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1、能量的转化与守恒定律本讲稿第一页，共二十二页在在中中学学物物理理中中,涉涉及及到到许许多多形形式式的的能能，如如：动动能能、势势能能、电电能能、内内能能、核核能能等等,这这些些形形式式的的能能可可以以互互相相转转化化，并并且且遵遵循循能能量量转转化化和和守守恒恒定定律律。能能量量的的概概念念及及其其有有关关规规律律(如如动动能能定定理理、功功能能关关系系,机机械械能能守守恒恒定定律律、能能量量守守恒恒定定律律)贯贯穿穿于于中中学学物物理理学学习习的的始始终终,是是联联系系各各部部分分知知识识的的主主线线,是是我我们们分分析析和和解解决决物物理理问问题题的的重重要要依依据据，是是方方法法教教育育
2、与与能能力力培培养养的的重重要要方方面面，因因此此在在每每年年的的高考物理试卷中都会出现考查有关能量的试题。高考物理试卷中都会出现考查有关能量的试题。能量既不会凭空产生能量既不会凭空产生,也不会凭空消失也不会凭空消失,它只能从一种它只能从一种形式转化为另一种形式形式转化为另一种形式,或者从一个物体转移到另一个物或者从一个物体转移到另一个物体体,在转化和转移的过程中在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变能量的总量保持不变.能量转化和守恒定律能量转化和守恒定律能量是状态量，不同的状态有不同数值的能量能量的变化能量是状态量，不同的状态有不同数值的能量能量的变化是通过做功或热传递两种方式来实现的力学
3、中功是能量转是通过做功或热传递两种方式来实现的力学中功是能量转化的量度，热学中功和热量是内能变化的量度化的量度，热学中功和热量是内能变化的量度本讲稿第二页，共二十二页数学表达式数学表达式动能定理动能定理 W合合=W1+W2+=EK功能原理功能原理 WF=EK+EP=E机械能守恒定律机械能守恒定律E=0 EK+EP=0热力学第一定律热力学第一定律E=Q+W电功电功 W电电=qU=UIt焦耳定律焦耳定律 Q=I2Rt闭合电路欧姆定律闭合电路欧姆定律IEt=I2(R+r)t=qU+I2rt 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律E电电 =W克安克安(E电电为感应电流的能量为感应电流的能量)爱因斯坦光电
4、效应方程爱因斯坦光电效应方程 EKm=h-W玻尔假设玻尔假设 h=E2-E1质能方程质能方程 E=m c2 E=m c2变压器变压器 P出出=P入入表现形式表现形式本讲稿第三页，共二十二页克服安培力所做的功等于感应电能的增加克服安培力所做的功等于感应电能的增加功是能量转化的量度功是能量转化的量度功能关系功能关系重力所做的功等于重力势能的减少重力所做的功等于重力势能的减少电场力所做的功等于电势能的减少电场力所做的功等于电势能的减少弹簧的弹力弹簧的弹力所做的功等于弹性势能的减少所做的功等于弹性势能的减少合外力所做的功等于动能的增加合外力所做的功等于动能的增加只有重力和只有重力和弹簧的弹力弹簧的弹力
5、做功，机械能守恒做功，机械能守恒重力和重力和弹簧的弹力弹簧的弹力以外的力所做的功等于机械能的以外的力所做的功等于机械能的增加增加克服克服一对滑动摩擦力所做的净功等于机械能的减少一对滑动摩擦力所做的净功等于机械能的减少本讲稿第四页，共二十二页1B以初速以初速v0水平抛出的物体，质量为水平抛出的物体，质量为m，下落高度，下落高度为为h，则重力做功为，则重力做功为 ，这过程中物体动能变化量，这过程中物体动能变化量为为 。质量为。质量为m的带电物体，在仅有电场力作用的的带电物体，在仅有电场力作用的情况下由静止开始加速，获得速率情况下由静止开始加速，获得速率v，则电场力做的功，则电场力做的功为为 。从上
6、面这些例子可归纳出结论：功是。从上面这些例子可归纳出结论：功是 。能量变化的量度能量变化的量度mghmghmv2/2本讲稿第五页，共二十二页 9.下列有关能量的说法正确的是下列有关能量的说法正确的是 （）A.重重力力对对物物体体做做的的功功与与物物体体的的运运动动路路径径无无关关,重重力力做做的的功等于物体重力势能的减少量功等于物体重力势能的减少量 B.重力势能、弹性势能、电势能、动能都属于机械能重力势能、弹性势能、电势能、动能都属于机械能 C能能量量的的耗耗散散现现象象从从能能量量转转化化的的角角度度反反映映出出自自然然界界中中宏宏观观过过程程的的方方向向性性，也也告告诫诫了了我我们们：自自
7、然然界界的的能能量量虽虽然然守守恒，但还是要节约能源恒，但还是要节约能源 D电场力做的功等于电荷电势能的变化量电场力做的功等于电荷电势能的变化量A C本讲稿第六页，共二十二页12雷雨天的雷雨天的闪电闪电是雷暴云中正是雷暴云中正电电荷区与荷区与负电负电荷区的荷区的电场电场大大到一定程度，空气被到一定程度，空气被击击穿形成的火花放穿形成的火花放电电.假假设设两两带电带电的云的云团团某一某一时时刻相距刻相距600 m发发生生闪电闪电,两云两云团间团间的的电场电场可可视视作作场场强强为为2106 N/C的匀的匀强强电场电场。则则此此时时两云两云团间团间的的电势电势差差为为 _V。若。若这这次次闪电闪电
8、通通过过的的电电量量为为20C，则释则释放的放的电电能能为为 _ J（设闪电设闪电的火花路径的火花路径为为直直线线）。2.410101.2109本讲稿第七页，共二十二页2A闪电是一种常见的自然现象，发生闪电时会释放出闪电是一种常见的自然现象，发生闪电时会释放出大量能量。已知某次闪电放电电压大约为大量能量。已知某次闪电放电电压大约为1.0109V，放电，放电通过的电量约为通过的电量约为30C。一所希望小学每天消耗的电能为。一所希望小学每天消耗的电能为20kWh，此次闪电释放的电能如果都能储存起来并加以，此次闪电释放的电能如果都能储存起来并加以利用，那么这些电能够这所小学使用利用，那么这些电能够这
9、所小学使用_天。天。416.7本讲稿第八页，共二十二页17、下列与能量有关的说法正确的是、下列与能量有关的说法正确的是 （）A卫星绕地球做圆周运动的半径越大，动能越大卫星绕地球做圆周运动的半径越大，动能越大B从从同同种种金金属属逸逸出出的的光光电电子子的的最最大大初初动动能能随随照照射射光光波波长长的的减小而增大减小而增大C做平抛运动的物体在任意相等时间内动能的增量相同做平抛运动的物体在任意相等时间内动能的增量相同D在在静静电电场场中中，电电场场线线越越密密的的地地方方正正电电荷荷的的电电势势能能一一定越高定越高B本讲稿第九页，共二十二页7如图所示，如图所示，O点代表磁场源，其周围分布有强磁场
10、，磁点代表磁场源，其周围分布有强磁场，磁感强度大小与其间距感强度大小与其间距x的关系为的关系为B=B0-kx,方向与方向与x轴平行。轴平行。在该磁场中有一沿在该磁场中有一沿x轴方向的固定水平直槽，现将质量轴方向的固定水平直槽，现将质量为为m小磁体放入槽内的小磁体放入槽内的P点由静止开始水平滑动，最后停在与点由静止开始水平滑动，最后停在与P相距为相距为s的的Q点，滑块与水平面间的动摩擦因数为点，滑块与水平面间的动摩擦因数为。P、Q间的磁感强度的变化间的磁感强度的变化B=_，现用一个水平外力，现用一个水平外力把小磁体沿水平面缓慢沿原路推回到把小磁体沿水平面缓慢沿原路推回到P点，则水平外力需点，则水
11、平外力需做的功做的功W=_。2mg sO P Q xks本讲稿第十页，共二十二页6如图所示，某点如图所示，某点O处固定点电荷处固定点电荷+Q，另一带电，另一带电q的粒的粒子以子以O为焦点做椭圆轨道运动，运动过程中经过最近点为焦点做椭圆轨道运动，运动过程中经过最近点a和最远点和最远点b，下述说法，下述说法不正确不正确的是的是 （）A粒子在粒子在a点运动速率大于在点运动速率大于在b点速率点速率 B粒子在粒子在a点运动加速度大于在点运动加速度大于在b点加速度点加速度 c粒子在粒子在a点电势能大于在点电势能大于在b点电势能点电势能 D+Q所产生的电场中，所产生的电场中，a点电势高于点电势高于b点点ab
12、+Q-qOC本讲稿第十一页，共二十二页8如图所示，在水平绝缘平面上固定足够长的平行光滑如图所示，在水平绝缘平面上固定足够长的平行光滑金属导轨（电阻不计），导轨左端连接一个阻值为金属导轨（电阻不计），导轨左端连接一个阻值为R的电的电阻，质量为阻，质量为m的金属棒的金属棒(电阻不计电阻不计)放在导轨上，金属棒与导放在导轨上，金属棒与导轨垂直且与导轨接触良好整个装置放在匀强磁场中，磁场轨垂直且与导轨接触良好整个装置放在匀强磁场中，磁场方向与导轨平面垂直，在用水平恒力方向与导轨平面垂直，在用水平恒力F把金属棒从静止开始把金属棒从静止开始向右拉动的过程中，下列说法正确的是向右拉动的过程中，下列说法正确的
13、是 ()A恒力恒力F与安培力做的功之和等于电路中产生的电能与金与安培力做的功之和等于电路中产生的电能与金属棒获得的动能和属棒获得的动能和B恒力恒力F做的功一定等于克服安培力做的功一定等于克服安培力做的功与电路中产生的电能之和做的功与电路中产生的电能之和C恒力恒力F做的功一定等于克服安培力做的功一定等于克服安培力做的功与金属棒获得的动能之和做的功与金属棒获得的动能之和D恒力恒力F做的功一定等于电路中产生做的功一定等于电路中产生的电能与金属棒获得的动能之和的电能与金属棒获得的动能之和RFC D本讲稿第十二页，共二十二页14.(本题本题10分分)如图所示，质量如图所示，质量m=1kg的滑块的滑块(可
14、看成质点可看成质点)，被压缩的弹簧弹出后在光滑的水平桌面上滑行一段，被压缩的弹簧弹出后在光滑的水平桌面上滑行一段距离后，落在水平地面上。落点到桌边的水平距离距离后，落在水平地面上。落点到桌边的水平距离S=0.4m，桌面距地面的高度，桌面距地面的高度h=0.8m。求：（。求：（g=10m/s2，空，空气阻力不计）气阻力不计）（1）滑块落地时速度的大小；）滑块落地时速度的大小；（2）弹簧释放的弹性势能。）弹簧释放的弹性势能。hs本讲稿第十三页，共二十二页解：解：(1)(2)根据能量转化与守恒：根据能量转化与守恒：本讲稿第十四页，共二十二页46、电动车所需能量由它所携带的蓄电池供给。右图为某类、电动
15、车所需能量由它所携带的蓄电池供给。右图为某类电动车与汽油车性能的比较。通常车用电动机的质量是汽油电动车与汽油车性能的比较。通常车用电动机的质量是汽油机的机的4倍或倍或5倍。为促进电动车的推广使用，在技术上主要应倍。为促进电动车的推广使用，在技术上主要应对电动车的对电动车的 、等部件加以改进。等部件加以改进。能量密度（能量密度（kJ/kg）46000140蓄电池蓄电池 汽油汽油每千克蓄能物质每千克蓄能物质所储存的能量所储存的能量效率（）效率（）7023电动车电动车 汽油车汽油车储存能量转化为储存能量转化为动能的百分比动能的百分比行行程程（km）56080电动车电动车 汽油车汽油车充一次电或一箱充
16、一次电或一箱油能行驶的距离油能行驶的距离蓄电池蓄电池电动机电动机本讲稿第十五页，共二十二页给电动车蓄电池充电的能量实际上来自于发电站。给电动车蓄电池充电的能量实际上来自于发电站。一般发电站燃烧燃料所释放出来的能量仅一般发电站燃烧燃料所释放出来的能量仅30转转化为电能，在向用户输送及充电过程中又损失了化为电能，在向用户输送及充电过程中又损失了20，这意味着使用电动车时能量转化的总效率，这意味着使用电动车时能量转化的总效率约为约为 。解：解：电动车储存能量转化为动能的百分比为电动车储存能量转化为动能的百分比为70%总效率总效率=30（1-20）70%=16.8%16.8本讲稿第十六页，共二十二页1
17、6某游乐场中有一种叫某游乐场中有一种叫“空中飞椅空中飞椅”的游乐设施的游乐设施,其基其基本装置是将绳子上端固定在转盘的边缘上本装置是将绳子上端固定在转盘的边缘上,绳子下端连接绳子下端连接座椅座椅,人坐在座椅上随转盘旋转而在空中飞旋人坐在座椅上随转盘旋转而在空中飞旋.若将人和若将人和座椅看成是一个质点座椅看成是一个质点,则可简化为如图所示的物理模型则可简化为如图所示的物理模型.其中其中P为处于水平面内的转盘为处于水平面内的转盘,可绕竖直转轴可绕竖直转轴OO 转动，设绳转动，设绳长长l=10m，质点的质量，质点的质量m=60kg，转盘静止时质点与转轴，转盘静止时质点与转轴之间的距离之间的距离d=4
18、m。转盘逐渐加速转动。转盘逐渐加速转动,经过一段时间后质点与经过一段时间后质点与转盘一起做匀速圆周运动，此时绳与竖直方向的夹角转盘一起做匀速圆周运动，此时绳与竖直方向的夹角=370。（不计空气阻力及绳重，绳子不可伸长，（不计空气阻力及绳重，绳子不可伸长，sin370=0.6，cos370=0.8，g=10m/s2）求：）求：（1）质点与转盘一起做匀速圆周运动）质点与转盘一起做匀速圆周运动时转盘的角速度及绳子的拉力；时转盘的角速度及绳子的拉力；（2）质点从静止到做匀速圆周运动的）质点从静止到做匀速圆周运动的过程中，绳子对质点做的功。过程中，绳子对质点做的功。OOPdl本讲稿第十七页，共二十二页解
19、：解：（1）如图所示，对质点受力分析可得：）如图所示，对质点受力分析可得：OOPFFxmglDd绳中的拉力绳中的拉力根据几何关系可得：根据几何关系可得：代入数据得：代入数据得：本讲稿第十八页，共二十二页OOPFFxmglDd（2）转盘从静止启动到转速稳定这一过程，绳子对质转盘从静止启动到转速稳定这一过程，绳子对质点做的功等于质点机械能的增加量：点做的功等于质点机械能的增加量：代入数据解得代入数据解得 W=3450J题目题目本讲稿第十九页，共二十二页22、环保汽车将为、环保汽车将为2008年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量驱动能源的环保汽车
20、，总质量m=3 103 kg.当它在水平路面上当它在水平路面上以以v=36km/h的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I=50A,电压电压U=300V.在此行驶状态下在此行驶状态下（1）求驱动电机的输入功率；）求驱动电机的输入功率；（2）若驱动电机能够将输入功率的）若驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前转化为用于牵引汽车前进的机械功率进的机械功率P机机，求汽车所受阻力与车重的比值；，求汽车所受阻力与车重的比值；（3）设想改用太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求）设想改用太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求所需的太阳能电池板的最小面积。结合计
21、算结果，简述你所需的太阳能电池板的最小面积。结合计算结果，简述你对该设想的思考。对该设想的思考。已知太阳辐射的总功率，太阳到地球的距离，太阳光传播到已知太阳辐射的总功率，太阳到地球的距离，太阳光传播到达地面的过程中大约有达地面的过程中大约有30%的能量损耗，该车所用太阳能电的能量损耗，该车所用太阳能电池的能量转化效率约为池的能量转化效率约为15%。本讲稿第二十页，共二十二页解：解：（1）驱动电机的输入功率：）驱动电机的输入功率：（2）在匀速行驶时，）在匀速行驶时，P机机=0.9P电电，P机机=Fv=fv，所以：，所以：汽车所受阻力与车重之比：汽车所受阻力与车重之比：本讲稿第二十一页，共二十二页（3）地球表面单位面积接收太阳能最大功率为：）地球表面单位面积接收太阳能最大功率为：设：所需太阳能电池板的最小面积为设：所需太阳能电池板的最小面积为S，则：，则：所以所以分析可行性并提出合理的改进建议分析可行性并提出合理的改进建议 题目题目本讲稿第二十二页，共二十二页