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第十四章 內能的利用
第3節 能量的轉化和守恒
要點一、各種形式的能量
能量是物質的一種存在形態，它的表現形式是多種多樣的。
能量可分為機械能、化學能、內能、電能、輻射能、核能、光能、潮汐能等。其中，機械能、內能、化學能、電能、光能、核能為六種基本形式的能。
要點二：能量的轉化
在一定條件下，各種形式的能量是可以相互轉化的；
例如：摩擦生熱，機械能轉化為內能；
水電站里水輪機帶動發電機發電，機械能轉化為電能;電動機帶動水泵把水送到高處，電能轉化為機械能；
植物吸收太陽光進行光合作用，光能轉化為化學能；
燃料燃燒時發熱，化學能轉化為內能....
2.能量的轉化與轉移的區別
(1)能量的轉化,是指通過做功使能量的形式發生了改變,是一種形式的能轉化為另一種形式的能。
(2)能量的轉移,是指同一種形式的能從一個物體轉移到另--個物體,能量的形式沒有改變,如熱傳遞。
要點詮釋：
(1)不同形式的能量在一定的條件下可以相互轉化。能量的轉化伴隨著物體做功而表現出來，能量的形式發生改變。如打鐵時鐵塊的溫度升高，內能增加，就是通過做功使機械能轉化為內能。
(2)發生能量的轉移時，能量的形式沒有發生改變，能量轉移的形式是熱傳遞。
(3)能量的轉化和轉移是有方向性的。例如，永動機不可能制成，題為機械在運動過程中，柯避兔地存在摩擦,將機械能轉化為熱，向四周擴散,稱為“無用的能量",所以任何運動著的機械需要不斷補充能量。
要點三、能量守恒定律：
內容：能量既不會憑空消滅，也不會憑空產生，它只會從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到其他物體，而在轉化和轉移的過程中，能量的總量保持不變。
對能量守恒定律的理解。
(1)能量守恒定律的普遍性:能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。自然界中的一切變化過程，小到原子核,大到宇宙天體，只要有能量轉化,都遵循能量守恒定律。
(2)能量守恒定律包括"能量轉化"和”能量轉移”兩個方面。
(3)能量守恒定律的成立是無條件的，- 種形式的能量減少多少，其他形式的能量就會增加多少;能量從一個物體轉移到另-一個物體上，一個物體的能量減少了多少,另一個物體的能量就增加了多少，能量的總量保持不變。
要點詮釋：
(1)能量守恒定律是普遍適用的規律。大到天體，小到原子核，無論是物理學的問題還是化學、生物學、地理學、天文學的問題，所有能量轉化的過程，都服從能量守恒定律。能量守恒定律反映了自然現象的普遍聯系。能量守恒定律是人類認識自然、利用自然、保護自然的有力武器。
(2)機械能守恒與能量守恒定律的區別：機械能守恒是有條件的，即沒有能量損失或額外的能量補充。能量守恒定律的成立不需要條件，這是因為能量轉化的形式是多樣的，可以在機械能、內能、化學能、電能、光能和原子能間相互轉化，不限于動能和勢能之間。
要點三、永動機
永動機是一種不需要外界輸入能量或者只需要一個初始能量就可以永遠做功的機器。在歷史上，永動機一直被人們討論和研究，但是，很多人并不清楚這背后到底有什么意義。在人們的想象中，永動機是一種機械裝置，它可以不停地自動運動,而且還可以舉起重物等，做一些有意義的事情。13世紀就有人試圖想制造這種機械裝置，但是直到21世紀也沒有人真正制造出來。
永動機是不可能制造出來的，原因是它違背了能量守恒定律。
3.5.1知道能量守恒定律。列舉日常生活中能量守恒的實例。有用能量轉化與守恒的觀點分析問題的意識。
3.5.2從能量轉化和轉移的角度認識效率。
3.5.3列舉能量轉化和轉移具有方向性的常見實例。
能列舉能量轉化和轉移的實例，知道能量在轉化和轉移過程中是守恒的，認識機械功、熱量、電功、熱值等是與能量轉化或轉移密切相關的物理量，知道它們的含義；能用能量轉化與守恒的觀點解釋常見的自然現象，解決日常生活中的有關問題，形成初步的能量觀念。
【例題1】物理學中，我們把物體位置的變化叫 ，能量是與物體運動有關的物理量。現代生活需要的電能來自發電廠，在火力發電廠煤炭燃燒，釋放出的能量一部分 轉化成電能，而煤炭是上億年前的植物儲存的 能。
【分析】
物體位置變化的運動叫機械運動；
火力發電廠燃燒的煤炭是上億年的植物形成的，植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能儲存在植物體內。
【解答】
物理學中，我們把物體位置的變化叫機械運動，能量是與物體運動有關的物理量。
現代生活需要的電能來自發電廠，在火力發電廠煤炭燃燒，釋放出的能量一部分內能轉化成電能，而煤炭是上億年前的植物儲存的化學能。
故答案為：機械運動；內能；化學。
【例題2】如圖所示是“風光互補”景觀照明燈，它“頭頂”小風扇，“肩扛”電池板，“腳踩”蓄電池，“腰”挎照明燈，下列解釋合理的是（　　）
A．光電池板是將光能轉化為電能
B．照明燈工作時，LED 燈是將光能轉化為電能
C．小風扇是風力發電機，將電能轉化為機械能
D．蓄電池在夜晚放電時，將電能轉化為化學能
【分析】
（1）光電池板將光能轉化為電能；
（2）用電器工作時將電能轉化為其他形式的能量；
（3）風力發電機將風能轉化為電能；
（4）蓄電池放電時將化學能轉化為電能
【解答】
A、太陽能電池板是將光能轉化為電能，故A正確；
B、照明燈消耗電能而發光，將電能轉化為光能，故B錯誤；
C、風扇式發電機可以通過風吹動扇片轉動，把風能轉化為電能，故C錯誤；
D、蓄電池在夜晚放電時，將化學能轉化為電能，故D錯誤。
故選：A。
【例題3】《天工開物》中記載有一種自動引水灌溉工具——“高轉筒車”（如圖）。使用時下方轉輪安裝在河道中，流水驅動輪子轉動，系在傳動繩索上的竹筒將水從河里源源不斷輸送到上方農田中。下列說法正確的是（　　）
A．這是一臺“永動機”
B．水在輸送過程中重力勢能不變
C．轉輪轉速越快輸水做功功率越大
D．上、下兩個轉輪可分別看作定滑輪和動滑輪。
【分析】（1）自然界中能量是守恒的，但機械能在轉化時往往存在能量的損耗，一部分機械能會轉化為內能散失到空氣中；
（2）重力勢能的大小與質量和高度有關；
（3）功率是表示做功快慢的物理量；
（4）“高轉筒車”在轉動時，它的軸始終是固定不動的。
【解答】解：A、這一裝置在工作時，存在摩擦和空氣阻力，不是一臺“永動機”，故A錯誤；
B、水在輸送過程中高度改變，所以重力勢能改變，故B錯誤；
C、轉輪轉速越快，相同時間內輸水做功越多，則功率越大，故C正確；
D、上、下兩個轉輪在轉動時，它們的軸始終是固定不動的，不符合動滑輪的特點，里面不存在動滑輪，故D錯誤。
故選：C。
【例題4】下列從能量轉化的角度闡釋的效率的意義，說法錯誤的是（　　）
A．某電熱水器工作的效率是87%，意義是該電熱水器可以把87%的電能轉化為內能
B．某電動機工作的效率是83%，意義是將消耗掉的電能的83%轉化為機械能輸出
C．某鋰電池充電時的效率是99%，意義是將消耗掉的化學能的99%轉化為電能儲存起來
D．某柴油機工作的效率是35%，意義是柴油燃燒時釋放的能量的35%轉化為機械能
【分析】能量轉化率是指輸出有效能量與輸入能量之比。
（1）電熱水器工作的輸入能量是指消耗的電能，輸出的有效能量是轉化的內能；
（2）電動機工作的輸入能量是指消耗的電能，輸出的有效能量是指轉化的機械能；
（3）鋰電池充電時的輸入能量是指消耗的電能，輸出的有效能量是指轉化的化學能；
（4）柴油機工作的輸入能量是指柴油完全燃燒放出的熱量，輸出的有效能量是指轉化的機械能。
【解答】解：A、某電熱水器工作的效率是87%，意義是該電熱水器可以把87%的電能轉化為內能，故A正確；
B、某電動機工作的效率是83%，意義是將消耗掉的電能的83%轉化為機械能輸出，故B正確；
C、某鋰電池充電時的效率是99%，意義是將消耗掉電能的99%轉化為化學能儲存起來，故C錯誤；
D、某柴油機工作的效率是35%，意義是柴油完全燃燒時釋放的能量的35%轉化為機械能，故D錯誤。
故選：CD。
【例題5】抽水蓄能電站是電力保障項目之一。該電站可以利用風能和光能資源充足時發電獲得的部分電能，將水抽到高處轉化為水的機械能儲存起來，需要時再利用水的勢能發電，從而彌補了風能、光能不穩定且轉化的電能難儲存的不足，實現風、光與水電的互補，堪稱電力系統的巨型“充電寶”。下列有關說法正確的是（　　）
A．風能和光能不可從自然界直接獲取
B．該電站抽水蓄能時可將電能轉化為機械能，發電時可將機械能轉化為電能
C．根據能量守恒定律可知，該電站抽水時消耗的電能全部轉化為水的機械能
D．風能、光能、機械能、電能可以相互轉化，說明能量的轉化是沒有方向性的
【分析】（1）可再生能源的概念：像風能、水能、太陽能等可以在自然界源源不斷地得到，把它們稱為可再生能源。不可再生能源的概念：化石能源、核能等能源會越用越少，不能在短期內從自然界得到補充，這類能源稱為不可再生能源。
（2）電動機工作時，將電能轉化為機械能；發電機工作時，將機械能轉化為電能。
（3）在能量轉化過程中，總存在一定的能量損耗。
（4）能量的轉化、能量的轉移都是有方向性的，要逆向轉化或轉移能量，就會消耗其他的能量。
【解答】解：A、風能和光能是可再生能源，故A錯誤；
B、該電站抽水蓄能時，可將電能轉化為機械能儲存起來，發電時可將機械能轉化為電能，故B正確；
C、該電站抽水時所消耗的電能不可能全部轉化為水的勢能，故C錯誤；
D、能量的轉移和轉化都有方向性，如電燈發光、汽車制動過程中產生的內能散失在空氣中，不可以自動轉化為電能或機械能，因此風能、光能、機械能、電能可以相互轉化，不能說明能量的轉化是沒有方向性的，故D錯誤。
故選：B。
1. （1）一輛五菱小卡車的輸出功率為60kW，載貨勻速前進的速度為20m/s,則受到的阻力為 N，前進2000m,牽引力做功為 J；
（2）該車發動機的飛輪轉速為2400r/min,則發動機每分鐘做 次功，完成 個沖程，熱機工作中大部分內能散失到周圍環境中，而散失的能量卻不能再自發集中轉移到氣缸中用來做功，說明能量轉移具有 。
2. 快遞服務業務提升了我們的生活質量，為了提高快遞配送效率，可使用如圖所示的物流機器人完成最后三公里的快速智能配送。若空載時該物流機器人質量為600kg,輪胎與地面的總接觸面積為0.2m2，當該物流機器人完成所有配送任務后返回服務站時，在某平直道路上以4m/s勻速行駛了100s,牽引力為120N，電動機的工作電壓為60V，工作電流為10A。求此過程中：
（1）空載時機器人對水平路面的壓強；
（2）機器人牽引力做的功；
（3）機器人電動機工作時的功率；
（4）機器人電動機的工作效率。
3. 如圖甲是《天工開物》中記載的筒車，筒車發明于隋而勝于唐，距今已有1000多年的歷史。其構造及原理：在水流急湍處建一水輪，水輪底部沒入水中，頂部超出河岸，輪上傾斜綁置若干竹筒（只有一端開口，如圖乙），竹筒承受水的沖力使筒車旋轉，還可以取水并隨水輪轉過輪頂時，將水自動倒出。
（1）小明認為筒車不需要人力或畜力就可以源源不斷地取水，屬于永動機。請你對小明的觀點進行評價： 。
（2）如圖丙，若筒車能正常工作， （選填“A”或“B”）處應該是河流的上游。
（3）當筒車旋轉太慢或提不起水，可以將筒車浸入水中 （選填“深”或“淺”）一些，請你說明理由： 。
4. 現在小汽車已經走進了我們的家庭。你觀察到了嗎？小汽車的輪胎上刻有很深的花紋；通過后視鏡可以看清車后的情況：安全帶比較寬；高速行駛的小汽車急剎車時還要沿行一段距離；急剎車后輪胎與路面接觸處會發熱且留下黑色的擦痕。
請從短文中找出與下列物理知識有關的現象填在對應的橫線上：
①慣性： ；
②壓強： ；
③能量轉化： 。
5. 今年，我國發射的“天舟四號”貨運飛船與“天和號”核心艙在太空成功對接。對接后，它們一起繞地球轉動。對這一過程所涉及的物理知識說法錯誤的是（　　）
A．火箭加速升空過程與汽油機做功沖程的能量轉化形式相同
B．運載火箭用液態氫做燃料，是因其熱值較大
C．對接后以“天舟四號”為參照物，“天和號”是運動的
D．地面工作人員利用電磁波傳遞信息來控制對接過程
6. 小明利用家中的燃氣表和溫度計測量燃氣灶燒水的效率。將1kg的水從20℃加熱到60℃，消耗了0.01m3的天然氣（假設天然氣完全燃燒），已知水的比熱容為4.2×103J/（kg ℃），天然氣的熱值為4.0×107J/m3，則此次燃氣灶燒水的效率為 。
1. 請閱讀《高速鐵路》并回答題
高速鐵路
高速鐵路（簡稱高鐵），是指通過改造原有線路，使營運速率達到不小于200km/h,或者專門修建新的“高速新線”，使營運速率達到至少250km/h的鐵路系統，高鐵列車具有速度快、安全性好、正點率高、舒適方便、能耗較低等特點，是我國重點發展的交通工具，高鐵列車比普通列車快，主要進行了兩方面的改進。第一，改進路軌，提高平整程度，普通鐵路的鋼軌，每二十五米就有個接口，列車的車輪滾過鋼軌連接處時，車輪和車廂上下震動，列車行駛很不平穩，速度不能提高，否則震動加劇會造成翻車事故，而高鐵在修路時，采取多種措施減少了鋼軌上很多接口，車輪滾動平穩，列車行駛告別了“哐當哐當”的震動，列車平穩前進，大大提高了速度。第二，改進列車，普通列車開動，首先是車頭開動，拉動第一節車廂運動后，才能帶動第二節及后面車廂運動，整個列車開動是一節一節車廂帶動起來的，需要較長時間，也無法實現列車的高速運行，而高鐵動車組不只是車頭裝有牽引電動機，每個車廂都有牽引電動機，使每節列車的車輪都有動力。這樣動車組前進，就像賽龍舟每個人都奮力劃槳，車輪一致運轉，列車就很快提速，并可保持高速運行。
（1）高鐵列車與普通列車相比，具有 、 優點；（請寫出二條）
（2）高鐵列車運行時，是將電能轉化為 ；
（3）京津城鐵屬于“高速新線”，其全長為120km,則乘坐高鐵列車從北京到天津全程需要的時間約為 h。
2. 閱讀短文，回答問題。
筒車
筒車亦稱“水轉筒車”，是一種以水流作動力取水灌田的工具。據史料記載，筒車發明于隋而盛于唐，距今已有1000多年的歷史。
筒車的種類較多，制作工藝有所不同。如圖所示，簡易的筒車常用一端開口、一端封閉的竹節制成筒，竹筒被均勻安裝在筒車上，用于從河中打水，同時在水流的推動下使筒車轉動起來。筒車工作時，竹筒繞車軸做圓周運動，筒底與筒口的運動軌跡是同心圓，且筒底所在的外圓半徑大于筒口所在的內圓半徑。竹筒浸在水里的時候被灌滿了水，當轉過一定角度后將離開水面被提升，所以竹筒在低處時盛水，在高處時泄水，泄出的水落入水槽后被引向農田，如此往復，循環提水。在實際使用過程中，人們會根據農田與水面間的高度差調整水槽的位置和寬度，使水槽能夠接到更多的水。
（1）關于筒車的說法正確的是 。（填字母）
A.筒車能轉動是由于竹筒受到了浮力
B.筒車能連續轉動是受到慣性的作用
C.筒車工作時對水流有力的作用
D.筒車證明了永動機是可以制造出來的
（2）筒車在勻速轉動的過程中，竹筒受 （選填“平衡力”或“非平衡力”），以竹筒為參照物，車軸是 （選填“運動”或“靜止”）的；當竹筒運行至高處泄水，水在 力的作用下落入水槽。
（3）某筒車上均勻分布了20個相同的竹筒，每個竹筒的容積為2L，筒底的運動半徑為2.2m,筒口的運動半徑為2.0m,通過調整水槽的位置，竹筒中50%的水能落入水槽，則當筒車以每分鐘轉動5圈的速度連續工作2h,最多可以為農田澆灌 kg的水，在此過程中，竹筒的筒底比筒口運動的速度快 m/s。（圓周率π取3，ρ水=1.0×103kg/m3）。
參考答案：
熱身訓練：1. （1）3000；6×106；（2）1200；4800；方向性；
2. （1）空載時機器人對水平路面的壓強是3×104Pa；
（2）機器人牽引力做的功為4.8×104J；
（3）機器人電動機工作時的功率為600W；
（4）機器人電動機的工作效率為80%；
3. （1）小明說法錯誤，筒車取水需要消耗水流的機械能；
（2）B；（3）深；沒入水中深一些，可以增大動力（水流對竹筒沖擊力變大），減小阻力（水面上方有水的竹筒數量變少），容易轉起來；
4. 高速行駛的小汽車急剎車時還要滑行一段距離；安全帶比較寬；急剎車后路面上常常留有黑色的擦痕；
5. C；
6. 42%。
拓展閱讀：1. （1）速度快、安全性好；能耗較低；（2）機械能；（3）0.48；
2. （1）C；（2）非平衡力；運動；重；（3）12000；0.1。
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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