细品教材
在认识能量守恒定律之前,人类企图设计一种不消耗任何燃料和动力的情况下,可以源源不断地得到有用功的机器——永动机.下图所示就是一种永动机的设计方案,你认为它一旦转动起来就能永远地转动下去吗?

永动机的种种设计方案的失败,引起了人们的反思,启发了能量转化和守恒的思想,成为能量转化和守恒原理建立的思考线索之一.
一､能量守恒定律
情景再现:
最近出现了一种“自发电电动车”,基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处,车轮转动时,带动发电机运转,发出的电又继续供给电动车,你认为仅靠这种方式,电动车能持续运动下去吗?

要点详解:
1.能量的概念
一个物体能够对外做功(具有对外做功的本领),则称这个物体具有能量.
2.功能关系
(1)能量的转化是通过做功来完成的,做功的过程就是能量转化的过程.如:重力做功,可使重力势能和动能发生相互转化;弹簧的弹力做功,可使弹性势能和动能发生相互转化;电动机做功,可将电能转化为机械能;电流做功,可将电能转化为内能和光能等等.
(2)功是能量转化的量度,做了多少功,就有多少能量发生了转化.如:运动员将质量为150 kg的杠铃举高了2m,他做了3×10³ J的功,就有约3×10³ J的化学能转化为(杠铃的)重力势能.
3.导致能量守恒最后确立的两类重要事实
(1)确认了永动机的不可能性;
(2)发现了各种自然现象之间的相互联系与转化.
4.能量守恒定律
(1)内容:能量既不会消灭,也不会创生,它只会从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量保持不变.这个规律叫做能量守恒定律.
状元笔记
能量守恒定律的发现不是偶然的,它是人类对自然认识发展到一定阶段的产物;除了物理学外,别的学科对能量守恒定律的发展也作出了贡献.能量守恒定律不仅仅是物理上的规律,它也是自然界的一条普适定律.
(2)定律的表达式:E_初=E_终;ΔE_增=ΔE_减.
某种形式的能量减少,一定存在其他形式的能量增加,且减少量一定和增加量相等;某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等.这是今后我们列能量守恒表达式时的两条基本思路.
在前面“情景再现”中,仅靠题中所述的方式,只能将电动车的一部分能量收集起来,但电动车运动时受到的阻力做负功,不断把电动车的机械能转化为内能,根据能量守恒定律,要想使电动车持续运动下去,必须不断给电动车补充新的能量,如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电.
二､能源
情景再现:飞船每增加1 000 g质量所需要的费用与2 000 g黄金相近,这就需要尽量减轻自重,为了减小飞行阻力,节约可贵的空间和能源,飞船装备的是一小团紧紧地裹着的镍钛记忆合金天线.飞船达到既定轨道运行时,记忆合金天线迅速撑开呈半球状,及时准确地与地面联系,需要太阳光以最大的夹角照射.由于携带的蓄电池容量有限,飞船到达数万千米太空既定轨道运行时,要求太阳正好直射在太阳能蓄电池上,使太阳能电池替代蓄电池工作,飞船便获得取之不尽､用之不竭的能源.据以上材料,你知道发射飞船为什么选在“夜间(凌晨)”吗?
要点详解:
1.能源
(1)定义:指能够提供可利用能量的物质,它是人类社会活动的物质基础.
(2)分类:
①从人类开发能源的历史划分:
常规能源:已被广泛应用的能源,如煤､石油､天然气､水力等.
新能源:指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究､开发和利用的能源,如核能､太阳能､风能､地热能､海洋能等.
②从使用分类:
一次能源:未经人工加工的能源,如煤､石油､天然气､水能､风能､生物质能､海洋能等.
二次能源:从一次能源直接或间接转化来的能源.如:电能､氢能､焦炭.
③从能否再生分类:
可再生能源:水流能､风能等.
不可再生能源:石油､煤等.
④从对环境的影响分类:
清洁能源(也称“绿色环保”能源):太阳能､风能等.
非清洁能源:煤､石油､天然气等.
在上面“情景再现”中,选择发射飞船的时间,是为了确保飞船(卫星)到达既定轨道时,获得最佳角度接受太阳照射,获得充足的太阳能以保持飞船的正常工作.
三､能量转化和转移的方向性
情景再现:请你将两手手心对着压紧,用力来回快速摩擦10～15 s,你有什么感觉?想想看,在这一过程中有哪些能量发生了转化或转移?这些能量的转化或转移是有方向性的吗?
要点详解
1.机械能与内能转化过程具有方向性
汽车由飞驰到静止,其动能转化成内能散发到周围的空间中,这些散发出去的内能不可能自动全部聚集起来,使汽车重新开动.可见,机械能与内能转化过程是具有方向性的,而热机的效率不能达到100%.
状元笔记
能量转化和能量转移是有方向性的.虽然在转化和转移时能量总量保持不变,但由于方向性的制约,从而使能源的利用受到制约,使能源的利用有条件限制,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､太阳能等.
2.热传导过程的方向性
当你手上握着一块冰时,会感到冰冷刺骨,接着冰开始逐渐融化,在这一过程中,内能从温度较高的手上转移到了温度较低的冰上.
可见,内能总是自动地从高温物体向低温物体转移,而不会倒过来自低温物体向高温物体转移.
3.能量转化和转移的方向性
自然界实际进行的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的不可逆的过程.机械能可以完全转化为内能,反过来,内能就不可能自动地､并不引起任何变化地完全转化为机械能;在热传递的过程中,内能总是自动地从高温物体向低温物体转移,而不可能自动地从低温物体向高温物体转移.
4.能量耗散
在自然界中的宏观过程由于方向性,使得能量在转化过程中不可能使转化后的能量全部利用,总会有一部分能量流散,这种现象叫做能量耗散.城市的工业和交通急剧发展,给人们的生活带来方便的同时,也使得城市环境接收了过多耗散的能量,使城市环境的温度升高.

拓展延伸:能量的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.能源的利用受这种方向性的制约,所以能源的利用是有条件的,也是有代价的.

梳理整合
做功需要能量,做功的过程就是能量转化的过程,不同形式的能量可以相互转化,且在转化过程中保持守恒.


思维感悟
1.要判断某个物理过程中的能量转化或转移,首先应该明白整个物理过程,明确物体的运动形式以及对应的能量形式,从“力对物体做功的过程即是能量转化的过程”的角度出发,分析做功情况,从而判断能量的转化情况.
2.研究动能的变化,只要看合力做了多少功(本题中即为重力与摩擦力所做功之和);研究机械能的变化,只要看除重力､弹力以外的力总共做了多少功(本题中即为摩擦力所做的功).必须弄清各种能量的变化与什么力所做的功相对应,否则可能乱套公式而出错.
3.能量守恒定律告诉我们:任何一部机器,只能使能量从一种形式转化为另一种形式,而不能无中生有地制造能量,那种不消耗能量的所谓“永动机”是不可能造成的.人类利用自然,必须遵循自然规律,而不是去研制永远无法实现的“永动机”.

经典例题
基础知识题型
一､功和能
【例1】下列说法中正确的是(  )
A.能就是功,功就是能
B.做功越多,物体的能量就越大
C.外力对物体不做功,这个物体就没有能量
D.能量转化的多少可以用做功来量度




综合拓展题型
二､能量守恒定律的应用
【例2】图示为某探究活动小组设计的节能运动系统.斜面轨道倾角为30°,质量为M的木箱与轨道的动摩擦因数为,木箱在轨道顶端时,自动装货装置将质量为m的货物装入木箱,然后木箱载着货物沿轨道无初速滑下,当轻弹簧被压缩至最短时,自动卸货装置立刻将货物卸下,然后木箱恰好被弹回到轨道顶端,再重复上述过程.下列选项正确的是(    )

A.m=M
B.m=2M
C.木箱不与弹簧接触时,上滑的加速度大于下滑的加速度
D.在木箱与货物从顶端滑到最低点的过程中,减少的重力势能全部转化为弹簧的弹性势能




三､能量耗散
【例3】下列说法正确的是(    )
A.从甲物体自发传递热量给乙物体,说明甲物体的内能比乙物体多
B.热机的效率从原理上可大于100%
C.因为能量守恒,所以“能源危机”是不可能的
D.以上说法均不正确




探究创新题型
四､摩擦生热
【例4】如图,一子弹以水平速度射入置于光滑水平面上原来静止的木块,并留在木块中,在此过程中子弹钻入木块的深度为d,木块的位移为s,木块对子弹的摩擦阻力大小为F,则在这一过程中系统机械能损失了多少?由能的转化和守恒定律你能得出什么结论?





疑难突破
一､常规能源和新能源的转化方式

二､节约能源主要是出于以下两方面的考虑
1.能源短缺
在近二三百年以来,人类相继发明了蒸汽机､内燃机､电动机等动力机械,使生产力得到了飞速发展.但是,能源的消耗也急剧增长.研究人员估计,按照目前的石油开采和消耗速度,地球上的石油储藏将在百年内用尽;煤的储量稍多一些,但也将在二百多年的时间内采完.可以想象,如果没有了石油和煤炭,汽车､飞机､轮船和铁路上的内燃机车都不能开动,火力发电厂将停止发电,人类的社会生活将会瘫痪.
2.能量耗散
能量耗散现象表明能量在数量上并未减少,但在可利用的品质上降低了,从便于利用的变成不便于利用的了.这就是能源危机更深层次的含义,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.