資源簡介

一、能量的相互轉(zhuǎn)化
1、自然界中能量的形式
機(jī)械能、內(nèi)能、化學(xué)能、電能、太陽能、生物能、地?zé)崮堋⒊毕堋⒑四艿榷喾N形式，各種形式的能量不是孤立的，而是相互聯(lián)系的。
能量可以在兩個(gè)物體之間轉(zhuǎn)移，能量形式也可以轉(zhuǎn)化。
青蛙從地上躍起捕捉害蟲。在這個(gè)過程中，青蛙消耗了什么能？這些能量到哪里去了？青蛙獲得了什么能？這些能量來自哪里？
青蛙從地上躍起捕捉害蟲。在這個(gè)過程中，青蛙消耗了化學(xué)能，這些能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；青蛙獲得了機(jī)械能，這些能量來自害蟲的化學(xué)能。
大量事實(shí)表明，自然界中各種形式的能量都不是孤立的，不同形式的能量之間會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，能量也會在不同的物體間相互轉(zhuǎn)移。
平常我們所說的“消耗能量”、“利用能量”或者“獲得能量”，實(shí)質(zhì)上就是能量相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。
氫氧化鈉在水中溶解，溫度會升高；硝酸銨在水中溶解，溫度會降低。這兩種物質(zhì)在溶解過程中，能量的形式各發(fā)生了怎樣的轉(zhuǎn)化？
氫氧化鈉在水中溶解溫度會升高是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
硝酸銨在水中溶解，溫度會降低是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。
光合作用——地球上最主要的能量轉(zhuǎn)化過程
閱讀課文回答什么是光合作用？為什么說光合作用是地球上最主要的能量轉(zhuǎn)化過程。
光合作用：是指植物利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，并釋放出氧氣的過程；因?yàn)楣夂献饔貌粌H為生物體提供食物和能量，也是目前世界上主要?jiǎng)恿Φ脑慈Ｈ祟惱玫拿骸⑹汀⑻烊粴獾然茉矗枪糯参镞M(jìn)行光合作用攢積下來的。因此，光合作用是地球上最主要的能量轉(zhuǎn)化過程。
二、能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律
我們已經(jīng)知道，能量有機(jī)械能、電能、內(nèi)能、化學(xué)能及核能等各種不同形式，
各種形式的能量可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。那么在相互轉(zhuǎn)化的過程中能量的多少是否發(fā)生變化呢？
不是全部轉(zhuǎn)化重物的機(jī)械能，電動(dòng)機(jī)消耗的電能一部分轉(zhuǎn)化為重物的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；如果把轉(zhuǎn)化后的各種形式的能量全部加起來跟電動(dòng)機(jī)消耗的電能相等。
大量事實(shí)告訴我們，任何一種形式的能量在轉(zhuǎn)化為其他形式的能量過程中，消耗多少某種形式的能量，就得到多少其他形式的能量，能量的總量是保持不變的。
19
世紀(jì)確立了自然界最普遍的規(guī)律之
一——能量守恒定律。
能量既不會消滅，也不會創(chuàng)生，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能的總量保持不變。這就是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。
注意：能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。無論是宏觀物體運(yùn)動(dòng)還是微觀粒子運(yùn)動(dòng)，都遵循這個(gè)定律。
1、你知道什么是永動(dòng)機(jī)嗎？
永動(dòng)機(jī)：不消耗任何能量和燃料，卻源源不斷對外做功的機(jī)器。
2、如圖所示，達(dá)·芬奇曾設(shè)計(jì)了一個(gè)
“永動(dòng)機(jī)”一只圓輪，里面裝有可以自由滾動(dòng)的重鋼球。利用隔板的特殊形狀，使輪子一邊的鋼球總是滾到另一邊距離輪心遠(yuǎn)些的地方，這樣，在鋼球的重力作用下，輪子便會轉(zhuǎn)動(dòng)不息。你認(rèn)為這個(gè)“永動(dòng)機(jī)”能旋轉(zhuǎn)不息嗎？為什么？
這個(gè)“永動(dòng)機(jī)”不可能旋轉(zhuǎn)不息因?yàn)閳A輪轉(zhuǎn)動(dòng)是要克服摩擦力和空氣阻力消耗能量，即機(jī)械能會轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
根據(jù)能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律可知：機(jī)械能逐漸減少，經(jīng)過足夠長時(shí)間，機(jī)械能會全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
三、能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的方向性
永動(dòng)機(jī)”制造一直失敗的原因是：它違背了能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律。那么，遵循能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的事件是否一定會發(fā)生呢？
一塊熾熱的鐵塊投入水中時(shí)能量發(fā)生怎樣的轉(zhuǎn)移？
當(dāng)一塊熾熱的鐵塊投入水中時(shí)，內(nèi)能從鐵塊傳遞給水，最后兩者達(dá)到相同的溫度。但是，鐵塊不可能自發(fā)地從同溫度的水中吸收熱，使自己變得熾熱。
熱量的轉(zhuǎn)移是有方向性的，熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，而決不會反向轉(zhuǎn)移。
當(dāng)雜技演員沿竹竿下滑時(shí)，能量又是如何轉(zhuǎn)化？手和竹竿的內(nèi)能，能使演員上升嗎？
當(dāng)雜技演員沿竹竿下滑時(shí)，演員的重力勢能有一部分轉(zhuǎn)化為手和竹竿的內(nèi)能，使手和竹竿的溫度升高。但是，相反的過程也不會自發(fā)地發(fā)生，即手和竹竿不可能自發(fā)地降低溫度，而使人的位置升高，盡管這一過程也不違反能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。
歸納總結(jié)：
（1）能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是有方向的，內(nèi)能不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。我們是在能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程中利用能量的。
（2）能量的利用率不可能達(dá)到100%
能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律的建立
1840
年，德國醫(yī)生邁爾（Julius
Robert
von
Mayer）從生理學(xué)角度對能量進(jìn)行了研究，他發(fā)現(xiàn)病人的靜脈血比他預(yù)計(jì)的要紅得多，因此他開始思考動(dòng)物熱的問題，并由此萌發(fā)了所有形式的能量都可以相互轉(zhuǎn)化的想法。他還分析了多種能量的轉(zhuǎn)化和守恒的現(xiàn)象，成為首先闡述能量守恒思想的人。
從
1840~1878
年的近
40
年時(shí)間里，英國科學(xué)家焦耳研究了電流熱效應(yīng)、空氣壓縮時(shí)溫度的升高以及電、化學(xué)和機(jī)械作用之間的聯(lián)系。他發(fā)現(xiàn)了焦耳定律，得出了電能向內(nèi)能轉(zhuǎn)化的定量關(guān)系。他做了
400多次實(shí)驗(yàn)，用各種方法測定熱與功之間的當(dāng)量關(guān)系，精確地測定了熱和機(jī)械功之間的當(dāng)量關(guān)系的數(shù)值，為能量守恒定律的確立奠定了定量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
1847
年，德國科學(xué)家亥姆霍茲（Hermann
Ludwig
Ferdinard
von
Helmholtz）發(fā)表了《論力的守恒》一文，把能量的概念推廣到熱學(xué)、電磁學(xué)、天文學(xué)和生理學(xué)等領(lǐng)域，系統(tǒng)、嚴(yán)密地闡述了能量守恒思想。他分析了機(jī)械能、化學(xué)能、電磁能等不同形式能量的轉(zhuǎn)化和守恒，并把能量守恒與永動(dòng)機(jī)不可能制成聯(lián)系起來。他認(rèn)為機(jī)器只能轉(zhuǎn)化能量，而不能創(chuàng)造和消滅能量。他對能量守恒定律作出了清晰、具有說服力的論述，從而使能量轉(zhuǎn)化和守恒定律得到人們的廣泛接受。
可見，能量轉(zhuǎn)化和守恒定律是眾多科學(xué)家集體智慧的結(jié)晶。
例1、關(guān)于做功或能量轉(zhuǎn)化的過程中，下列說法正確的是(???
)
A.汽油機(jī)在壓縮沖程中，是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能
B.拉彎的弓將箭射出，其彈性勢能主要轉(zhuǎn)化為動(dòng)能
C.電動(dòng)機(jī)工作過程中，是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能
D.吊車吊著貨物沿水平方向移動(dòng)一段距離，此過程中貨物的重力對自身做了功
例2、如圖所示，白熾燈的能量轉(zhuǎn)化示意圖表明其工作時(shí)的效率為________；一盞工作時(shí)的效率為30%的節(jié)能燈，要達(dá)到60W白熾燈的亮度，其功率應(yīng)為________W。節(jié)能燈產(chǎn)生的內(nèi)能散失到空氣中，無法自動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，表明能量的轉(zhuǎn)化具有________。
例3、英國物理學(xué)家斯特林于1816年發(fā)明了“斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)”。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)工作介質(zhì)易汽化、易液化，該介質(zhì)經(jīng)過吸熱膨脹、冷卻壓縮的循環(huán)過程輸出動(dòng)力，因此又被稱為熱氣機(jī)。某工程師按照“斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)”原理設(shè)計(jì)了如圖甲所示的模型機(jī)，工作過程中飛輪持續(xù)旋轉(zhuǎn)如圖乙。請結(jié)合所學(xué)知識解釋飛輪能持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的工作原理。
例4、隨著世界性能源危機(jī)的日益加劇，一向?yàn)槿藗兯贄壍睦采韮r(jià)倍增，變成了能源再生的“寶庫”。利用垃圾的一種方式就是將垃圾填埋后，通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，這些沼氣燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓苿?dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來發(fā)電。
（1）根據(jù)上面的短文，請你將垃圾發(fā)電過程中的能量轉(zhuǎn)化填寫完整。
（2）垃圾填埋后產(chǎn)生的沼氣是一種________（填“可再生”或“不可再生”）能源．利用垃圾發(fā)電與傳統(tǒng)的垃圾填埋處理方法相比有哪些優(yōu)點(diǎn)（寫出一條）：________。
（3）若每噸填埋垃圾可產(chǎn)生沼氣150m3，集中收集后可發(fā)電250kw?h，巳知沼氣的主要成分是甲烷，其熱值為2.0×107J/m3，則沼氣發(fā)電的效率為多少？
1.根據(jù)能量守恒定律，判斷下列說法正確的是(???
)
A.發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生電能
B.電動(dòng)機(jī)工作時(shí)消滅了電能
C.發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)都是轉(zhuǎn)化能量的機(jī)器
D.自然界各種能量不斷地相互轉(zhuǎn)化，人類不斷地消耗各種能量，總能量在不斷減少
2.根據(jù)能量守恒定律，以下情形可能發(fā)生的是（?
）
A.出膛的子彈射穿木板，以更快的速度繼續(xù)前進(jìn)
B.電水壺里的水沸騰了，給該電水壺?cái)嚯姡姆序v卻永遠(yuǎn)不會停止
C.兩個(gè)斜面相對接，小球從左斜面滾下后，繼續(xù)沖上右斜面
D.孤島上被人們遺忘的一只機(jī)械表，默默地走了幾十年
3.如圖所示，連著彈簧的小球套在水平桿上，彈簧自由伸長時(shí)，小球位于O點(diǎn)．小幅度向左或向右改變小球位置，小球仍能靜止．現(xiàn)較大幅度改變小球位置，把小球移至A點(diǎn)后使其靜止，然后釋放．
（1）小球向右運(yùn)動(dòng)過程中速度最大點(diǎn)出現(xiàn)在________（選填“O點(diǎn)”、“O點(diǎn)左側(cè)”、“O點(diǎn)右側(cè)”、“都有可能”）;
（2）小球第一次向右經(jīng)過O點(diǎn)至到達(dá)最右端B的過程中能量轉(zhuǎn)化情況為________;
（3）小球最終靜止的位置是________（選填“O點(diǎn)”、“O點(diǎn)左側(cè)”、“O點(diǎn)右側(cè)”、“可能是O點(diǎn)，也可能偏左或是偏右”）．
4.眾所周知，愛因斯坦是一位偉大的理論科學(xué)家，他曾發(fā)明過“環(huán)保”不耗電的電冰箱．這種電冰箱內(nèi)部有一種小型的浸入式致冷器，它能浸在需要冷卻的液體中。這種電冰箱根本不需要常規(guī)電源，它的運(yùn)行僅靠水龍頭的壓力，帶動(dòng)一臺射水泵，從而在一個(gè)氣室內(nèi)產(chǎn)生真空，水和少量甲醇則在此處化為蒸氣．管中甲醇會慢慢用完，但是這種液體不僅價(jià)格便宜，而且很容易弄到。這種冰箱在工作時(shí)，被冷卻的液體內(nèi)能________（選填“增大”、“減小”），
你認(rèn)為這種不用電的冰箱________（選填“遵守”或“不遵守”）能量守恒定律。
5.光滑斜面甲與水平面AB平滑連接。從斜面甲高H處靜止釋放小球，小球運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)靜止，如圖甲。在
AB上的C點(diǎn)平滑拼接另一光滑斜面乙，已知AB＝3
AC，如圖乙。回答下列問題：如果小球從斜面甲高H處靜止釋放，說明小球在乙斜面到達(dá)的最大高度h與H的數(shù)量關(guān)系及理由。
6.如圖所示是某研究小組精心設(shè)計(jì)的一種機(jī)械，高處的水通過左側(cè)的管道向下流動(dòng)，水流沖擊葉片，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以打磨需要的工件，同時(shí)帶動(dòng)右側(cè)的抽水器將水從低處抽到高處，繼續(xù)向下流動(dòng)，從而永不停歇。你認(rèn)為這種機(jī)械是否能夠一直工作下去？請說明原因。
1.水流在推動(dòng)水輪機(jī)的過程中做了3×108J的功，這句話應(yīng)理解為(???
)
A.水流在推動(dòng)水輪機(jī)前具有3×108J的能量
B.水流在推動(dòng)水輪機(jī)后具有3×108J的能量
C.水流在推動(dòng)水輪機(jī)的過程中具有3×108J的能量
D.水流在推動(dòng)水輪機(jī)的過程中能量減少了3×108J
2.為解決日益加劇的溫室效應(yīng)等問題，科學(xué)家正在研究建立如下圖所示的二氧化碳新循環(huán)體系：
上述關(guān)系圖能反映的觀點(diǎn)或思想有（??
）
①
化學(xué)變化中元素種類是守恒的?
②燃燒時(shí)化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為熱能和光能
③
二氧化碳也是一種重要的資源?
④無機(jī)物和有機(jī)物可以相互轉(zhuǎn)化
A.①②④????B.①②③????C.②③④????D.①②③④
3.過山車是一種富有刺激性的娛樂工具，小江同學(xué)制作了一個(gè)過山車模型，如圖所示，他把重力為G的鐵球放在A點(diǎn)，然后讓它沿軌道滾下，軌道的右側(cè)有一彈簧，鐵球先后經(jīng)過B、C、D點(diǎn)，到達(dá)E點(diǎn)，已知B點(diǎn)離臺面高度為零，A、D點(diǎn)離臺面的高度分別為hA、hD
（整個(gè)過程中不計(jì)摩擦及能量損耗），則從A位置到B位置鐵球的重力做功是________；C點(diǎn)小球具有的機(jī)械能大小________；當(dāng)?shù)竭_(dá)E點(diǎn)時(shí)，彈簧最短，小球的速度變?yōu)榱悖∏騙_______（選填“處于”“不處于”）平衡狀態(tài)；鐵球從A運(yùn)動(dòng)到E的過程中，彈簧的彈性勢能增加量為________．
4.淺層地?zé)崮苁侵柑N(yùn)藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)的巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價(jià)值的天然綠色能源。
（1）如圖甲所示為一一個(gè)地?zé)岚l(fā)電裝置簡圖，地?zé)峋趪姵鰜淼乃旌衔锝?jīng)處理后，蒸汽送入汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。地?zé)岚l(fā)電過程中的能量轉(zhuǎn)化情況是________→________→電能。
（2）如圖乙所示是利用淺層地?zé)崮苷{(diào)節(jié)室溫的原理圖。具體做法是：往地下打孔；接入管道，然后通入自來水。冬天，自來水通過管道流入地下，被增溫層加熱，再循環(huán)出來就能提高室內(nèi)溫度；夏天則相反。利用淺層地?zé)嵴{(diào)節(jié)室溫，是通過________的方式改變了內(nèi)能，用自來水作循環(huán)工作的物質(zhì)，是因?yàn)樗腳_______大。
（3）存在于巖石圈中的地下水是含有各種氣體、離子、有機(jī)物和微生物等的混合物，主要的氣體成分是O2、N2和CO2，有機(jī)質(zhì)的發(fā)酵與植物的________(填生理過程)使土壤中源源不斷產(chǎn)生CO2，并溶入流經(jīng)土壤的地下水中。
5.某同學(xué)觀察到氣象站每日放飛探空氣球，如圖甲，探空氣球下吊有測量儀器，氣球和儀器一起勻速上升，他認(rèn)為它們的機(jī)械能增加了，增加的機(jī)械能是什么能量轉(zhuǎn)化來的呢？
（1）首先排除了氣球增加的機(jī)械能是由空氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化而來，理由是________。
（2）那么增加的機(jī)械能究竟是什么能量轉(zhuǎn)化而來的呢？老師做了以下實(shí)驗(yàn)：先把木塊壓入水中，當(dāng)撤去壓力時(shí)，木塊上浮。木塊升高了，同時(shí)會有一部分水下去填補(bǔ)木塊原來占據(jù)的位置，當(dāng)木塊最終漂浮后，水面有所下降。氣球在空氣中的上升和木塊在水中的上浮原理是相同的，從能量轉(zhuǎn)化和守恒角度分析該同學(xué)提出的問題：
6.氫燃料是一種綠色能源，氫燃料電池的工作原理如圖所示：
（1）氫燃料電池在放電時(shí)將________能轉(zhuǎn)化為________?能；
（2）已知某氫燃料電池車的電動(dòng)機(jī)的輸出功率為40kW，以72km/h的速度在水平道路上勻速行駛。求此時(shí)汽車與地面之間的摩擦力；
（3）在上一問的基礎(chǔ)上，若汽車勻速行駛了180km，該燃料電池車能量轉(zhuǎn)化的效率為60%，求需要消耗的氫氣的質(zhì)量(氫氣的熱值為1.5×108J/kg)。
參考答案
例1、B
例2、10%；20；方向性
例3、酒精燈加熱將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，熱氣缸中的工作介質(zhì)吸熱汽化膨脹，推動(dòng)活塞A向右運(yùn)動(dòng)做功，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；由于飛輪具有慣性，帶動(dòng)活塞A向左運(yùn)動(dòng)，活塞A將熱氣缸中的工作介質(zhì)推入冷氣缸并液化，活塞B又將介質(zhì)推回?zé)釟飧住Ｈ绱朔磸?fù)。
例4、（1）內(nèi)能；機(jī)械能（2）可再生；節(jié)約能源（或環(huán)保或減少污染）（3）30%
1.C
2.C
3.（1）O點(diǎn)左側(cè)（2）動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和彈性勢能（3）可能是O點(diǎn)，也可能偏左或是偏右
4.減小；遵守
5.釋放點(diǎn)到B點(diǎn)靜止，減少的機(jī)械能等于在AB水平面上由于摩擦而損耗的機(jī)械能。因?yàn)锳B＝3AC，所以在AC上損耗的機(jī)械能是AB上的三分之一，所以乙斜面上時(shí)機(jī)械能比甲斜面上時(shí)的機(jī)械能少三分之一，故上升高度h=
6.此“永動(dòng)機(jī)”中，高處的水流沖擊葉片轉(zhuǎn)動(dòng)對外做功時(shí)，因?yàn)槟Σ恋仍颍胁糠謾C(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，從高處流下的水不可能全部被抽回原高度，根本不能一直工作下去。
1.D
2.D
3.GhA；GhA；不處于；G（hA﹣hD）
4.（1）內(nèi)能；機(jī)械能（2）熱傳遞；比熱容（3）呼吸作用
5.（1）在探空氣球上升的過程中，由于克服空氣摩擦，其內(nèi)能增加；所以探空氣球機(jī)械能的增加不是內(nèi)能轉(zhuǎn)化來的
（2）與木塊在水中上升相似，探空氣球在空氣中上升，其機(jī)械能增加。氣球上升后，周圍有一部分空氣流過來填補(bǔ)氣球原來占據(jù)空間的空缺，所以空氣下降，其機(jī)械能減小。所以探空氣球的機(jī)械能是由空氣的機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來
6.（1）化學(xué)；電
（2）電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的牽引力；
當(dāng)汽車勻速直線行駛時(shí)，它受的摩擦力與牽引力相互平衡；
那么汽車與地面的摩擦力f=F=2000N；
（3）汽車做的功W=Fs=2000N×（1.8×105m）=3.6×108J；
氫氣放出的熱量；
消耗氫氣的質(zhì)量：。
2021-2022學(xué)年上學(xué)期浙教版科學(xué)九年級“培優(yōu)提高”講義（三十）
能量轉(zhuǎn)化與守恒

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