第 6 章 能源与可持续发展 第 2 节　能量的转化与守恒 第 3 节　珍惜大自然 [学习目标 ] 1.知道不同形式的能量可相互转化，在转化过程中能量总量保持不变。 2.知道能量的转化具有方向性。 3.了解熵的概念。 [基础梳理 ] 一、能量的转化与守恒 1.能量的转移与转化：能量可以从一个物体转移到其他物体，也可以从一种形式转化为其他形式。 2.能量守恒定律：在一个孤立系统里，能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为 其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 3.第一类永动机：不需要任何动力或燃料就能不停运动的机器。 二、自然过程的方向性与熵 1.自然界宏观过程具有方向性，是不可能自动的逆向进行。要使它们逆向进行就必须由外界对它们施加作 用。 2.开尔文及克劳修斯总结出重要的自然规律：自然界发生的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的 不可逆过程。 3.熵是描述处于不同状态的物体，分子运动状态无序程度不一样的物理量。熵越高，意味系统越无序；熵 越低，就意味着系统越有序。 [能力拓展 ] 一、能量的转化与能量守恒 1.能量转化或转移的判断 2.能量在转化或转移过程中，总能量不变。能量为状态量，对应某时刻；功与热量是过程量，对应一个过 程。 二、自然过程的方向性与熵 1.引入熵后，关于自然过程的方向性就可以表述为：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减少。 2.熵和系统内能一样都是一个状态函数，仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看，熵是分子热运 动无序(混乱)程度的定量量度。 [随堂演练] 1．有一种叫作“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称 为压电效应。一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按 钮，压电陶瓷片就会产生 10kV ~ 20kV 的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。在上述过程中，压 电陶瓷片完成的能量转化是（　　） A．化学能转化为电能 B．内能转化为电能 C．化学能转化为光能 D．机械能转化为电能 2．关于能量耗散，下列说法中正确的是（　　） A．能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了 B．能量耗散表明能量守恒定律具有一定的局限性 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，因此，可利用的品质并未降低 D．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性 3．据外媒报道，瑞士的一家采石场正在运营着--辆自重 45 吨的自卸式电动卡车，令人惊讶的是，该卡车 从来不需要充电。关于此报道，下列说法正确的是（　　） A．这辆卡车的工作应该是满载下山，卸货后空载上山 B．这辆卡车的工作应该是空载下山，装货后满载上山 C．这违反了能量守恒定律，一定是假新闻 D．这辆卡车一定有燃油发动机提供额外动力 4．如图所示，质量为 M、长度为 L 的小车静止在光滑水平面上，质量为 m 的小物块(可视为质点)放在小车 的最左端。现用一水平恒力 F 作用在小物块上，使小物块从静止开始做匀加速直线运动。小物块和小车之 间的摩擦力为 f，小物块滑到小车的最右端时，小车运动的距离为 x。此过程中，以下结论不正确的是（　 ） A．小物块到达小车最右端时具有的动能为(F－f)·(L＋x) B．小物块到达小车最右端时，小车具有的动能为 fx C．小物块克服摩擦力所做的功为 f(L＋x) D．小物块和小车增加的机械能为 Fx 5．如图所示，足够长粗糙斜面倾角为 θ，固定在水平面上，物块 a 通过平行于斜面的轻绳跨过光滑轻滑轮 与物块 b 相连，b 的质量为 m。开始时，a、b 均静止且 a 刚好不受斜面摩擦力作用。现对 b 施加竖直向下 的恒力 F，使 a、b 做加速运动。则在 b 下降 h 高度过程中（　　） F A．a 的加速度等于 m B．a 的重力势能增加 mghsinθ C．绳的拉力对 a 做的功等于 a 机械能的增加 D．F 对 b 做的功与摩擦力对 a 做的功之和等于 a、b 动能的增加 6．如图所示，质量为 m 的滑块在水平面上以速率 v 撞上劲度系数为 k 的轻质弹簧，当滑块将弹簧压缩了 x0 时速度减小到零，然后弹簧又将滑块向右推开。已知滑块与水平面间的动摩擦因数为 μ，整个过程弹簧 未超过弹性限度且二者未拴接，则下列判断正确的是（　　） 1 2 mv A．弹簧弹性势能的最大值为 2 B．滑块离开弹簧时的速度大小为 v  2 gx0 2 C．滑块与弹簧接触过程中，产生的热能为  mgx0 v2  2 x0 D．滑块最终停在距离弹簧右端 2  g 处 7．某同学利用如图 1 所示的装置测量弹簧的弹性势能和可看成质点的物块与桌面间的动摩擦因数，实验步 骤如下 ① 用重锤确定物块运动到桌边时投影到地面的位置 O ② 将轻弹簧一端固定在桌面边沿的墙面上； ③ 推动物块，把弹簧压缩到 P 点，由静止释放物块，测出物块落地点与 O 点间的水平距离 x； ④ 通过在物块上增减砝码来改变物块的质量，重复步骤③的操作 ⑤ 根据得到的一系列的物块质量 m 与水平距离 x 的值，作出 x2  1 m 的图线如图 2 所示． 已知重力加速度 g，回答下列问题： （1）为达到实验目的，除已经测出的物块的质量 m 和物块落地点与 O 点的水平距离 x，还需要测量_____ _____ A．弹簧的原长 L0 B．弹簧压缩后物块到桌面右边眼的距离 L C．桌面到地面的高度 H D．弹簧压缩前物块到周末右边沿的距离 L1 （2）根据图 2 可知弹簧被压缩到 P 点时弹性势能为_________，物块与桌面间的动摩擦因数为________． （用图像中的 a、b 和（1）中所选物理量的符号表示结果） 8．如图所示，一弹射游戏装置由安装在水平台面上的固定弹射器、竖直圆轨道（在最低点 E 分别与水平 轨道 EO 和 EA 相连）、高度 h 可调的斜轨道 AB 组成。游戏时滑块从 O 点弹出，经过圆轨道并滑上斜轨道。 L  0.2m 全程不脱离轨道且恰好停在 B 端则视为游戏成功。已知圆轨道半径 r  0.1m ，OE 长 1 ，AC 长 L2  0.4m ，圆轨道和 EA 轨道光滑，滑块与 AB、OE 之间的动摩擦因数 m  2 �103 kg   0.5 ，滑块质量 且可视为质点，弹射时从静止释放且弹簧的弹性势能完全转化为滑块动能。忽略空气阻力， 各部分平滑连接、（取 g  10m / s 2 ）求： （1）滑块恰好能过圆轨道最高点 F 时的速度大小； （2）当 h  0.1m 且游戏成功时，滑块经过 E 点对圆轨道的支持力 FN 大小及弹簧的弹性势能 EP0 ； （3）要使游戏成功，弹簧的弹性势能 EP 与高度之间需满足的关系。 参考答案 1．D 【详解】 根据题意用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生 10kV~20kV 的高压，形成火花放电，从 而点燃可燃气体。转化前要消耗机械能，转化后得到了电能，所以为机械能转化为电能。 故选 D。 2．D 【详解】 A．根据能量守恒定律，能量的总量是保持不变的，故 A 错误； B．能量守恒定律是普遍适用的定律，不存在局限性，故 B 错误； C．能量耗散的本质是可利用的能量在数量上减少了，故 C 错误； D．能量耗散说明能量的转化具有方向性，从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性，故 D 正 确。 故选 D。 3．A 【详解】 这辆卡车的工作应该是满载下山，减少的重力势能一部分转化为电能，用于空载上山；空载上山重力势能 的增加量远小于满载下上时重力势能的减小量，所以不需要燃油发动机提供额外动力，也不违反能量守恒 定律。故 A 正确。 故选 A。 4．D 【详解】 A．对物块分析，物块对地的位移为 L+x，根据动能定理得 （）（） F f 知物块到达小车最右端时具有的动能 L  x  Ek 物  0 Ek 物=(F－f)·(L＋x) 故 A 正确。 B．对小车分析，小车对地的位移为 x，根据动能定理得 fx=Ek 车-0 知物块到达小车最右端时，小车具有的动能 Ek 车=fx 故 B 正确。 C．小物块克服摩擦力所做的功为 f（L+x），故 C 正确。 D．系统产生的内能等于系统克服摩擦力做的功，即物块与小车增加的内能 Q=fx 相对=fL 根据能量守恒，小物块和小车增加的机械能为 E  F ( x  L)  fL 故 D 错误。 本题选择错误的，故选 D。 5．D 【详解】 A．a、b 两物块均静止，根据平衡条件有 mg sin ma g  解得 ma  m sin  施加恒力 F 后，分别对物块 a、b 应用牛顿第二定律，对物块 a 有 FT  ma g sin   F f  ma a 对物块 b 有 F  mg  FT  ma 联立解得 a F  Ff  m  ma F m 故 A 错误； B．物块 a 重力势能的增量为 E p sin ma gh   mgh 故 B 错误； C．根据能量守恒定律，轻绳的拉力对物块 a 做的功等于物块 a 机械能的增加量和克服摩擦力做功产生的 内能之和，所以轻绳的拉力对物块 a 做的功大于物块 a 增加的机械能，故 C 错误； D．对物块 a、b 及轻绳组成的系统应用动能定理有 Fh  mgh sinΔ ma gh   F f h  Ek 即 Fh ΔFf h  Ek 故 D 正确。 故选 D。 6．D 【详解】 A．由题意可知，从开始运动到将弹簧压缩到最短，由能量守恒可得 E p弹   mgx0  1 2 mv 2 可知 E p弹  1 2 mv 2 A 错误； B．从开始运动到滑块被弹回，离开弹簧时，由动能定理 2 mgx0  解得 1 1 2 mv�  mv 2 2 2 v�  v 2  4  gx0 B 错误； C．滑块与弹簧接触过程中，产生的热量为 Q  2  mgx0 C 错误； D．滑块被弹回，离开弹簧后继续减速运动，从离开弹簧到停下，由动能定理 1 2  mgx  mv� 2 结合 B 选项分析可知 2 mgx0  1 1 2 mv�  mv 2 2 2 联立解得 x v2  2 x0 2 g D 正确。 故选 D。 7．BC gb 4aH b 4 HL 【详解】 设桌面距离地面的高度为 H、P 点距离桌面右边沿的距离为 L，根据能量守恒定律可得 E p  