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1、高一物理 第二学期 新课预习 第十八周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 1 7 第二学期 第十八周第二学期 第十八周 课程内容 第七章 机械能守恒定律 第十节 能量守恒定律与能源 2014 2015 学年 高一物理 第二学期 新课预习 第十八周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 3 7 1 准备知识要点 理解机械能守恒定律条件 了解能量的多种形式 2 本阶段知识要点 理解能量守恒定律 知道能源和能量耗散 能对生活中的实例进行 能量转化的分析 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 了解能源与人类生存和社会发展的关系 知道可持续发展的重大意义 1 各种形式能量
2、的相互转化 现实生活的经验告诉我们 各种形式的能量是可以相互转化的 例如 在摩擦生热的 现象中 克服摩擦力做多少功 就有多少机械能转化成等量的内能 通过电流的导线变 热 电能转化成内能 燃料燃烧生热 化学能转化成内能 灼热的灯丝发光 内能转化成 光能 实验证明 在这些转化过程中 能量都是守恒的 2 科学家对能量守恒的探索 对于能量守恒 科学家进行了长期的探索 1801 年 戴维发现了电流的化学效应 1820 年 奥斯特发现了电流的磁效应 1821 年 塞贝克发现了温差电现象 1831 年 法拉第发现了电磁感应现象 1840 年 焦耳发现了电流的热效应 1842 年 迈尔表述了 能量守恒定律 并
3、计算出热功当量的数值 1843 年 焦耳测定了热功当量的数值 从 而 确立了电化学 电和磁 电和热 力和热等自然现象之间的联系 1847 年 亥姆霍 兹在理论上概括和总结了能量守恒定律 发现能量守恒定律的历史表明 能量守恒定律的发现不是偶然的它是人类对自然认识 发展到一定阶段的产物 除了物理学外 别的学科对能量守恒定律的发现也有贡献 3 关于能量守恒定律 能量既不会消灭 也不会创生 它只会从一种形式转化为其他形式 或者从一个物体 转移到另一个物体 而在转化和转移的过程中 能量的总量保持不变 这就是能量守恒定 律 能量守恒定律是经过人类的长期探索在 19 世纪确立的 恩格斯曾经把这一定律称为 伟
4、大的运动基本规律 认为它的发现是 19 世纪连同细胞学说 达尔文的生物进化论在内 的自然科学的三大发现之一 能量守恒定律自建立以来 就是人们认识自然 改造自然的有力武器 这个定律把广 泛的自然科学技术领域联系起来使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言 并取 得了许多重大成就 现在 能量守恒定律仍然是我们研究自然科学的强有力的武器之一 4 为什么要节约能源 教材在本节 思考与讨论 栏目中提出了这样的问题 既然能量是守恒的 不可能消 灭 为什么我们还要节约能源 这一问题值得讨论 其实 节约能源主要是出于以下两方 面的考虑 高一物理 第二学期 新课预习 第十八周 天津市立思辰网络教育有限公司
5、版权所有 4 7 能源短缺 在近二三百年以来 人类相继发明了蒸汽机 内燃机 电动机等动力机 械 使生产力得到了飞速发展 但是 能源的消耗也急剧增长 研究人员估计 按照目前 的石油开采和消耗速度 地球上的石油储藏将在百年内用尽 煤的储量稍多一些 但也将 在二百多年的时间内采完 可以想象 如果没有了石油和煤炭 汽车 飞机 轮船和铁路 上的内燃机车都不能开动 火力发电厂将停止发电 人类的社会生活将会瘫痪 能量耗散 宏观过程具有一定的方向性 例如 两种气体放在一个容器内 总会均 匀地混合到一起 但不会再自发地分离开来 在能量的转化和转移过程中也是如此 例 如 摩擦力做功的过程 要损耗机械能而生热 产生
6、的热不可能全部用来做机械功 热量 只能自发地从高温物体传给低温物体 而不可能从低温物体传向高温物体又不产生其他影 响 燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去 它就不会再次自动聚集起来供人类重新利 用 电池中的化学能转化为电能 它又通过灯泡转化为内能和光能 我们也无法把这些内 能收集起来重新利用 这些实例说明 在能量的转化和转移过程中 能量的总量是守恒 的 但能量的品质却降低了 可被人类直接利用的能量在逐渐减少 这就是能量耗散现 象 所以 能量虽然守恒 但我们还要节约能源 5 能量转化和能量转移方向性的进一步说明 在物理学中 能量转化和能量转移的方向性是用热力学第二定律来表述的 热力学第 二定律有多
7、种表述 两种最常见的表述形式是 开尔文表述 不可能从单一热源吸热 使之完全变成有用的功 而不引起其他变 化 克劳修斯表述 不可能把热量从低温物体传到高温物体 而不引起其他变化 热力学第二定律使人们认识到 自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向 性 可见 不消耗任何能量而能不断做功 或者少消耗能量而能做更多功的机器 第一类 永动机 是不可能的 从单一热源吸热 使之完全变成有用的功而不产生其他影响的机器 第二类永动机 也是不可能的 前者违背了能量守恒定律 后者尽管不违背能量守恒定 律 但是却违背反映能量转化和能量转移方向性的规律 热力学第二定律 对于热力学第二定律 以及反映功 热量跟内能变化
8、之间定量关系的热力学第一定 律 我们将在物理选修模块中深入研究 6 能源的开发和利用 目前 对能源的开发和利用已越来越受到人们的极大关注 我们不仅要注意节约能 源 还要重视能源的合理开发 节约能源的办法有 采用高效锅炉 节约燃料 采用高温高压蒸汽轮机 提高热机效 率 充分利用废气余热 提高燃料利用率 从能源直接得到电能 提高发电效率等等 在合理开发和节约使用煤 石油 天然气等常规能源的同时 要大力开发核能 太阳 能 风能 地热能 海洋能等新能源 7 对功是能量转化的量度的再认识 能量转化是与做功紧密地联系在一起的 力做功时 必然伴随着能量的转化 而且功 与能量转化的量值是相等的 这一等量关系不
9、仅提供了计算功的大小的另一种途径 而且 高一物理 第二学期 新课预习 第十八周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 5 7 涉及功与能的其他物理量也可能在这一等量关系中求出 在力学中 常涉及以下几种力的 功引起的相应的能量变化的等量关系 合外力所做的功或外力所做功的代数和等于物体或物体系动能的变化 动能定 理 除了重力和弹力外 其他力对物体系所做的功等于物体系机械能的变化 功能 原理 重力或弹力对物体所做的功与重力势能或弹性势能的变化数值相等 两物体间滑动摩擦力对物体系所做的功与物体系增加的内能数值相等 例 1 试说明下列现象中能量是怎样转化的 A 在水平公路上行驶的汽车 发动机熄火之后
10、速度越来越小 最后停止 B 电风扇通电后开始转动 断电后转动着的风扇又慢慢停下来 C 火药爆炸产生燃气 子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去 射穿一块钢板 速度减 小 D 用柴油机带动发电机发电 供给电动水泵抽水 把水从低处抽到高处 提示 从能量的种类和做功情况加以分析 解析 A 在水平公路上行驶的汽车 发动机熄火之后 速度越来越小 最后停止 这 一过程中 汽车所受的阻力做负功 机械能转化为内能 B 电风扇通电后开始转动 电流做功 电能转化为机械能 有一部分转化为内能 断 电后转动着的风扇又慢慢停下来 阻力做负功 机械能转化为内能 C 火药爆炸产生燃气 化学能转化为内能 子弹在燃气的推动下从枪膛发
11、射出去 推 力做功 内能转化为机械能 子弹射穿一块钢板 速度减小 阻力做负功 机械能转化为 内能 D 用柴油机带动发电机发电 化学能转化为机械能 又转化为电能 发电机发电后供 给电动水泵抽水 电流做功 电能转化为机械能 电动水泵把水从低处抽到高处 水泵对 水做功 使水泵的机械能传递给水 例题 2 三峡水利发电站是我国最大的水利发电站 三峡水库二期蓄水后 水位落差 约 135m 水的流量约为 1 35 104m 3 s 船只通航需要约 3500m 3 s 其余流量全部用来 发电 水流冲击水轮机发电时 水流减少的机械能有 20 转化为电能 1 三峡发电站 的发电功率最大是多少 2 根据你对家庭生活
12、用电量的调查 如果三峡电站全部用于 城市生活用电 它可满足多少个百万人口城市的生活用电 分析与解 1 三峡水库第二期蓄水后 用于发电的水流量每秒为 Q 1 35 10 4 350 10 4 m 3 s 每秒转化为的电能是 E mgh 20 Vgh 20 高一物理 第二学期 新课预习 第十八周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 6 7 10 3 1 0 10 4 10 135 20 2 7 10 9 J 发电功率最大是 P w t E 9 9 10 9 2 1 10 9 2 2 平均每家同时用电 0 5kw 三峡发电站能供给 5 2 10 9 2 6 5 8 106 一家三口人 3 5 8
13、 10 6 17 10 6 人 即可供 17 个百万人口的城市用电 例题 3 一传送带装置示意图如图 2 所示 其中传送带经过 AB 区域时是水平的 经 过 BC 区域时变为圆弧形 圆弧由光滑模板形成 未画出 经过 CD 区域时是倾斜的 AB 和 CD 都与 BC 相切 现将大量的质量均为 m 的小 货箱一个一个在 A 处放到传送带上 放置时初速为 零 经传送带运送到 D 处 D 和 A 的高度差为 h 稳 定工作时传送带速度不变 CD 段上各箱等距排列 相 邻两箱的距离为 L 每个箱子在 A 处投放后 在到达 B 之前已经相对于传送带静止 且以后也不再滑动 忽 略经 BC 段时的微小滑动 已
14、知在一段相当长的时间 T 内 共运送小货箱的数目为 N 这装置由电动机带动 传送带与轮子间无相对滑动 不计轮轴处的摩擦 求电动机的平均 输出功率 P 以地面为参考系 下同 设传送带的运动速度为 v0 在水平段运输的过程中 小货 箱先在滑动摩擦力作用下做匀加速运动 设这段路程为 s 所用时间为 t 加速度为 a 则 对小箱有 2 2 1 at s at v 0 在这段时间内 传送带运动的路程为 t v s 0 0 由以 上可得 s s 2 0 用 f 表示小箱与传送带之间的滑动摩擦力 则传送带对小箱做功为 2 0 2 1 mv fx A 传送带克服小箱对它的摩擦力做功 2 0 0 0 2 1 2
15、 mv fx A 两者之差就是克服摩擦力做功发出的热量 2 0 2 1 mv Q 可见 在小箱加速运动过程中 小箱获得的动能与发热量相等 T 时间内 电动机输 出的功为 T P W 此功用于增加小箱的动能 势能以及克服摩擦力发热 即 NQ Nmgh Nmv W 2 0 2 1 B L L A C D 图 2 高一物理 第二学期 新课预习 第十八周 天津市立思辰网络教育有限公司 版权所有 7 7 已知相邻两小箱的距离为 L 所以 NL T v 0 联立 得 2 2 2 gh T L N T Nm P 例 4 如图 已知传送带两轮的半径 r 1m 传动中传送带不打滑 质量为 1kg 的物体从 光滑
16、轨道 A 点无初速下滑 A 点比 B 点高 h 5m 物体与传送带之间的动摩擦因数 2 0 当传送带静止时 物体恰能在 C 点离开传送带 则 1 BC 两点间距离为多少 2 若要使物体从 A 点无初速释放后能以最短时间到达 C 点 轮子转动的角速度大小应 满足什么条件 3 当传送带两轮以 12rad s 的角速度顺时针转 动时 物体仍从 A 点无初速释放 在整个过程中 物体与皮带系统增加的内能为多少 分析与解 1 从 A C W EK m h BC BC mg mgh 25 0 2 要使时间最短 让物体在 BC 上一直加速 2 10 2 10 2 10 2 2m s g a C B 10 2 mv 2 1 B 2 2 2 2 B s rad s rad r v s m v BC a v v s m gh v mgh A C C B C B 加速度 到 从 到 从 3 v 带 r 12 m s 1 g v 11 2 v 0 2 B 2 s v t m g v x BC 带 带 物 之间 在 x 带 v 带 t 12 m d x 1 m Q fd mgd 2 个 高一物理 第二学期 巩固练
