第7章 第10课时 能量守恒定律与能源
基础夯实
1．(2010·秦皇岛高一检测)关于能量和能源，下列说法中正确的是( )
A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加
B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少
C．能量在转化和转移过程总量保持不变，故节约能源没有必要
D．能量在转化和转移过程中具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源
答案：D
解析：根据能量转化和守恒定律，能量在转化过程中总量不变，故A、B均错；由于能量转化的方向性，可利用的能源有限，故必须节约能源，C错，D对．正确答案为D.
2．出行是人们工作生活中必不可少的环节，出行的工具五花八门，使用的能源也各不相同．自行车、电动自行车、普通汽车消耗能量的类型分别是( )
①生物能 ②核能 ③电能 ④太阳能 ⑤化学能
A．①④⑤ B．①③⑤
C．①②③ D．①③④
答案：B
解析：现代生活使用的煤、石油、天然气等常规能源，对空气环境的污染越来越严重，而利用太阳能、风能、氢能等新能源则可改善空气质量．此外，限制购买家用轿车可大量减少尾气的排放，提倡使用电动车也能改善空气环境质量，正确答案为B.
3．(聊城模拟)我国人民有在房前种树的习惯，夏天大树长出茂密的叶子，为人们挡住炎炎烈日，冬天叶子又会全部掉光，使温暖的阳光照入屋内，可以起到冬暖夏凉的作用．炎热的夏天，我们在经过有树的地方时，也会感到很明显的凉意，关于树木周围比较凉爽的现象，下列说法中正确的是( )
A．树木把大部分太阳光反射出去，使地面温度降低
B．树木吸收阳光，使自己温度升高，周围温度降低
C．树木吸收阳光，将阳光的能量转化为化学能，使环境温度变低
D．白天大树将热量存起来，晚上再将热量放出来，所以白天在树林里感觉凉爽而晚上感觉到热
答案：C
解析：植物发生光合作用，消耗掉太阳能转化成化学能，根据能量守恒，阳光的能量被转化成化学能，所以树木下会比较凉爽，故C正确．
4．行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象中所包含 的相同的物理过程是( )
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
答案：AD
解析：汽车制动受到摩擦阻力，动能转化为内能；流星在空中下坠受到空气阻力，动能和势能不断转化为内能；降落伞在空中匀速下降，受到空气阻力，势能转化为内能；条形磁铁在线圈中下落，在线圈中产生感应电流，该电流又阻碍磁铁下落(产生磁场)，机械能转化为电能，最终又转化为内能．上述现象中所包含的相同物理过程是A、D.
注：不同的能与不同的运动形式相对应，做功的过程，就是能量的转化过程．
5．人们为什么能够利用能量？能量是守恒的，为什么要节约能源？
答案：利用能源的过程是一个做功的过程，做功的过程实现了一种形式的能向另一种形式能的转化，也就是说不同形式的能量可以相互转化，为人们利用能源提供了依据．
能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了．这是能源危机更深层次的含意，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因．
因此我们要节约能源，同时积极研究和开发利用新能源，如核能、太阳能．
6．大规模开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求，太阳能的光—热转换是目前技术最为成熟、成本最低廉、应用最广泛的形式．如图(a)是太阳能热水器的构造示意图，下方是像日光灯管似的集热管，外层是透明的玻璃管，内层是黑色管子(管内蓄水)，由导热性能良好的材料制成，在黑色管和透明管之间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是块光亮的铝合金板，做成凹凸的曲面，水箱在顶部．
(1)试说明太阳能热水器这样构造的道理．
(2)如图(b)中A是集热管，B是储水器，C是辅助加热器，在太阳光的照射下，水将沿________流动，(填“顺时针”或“逆时针”)并解释这种现象．
答案：(1)集热管表面积较大，便于吸收较多的太阳能，透明玻璃管内有黑色管子，使阳光直射入玻璃管而不易被反射．将黑色管和透明管之间抽成真空，可减少两管间因空气对流损失的能量，减少热传导．集热管下方的铝合金板，做成凹凸的曲面(抛物面)，利用凹面镜将太阳光聚集在水管内，水箱装在顶部，是为了便于水的对流．
(2)顺时针．因为集热管中的水被太阳晒热后密度变小受浮力作用将沿管向上运动．
7．水从20m高处落下，如果水重力势能的20%用来使水的温度升高，水落下后的温度将升高多少？
答案：9.5×10－3℃
解析：设质量为m的水从高h＝20m高处落下，使水温度升高Δt，水的比热容为c，则：
mgh×20%＝cmΔt
得Δt＝9.5×10－3℃.
能力提升
1．(2011·集宁一中高一检测)如图(甲)所示，质量不计的弹簧竖直固定在水平面上，t＝0时刻，将一金属小球从弹簧正上方某一高度处由静止释放，小球落到弹簧上压缩弹簧到最低点，然后又被弹起离开弹簧，上升到一定高度后下落，如此反复．通过安装在弹簧下端的压力传感器，测出这一过程弹簧弹力F随时间t 变化的图象如图(乙)所示，则( )
A．t1时刻小球动能最大
B．t2时刻小球动能最大
C．t2～t3这段时间内，小球的动能先增加后减少
D．t2～t3这段时间内，小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能
答案：C
解析：0～t1时间内小球做自由落体运动，落到弹簧上并往下运动的过程中，小球重力与弹簧对小球弹力的合力方向先向下后向上，故小球先加速后减速，t2时刻到达最低点，动能为0，A、B错；t2～t3时间内小球向上运动，合力方向先向上后向下，小球先加速后减速，动能先增加后减少，C对；t2～t3时间内由能量守恒知小球增加的动能等于弹簧减少的弹性势能减去小球增加的重力势能，D错．
2．一小滑块放在如图所示的凹形斜面上，用力F沿斜面向下拉小滑块，小滑块沿斜面运动了一段距离．若已知在这过程中，拉力F所做的功的大小(绝对值)为A，斜面对滑块作用所做的功的大小为B，重力做功的大小为C，空气阻力做功的大小为D.当用这些量表达时，小滑块的动能的改变(指末态动能减去初态动能)等于________，滑块的重力势能的改变等于________；滑块机械能(指动能与重力势能之和)的改变等于________．
答案：A－B＋C－D －C A－B－D
解析：根据功能关系，动能的改变等于外力做功的代数和，其中做负功的有空气阻力，斜面对滑块的作用力的功(因弹力不做功，实际上为摩擦阻力的功)．因此
ΔEk＝A－B＋C－D；
重力势能的减少等于重力做的功，因此ΔEP＝－C；
滑块机械能的改变等于重力之外的其他力做的功，因此
ΔE＝A－B－D.
3．(2009·沈阳高一检测)如图所示，皮带的速度是3m/s，两圆心距离s＝4.5m，现将m＝1kg的小物体轻放在左轮正上方的皮带上，物体与皮带间的动摩擦因数μ＝0.15，电动机带动皮带将物体从左轮运送到右轮正上方时，求：
(1)小物体获得的动能Ek；
(2)这一过程摩擦产生的热量Q；
(3)这一过程电动机消耗的电能E是多少？(g＝10m/s2)
答案：(1)4.5J (2)4.5J (3)9J
解析：(1)μmg＝ma a＝1.5m/s2 μmgs′＝mv2
所以s′＝3m<4.5m，即物体可与皮带达共同速度，
Ek＝mv2＝×1×32J＝4.5J
(2)v＝at t＝2s
Q＝μmg(vt－s′)＝0.15×1×10×(6－3)J＝4.5J
(3)E电＝Ek＋Q＝4.5J＋4.5J＝9J.
4．为了测量太阳的辐射功率，某人采取如下简单实验，取一个横截面积是3×10－2m2的圆筒，筒内装水0.6kg，用水测量射到地面的太阳能，某一天中午在太阳光直射2min后，水的温度升高了1℃.
求：(1)在阳光直射下，地球表面每平方厘米每分钟获得的能量．
(2)假设射到大气顶层的太阳能只有43%到达地面，另外57%被大气吸收和反射，而未到达地面，你能由此估算出太阳辐射的功率吗？
答案：(1)4.2J/min·cm2
(2)P＝4.6×1026W
解析：(1)圆筒内的水经过2min照射后，增加的内能为：ΔE＝Q＝cmΔt代入数据可得：ΔE＝4.2×103×0.6×1J＝2.5×103J
每分钟获得的能量为＝1.25×103J/min
圆筒面积S＝3×10－2m2＝3×102cm2
地球上每分钟每平方厘米获得的能量为：
＝J/(min·cm2)＝4.2J/(min·cm2)
(2)上述能量也相当于以太阳为球心，以日地距离r为半径的球面上每分钟每平方厘米获得的能量，设太阳辐射的功率为P，则：
×43%＝其中r＝1.5×1013cm，解得：P＝4.6×1026W
5．风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源．风力发电机是将风能(气流的动能)转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等．如图所示．
(1)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积．设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为r.求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm；
(2)已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比．某风力发电机在风速v1＝9m/s时能够输出电功率P1＝540kW.我国某地区风速不低于v2＝6m/s的时间每年约为5000小时．试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时．
答案：(1)πρr2v3 (2)8×105kW·h
解析：(1)风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大．
单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为ρvS，S＝πr2
风能的最大功率可表示为
P＝(ρvS)v2
＝ρvπr2v2＝πρr2v3
(2)按题意，风力发电机的输出功率为
P2＝()3·P1＝()3×540kW＝160kW
最小年发电量约为
W＝P2t＝160×5000kW·h＝8×105kW·h.
【点此下载】