机械能与能量守恒创新题赏析

2017-11-25湖南省汨罗一中钟营国

中学生数理化(高中版.高考理化) 2017年1期

■湖南省汨罗一中钟营国

机械能与能量守恒创新题赏析

■湖南省汨罗一中钟营国

一、倡导新课改理念,体现科学探究和自主创新的能量问题

我国在《中国教育改革发展纲要》中指出,世界范围内经济的竞争、综合国力的竞争,实际上是科学技术的竞争,民族素质的竞争,从这个意义上说,谁掌握了面向21世纪的教育,谁就能在21世纪的国际竞争中处于战略主动地位。在这样的形势下,如何突破技术研发的瓶颈,培育具有科学探究精神、自主创新能力的人才,势必成为高中课程改革中备受关注的焦点。

例1如图1所示为某探究活动小组设计的节能运动系统。斜面轨道倾角θ=30°,质量为M的木箱与轨道间的动摩擦因数木箱在轨道顶端时,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度滑下,将轻弹簧压缩至最短时,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( )。

图1

A.m=M

B.m=2M

C.木箱不与轻弹簧接触时,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轻弹簧的弹性势能

解析:由受力分析可知,木箱与货物下滑时的加速度大小为g-μgcosθ,木箱上滑时的加速度大小为g+μgcosθ,选项C正确。设木箱与货物下滑的距离为l,根据能量守恒定律得μ(m+M)glcosθ+μMglcosθ=mglsinθ,解得m=2M,选项A错误,B正确。根据除重力、弹性力做功以外,其他力(非重力、弹性力)做的功之和等于系统机械能的变化量可知,在木箱与货物从顶端滑到最低点的过程中,减少的重力势能转化为弹簧的弹性势能和内能,选项D错误。答案为BC。

点评:此题以科学探究活动为背景,考查了同学们对牛顿运动定律及能量的转化与守恒定律的应用,是一道倡导新课改理念,体现科学探究、自主创新的新颖试题。

二、体现新能源普及和实施可持续发展的能量问题

“节约资源、保护环境”已被确定为国家的基本国策。未来我国将继续实行“节能优先,结构多元,环境友好”的可持续能源发展战略,将“节能”放在能源战略的首要地位,节能的同时,开发清洁、低碳、高效的“绿色能源”成为未来能源发展的方向。围绕新兴能源战略,近几年出现了许多物理试题。

例2湖南省沙河抽水蓄能电站自2003年投入运行以来,在缓解用电高峰电力紧张方面,取得了良好的社会效益和经济效益。抽水蓄能电站的工作原理:在用电低谷时(如深夜),电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中,到用电高峰时,再利用蓄水池中的水发电。如图2所示,蓄水池(上游水库)可视为长方体,有效总库容量(可用于发电)为V,蓄水后水位高出下游水面H,发电过程中上游水库水位最大落差为d。统计资料表明,该电站年抽水用电量为2.4×108kW·h,年发电量为1.8×108kW·h,则下列计算结果正确的是(水的密度为ρ,重力加速度为g,涉及重力势能的计算均以下游水面为零势能面)( )。

图2

A.能够用于发电的水的最大重力势能Epmax=ρgVH

C.该电站的总效率达75%

D.该电站平均每天所发电能可供给一个大城市居民用电(一天用电电功率以105kW计)约10h

解析:取下游水面为零重力势能面,水库中存水所具有的重力势能应以重心位置来计算,所以能够用于发电的水的最大重力势能,选项A错误,B正确。该电站的总效率,选项C正确。该电站平均每天的发电量可供一个大城市居民用电的时间为,选项D错误。答案为BC。

点评:此题以抽水蓄能为背景,其倡导的能源新概念、节能环保的宗旨让人耳目一新。从长远来看,低碳的能源结构才是社会发展趋势,对核能、风能、太阳能、生物质能、地热能、非常规天然气等新能源和可再生能源的开发利用与开发创新必将更为广泛。所以同学们在平时的学习中,应多关心社会热点,做一个有使命感的热心人。

三、贴近生活实际,反应体育与竞技的能量问题

我国将于2022年举办冬奥会,这将推动我国从体育大国向体育强国迈进。由于体育和运动的话题与我们的生活息息相关,使得这些热点话题在各地各类试题中也成为屡见不鲜的背景材料。

例3跳台滑雪是最具观赏性的冬季运动项目之一。如图3所示,质量m=60kg的运动员从长直助滑道AB的A处由静止开始以加速度a=3.6m/s2匀加速滑下,到达助滑道末端B时的速度vB=24m/s,A、B两点间的竖直高度差H=48m。为了改变运动员的运动方向,在助滑道与起跳台之间用一段弯曲滑道衔接,其中最低点C处附近是一段以O为圆心的圆弧。助滑道末端B与滑道最低点C的高度差h=5m,运动员在B、C两点间运动时,阻力做功W=-1530J,取g=10m/s2。