研專項素養提升第五章一、情境化主題突破:能量守恒與功能關系中的STSE問題【背景資料】隨著我國經濟、科技的快速發展,環保能源問題成為人們關注的熱點,節能減排提升到國家戰略高度,推進能源供給革命成為產業結構調整工作的重點。生活中到處可見環保能源的開發和利用,如風能發電、太陽能發電等?！究枷蚍治觥凯h保型能源的開發和利用是當今全人類面臨的重要問題,在近幾年的高考中多有體現,通常用物理規律如能量守恒及功能關系等進行分析,在這里我們初步探究幾類常見的實例?！景咐骄俊堪咐?.(風力發電)如圖所示,風力發電機由風力帶動葉片轉動,葉片再帶動轉子(磁極)轉動,使定子(線圈,不計電阻)中產生電流,實現風能向電能的轉化。若葉片長度為l,設定的額定風速為v,空氣的密度為ρ,額定風速下發電機的輸出功率為P,則風能轉化為電能的效率為(

)答案

A案例2.(太陽能路燈)下圖為太陽能路燈,每只路燈的太陽能電池板有效采光面積約0.3m2。晴天時電池板上每平方米每小時接收到的太陽輻射能約為3×106J。如果每天等效日照時間約為6h,太陽能電池一天產生的電能可供30W的路燈工作8h,則太陽能電池的光電轉換效率約為(

)A.4.8% B.9.6% C.16% D.44%答案

C解析

每天(6

h)太陽能電池板吸收的太陽能W總=0.3×3×106×6

h=5.4×106

J,因路燈正常工作,故P額=P=30

W,燈工作8

h消耗電能W有用=Pt=8.64×105

J,太陽能電池的光電轉換效率為案例3.(多選)(節能汽車)某汽車研發機構在汽車的車輪上安裝了小型發電機,將減速時的部分動能轉化并儲存在蓄電池中,以達到節能的目的。某次測試中,汽車以額定功率行駛一段距離后關閉發動機,測出了汽車動能Ek與位移x的關系圖像如圖所示,其中①是關閉儲能裝置時的關系圖線,②是開啟儲能裝置時的關系圖線。已知汽車的質量為1000kg,設汽車運動過程中所受地面阻力恒定,空氣阻力不計。根據圖像所給的信息可求出(

)A.汽車行駛過程中所受地面的阻力為1000NB.汽車的額定功率為80kWC.汽車加速運動的時間為22.5sD.汽車開啟儲能裝置后向蓄電池提供的電能為5×105J答案

BD二、典型物理模型指導突破:多物體的機械能守恒模型【模型概述】1.常見的三種模型(1)輕繩連接的物體系統模型常見情景模型提醒①分清兩物體是速度大小相等,還是沿繩方向的分速度大小相等。②用好兩物體的位移大小關系或豎直方向高度變化的關系。③對于單個物體,一般繩上的力要做功,機械能不守恒;但對于繩連接的系統,機械能則可能守恒(2)輕桿連接的物體系統模型

常見情景模型特點①平動時兩物體線速度相等,轉動時兩物體角速度相等。②桿對物體的作用力并不總是沿桿的方向,桿能對物體做功,單個物體機械能不守恒。③對于桿和球組成的系統,忽略空氣阻力和各種摩擦且沒有其他力對系統做功,則系統機械能守恒(3)輕彈簧連接的物體系統模型

模型特點由輕彈簧連接的物體系統,一般既有重力做功又有彈簧彈力做功,這時系統內物體的動能、重力勢能和彈簧的彈性勢能相互轉化,而總的機械能守恒兩點提醒①對同一彈簧,彈性勢能的大小由彈簧的形變量完全決定,無論彈簧伸長還是壓縮。②物體運動的位移與彈簧的形變量或形變量的變化量有關2.多物體機械能守恒問題的分析方法(1)正確選取研究對象,合理選取物理過程。(2)對多個物體組成的系統要注意判斷物體運動過程中,系統的機械能是否守恒。(3)注意尋找用輕繩、輕桿或輕彈簧相連接的物體間的速度關系和位移關系。(4)列機械能守恒方程時,從三種表達式中選取方便求解問題的形式。【案例探究】如圖所示,鼓形輪的半徑為R,可繞固定的光滑水平軸O轉動,在輪上沿相互垂直的直徑方向固定四根直桿,桿上分別固定有質量為m的小球,球與O的距離均為2R,在輪上繞有長繩,繩上懸掛著質量為m0的重物。重物由靜止下落,帶動鼓形輪轉動,重物落地后鼓形輪勻速轉動,轉動的角速度為ω。繩與輪之間無相對滑動,忽略鼓形輪、直桿和長繩的質量,不計空氣阻力,重力加速度為g。求:(1)重物落地后,小球線速度的大小v;(2)重物落地后一小球轉到水平位置A,此時該球受到桿的作用力的大小F;(3)重物下落的高度h。思維點撥

根據圓周運動的線速度與角速度的關系求出小球的線速度;對小球受力分析,重力和桿對小球的力的合力提供小球做勻速圓周運動的向心力;重物下落過程中對系統沒有機械能與其他形式能的轉化,因此機械能守恒,重物重力勢能減少量等于重物和小球動能的增加量。解析

(1)線速度v=ωr,得v=2ωR。(2)向心力F向=2mω2R設F與水平方向的夾角為α,則Fcos

α=F向,Fsin

α=mg素養點撥

對于多個物體組成的系統,列機械能守恒表達式時,先找出哪些機械能減少,哪些機械能增加,根據機械能守恒得減少的能量和等于增加的能量和列式求解?！緞撔掠柧殹?.(多選)(2023安徽滁州定遠縣第三中學模擬)輪軸機械是中國古代制陶的主要工具。如圖所示,輪軸可繞共同軸線O自由轉動,其輪半徑為R=20cm,軸半徑為r=10cm,用輕質繩纏繞在輪和軸上,分別在繩的下端吊起質量為2kg、1kg的物塊P和Q,將兩物塊由靜止釋放,釋放后兩物塊均做初速度為0的勻加速直線運動,不計輪軸的質量及軸線O處的摩擦,重力加速度g取10m/s2。在P從靜止下降1.2m的過程中,下列說法正確的是(

)A.P、Q速度大小始終相等B.Q上升的距離為0.6mC.P下降1.2m時Q的速度大小為2m/sD.P下降1.2m時的速度大小為4m/sBD2.(2022遼寧錦州期末)如圖所示,圓心在O點,半徑為R的圓弧軌道abc豎直固定在水平桌面上,Oc與Oa的夾角為60°,軌道最低點a與桌面相切。一段不可伸長的輕繩兩端系著質量分別為m和4m的小球A和B(均可視為質點),掛在圓弧軌道邊緣c的兩邊。開始時B位于c點,從靜止釋放,設輕繩足夠長,不計一切摩擦,則B球由c下滑到a的過程中(

)A.當小球B經過a點時,A、B速度大小之比為1∶1B.B球的機械能先增大后減小答案

D

解析

兩小球組成的系統機械能守恒,設小球B經過a點時的速度大小為v1,此時A球的速度大小為v2。由速度關聯關系有v2=v1cos

30°,即v1∶v2=3.如圖所示,一勁度系數為k=100N/m的輕彈簧下端固定于傾角為θ=53°的光滑斜面底端,上端連接物塊Q。一輕繩跨過定滑輪O,一端與物塊Q連接,另一端與套在光滑豎直桿的物塊P連接,定滑輪到豎直桿的距離為d=0.3m。初始時在外力作用下,物塊P在A點靜止不動,OQ段輕繩與斜面平行,繩子拉力大小為50N。已知物塊P的質量為m1=0.8kg,物塊Q的質量為m2=5kg,不計滑輪大小及摩擦作用,g取10m/s2,sin53°=0.8,cos53°=0.6?，F將物塊P由靜止釋放,求:(1)物塊P位于A時,彈簧的伸長量x1;(2)物塊P上升h=0.4m至與滑輪O等高的B點時的速度大小;(3)物塊P上升至B點過程中,輕繩拉力對其做的功。答案

(1)0.1m

(2)2m/s

(3)8J解析

(1)物塊P位于A點時,對物塊Q有FT=m2gsin

θ+kx1,解得x1=0.1

m。(2)經分析,物塊P上升h=0.4

m到B點時,物