資源簡介

能源、核能和能量的轉化與守恒
【回顧】
1．核能
獲得核能的途徑：裂變和聚變。
(1)重核裂變： 質量較大的原子核在中子轟擊下分裂成2個新原子核，并釋放出能量的過程。
(2)輕核聚變：在超高溫度下，2個質量較小的原子核結合成質量較大的新核，同時釋放出能量的過程。聚變需要很高的溫度，所以也叫熱核反應，氫彈就是根據輕核聚變的原理制成的。
2．能量守恒定律：能量既不會消滅，也不會創生，它只會從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體。而在轉化和轉移的過程中，能的總量保持不變。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，是人們認識自然和改造自然的重要科學依據。
3．各種形式的能都可以相互轉化。做功的過程就是能的轉化的過程，如運動物體克服摩擦做功就是機械能轉化為內能的過程。另外，有時能量不是從一種形式轉化為另一種形式，只是從一個物體轉移到另一個物體或從物體的某一部分轉移到另一部分，這叫能的轉移，例如熱傳遞就是內能在物體間的轉移過程。
4．內能與機械能對比
項目 內能(微觀) 機械能(宏觀)
定義 　物體內部所有分子熱運動的動能和勢能的總和 　物體的動能、重力勢能和彈性勢能的統稱
決定 因素 　跟物體的溫度、質量、物質種類、體積和狀態有關 　跟宏觀運動狀態、參照系和零勢能點的選取有關
量值 　任何物體都有內能 　可以為零
測量 　無法測量 　可以測量
本質 　微觀分子的運動和相互作用的結果 　宏觀物體的運動和相互作用的結果
例　能量的形式多種多樣且可以相互轉化。如圖17－1所示事例中，屬于內能轉化為機械能的是(　　)
圖17－1
[答案] D
運動員奔跑時，將生物能轉化為機械能；電風扇工作時，將電能主要轉化為機械能；氫彈爆炸時，將核能轉化為內能；內燃機做功沖程是利用高溫、高壓燃氣做功，將內能轉化為機械能。
[方法點撥] 本題考查了能量的轉化形式，要結合對應的現象進行分析解答。
1．如圖17－2所示的實驗或裝置均改變了物體的內能，其中與另外三個改變內能方式不同的是(　　)
圖17－2
2．下列有關能源和信息的說法中正確的是(　　)
A．火箭發射利用的燃料是液態氫，是因為它含有的熱量多
B．核電站是利用核裂變的能量來發電的
C．手機是利用超聲波來通信的
D．因為能量在轉化過程中是守恒的，所以能源是“取之不盡、用之不竭”的
3．核電站發電流程如圖17－3所示，在核電站的發電過程中，下列所述能量轉化順序正確的是(　　)
圖17－3
A.核能→化學能→內能→電能
B．核能→化學能→機械能→電能
C．核能→內能→機械能→電能
D．核能→機械能→內能→電能
4．如圖17－4所示，銅質圓環從條形磁體的正上方由靜止開始下落。在此過程中，下列分析不正確的是(　　)
圖17－4
A．銅環在下落過程中機械能總量減少
B．磁體對桌面的壓力大小始終等于其自身的重力大小
C．銅環落到桌面停止時其溫度可能升高
D．銅環在下落過程中部分機械能轉化為電能
5．兩個完全相同的正方體均勻物塊，分別沿各自虛線切割掉一半，將剩余部分a和b按照如圖17－5所示位置擺放在同一水平面上，比較兩物塊的重力勢能(　　)
圖17－5
A．a比較大 B．b比較大
C．一樣大 D．無法判斷
6．我國已興建抽水蓄能水電站，它可調劑電力供應。深夜時，用過剩的電能通過水泵把下蓄水庫的水抽到高處的上蓄水庫內，白天則通過閘門放水發電，以補充電能不足，如圖17－6所示。若上蓄水庫長150 m，寬30 m，從深夜11時至清晨4時抽水，使上蓄水庫的水位升高20 m，而下蓄水庫的水位下降5 m，開始抽水時，上、下蓄水庫的水位高度差為400 m。已知：抽水機的效率為80%，發電機的效率為60%，g取10 N/kg。則白天通過閘門放水發電將夜晚抽水蓄的能轉化成電能，給電網補充的電能為________J，抽水機的平均功率為________kW。
圖17－6
7．小紅看到運動員拉弓射箭時，弓拉得越彎，箭射得越遠。小紅猜想：彈性勢能的大小可能與物體的彈性形變程度有關。
(1)為驗證其猜想是否正確，她設計了如圖17－7所示的實驗，將小球置于彈簧的右端，將同一個彈簧每次壓縮________的長度(彈簧被壓縮后未超過其彈性限度)，松手后小球彈開鉆入同一位置的相同紙盒，并留在其中，分析比較紙盒__________________，從而比較同一彈簧在形變量不同時彈性勢能的大小。
圖17－7
(2)假若水平面絕對光滑，本實驗將________(填“能”或“不能”)達到探究目的。
(3)小紅根據實驗現象認為：小球推動紙盒一起移動一段距離后都要停下來，所以彈簧、小球和紙盒所具有的能量最終都徹底消失了，你認為小紅的觀點是______________(填“正確”或“錯誤”)的。
8．市場上出現了一種“自發熱內衣”，小黃同學對市場上熱賣的自發熱內衣的宣傳產生了質疑。他認為，能量不能憑空產生，如果內衣發熱，其內能一定是通過其他形式的能轉移或轉化而來的。接著在查閱資料時發現：發熱內衣的原料是一種特殊纖維材料，當它吸收人體散發的水分時，纖維分子中的親水基團與水分子結合，水分子的動能降低，同時轉化為內能釋放出來。為此小黃設計實驗進行驗證：將三件相同的標有發熱字樣的內衣樣品烘干后放到室內，并將三個測溫探頭放進三件樣品的相同位置，室內溫度保持20 ℃不變。由于室內空氣濕度較大，內衣開始吸濕。經過半小時的數據記錄發現，三件內衣樣品的升溫幅度最高不超過4 ℃，半小時平均升溫值小于3 ℃。
請問：
(1)小黃選用三件相同的內衣樣品做實驗，其目的是____________________。
(2)樣品內衣增加的內能是由______________能轉化而來的。
(3)為了進一步探究不同的纖維吸濕發熱性能的高低，本實驗將如何改進？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
9．淋浴用水的流量約為10 L/min，合適的水溫約為50 ℃，用水時間約為4 min。電熱淋浴器有兩種設計，一種是淋浴時電流直接對流動的水加熱，另一種則備有水箱，待水箱中的水加熱至合適的溫度后再淋浴(加熱前的水溫為20 ℃)。
(1)請根據上面提供的數據論證，第一種設計不適合大多數家庭的供電電路。
(2)如果水箱中的水恰好夠一個人淋浴用，供電電路允許的電流最大為10 A，電加熱的效率為80%，這種條件下把水箱中的水加熱需要多長時間？
10．濰坊中考閱讀以下材料，回答問題。
混合動力型汽車
利用兩種或兩種以上能源的汽車稱為混合動力型汽車，通常指的是利用汽油和電池的汽車，該類型汽車，一般有一臺質量較小且較為經濟的汽油發動機與一臺電動機，汽油發動機可以滿足大多數情況下行駛的需要，當需要更多的動力時，可以再由電動機提供，電動機由能重復充電的蓄電池供電。
有一種類型的混合動力型汽車，稱為“并聯混合動力型汽車”。該車的汽油發動機和電動機通過同一個變速器與車輪相連。何時使用汽油發動機、何時使用電動機、何時兩者同時使用，均由內置電腦控制，這類汽車除了油箱里的汽油之外，不再需要外界其他能源。與電動汽車不同，你不需要將混合動力型汽車的蓄電池接到電源插座上去充電；普通汽車在制動時，汽車的動能全部轉化為內能，而混合動力型汽車在制動時，電動機作為發電機使用，把汽車的一部分動能轉化為電能，實現了對電池的充電。
(1)混合動力型汽車與普通汽車相比，具有哪些優點？(寫出兩點)_______________________
________________________________________________________________________________。
(2)混合動力型汽車在水平路面上制動時，汽車的動能轉化為________和________。
(3)混合動力型汽車以速度v行駛，若汽油發動機與電動機同時提供動力，其功率分別為P1、P2，此時該車的牽引力F＝________。
(4)某新型混合動力型汽車啟動時，內燃機不工作，蓄電池向車輪輸送能量，當需要高速行駛或蓄電池電能過低時，內燃機啟動，既可以向車輪輸送能量，又可以給蓄電池充電。車速與所受阻力的關系如圖17－8所示。在某次測試中，蓄電池儲存的電能為5.12×108 J，由內燃機提供能量，汽車以50 km/h的速度勻速行駛了0.5 h，同時蓄電池的電能增加了10%。求：
①汽車牽引力做的功。
②若所用燃料的熱值為4.5×107 J/kg，測試過程中消耗8 kg燃料(假設燃料完全燃燒)，則放出的總熱量是多少。
③內燃機的效率。
圖17－8
答案
1．A　 圖A中，觀察水的沸騰，利用酒精燈加熱，是通過熱傳遞改變物體內能的；圖B中，空氣膨脹做功，推動塞子，空氣的內能減少，是通過做功改變物體內能的；圖C中，用力將活塞迅速壓下，壓縮空氣做功，是將機械能轉化為內能的過程；圖D是內燃機壓縮沖程，活塞壓縮工作物質做功，將機械能轉化為內能。
2．B　 運載火箭采用液態氫為火箭的燃料，原因是液態氫具有較高的熱值，完全燃燒相同質量的氫和其他燃料時，氫可以釋放出更多的熱量；核電站是利用鈾原子核裂變時放出的核能來發電的；手機能發出電磁波，也能接收電磁波，故手機通信是利用電磁波來傳遞信息的；能量在轉移、轉化過程中是守恒的，但是能量的轉化和轉移具有方向性，所以能源并非“取之不盡、用之不竭”，我們要節約能源。
3．C　 在核反應堆中，核能轉化為內能；在汽輪機中，蒸汽的內能轉化為汽輪機的機械能；在發電機中，機械能轉化為電能，最終輸送到電網上。
4．B　 在整個下落過程中，穿過銅圈的磁通量一直在變化，所以一直有感應電流產生，也就產生了一部分電熱，總能量就等于電熱加銅環的機械能，總能量守恒，所以銅環的機械能總量減少。
①銅環從磁體的正上方下落至磁體的中間部位過程中，穿過銅環的磁通量一直在增加，根據“來拒去留”，二者之間表現為斥力，也就是說該過程中銅環對磁體有向下的力。②當銅環從磁體中間部位向磁體底端運動過程中，穿過磁體的磁通量一直在減少，根據“來拒去留”，二者之間表現為引力，也就是說該過程中銅環對磁體有向下的力；③當銅環運動至磁體正中間部位時，銅環的運動方向與磁感線平行，不切割磁感線，該時刻銅環中沒有感應電流，二者之間沒有力的作用，也就是說該時刻磁體的重力大小等于磁體對桌面的壓力大小。當銅環從靜止下落過程中，由于磁通量變大，導致銅環中出現感應電流，受到安培阻力，則除了重力做功外，還有安培力做功，導致下落過程中減小的重力勢能，部分用來增加動能，還有部分用來產生內能。
5．A　 兩個完全相同的正方體均勻物塊，分別沿各自虛線切割掉一半，將剩余部分a和b按照如圖所示位置擺放在同一水平面上，a的重心高度為邊長的，利用等腰直角三角形重心的特點知道b的重心高度小于邊長的。二者的質量相同，a的重心位置高，因此a的重力勢能大。
6．2.2275×1011　2.58×104
(1)抽水機在工作時間內，抽水的重力：G＝mg＝ρVg＝1×103 kg/m3×150 m×30 m× 20 m×10 N/kg＝9×108 N，被抽的水從下蓄水庫到上蓄水庫，重心升高的高度：h＝－＝412.5 m。對水做功：W＝Gh＝9×108 N×412.5 m＝3.7125×1011 J；
抽水機工作時間：t＝5 h＝5×3600 s＝1.8×104 s，
抽水機的平均功率：P＝＝≈2.58×107 W＝2.58×104 kW。
(2)發電機的效率為60%，所以給電網補充的電能：W電＝W×60%＝3.7125×1011 J×60%＝2.2275×1011 J。
7．(1)不同　被推動的距離　(2)不能　(3)錯誤
(1)由于該實驗的目的是探究彈性勢能的大小與物體彈性形變程度的關系，故我們需要改變物體彈性形變量的大小，然后觀察其彈性勢能的大小，所以應該將同一個彈簧壓縮不同的長度，改變彈簧的形變量，通過觀察紙盒被推動距離的長短來判斷彈性勢能的大小。(2)如果水平面絕對光滑，則小球碰撞紙盒后，紙盒將一直做勻速直線運動，無法通過紙盒滑行距離的長短來確定彈性勢能的大小，故不能達到探究目的。(3)雖然小球推動紙盒最終都會停下來，但是它已經把機械能轉化成了內能，能量最終并沒有消失，所以小紅的觀點是錯誤的。
8．(1)得出普遍結論
(2)水分子的動
(3)保持其他條件相同，選取不同的纖維樣品進行探究
(1)只選一件樣品進行實驗不具有普遍性，選用多件樣品進行實驗可以避免結論的偶然性，從而得出更可靠的結論。(2)從該內衣的工作原理可以看出，它吸水后水分子動能降低，轉換成了內能，即樣品內衣增加的內能是由水分子的動能轉化而來的。(3)為了進一步探究不同的纖維吸濕發熱性能的高低，要選取不同纖維，采用控制變量法進行探究。
9．解：(1)淋浴器每分鐘出水的體積：V＝10 L/min×1 min＝10 L＝10－2 m3，
每分鐘出水的質量：
m1＝ρV＝1.0×103 kg/m3×10－2 m3＝10 kg，
4 min出水的質量：m＝4m1＝4×10 kg＝40 kg，
一次淋浴需要4 min，水從20 ℃升高到50 ℃需要吸收的熱量：
Q吸＝cm(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×40 kg×(50 ℃－20 ℃)＝5.04×106 J；
至少消耗的電能：W電＝Q吸＝5.04×106 J，
電路提供的電功率：P＝＝＝2.1×104 W，
此時電路中的電流：I＝＝≈95.5 A，　
一般家庭電路不可能達到95.5 A的電流，所以第一種設計不適合大多數家庭的供電電路。
(2)由(1)知道水箱中水加熱到50 ℃吸收的熱量：Q吸＝5.04×106 J，
由題知，W電′×80%＝Q吸，消耗的電能：W電′＝＝＝6.3×106 J，
根據W＝UIt，即：6.3×106 J＝220 V×10 A×t，解得t≈2864 s。
答：(1)第一種設計需要的電流約為95.5 A，這是一般家庭電路所不能達到的；(2)把水箱中的水加熱需要2864 s。
10．(1)節約汽油、行駛費用低、尾氣排放少、噪聲小等
(2)電能　內能
(3)
(4)解：①由公式v＝得，s＝vt＝50 km/h×0.5 h＝25 km＝2.5×104 m，由圖像可知，汽車速度為50 km/h時，所受阻力為4000 N，由于汽車勻速行駛，牽引力等于阻力，汽車牽引力做的功：W牽＝Fs＝4000 N×2.5×104 m＝1×108 J。
②燃料完全燃燒放出的總熱量：Q＝mq＝8 kg×4.5×107 J/kg＝3.6×108 J。
③增加的電能：W電＝5.12×108 J×10%＝5.12×107 J。內燃機的效率：η＝×100%＝×100%＝42%?！?br/>答：①汽車牽引力做的功為1×108 J；②燃料完全燃燒放出的總熱量為3.6×108 J；③內燃機的效率為42%。

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