第七節(jié)功率第八節(jié)能源的利用與開發(fā)學習目標知識脈絡1.理解功率的概念，能運用功率的定義式P＝eq\f(W,t)進行有關計算．(重點)2．理解公式P＝Fv的意義，能用于分析、計算和解釋有關機動車的運動問題．(重點、難點)3．知道能源及其分類，了解能源危機和環(huán)境污染.功率eq\o([先填空])1．定義：單位時間內(nèi)做功的多少，用符號P表示．2．定義式：P＝eq\f(W,t).3．單位：國際單位制中功率的單位是瓦特，簡稱瓦，符號是W,1W＝1J/s.常用單位：千瓦(kW)1kW＝1_000W.4．意義功率是標量，它是表示物體做功快慢的物理量．eq\o([再判斷])1．力越大，做功越快．(×)2．功率越大表示做的功越多．(×)3．功率表示做功的快慢．(√)eq\o([后思考])去過泰山的同學會遇到挑山工，假設挑山工和纜車將相同的貨物運至山頂，兩者對貨物做的功相同嗎？做功的功率相同嗎？圖4-7-1【提示】兩者對貨物做的功都等于克服重力做的功，由于將相同的貨物運往相同高度的山頂，兩者做相同的功，而用纜車運送貨物所用時間遠小于挑山工的用時，根據(jù)功率定義知纜車的做功功率遠大于挑山工的做功功率．eq\o([合作探討])如圖4-7-2是解放軍正用吊車將一臺坦克車從碼頭上吊起裝上艦船．圖4-7-2探討1：將質(zhì)量為m的坦克車勻速吊起，坦克車在t時間內(nèi)勻速上升h高度．怎樣計算吊車的功率？【提示】吊車對坦克車做的功W＝mgh.功率P＝eq\f(W,t)＝eq\f(mgh,t).探討2：若坦克車在相同的時間內(nèi)勻加速上升h的高度，吊車的功率是變大還是變??？【提示】變大．勻加速吊起，拉力增大，吊車做的功增多，時間相同，功率變大．eq\o([核心點擊])1．功是能量轉(zhuǎn)化的量度，而功率表示做功的快慢，所以從能量轉(zhuǎn)化的角度看，功率也是反映能量轉(zhuǎn)化快慢的物理量．2．功率是標量，雖然功率也有正負之分，但功率的正負只是用來表示是動力做功的功率還是阻力做功的功率，在應用中一般不強調(diào)功率的正負．3．功率的計算公式P＝eq\f(W,t)適用于任何情況下的功率計算，求得的功率是這段時間t內(nèi)的平均功率，但在這段時間內(nèi)功率可能是變化的．1．在一次舉重比賽中，一名運動員將質(zhì)量為127.5kg的杠鈴舉起歷時約2s，該運動員在舉起杠鈴運動中的平均功率約為()圖4-7-3A．幾十瓦左右 B．一千瓦左右C．幾十千瓦左右 D．幾百千瓦左右【解析】設舉重運動員將杠鈴舉高1.7m，則P＝eq\f(W,t)＝eq\f(mgh,t)＝1083.75W.【答案】B2．如圖4-7-4所示是甲、乙兩物體做功與所用時間的關系圖像，那么甲物體的功率P甲與乙物體的功率P乙相比()圖4-7-4A．P甲＞P乙 B．P甲＜P乙C．P甲＝P乙 D．無法判定【解析】根據(jù)功率的定義式P＝eq\f(W,t)可知，在功與所用時間的關系圖像中，直線的斜率表示時刻的功率．因此，由圖線斜率可知P甲＜P乙，選項B正確．【答案】B3．人的心臟每跳一次大約輸送8×10－5m3的血液，正常人血壓(可看做心臟輸送血液的壓強)平均值約為1.5×104Pa，心跳約每分鐘70次，據(jù)此估測心臟工作的平均功率約為多少．【解析】設血壓為p，作用于橫截面積為S的一個直血管內(nèi)的流體上，在時間t內(nèi)流體因壓力的作用而移動了一定的距離l，如圖所示，則壓力做功為W＝pSl＝pΔV，ΔV指流體的體積．因此，心臟在每分鐘所做的功應為W＝npΔV＝70×1.5×104×8×10－5J＝84J故心臟工作的平均功率為P＝eq\f(W,t)＝eq\f(84,60)W＝1.4W.【答案】1.4W求解功率時應該注意的問題1．首先要明確是求哪個力的功率，是某個力的功率，還是物體所受合力的功率，汽車的功率是指汽車牽引力的功率，起重機的功率是指起重機鋼絲繩拉力的功率．2．利用公式P＝eq\f(W,t)求出的一般是平均功率，而在t→0時，可認為P是瞬時功率．功率與力、速度的關系eq\o([先填空])1．力F的功率：當力F的方向與位移s的方向相同時，P＝Fv.2．平均功率：P＝eq\f(W,t)求的是t時間內(nèi)的平均功率；P＝Fvcosα中，若v為平均速度，則P就是平均功率．瞬時功率：P＝Fvcosα中，若v為瞬時速度，則P為瞬時功率．3．額定功率與實際功率定義特點聯(lián)系額定功率機械正常工作時，允許達到的最大功率不同機械額定功率可能不同，但同一機械額定功率不變?yōu)榱藱C械的安全P額≥P實實際功率機械實際運行的功率同一機械實際功率隨工作情況而變eq\o([再判斷])1．機械可以在實際功率等于額定功率的情況下長時間工作．(√)2．當發(fā)動機的功率一定時，速度越大，汽車的牽引力越大．(×)3．當輸出功率一定時，速度和牽引力成反比．(√)eq\o([后思考])如圖4-7-5所示，越野車比賽時，汽車爬坡要使用低速擋．汽車使用低速擋的目的是什么？圖4-7-5【提示】汽車爬坡需要的牽引力變大，根據(jù)P＝Fv，在功率一定的情況下要減小速度．eq\o([合作探討])汽車以不同方式啟動，一次以恒定功率啟動，一次勻加速啟動．圖4-7-6探討1：用公式P＝Fv研究汽車啟動問題時，力F是什么力？【提示】F是汽車的牽引力．探討2：以恒定功率啟動時，汽車的加速度變化嗎？做什么運動？【提示】汽車以恒定功率啟動，根據(jù)P＝Fv，v增大，F(xiàn)減小，加速度減小，故加速度變化，汽車做變加速運動．eq\o([核心點擊])1．關系式P＝Fv中各物理量間的關系(1)同體關系．關系式P＝Fv中的P、F、v是對應于同一個物體的三個物理量，對于不在同一物體上的情況沒有意義．(2)同時關系．P、F、v三個量中任意一個物理量都是可以變化的，應用關系式P＝Fv進行分析時，這三個物理量一定要對應于運動物體的同一時刻．(3)同向關系．F、v是兩個矢量，必須具有相同的方向，若二者方向不同，成一定夾角α時，該關系式變形為P＝Fvcosα.2．機車啟動的兩種方式(1)機車以恒定功率啟動的運動過程這一啟動過程的v-t關系圖象如圖4-7-7所示．圖4-7-7①只有當機車的牽引力與所受阻力大小相等時，機車才能達到最大速度，即vmax＝eq\f(P,F)＝eq\f(P,f).②在加速過程中，加速度是逐漸減小的，如果知道某時刻的速度，就可求得此時刻的加速度．(2)機車以恒定加速度啟動的運動過程這一啟動過程的v-t關系圖象如圖4-7-8所示．圖4-7-8①由牛頓第二定律得F－f＝ma，所以牽引力F＝f＋ma定，當P＝P額時，勻加速運動的最大速度vmax′＝eq\f(P額,F)＝eq\f(P額,f＋ma定).②由vmax′＝a定t′得，勻加速運動持續(xù)的時間t′＝eq\f(vmax′,a定)＝eq\f(P額,f＋ma定a定).4．如圖4-7-9所示，在光滑的水平面上放著一個質(zhì)量為10kg的木箱，拉力F與水平方向成60°角，F(xiàn)＝2N．木箱從靜止開始運動，4s末拉力的瞬時功率為()圖4-7-9A．0.2W B．0.4WC．0.8W D．1.6W【解析】木箱的加速度a＝eq\f(Fcosα,m)＝0.1m/s2,4s末的速度v＝at＝0.4m/s，則瞬時功率P＝Fvcosα＝0.4W，B正確．【答案】B5．質(zhì)量為m的汽車行駛在平直公路上，在運動中所受阻力不變，當汽車的加速度為a，速度為v時，發(fā)動機功率為P1；當功率為P2時，汽車行駛的最大速度為()A.eq\f(P2v,P1)B.eqB.q\f(P2v,P1－mav)C.eq\f(P1v,P2)D.eqD.eq\f(P1v,P2－mav)【解析】由題意知F－f＝ma，P1＝Fv，由以上兩式得f＝eq\f(P1－mav,v).當功率為P2時，汽車行駛的最大速度vm＝eq\f(P2,f)＝eq\f(P2v,P1－mav)，B正確．【答案】B6．假定額定功率為80kW的汽車，在平直的公路上行駛的最大速度為20m/s，汽車質(zhì)量為2×103kg，如果汽車從靜止開始做勻加速直線運動，加速度為2m/s2，運動過程中阻力不變，求：【導學號：】(1)汽車所受的恒定阻力大??；(2)汽車勻加速運動的最長時間．【解析】(1)依題意：當汽車達到最大速度時，F(xiàn)牽＝f則：P額＝fvm得：f＝eq\f(P額,vm)＝4×103N.(2)在勻加速階段：據(jù)牛頓第二定律有：F牽－f＝ma得：F牽＝f＋ma＝8×103N當汽車達到額定功率時：P額＝F牽v得：v＝eq\f(P額,F牽)＝10m/s勻加速時間：t＝eq\f(v,a)＝5s.【答案】(1)4×103N(2)5s機車啟動的幾個問題(1)機車的最大速度vmax的求法，機車達到勻速前進時速度最大，此時牽引力F等于阻力f，故vmax＝eq\f(P,F)＝eq\f(P,f).(2)勻加速啟動最長時間的求法，牽引力F＝ma＋f，勻加速的最后速度vmax′＝eq\f(P額,ma＋f)，時間t＝eq\f(vmax′,a).(3)瞬時加速度的求法，據(jù)F＝eq\f(P,v)求出牽引力，則加速度a＝eq\f(F－f,m).能源的分類、危機與開發(fā)eq\o([先填空])1．能源分類(1)化石能源：煤、石油、天然氣．(2)一次能源與二次能源：①一次能源：直接取之于自然界，未經(jīng)人類加工轉(zhuǎn)換的能源．按是否能夠再生，可分為可再生能源和不可再生能源．②二次能源是指從一次能源直接或間接轉(zhuǎn)化而來的能源．如電能、氫能、焦炭等．2．能源危機目前世界上消耗的能源主要是煤、石油、天然氣等礦物質(zhì)，它們分別還可以開采200年、40年和60年左右．我國能源消費總量已位居世界第二位，隨著經(jīng)濟的迅速增長和大眾文化生活水平的提高，能源消費總量將急劇增加，能源短缺的現(xiàn)象更為嚴重．3．環(huán)境污染能源的大量使用給人類的生存環(huán)境帶來災難．酸雨、溫室效應、臭氧層破壞、城市熱島效應、土壤酸性化、生態(tài)平衡的破壞對人類已不再陌生，海平面升高、暴雨和干旱增多，嚴重威脅著人類及各種生物的生存．4．能源的開發(fā)核能、風能、太陽能、水能、地熱能、生物質(zhì)能、海洋能、氫能等是人類未來大力開發(fā)的新能源．eq\o([再判斷])1．由于自然界的能量守恒，所以不需要節(jié)約能源．(×)2．能量永遠不會增加或減少，只能轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移．(√)3．由于能源危機，所以要不斷開發(fā)新能源．(√)eq\o([后思考])如圖4-7-10所示是我國能源結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計圖，請根據(jù)此圖數(shù)據(jù)完成下面兩個問題：圖4-7-10(1)總結(jié)出我國能源結(jié)構(gòu)或能源現(xiàn)狀的規(guī)律．(2)試著提出解決這種現(xiàn)狀的合理化建議．【提示】(1)我國的能源結(jié)構(gòu)主要以煤為主；我國的能源消耗中不可再生能源占據(jù)的比例過大，結(jié)構(gòu)不合理；我國能源消耗中可再生能源的比例過小．(2)建議：節(jié)能降耗；開發(fā)新能源；開發(fā)可再生能源(如太陽能、風能等)．eq\o([合作探討])圖4-7-11探討1：既然能量是守恒的，為什么當今社會會出現(xiàn)能源危機？【提示】能源利用的過程中，能量在總的數(shù)量上并沒有減少，但在可以利用的品質(zhì)上降低了，所以會出現(xiàn)能源危機．探討2：解決能源危機的途徑是什么？【提示】一是節(jié)約能源，二是開發(fā)新能源．eq\o([核心點擊])1．人類與能源的關系(1)有利方面：能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善，人類社會每一次重大的經(jīng)濟飛躍和生產(chǎn)革命，都與新的能源和動力機械的利用密切相關，能源消耗的多少已經(jīng)成為一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志．(2)不利方面：能源的大量使用會給環(huán)境帶來極大的破壞，如大氣污染、溫室效應、酸雨等，對人類造成很大的危害．2．常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化途徑7．煤、石油、天然氣和生物質(zhì)能作為能源的共同特點是()A．都為可再生能源，取之不尺，用之不竭B．都為不可再生能源，用一點，少一點C．都為來自太陽輻射的能量D．都為污染環(huán)境的能源【解析】煤、石油、天然氣是不可再生能源，對環(huán)境污染嚴重，生物質(zhì)能是可再生能源，對環(huán)境無污染或污染少，但它們都來自太陽輻射．因此，選項C正確，其他選項均錯．【答案】C8．關于能源的利用，下列說法中不正確的是()A．由于我國煤和石油的儲量無限，所以太陽能和核能的開發(fā)在我國根本沒有必要B．能源的利用過程，實質(zhì)是能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程C．現(xiàn)在人類社會使用的能源主要是煤、石油和天然氣D．煤、石油和天然氣的化學能歸根到底來自太陽能【解析】石油、煤等為非再生的能源，儲量有限，能源的利用中雖然總量不變，但品質(zhì)降低，可再利用能源越來越少，所以新能源的開發(fā)和利用是當今世界各國面臨的課題，A錯，B、C、D對．【答案】A9．能源短缺和環(huán)境惡化指的是()①煤炭和石油的開采與技術(shù)有關，在當前技術(shù)條件下，煤炭和石油的開采是有限的，這叫能源短缺．②煤炭和石油資源是有限的，以今天的開采和消耗速度，石油儲藏將在百年內(nèi)用盡，煤炭資源也不可能永續(xù)，這叫能源短缺．③煤炭和石油具有很大的氣