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4.1 能量 能量守恒定律
学习目标 1.通过任务1及其活动,了解机械能守恒与不守恒现象,能利用能量的观点解释损失的机械能转化到哪里去了。(物理观念) 2.通过任务2及其活动,了解不同形式的能量,知道能量是怎样划分的,知道能量是物质的一种属性。(物理观念) 3.通过任务3及其活动,理解能量守恒定律,能利用能量守恒定律解释生活中的相关现象。(物理观念、科学思维、科学态度与责任)
【自主预习】
　　重点难点:机械能的守恒与不守恒,能量守恒定律。
教学建议:本节课的教学内容是能量与能量守恒定律,通过教学,应使学生形成物理观念中的能量观念,引导学生利用所学能量观念解释生活、生产中的能量问题。可先通过实际情境引入课题,展开讨论过渡到机械能的相关问题,通过实际生活中的落石的机械能损失现象,结合功能关系分析损失的机械能转化为内能耗散掉了,再把研究系统拓展大,过渡到能量守恒定律,最后回归课前提问,利用能量守恒定律解释永动机不能制造成功。
引入新课:永动机是一类所谓不需外界输入能源、能量或在仅有一个热源的条件下便能够不断运动并且对外做功的机械。它的想法起源于印度,后来从印度传到了西方。在欧洲,早期最著名的一个永动机设计方案是一个叫亨内考的人提出来的:如图1所示,轮子中央有一个转动轴,轮子边缘安装着12个可活动的短杆,每个短杆的一端装有一个铁球。设计者认为,左边的球比右边的球离轴远些,因此,右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去,并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来,但从未实现不停息的转动。文艺复兴时期意大利的达·芬奇也造了一个类似的装置(如图2所示),他设计时认为,左边的重球比右边的重球离轮心更远些,在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息,但实验结果却是否定的。除此之外,还有很多人提出了永动机的设计方案,如利用轮子的惯性,细管子的毛细作用,电磁力等来获得有效动力,但无一例外都以失败告终。永动机不能制造成功,这是为什么呢 今天我们就来学习相关内容。
思考并回答问题。
思考1:毛泽东的诗词中曾写道“一代天骄,成吉思汗,只识弯弓射大雕。”请分析成吉思汗在弯弓射雕的过程中,涉及机械能中哪些能量之间的转化
【提示】 箭被射出过程中,弹性势能转化为箭的动能;箭上升过程中,动能向重力势能转化;下思考2:用细绳把铁锁吊在高处,并把铁锁拉到鼻子尖前释放,保持头的位置不动,铁锁摆回来时,会打到鼻子吗 试试看,并解释原因。
【提示】 不会打到鼻子。联想伽利略的理想斜面实验,若没有阻力,铁锁刚好能回到初位置,遵循机械能守恒定律;若存在阻力,机械能损失,铁锁速度为零时的高度低于开始下落时的高度,铁锁一定不能到达鼻子的位置。
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)用细绳悬挂一个小球匀速上升,小球的机械能守恒。 (　　)
(2)小球竖直下落到竖直放置的轻弹簧上的过程中,小球机械能守恒。 (　　)
(3)在粗糙斜面上下滑的物体,机械能减小。 (　　)
(4)经历几代人的共同努力,在科技发达的今天永动机是可以制造成功的。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　
【合作探究】
任务1 机械能守恒与不守恒
　　如图所示,射出去的箭最后落到某个位置静止。
1.射出去的箭机械能最终去哪里了
【解答】 射出的箭因为受到空气阻力,机械能最终转化成了内能。
2.系统机械能守恒的条件是什么
【解答】 系统在只有重力或弹力做功时,机械能守恒。
3.系统机械能不守恒时,如何判断机械能是增加还是减小
【解答】 除了重力或弹力之外的其他外力做功,其他外力对系统做正功,机械能增加,其他外力对系统做负功,机械能减小。
机械能守恒与不守恒
1.对于由几个物体组成的系统来说,系统的机械能守恒的条件:只有①　　　　　　或②　　
　　　　做功。
2.如果一个系统除重力或弹力以外,还有外力做功,系统的机械能就会发生变化:如果外力做正功,系统的机械能③　　　　　　;反之则系统的机械能④　　　　　　。如果一个系统除重力或弹力以外,还有其他内力(如滑动摩擦力)做功,由于一对相互作用的滑动摩擦力所做功之和一定是负值,因此系统的机械能会减少,同时有热量产生(称为摩擦生热)。精确的研究证明,系统机械能的减少量⑤　　　　　　所生成的热量,也可以说减少的机械能转化成了内能。
【答案】①重力　②弹力　③增加　④减少　⑤等于
应用　机械能守恒的判断
如图所示,将一个内外侧均光滑的半圆形槽置于光滑的水平面上,槽的左侧有一固定的竖直墙壁.现让一小球自左端槽口A点的正上方由静止开始下落,从A点与半圆形槽相切进入槽内,则下列说法正确的是 (　　)
A.小球在半圆形槽内运动的全过程中,只有重力对它做功
B.小球从A点向半圆形槽的最低点运动的过程中,小球处于失重状态
C.小球从A点经最低点向右侧最高点运动的过程中,小球与槽组成的系统机械能守恒
D.小球从下落到从右侧离开槽的过程中,机械能守恒
【答案】C
【解析】 小球从A点向半圆形槽的最低点运动的过程中,半圆形槽有向左运动的趋势,但是实际上没有动,整个系统只有重力做功,所以小球与槽组成的系统机械能守恒。而小球过了半圆形槽的最低点以后,半圆形槽向右运动,由于系统没有其他形式的能量产生,满足机械能守恒的条件,所以系统的机械能守恒。小球到达槽最低点前,小球先失重,后超重,当小球向右上方滑动时,半圆形槽向右移动,半圆形槽对小球做负功,小球的机械能不守恒,综合以上分析可知,C项正确。
任务2 能量的分类
　　能量是物质的重要属性之一,它有许多形式,如热能、机械能、光能、电能、核能、化学能等等。
1.机械能包括哪些
【解答】 机械能包括动能、重力势能和弹性势能等。
2.说说内能的定义及内能与温度的关系。
【解答】 内能指分子无规则运动的动能和分子势能的总和。通常情况下,同一物体的温度越高,具有的内能就越大。
3.什么是核能 说说核能的利用。
【解答】 核能是由于物质的原子结构发生变化而释放的能量。现在核能的利用主要是发电与制造核武器。
能量以各种各样的形式存在,如机械能、⑥　　　　、电能、光能、化学能和⑦　　　　等。
【答案】⑥内能　⑦核能
应用　对物质能量的理解
(多选)下列说法正确的是 (　　)
A.能量只以势能和动能两种形式存在
B.能量只存在于具有一定高度或运动状态的物体中
C.任何物体均具有能量
D.能量的存在形式多种多样,且不同形式之间可以相互转化
能量也是物质的一种属性。
【答案】CD
【解析】 不管物体所处的位置或运动状态如何,任何物体都具有能量,能量以各种各样的形式存在,且不同形式之间可以相互转化,A、B两项错误, C、D两项正确。
任务3 能量守恒定律
　　不同形式的能量之间可以相互转化。机械能守恒定律告诉我们,在一定条件下,系统的动能和势能可以相互转化,且机械能守恒。不同形式的能量之间的转化遵循怎样的规律呢
1.在图中每一种能的转化过程中你能分别写出一个实例吗
【解答】 水电站里水轮机带动发电机发电,机械能转化为电能;电动机带动水泵把水送到高处,电能转化为机械能;植物吸收太阳光进行光合作用,光能转化为化学能;燃料燃烧时发光发热,化学能转化为内能和光能等。
2.有人说:“在有些物理过程中能量守恒,有些物理过程不能用能量观点求解,因为这些过程中能量不守恒。”你认为这个观点对吗 说明理由。
【解答】 这个观点是错误的。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的规律之一。任何物理过程,无论是我们已知的还是未知的,都遵循能量守恒定律。物理问题能否用能量观点求解,是由题目的已知条件决定的,转化过程中能量一定守恒。
3.什么是第一类永动机 为什么它们不可能制成
【解答】 不消耗任何能量,却可以源源不断地对外做功,人们把这种机器叫作第一类永动机。任何动力机械的作用都是把其他形式的能转化为机械能,并不能创造能量,永动机的思想违背了能量守恒定律,所以是不可能制成的。
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⑧　　　　　　为另一种形式,或者从一个物体⑨　　　　　　到另一个物体,在转化或转移的过程中其总量⑩　　　　　　。
【答案】⑧转化　⑨转移　⑩不变
问题讨论
有一种所谓“全自动”机械手表,既不需要上发条,也不用任何电源,却能不停地走下去。这是不是一种永动机 如果不是,你知道维持表针走动的能量是从哪儿来的吗
【提示】 不是永动机,手表戴在手上,人运动的能量一部分转化为手表的能量(指针动能)。
应用　能量守恒定律的应用
(改编) 某地强风的风速约为v,空气的密度为ρ,若把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能,则用上述已知量计算电功率的公式为 (　　)
A.P=ρSv B.P=ρSv2
C.P=ρSv3 D.P=ρSv4
【答案】C
【解析】 风能完全转化为电能,由能量守恒定律得mv2=Pt,其中m=ρV=ρvtS,联立解得P==ρSv3,C项正确。
归纳总结 1.能量守恒定律的适用范围 能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律,是在各种自然现象中普遍适用的一条规律。 2.能量守恒定律的表达式 (1)E初=E末,初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和。 (2)ΔE增=ΔE减,某些能量的增加量等于其他能量的减少量。 3.应用能量守恒定律解题的思维流程 (1)明确研究对象及研究过程。 (2)明确该过程中,哪些形式的能量在变化。 (3)确定参与转化的能量中,哪些能量增加,哪些能量减少。 (4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)。
【随堂检测】
1.(任务1、3)安装在列车车厢之间的摩擦缓冲器结构图如图所示。图中①和②为楔块,③和④为垫板,楔块与弹簧盒、垫板间均有摩擦。在车厢相互撞击使弹簧压缩的过程中 (　　)
A.缓冲器的机械能守恒
B.摩擦力做功消耗机械能
C.垫板的动能全部转化为内能
D.弹簧的弹性势能全部转化为动能
【答案】B
【解析】 在弹簧压缩过程中,摩擦力做功,缓冲器的机械能不守恒,A项错误,B项正确;根据能量守恒可知,垫板的动能转化为弹簧的弹性势能以及克服摩擦力做功产生的内能,C、D两项错误。
2.(任务1)一质量均匀不可伸长的绳索,固定在A、B两端,重为G,A、B两端固定在天花板上,如图所示。今在最低点C施加一竖直向下的力,将绳索缓慢拉至D点,在此过程中,绳索AB的重心位置将 (　　)
A.升高
B.降低
C.先降低后升高
D.始终不变
【答案】A
【解析】 物体的重心不一定在物体上,对于一些不规则的物体要确定重心是比较困难的,本题绳索的重心是不容易标出的。因此,要确定重心的变化,只有通过其他途径确定。当用力将绳索缓慢地从C点拉到D点,外力在不断地做功,而绳索的动能不增加,因此外力做功必定使绳索的重力势能增加,故绳索的重心将升高,A项正确。
3.(任务2)关于能的概念,下列说法正确的是 (　　)
A.用线悬挂着的物体,它没有做功,它不具有机械能
B.在空中飞行的子弹,因为它能做功,所以它具有机械能
C.甲物体的运动速度比乙物体的大,则甲物体的动能一定比乙物体的大
D.甲物体的高度比乙物体的高度大,则甲物体的势能一定比乙物体的大
【答案】B
【解析】 用线悬挂的物体,由于被举高而具有做功的本领,它具有重力势能;重力势能的大小是由物体的质量和高度共同决定的,被举得越高的物体具有的重力势能不一定越大;物体动能的大小是由物体的质量和速度大小共同决定的,速度大的物体动能不一定大。
4.(任务3)(多选)约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”,如图所示,在斜坡顶上放一块强有力的磁铁,斜坡上端有一个小孔,斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为:如果在斜坡底端放一个小铁球,那么由于磁铁的吸引,小铁球就会向上运动,当小铁球运动到小孔P处时,它就要掉下,再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q,由于有速度而可以对外做功,然后又被磁铁吸引回到上端,到小孔P处又掉下。关于维尔金斯“永动机”,正确的认识应该是 (　　)
A.一定不可能实现
B.如果忽略斜面的摩擦,维尔金斯“永动机”一定可以实现
C.如果忽略斜面的摩擦,铁球质量较小,磁铁磁性又较强,则维尔金斯“永动机”可以实现
D.违背能量守恒定律
【答案】AD
【解析】 维尔金斯“永动机”不可能实现,因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中,磁场力对小球做正功,使小球增加了机械能;但小球下落时,同样也受到磁场力,而且磁场力做负功,这个负功与上升过程的正功相互抵消,可见,即使忽略摩擦,要想在Q处对外做功,也是没有能量来源的,所以维尔金斯“永动机”不可能实现。A、D两项符合题意。
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