能量守恒定律与能源
一、能量守恒定律
1.建立能量守恒定律的两个重要事实:
(1)确认了永动机的__(A.可能　B.不可能)性。
(2)发现了各种自然现象之间能量的_________与_____。
B
相互联系
转化
2.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_____为另一种形式,或者从一个物体_____到别的物体,在
_____或_____的过程中,能量的总量_________。
3.意义:能量守恒定律的建立,是人类认识自然的一次重大飞
跃。它是最_____、最_____、最_____的自然规律之一,而且
是大自然普遍和谐性的一种表现形式。
转化
转移
转化
转移
保持不变
普遍
重要
可靠
【自我思悟】
1.一个叫丹尼斯·李(Dennis Lee)的美国人在
《美国今日》《新闻周刊》等全国性报刊上
刊登大幅广告,在全美各地表演,展示其号称
无需任何能源的发电机。
你认为这种发电机能造出来吗?并说明原因。
提示:不能。丹尼斯·李发明的发电机不消耗其他能量而源源不断地产生电能,违背了能量守恒,因此这种发电机不能制造出来。
2.如图小朋友沿滑梯向下滑动过程中,他们身上发生了哪些能量间的转化?小朋友的机械能守恒吗?

提示:小朋友下滑时,重力势能减少,动能增加,同时他们与滑梯的内能也增加;小朋友的机械能减少,一部分转化为内能。
二、能源和能量耗散
1.能源与人类社会:人类对能源的利用大致经历了三个时期,即
柴薪时期、_____时期、_____时期。自工业革命以来,煤和
_____成为人类的主要能源。
2.能量耗散:燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去,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,
电能又通过灯泡转化成_____和_____,热和光被其他物质吸收
之后变成周围环境的_____,我们无法把这些散失的能量收集起
来重新利用。
煤炭
石油
石油
内能
光能
内能
3.能源危机的含义:在能源的利用过程中,即在能量的转化过程
中,能量在数量上_________,但在可利用的品质上_______,从
便于利用的变成___________的了。
4.能量转化的方向性与节约能源的必要性:_________反映了能
量转化的宏观过程具有方向性。所以,能源的利用是有条件的,
也是有代价的,所以自然界的能量虽然_____,但还是很有必要
节约能源。
虽未减少
降低了
不便于利用
能量耗散
守恒
【自我思悟】
有的同学认为:既然自然界总能量是守恒的,那就没必要节约能源了。他的观点为何不对?
提示:总能量虽然守恒,但是可利用的能量越来越少,所以人类应节约可利用能源。
一、能量守恒定律的应用　 规律方法
1.适用范围:能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律,是各种自然现象中普遍适用的一条规律。
2.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,能量的增加量等于能量的减少量。
3.应用步骤:
(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)。
【微思考】
(1)行驶在水平路面上的汽车关闭发动机以后,会慢慢停止前进,该过程中汽车减少的机械能转化为什么能?总能量还守恒吗?
提示:汽车减少的机械能转化为汽车、路面及周围空气的内能;汽车、路面及周围空气的总能量不变。
(2)机械能守恒定律与能量守恒定律有区别吗?
提示:机械能守恒定律与能量守恒定律是两个不同层面上的定律。机械能守恒定律是众多能量守恒定律中的特例,只有符合一定的条件,系统的机械能才守恒;而系统的总能量一定保持不变,即能量守恒定律是无条件的。
【题组通关】
【示范题】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”违背了能量转化和守恒定律,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
【解题探究】(1)能量守恒定律的根本原因:能量既不会凭空_____,也不会凭空_____。
(2)这里的永动机是指一种什么样的“机器”?
提示:这里的永动机是指不消耗能量而能永远对外做功的机器。
产生
消失
【规范解答】选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。
【通关1+1】
1.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,下列说法正确的是(　　)
A.机械能守恒
B.能量正在消失
C.只有动能和重力势能的相互转化
D.减少的机械能转化为内能,但总能量守恒
【解析】选D。自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,说明机械能减少,摩擦阻力对秋千做负功,使减少的机械能转化为内能,正确选项为D,A、B、C错误。
2.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.某种形式的能减少,一定存在其他形式能的增加
B.因为能量守恒,所以“能源危机”是不可能的
C.能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了
D.能源的利用受能量耗散的制约,所以能源的利用是有条件的,也是有代价的
【解析】选A、C、D。本题考查对能量守恒定律及能量耗散的理解,能量只能转化或转移,在转化或转移过程中总量不变;能量耗散表明能量在数量上并未减少,只是在可利用的品质上降低了。
【变式训练】1.一质量均匀、不可伸长的绳索,重为G,A、B两端固定在天花板上,现在最低点C处施加一竖直向下的力,将最低点缓慢拉至D点,在此过程中,绳的重心位置(　　)

A.逐渐升高 B.逐渐降低
C.先降低后升高 D.始终不变
【解析】选A。外力对绳索做正功,绳索的机械能增加,由于绳索的动能不变,增加的必是重力势能,重力势能增加是重心升高的结果,故A正确。
2.人身体在最佳状态下,只能把人体化学能的25%转化为有用的机械能。假如一位质量为60 kg的登山运动员恰好具有这样的转化效率,若他平均每小时登高500 m,那么,他在5 h内共消耗的化学能为多少?(g取10m/s2)
【解析】运动员每小时增加的机械能
Ep=mgh=3×105J,
运动员每小时消耗的化学能E1= =1.2×106J,
5h内运动员消耗的化学能E=5×E1=6×106J。
答案:6×106J
【素养升华】
利用能量转化与转移解题的两点注意
(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化,也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移。
(2)能量在转化与转移过程中,能量的总量保持不变。利用能量守恒定律解题的关键是正确分析有多少种能量变化,分析时避免出现遗漏。
二、对功能关系的理解　 深化理解
1.功能关系概述:
(1)不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的,做功的过程就是能量之间转化(或转移)的过程。
(2)功是能量转化的量度。做了多少功,就有多少能量发生转化(或转移)。
2.功与能的关系:由于功是能量转化的量度,某种力做功往往与某一种具体形式的能量转化相联系,具体功能关系如表:
【微思考】
“神舟十号”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1000摄氏度以上。
(1)返回舱进入地球大气层以后,哪些力做功?做什么功?
提示:重力做正功,空气阻力做负功。
(2)以上过程涉及了哪些能量间的转化?
提示:返回舱重力做的功等于其重力势能的减少量;阻力做的功等于返回舱机械能的减少量;重力与阻力做的总功等于返回舱动能的增加量。
【题组通关】
【示范题】(2013·海南高考)一质量m=0.6kg的物体以v0=20m/s的初速度从倾角α=30°的斜坡底端沿斜坡向上运动。当物体向上滑到某一位置时,其动能减少了ΔEk=18J,机械能减少了ΔE=3J。不计空气阻力,重力加速度g取10m/s2,求:
(1)物体向上运动时加速度的大小;
(2)物体返回斜坡底端时的动能。
【解题探究】(1)_______________等于物体动能的变化。
(2)_____________等于物体重力势能的变化。
合外力所做的功
重力所做的功
【规范解答】(1)设物体运动过程中所受的摩擦力为f,向上运动的加速度的大小为a,由牛顿第二定律可知
a=　 ①
设物体的动能减少ΔEk时,在斜坡上运动的距离为s,由功能关系可知ΔEk=(mgsinα+f)s　 ②
ΔE=fs　③
联立①②③式,并代入数据可得a=6m/s2 ④
(2)设物体沿斜坡向上运动的最大距离为sm,由运动学规律可得sm=　 ⑤
设物体返回斜坡底端时的动能为Ek,由动能定理得
Ek=(mgsinα-f)sm ⑥
联立以上各式,并代入数据可得Ek=80J
答案:(1)6m/s2　(2)80J
【通关1+1】
1.(拓展延伸)【示范题】中:(1)物体沿斜坡上升到最高点时,它的机械能损失了多少?
(2)从上升到返回到斜坡底端过程中,系统共产生了多少内能?
【解析】(1)解法一:选斜坡底端高度为参考平面,物体的机械能损失:
ΔE减=E1-E2= mv02-mgsmsin30°=20J;
解法二:物体的机械能损失等于它克服摩擦力做的功:
ΔE减=fsm=0.1mgsm=20J。
(2)解法一:根据能量守恒定律,系统产生的内能等于物体机械能的减少量:
ΔE′=E1-E3= mv02- mv2=40J。
解法二:系统产生的内能等于它克服摩擦力做的功:
ΔE′=2fsm=2×0.1mgsm=40J。
答案:(1)20J　(2)40J
2.(多选)(2014·桂林高一检测)如图所示,高h=2m的曲面固定不动。一个质量为1kg的物体,由静止开始从曲面的顶点滑下,滑到底端时的速度大小为4m/s。g取10m/s2。在此过程中,下列说法正确的是(　　)
A.物体克服摩擦力做功20 J
B.物体的动能增加了8 J
C.物体的重力势能减少了20 J
D.曲面对物体的支持力对物体不做功
【解析】选B、C、D。根据动能定理得mgh+Wf= mv2=
×1×42J=8 J,B对。其中重力做功WG=mgh=1×10×2J=20 J,
故重力势能减少20 J,C对。所以摩擦力做功Wf=8J-20 J=
-12 J,A错。支持力始终与物体的速度垂直,故支持力不做功,
D对。
3.(2013·宁波高一检测)蹦床运动员与床垫接触的过程可简化为下述模型:运动员从高处落到处于自然状态的床垫(A位置)上,随床垫一同向下做变速运动到达最低点(B位置),如图。有关运动员从A运动至B的过程,说法正确的是(　　)
A.运动员的机械能守恒
B.运动员的速度一直减小
C.运动员的机械能先增加后减小
D.运动员先失重后超重
【解析】选D。运动员从A运动至B的过程,床垫弹力对运动员做负功,运动员的机械能转化成了蹦床的弹性势能,运动员的机械能不断减小,A、C错。该过程运动员受到的合力先是向下后向上,加速度也是先向下后向上,所以运动员先失重后超重,D对。运动员的速度是先增加后减小的,B错。
【变式训练】如图所示,滑块静止于光滑水平面上,与之相连的轻质弹簧处于自然伸直状态。现用恒定的水平外力F作用于弹簧右端,在向右移动一段距离的过程中,拉力F做了10J的功。上述过程中(　　)
A.弹簧的弹性势能增加了10 J
B.滑块的动能增加了10 J
C.滑块和弹簧组成的系统机械能增加了10 J
D.滑块和弹簧组成的系统机械能守恒
【解析】选C。拉力F做功既增加了弹性势能,还增加了滑块的动能,A、B错;系统增加的机械能等于拉力F做的功,C对,D错。
【素养升华】
应用功能关系解题的基本步骤
(1)明确研究对象。
(2)分析物体的运动过程并画图展示。
(3)分析力对研究对象的做功情况和能量转化形式。
(4)根据动能定理或能量守恒定律列方程求解。
【资源平台】备选角度:能量守恒定律在实际问题中的应用
【示范题】某地平均风速为5m/s,已知空气密度是1.2 kg/m3,有一风车,它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面。如果这个风车能将圆面内10%的气流动能转化为电能,则该风车的发电机功率是多大?
【标准解答】在t时间内作用于风车的气流质量
m=ρπr2vt,
这些气流的动能为
Ek= mv2,
转化成的电能为
E= mv2×10%
所以风车带动发电机的功率为
P= ρπr2v3×10%
代入数据得P≈3.4kW。
答案:3.4kW
摩擦力做功与机械能的变化
【案例剖析】(多选)(2013·琼海高一检测)如图所示长木板A放在光滑的水平地面上,物体B以水平速度冲上A后,由于摩擦力作用,最后停止在木板A上,则从物体B冲到木板A上到相对木板A静止的过程中,下述说法中正确的是(　　)
A.物体B动能的减少量等于系统损失的机械能
B.物体B克服摩擦力做的功等于系统内能的增加量
C.物体B损失的机械能等于木板A获得的动能与系统内能的增加量之和
D.摩擦力对物体B做的功和对木板A做的功的总和等于系统内能的增加量
【精讲精析】选C、D。物体B动能的减少量等于B克服摩擦力做的功,也等于B的机械能的减少量,A错。摩擦力对物体B做的功等于B机械能的减少,摩擦力对木板A做的功等于A机械能的增加,故摩擦力对物体B做的功和对木板A做的功的总和等于系统机械能的减少量,由能量守恒定律,系统内能增加量等于机械能的减少量,故B错,C、D对。
【名师指津】摩擦力做功不一定能引起机械能的变化
(1)由于一对相互作用的静摩擦力的位移总是相同,而摩擦力本身等值反向,所以它们做功的代数和总为零。静摩擦力做功的过程,只引起物体间机械能的转移,而没有机械能转化;
(2)一对相互作用的滑动摩擦力的位移总是不同,故它们做功的代数和不为零,而且总功为负值,在数值上等于两个物体机械能的减少量。减少的机械能转化成了内能。
【自我小测】
1.(多选)如图所示,质量为M的木块放在光滑的水平面上,质量为m的子弹以速度v0水平射中木块,并最终留在木块中与木块一起以速度v运动。已知当子弹相对木块静止时,木块前进距离L,子弹进入木块的深度为s。若木块对子弹的阻力Ff视为恒定,则在此过程中产生的热量(　　)
A.Q=Ff(L+s)
B.Q= mv02- mv2
C.Q=Ffs
D.Q= mv02- (M+m)v2
【解析】选C、D。对木块：FfL= Mv2
对子弹：-Ff(L+s)= mv2- mv02
联立可得，Ffs= mv02- (M+m)v2
依据能量转化和守恒定律，Q= mv02- (M+m)v2
产生的热量Q=Ffs，故C、D正确。
2.(2014·巴蜀中学高一检测)如图所示,
工厂利用足够长的皮带传输机把货物从
地面运送到高出水平地面的C平台上,C
平台离地面的高度一定。传输机的皮带以一定的速度v顺时针转动且不打滑。将货物轻轻地放在A处,货物随皮带到达平台。货物在皮带上相对滑动时,会留下一定长度的痕迹。已知所有货物与皮带间的动摩擦因数为μ。满足tanθ<μ,可以认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力(　　)
A.皮带对货物做的功等于货物动能的增加量
B.皮带对货物做的功等于货物对皮带做的功
C.因传送货物,电动机需多做的功等于货物机械能的增加量
D.货物质量m越大,系统产生的热越多
【解析】选D。皮带对货物做的功等于货物的机械能的增加量,
即动能和势能的增加量的和,A错。设货物向上加速时的加速度
为a,则它加速过程沿皮带方向的位移为x物= ,此过程皮带前
进的距离x带= 故皮带对货物做的功W1=μmgcosθ·
x物,货物对皮带做的功W2=-μmgcosθ·x带,W1能量守恒定律知,电动机对皮带多做的功,等于货物机械能的
增加量和系统内能增加量的和,C错。系统产生的热量Q=
μmgcosθ·(x带-x物)=μmgcosθ· ,故m越大,产生的热
量越多,D对。
3.如图所示,斜面的倾角为θ,质量为m的滑块距挡板P的距离为s0,滑块以初速度v0沿斜面上滑,滑块与斜面间的动摩擦因数为μ,滑块所受摩擦力小于重力沿斜面向下的分力。若滑块每次与挡板相碰均无机械能损失,求滑块经过的总路程。
【解析】滑块最终要停在斜面底部,设滑块经过的总路程为s,对滑块运动的全程应用功能关系,全程所产生的热量为
Q= mv02+mgs0sinθ
又因为全程产生的热量等于克服摩擦力所做的功,即
Q=μmgscosθ
解以上两式可得
答案: