機械能→太陽能→電能
A [電池板中太陽能轉(zhuǎn)化為電能，小電動機中電能轉(zhuǎn)化為機械能．]
2．下列對能量耗散的理解正確的有( )
A．能量耗散說明能量在不斷減少
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散說明能量不能憑空產(chǎn)生，但可以憑空消失
D．能量耗散從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性
E．能量耗散符合熱力學第二定律
BDE [在發(fā)生能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程中，其他形式的能量最終會轉(zhuǎn)化為流散到周圍環(huán)境的內(nèi)能，無法再回收利用，這種現(xiàn)象叫能量耗散，能量耗散并不違反能量守恒定律，宇宙中的能量既沒有減少，也沒有消失，它只從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性，恰恰說明符合熱力學第二定律，故A、C錯，B、D、E正確．]
3．某地的平均風速為5 m/s，已知空氣密度是1.2 kg/m3，有一風車，它的車葉轉(zhuǎn)動時可形成半徑為12 m的圓面，如果這個風車能將此圓內(nèi)10%的氣流的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，則該風車帶動的發(fā)電機功率是多大？
[解析] 首先可以求出在時間t內(nèi)作用于風車的氣流質(zhì)量為m＝πr2vtρ，這些氣流的動能為Ek＝eq \f(1,2)mv2
故風車帶動發(fā)電機發(fā)電的功率為
P＝eq \f(10%Ek,t)＝eq \f(1,2)πr2ρv3×10%
代入數(shù)據(jù)以后得P＝3.4 kW.
[答案] 3.4 kW
能量守恒定律的理解與應(yīng)用
能源及其開發(fā)和利用
能源分類方法
能源分類名稱
特點
舉例
按形式或轉(zhuǎn)換特點分
一次能源
自然形成，未經(jīng)加工
太陽能、風能、地熱能、核能、潮汐能
二次能源
由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而成
焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電能
按利用技術(shù)分
常規(guī)能源
已大規(guī)模正常使用
煤、石油、天然氣、水能
新能源
正在開發(fā)，或有新的利用方式
太陽能、核能、地熱能、海洋能、沼氣、風能
按可否再生分
可再生能源
可循環(huán)使用
水能、風能、生物質(zhì)能、地熱能
不可再生能源
短期內(nèi)無法轉(zhuǎn)換獲得
煤、石油、天然氣、核燃料
按對環(huán)境污染情況分
清潔能源
對環(huán)境基本上沒有污染
太陽能、海洋能、風能、水能
污染能源
會嚴重污染環(huán)境
化石燃料(煤、石油、天然氣)

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