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第3章 能量的轉化與守恒
第8節 能量的轉化與守恒
學習目標
1.通過生活實例，了解各種形式的能量之間的相互轉化，能解釋一些常見現象中的能量轉化過程。
2.理解能量守恒定律，能利用能量轉化與守恒的觀點分析問題。
3.知道能量的轉化與轉移有一定的方向性。
知識點1 能量的相互轉化
1.能量的轉化和轉移
（1）教材第125頁讀圖
物上升， 物下降
金屬勺放入熱水
森林火災
特技跳傘
現象分析 熱水溫度高于金屬勺，當金屬勺放入熱水中，金屬勺內能增加，熱水內能減小 物上升，重力勢能增加； 物下降，重力勢能減少 森林中的樹木具有化學能，樹木燃燒將化學能轉化為內能 高空中的跳傘運動員具有重力勢能，下落過程中重力勢能轉化為動能
總結 能量的形式沒有變化，而是從一個物體傳遞給另一個物體（或從物體的一部分轉移到另一部分）的過程叫做能量的轉移 能量由一種形式轉化為另一種形式的過程叫做能量的轉化，在一定條件下，各種形式的能量可以相互轉化 （2）太陽能的轉化
（3）人體能量的來源及轉化：人體所需的能量都來自食物，食物消化后被吸收，食物的化學能轉化為人體的內能、電能、機械能等。
（4）火力發電廠的能量轉化：燃料燃燒將燃料的化學能轉化為內能來加熱水，蒸汽驅動渦輪機轉動，將內能轉化為機械能，渦輪機帶動發電機發電將機械能轉化為電能。
2.能量轉化的普遍性
（1）自然界中各種形式的能量不是孤立的，不同形式的能量可以在一定條件下相互轉化，也可以在不同的物體間相互轉移。
（2）能量的轉化是普遍現象，自然界中物質運動形式的變化總伴隨著能量的相互轉化。
典例1 從能量轉化的角度來看，下列說法錯誤的是( )
B
A.籃球加速下落時，重力勢能轉化為動能
B.干電池對外供電時，將電能轉化為化學能
C.隕石墜入大氣層劇烈燃燒的過程中，機械能轉化為內能
D.液化氣燃燒的過程是化學能轉化為內能
[解析] 電池在對外供電時，是將化學能轉化為電能的過程，B錯誤。
1.能量的轉化與守恒定律
內容 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。這就是能量轉化與守恒定律
意義 能量轉化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。無論是機械運動，還是生命運動；無論是宇宙天體，還是微觀粒子，都遵循這個定律
知識點2 能量的轉化與守恒定律
教材深挖
機械能守恒和能量守恒的區別與聯系
（1）機械能守恒需要滿足一定的條件，能量守恒不需要條件。
機械能守恒的條件是只存在著動能和勢能之間的轉化。若還有其他形式能量參與轉化過程，則機械能總量發生改變，機械能不再守恒。例如，木塊沿斜面下滑過程中克服摩擦力做功，木塊機械能的總量將減少，損失的機械能轉化為了內能。但能量守恒定律的成立是無條件的，它適用于一切變化過程。
（2）機械能守恒是能量守恒的特殊情況。
機械能守恒時，能量只在勢能和動能之間轉化，總能量一定是守恒的。
2.永動機
（1）永動機：不需要動力就能源源不斷地對外做功的機器。
（2）從能量守恒的角度分析永動機不可能實現的原因：①事實證明，在能量轉化過程中，只要有運動，摩擦就不可避免，就會產生熱，這樣運動的能量就會減少，如果不補充能量，運動最終會停止；②即使機器在沒有能量損失的情況下能夠維持自身的運轉，但由于能量守恒，也不可能提供額外的能量源源不斷地對外做功，所以永動機是不可能制成的。
典例2 根據能量守恒定律，以下情形可能發生的是( )
B
A.出膛的子彈射穿木板，以更快的速度繼續前進
B.兩個斜面平滑對接，小球從一側斜面滾下后，繼續沖上另一側斜面
C.電水壺里的水沸騰了，給該電水壺斷電，水的沸騰卻永遠不會停止
D.隨著科學技術的不斷發展和提高，永動機是可以制成的
[解析] 出膛的子彈射穿木板，這一過程中子彈和木板摩擦，部分動能轉化成內能，射穿木板后子彈的速度必將減緩，故A錯誤。兩個斜面平滑對接，小球從一側斜面滾下后，由于小球具有動能，會繼續沖上另一側斜面，故B正確。在電水壺的使用過程中，消耗了電能，使水的溫度升高，內能增加直至沸騰，斷電后，水不能繼續吸熱，沸騰會停止，故C錯誤。永動機違背了能量守恒定律，是不可能制成的，故D錯誤。
知識點3 能量的轉移和轉化的方向性
1.能量的轉移有方向性
（1）內容：內能總是自發地從高溫物體轉移到低溫物體，而不能從低溫物體自發地轉移到高溫物體。
（2）實例
①燒杯中的熱水變冷是內能自發地從高溫物體（熱水）轉移到低溫物體（空氣）；
②電冰箱和空調制冷都是從低溫物體的內部吸熱，向外面放熱，使內能從低溫物體轉移到高溫物體，這種轉移不是自發進行的，必須要有附加的條件，即消耗電能，電動機（壓縮機）對其做功。
2.能量的轉移有方向性
內容 機械能可自發地轉化為內能，但內能無法自發地轉化為機械能
實例 汽車制動剎車時，由于摩擦，機械能轉變成地面及空氣的內能，但是這些內能就不能再次轉化為汽車的機械能使汽車重新啟動
注意 能量可以自發地朝一個方向進行，但不能自發地朝反方向進行。
典例3 &1& ____能只能自發地從高溫物體轉移到低溫物體，而不能反向。如冬天，暖氣把自己的內能傳遞給房間里的空氣，供人們取暖；但散失到空氣中的這些能量不能自動聚集起來供人們再使用。上述事例說明：能量的轉化和轉移是有______性的。
內
方向
物塊在地面上運動時，因為存在摩擦，部分機械能轉化為內能，這些內能不會自動地轉化成機械能
[解析] 內能只能自發地從高溫物體轉移到低溫物體，暖氣把自己的內能傳遞給房間里的空氣，供人們取暖，但這些能量不能自動聚集起來供人們再使用，這是因為能量的轉化和轉移是有方向性的。再如，物塊在地面上運動時，因為存在摩擦，部分機械能轉化為內能，這些內能不會自動地轉化成機械能，這也是能量的轉化和轉移具有方向性的典型事例。
請再舉一個符合這一規律的例子：________________________________________________________________________________________。
題型 1 能量的轉化和轉移 ★★
典例4 從能量轉化的角度來看，下列說法錯誤的是( )
B
A.電風扇工作時主要將電能轉化為機械能
B.鉛蓄電池充電時將化學能轉化為電能
C.發電機工作時主要將機械能轉化為電能
D.電水壺工作時將電能轉化為內能
[解析] 電風扇工作時主要將電能轉化為機械能，故選項A正確；鉛蓄電池充電的過程消耗電能，得到化學能，所以將電能轉化為化學能，故選項B錯誤；發電機發電時，消耗機械能，得到電能，主要將機械能轉化為電能，故選項C正確；電水壺工作時消耗電能，使水的溫度升高，得到內能，故將電能轉化為內能，故選項D正確。
方法點撥
抓住初、末的能量形式分析能量轉化過程
判斷能量的轉化時，要看消耗了什么能量，得到了什么能量，消耗的能量轉化為得到的能量。如果不能對某個過程中能量種類的變化進行正確分析，就會出現錯誤的判斷。
題型 2 能量守恒定律的應用 ★★★
典例5 如圖所示為某校的課堂演示情境，教授將一個質量為 的擺球從下巴處放手，結果擺球擺回時并沒有碰到他的下巴，教授的一句“物理生效了，我還活著”讓人回味悠長。下列關于此實驗的說法正確的是的擺球從下巴處放手，結果擺球擺回時并沒有碰到他的下巴，教授的一句“物理生效了，我還活著”讓人回味悠長。下列關于此實驗的說法正確的是( )
B
A.擺球在擺動過程中機械能保持不變
B.擺球在擺動過程中機械能不斷減少
C.擺球在擺動過程中內能轉化為機械能
D.此過程不遵循能量守恒定律
[解析] 擺球在擺動過程中因克服摩擦力做功，部分機械能轉化為內能，導致擺球的機械能減少，這一過程同樣遵循能量守恒定律，即能量的總量保持不變，故選項B正確。
歸納總結
機械能守恒與能量守恒
關于機械能的守恒問題，我們要明確機械能不守恒并不表示能量的總量不守恒，機械能有時雖然減少了，但只是轉化成了其他形式的能量，能量的總量是守恒的。
題型 3 永動機 ★★★★
典例6 如圖所示展示了一個極具想象力的設想，其大意如下：上面水池中的水流下來，沖擊葉輪使其轉動；葉輪帶動打磨輪和水泵的軸轉動；人利用打磨輪打磨工件，同時，運轉的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中……只要一開始在上面的水池中注滿水，通過水的上下循環，機器就能不停地工作。
（1） 你認為上面水池中流下來的水能否被水泵全部抽送到上面的水池中？說明你的理由。
[答案] 不能。用于使水泵提升水的能量只是從上面流下的水的機械能的一部分。
（2） 這個設想曾得到不少人的贊許，這個裝置也曾被譽為“永動機”。請運用你掌握的知識說明這個裝置是否真能“永動”。
[答案] 由于水從上面的水池流到下面的水池的過程中，水沖擊葉輪使其轉動，葉輪帶動打磨輪打磨工件時消耗能量，故流下來的水不能全部被抽送到上面的水池中，即流下來的水要比抽上去的水多。隨著時間的推移，上面水池中的水越來越少，一定時間后便不再有水從上面流下來，所以這個裝置不能“永動”。
審題技巧
此題要從能量的角度分析:水從高處落下沖擊葉輪，有一部分重力勢能轉化為葉輪的動能，還有一部分重力勢能轉化為落入下面水池中的水的動能。轉化為葉輪的動能的那部分能量也沒有全部提供給水泵用來提升水，其中一部分用來打磨工件及克服摩擦力做功。總之明確在這個過程中存在著能量的流失（轉化為內能）是解答此題的關鍵。

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