資源簡介

3.8 能量的轉化與守恒
目錄
模塊一 知己知彼 1
模塊二 知識掌握 1
知識點一、能量的相互轉化 1
知識點二、能量的轉化與守恒定律 4
知識點三、能量轉化和轉移的方向性 7
模塊三 鞏固提高 11
模塊一 知己知彼
學習目標 目標解讀
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.知道能量轉化與轉移有一定的方向性。 解讀1:理解能量的轉化與守恒，舉例說明能量的轉化與守恒、能量的轉化與傳遞的方向性，并能利用能量的轉化與守恒知識解釋簡單問題。常見題型為選擇題和填空題，難度較小。
解讀2:結合生活、生產中的現象，了解提高能量利用效率和節能關系，常見題型為選擇題和填空題，難度較小。
模塊二 知識掌握
知識點一、能量的相互轉化
（一）能量可以在兩個物體之間轉移，能量形式也可以轉化
(1)太陽能的轉化
照射到植物葉片上----植物的化學能
照射到大氣層中------空氣的動能
照射到太陽能熱水器--水的內能
照射到電池板上------電能
(2)人體能量的來源及轉化:人體所需的能量都來自食物，食物被消化后且被分解的過程，是食物的化學能轉化為人體的內能、電能、機械能等能量的過程。被吸收的營養物質由血液輸送到人體各處。
(3)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，水沸騰后，產生的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。
（二）能量轉化的普遍性
自然界中的能量有多種表現形式，如機械能、內能、化學能、電能、電磁能、核能等。自然界中各種形式的能量不是孤立的，它們可以在一定的條件下發生轉化，能量也可以在同一物體或不同的物體間相互轉移。能量轉化是普遍現象，自然界中物質運動形式的變化中伴隨著能量的相互轉化。
（2023 鄞州區一模）如圖是太陽能電池路燈，白天太陽能電池板將太陽能轉化為電能，這種能量通過再次轉化儲存在大容
量蓄電池內。夜晚蓄電池給路燈供電。下列說法正確的是（　　）
A．路燈上的塑料燈罩和鋁合金燈柱都屬于有機合成材料
B．夜晚蓄電池給路燈供電時將光能轉化為電能
C．白天給蓄電池充電時將化學能轉化為電能
D．路燈的燈柱用合金材料制成是因為合金比純金屬具有更好的性能
【解答】解：A、塑料燈罩屬于有機合成材料，而鋁合金燈柱屬于金屬材料，故A錯誤；
BC、在白天太陽能電池板給蓄電池充電是將太陽能→電能→化學能；在晚上，蓄電池給路燈供電，只是將化學能轉化成電能，再轉化為光能和內能，故BC錯誤；
D、人們大量使用的是合金而不是純金屬，這是因為合金具有更多優良性能，如鋁合金比鋁的硬度大、不銹鋼比鐵的抗腐蝕性強，故D正確。
故選：D。
（2022 寧波）核酸檢測采樣時使用的“采樣拭子”，其頂端是如圖所示的植絨拭子，安全、無毒。有一種植絨方式是：植絨機產生數萬伏的高壓靜電，通過電子轉移讓噴頭中的絨毛帶上負電荷，然后在被植絨物體表面噴涂上膠粘劑，移動噴頭靠近被植絨物體，絨毛在高壓靜電作用下從噴頭中飛升到被植絨物體表面，呈垂直狀植在涂有膠粘劑的物體表面。上述植絨過程中蘊含了許多科學知識，下列描述不合理的是（　　）
A．噴頭中的絨毛帶上負電荷，是由于絨毛得到了電子
B．以移動的噴頭為參照物，被植絨物體是運動的
C．絨毛能在高壓靜電作用下運動，是由于能量可以創生
D．絨毛從噴頭中飛升到被植絨物體表面，是由于力能改變物體的運動狀態
【解答】解：A、噴頭中的絨毛帶上負電荷，是由于絨毛得到了電子，故A合理；
B、以移動的噴頭為參照物，被植絨物體與噴頭的位置不斷變化是運動的，故B合理；
C、能量不能被創生，也不能被消滅，能量是守恒的，總量不變，故C不合理；
D、絨毛從噴頭中飛升到被植絨物體表面，是由于力能改變物體的運動狀態，故D合理。
故選：C。
（2022 龍灣區校級模擬）如圖為伽利略斜面實驗，如果沒有摩擦力，無論斜面緩陡，小球從A點靜止滾下總會滾到與A處等高的B處或C處，小球好像“記住“了其起始高度。下列說法錯誤的是（　　）
A．這是一種理想實驗
B．A到B過程中小球動能先減小后增大
C．小球運動到乙斜面的過程機械能守恒
D．小球“記住”的是與起始高度相聯系的能量
【解答】解：（1）伽利略斜面實驗，是假設斜面上沒有摩擦力，這是一種理想實驗，故A正確；
（2）A到B過程中，小球的質量不變，在不考慮摩擦力的情況下，向下運動時速度變大，向上運動時速度變小，即小球的速度先變大后變小，所以，小球動能先增大后減小，故B錯誤；
（3）如果斜面上沒有摩擦力，小球運動到乙斜面過程中，其機械能的總量保持不變，即機械能守恒，故C正確；
（4）無論斜面緩陡，小球從A點靜止滾下總會滾到與A處等高的B處或C處，小球好像“記住”了其起始高度，其實質是保持小球的機械能不變，所以說，“記住”的是與起始高度相聯系的能量，故D正確；
故選：B。
（2023 桐廬縣二模）如圖所示，彈簧一端與小車相連，另一端固定在左側的墻壁上，小車放在光滑的水平木板上。小車位于A點時彈簧恰好為自然長度，用力壓縮彈簧使小車到達B點；松手后，小車由位置B運動至位置C，在位置C時速度為零。則小車從位置B運動至位置C的過程中，速度達到最大的位置在 　（選填“A點”、“A點的左側”或“A點的右側”），彈簧的彈性勢能的變化情況是　 　（選填“減小”、“先減小后增大”、“先增大后減小”或“增大”）；小車從位置A運動到C點的過程中，能量轉化的情況為　 　。
【解答】解：由于木板是光滑的，不存在摩擦力，小車在木板上運動的速度最大時，就是彈簧的彈性勢能全部轉化成動能時，A點時彈簧恰好為自然長度，所以A點的動能是最大的；
從B到彈簧自然長度A時，是彈簧恢復原狀的過程，彈簧的彈性勢能減小；從A到C的過程，小車由于慣性繼續運動，彈簧發生彈性形變，彈簧的彈性勢能增大；所以彈簧的彈性勢能的變化情況是先減小后增大；
小車從位置A運動到C的過程中，彈簧的長度變長，彈性勢能變大，小車的速度變小，動能變小，由于接觸面是光滑的，不存在摩擦，則小車的動能轉化為彈簧的彈性勢能。
故答案為：A點；先減小后增大；小車的動能轉化為彈簧的彈性勢能。
知識點二、能量的轉化與守恒定律
（一）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。這就是能量轉化和守恒定律。
（二）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。
（三）永動機一不可能成功
所謂“永動機”是指不消耗任何能量和燃料,卻能源源不斷對外做功的機器。“永動機”不可能成功的事實告訴我們，違反能量轉化和守恒定律的事件是不可能發生的。能量是不可能憑空創造出來的。即所謂的“消耗能量”“利用能量”“獲得能量"的實質是能量相互轉化或轉移的過程。
（四）機械能守恒與能量守恒定律的區別
(1)機械能守恒是有條件的一沒有能量損失或額外的能量補充。
因為機械能守恒是指一個物體如果只存在著動能和勢能之間的轉化時，機械能的總量將保持不變。如果存在機械能與其他形式的能之間的轉化，機械能總量發生改變，機械能不再守恒，例如克服摩擦做功，產生內能，機械能的總量將減少，損失的機械能將轉化為其他形式的能。
(2)能量守恒定律的成立不需要條件。這是因為能量轉化形式是多樣的，可以在機械能、內能、化學能、電能、光能、聲能間相互轉化，不限于動能和勢能之間的轉化，在轉化過程中，一種形式的能減少，另一種形式的能必然增加，能的總量保持不變。
【能力拓展】
能量的轉化可涉及兩種或兩種以上形式的能量;能量的轉移只是能量的載體發生了變化，而能量的轉化是能量的形式發生了變化。
（2022秋 拱墅區校級期中）用手將一重為G的鐵球緩慢放在一彈簧上，放手后，鐵球從A位置開始向下運動，到達B位置速度達到最大，到達C位置小球的速度變為零。已知AC間的高度差為h，則從A位置到C位置彈簧的彈性勢能增加量為 。B位置到C位置的過程中鐵球所受的重力 　 　（選填“大于”、“小于”、“等于”）彈簧所施加的彈力。（整個過程中不計能量損耗）
【解答】解：從A位置到C位置，鐵球的重力做功W＝Gh；因為從A位置開始向下運動的過程中，重力勢能轉化為動能，動能又轉化為彈性勢能，整個過程中不計能量損耗，所以，根據機械能守恒定律可知，彈性勢能增加量為E＝W＝Gh。
鐵球在C位置受力不平衡，在彈力的作用下有向上運動的趨勢，故B到C位置的過程中鐵球所受的重力小于彈簧所施加的彈力。
故答案為：Gh；小于。
（2021秋 仙居縣期末）能量轉化和守恒定律是許多科學家經過長期探索才建立起來的，是科學史上重大發現之一。
材料一：十七至十八世紀，多位科學家對能量的量度提出了不同的觀點。1644年，笛卡爾用物體的質量（單位kg）和其速度（單位m/s）的乘積來表示“能量”；1686年，萊布尼茲用物體的質量和其速度平方的乘積來表示“能量”；1743年，達朗貝爾用“活力”（即物體受力作用通過一定距離）來表示“能量”。
材料二：溫度計的不斷改進給熱與功研究的精確化提供了必要條件。
材料三：焦耳通過400多次的實驗，為能量守恒定律的確立奠定了定量的實驗基礎。
（1）材料一中，笛卡爾所表示的“能量”的單位是 　 。
（2）如圖所示是焦耳實驗的裝置，通過重物的上下運動，帶動葉片轉動，這個過程中 　 （填能的一種形式）轉化為水的內能。
（3）結合材料分析，以下觀點正確的是 　。（可多選）
A.偉大科學家的觀點都是正確的
B.測量工具的發展有助于科學理論的研究
C.對科學的認識是一個不斷修正完善的過程
【解答】解：（1）笛卡爾用物體的質量（單位kg）和其速度（單位m/s）的乘積來表示“能量”，所以“能量”的單位是kg m/s；
（2）是焦耳實驗的裝置中，重物的上下運動，重物具有機械能，帶動葉片轉動，這個過程中機械能轉化為水的內能；
（3）A、偉大科學家的觀點不一定都是正確的，故A錯誤；
B、測量工具的發展有利于實驗數據的精確獲得，有助于科學理論的研究，故B正確；
C、對科學的認識是一個不斷修正完善的過程，故C正確。
故選BC。
故答案為：（1）kg m/s；（2）機械能；（3）BC。
知識點三、能量轉化和轉移的方向性
（一）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
如燒杯中的熱水變冷等，是內能自發地從高溫物體轉移到低溫物體。電冰箱、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:消耗電能，電動機(壓縮機)做功。
（二）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
如汽車制動剎車時，由于摩擦，機械能轉變成地面、輪胎及空氣的內能，但是這些內能不能再次轉化為汽車的機械能而使汽車重新啟動。可見，能量的轉移和轉化是有 一定的方向性的。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。
【能力拓展】
我們是在能量的轉化或轉移的過程中利用能量的，因此，不是什么能量都可以利用。化石能源、核能等現在開采得越多，留給子孫的就越少。有的能量如內能，一旦耗散，便不可再利用。正是由于能量轉化和轉移的方向性，我們要“節約能源”
（2023 南潯區一模）能量的轉化是自然界普遍的現象。下列關于能量轉化的分析正確的是（　　）
A．水果電池 電能→化學能
B．瀑布傾瀉 重力勢能→動能
C．電磁感應 電能→機械能
D．鉆木取火 內能→機械能
【解答】解：A、水果電池通過化學反應得到了電能，故將化學能轉化為了電能，故A錯誤；
B、瀑布傾瀉。重力勢能轉換為動能，故B正確；
C、電磁感應，閉合電路中的部分導體切割磁感線運動，得到了電流，故將機械能轉化為電能，故C錯誤；
D、鉆木取火，克服摩擦做功得到了內能，故將機械能轉化為內能，故D錯誤。
故選：B。
（2022秋 西湖區期末）如圖是一種太陽能戶外滿天星LED掛燈，白天利用太陽能電板在光照下產生電流，給蓄電池供電，晚上自動亮燈。下列有關該戶外燈能量轉化的描述錯誤的是（　　）
A．白天太陽能電板將太陽能轉化為化學能
B．白天蓄電池將電能轉化為化學能
C．晚上蓄電池將化學能轉化為電能
D．晚上LED燈將電能轉化為光能
【解答】解：A、白天太陽能電板將太陽能轉化為電能，故A錯誤；
B、白天蓄電池將電能轉化為化學能，故B正確；
C、晚上蓄電池將化學能轉化為電能，故C正確；
D、晚上LED燈將電能轉化為光能，故D正確；
故選：A。
（2022秋 杭州期末）下列情形中，人對物體之間存在能量的轉化的是（　　）
A．人踢球后球在空中運動過程中
B．超市顧客在水平地面上勻速推車前進中
C．運動員舉著杠鈴3秒鐘不動的過程中
D．小孩搬石頭但是沒有搬動
【解答】解：
A、人踢球后球在空中運動過程中，球沒有受到人的作用力，人的能量沒有轉化為物體的能量，故A錯誤；
B、推車時，人給車一個向前的力，車向前移動了距離，人對車做功，人對物體之間存在能量的轉化，故B正確；
C、舉著杠鈴靜止不動，人給杠鈴一個向上的力，杠鈴向上沒有移動距離，人對杠鈴沒有做功，人的能量沒有轉化為物體的能量，故C錯誤；
D、人搬石頭時，給石頭一個向上的力，石頭向上沒有移動距離，人對石頭沒有做功，人的能量沒有轉化為物體的能量，故D錯誤；
故選：B。
（2022秋 杭州期末）在下列變化中，所發生的能的轉移或轉化說法正確的是（　　）
A．實驗室中在鐵粉與硫粉反應的過程中，化學能轉化為熱能
B．農家自釀米酒時加入醇母菌，酵母菌主要進行有氧呼吸把熱能轉化為化學能儲存在酒精中
C．人在舉起重物的過程中，化學能全轉化為機械能
D．手機充電時，家庭電路中的電能轉移成為手機電池中的電能
【解答】解：A、實驗室中在鐵粉與硫粉反應的過程中要放出熱量，所以此過程化學能轉化為熱能，故A正確；
B、酵母菌的呼吸作用將葡萄糖中的化學能部分轉化為熱能，部分儲存在酒精中，酵母菌產生酒精的過程是無氧呼吸，故B錯誤；
C、人在舉起重物的過程中，要克服物體的重力做功，所以此過程中把化學能轉化為機械能和熱能，故C錯誤；
D、手機充電時，家庭電路中的電能轉化成為手機電池中的化學能儲存起來，故D錯誤。
故選：A。
模塊三 鞏固提高
（2021 紹興）滑板是深受青少年喜歡的一項體育運動。如圖是U形滑臺和運動員姿勢的簡化示意圖。運動員在滑臺A處由靜止自由下滑，不計滑臺摩擦和空氣阻力，僅依靠滑行過程中運動員姿勢的自然（不用力）變化，最有可能滑到滑臺C處的是（　　）
A． B．
C． D．
【解答】解：不計滑臺摩擦和空氣阻力，則運動員在整個過程中機械能守恒；
A、若運動員站立著從A開始滑行，到達U形滑臺另一側最高位置B點時，若是站立著，則此時重力勢能等于A點的重力勢能，動能為零，所以運動員不會繼續向前滑行，就不會到達C點，故A錯誤；
B、若運動員站立著從A開始滑行，到達U形滑臺另一側最高位置B點時，若是全蹲著，則此時重力勢能小于A點的重力勢能，則A點部分重力勢能轉化為動能，動能此時不為零，所以運動員會繼續向前滑行，就可能會到達C點，故B正確；
CD、若運動員全蹲著從A開始滑行，到達U形滑臺另一側最高位置B點時，也應該是全蹲著（前后兩次重力勢能相等，動能均為零），因為若是站著到達或者平蹲著到達B點，則運動員在B點的重力勢能大于初始的A點（違反機械能守恒定律），故CD錯誤。
故選：B。
（2021 溫州一模）如圖所示是蕩秋千的簡化模型。擺球從A點由靜止釋放，到達D點后返回，B、C兩點等高。下列說法正確的是（　　）
A．球在B、C兩點的動能相等
B．球在A、D兩點的機械能相等
C．球從B點到O點的過程中機械能減少
D．球從O點到C點的過程中重力勢能減少
【解答】解：由于存在空氣的摩擦，秋千在擺動的過程中，機械能轉化為內能，機械能會逐漸減小；
A、球在B、C兩點高度相同，重力勢能相同，B的機械能大于C的機械能，B的動能大于C的動能，故A錯誤；
B、由于機械能逐漸減小，則A的機械能大于D的機械能，故B錯誤；
C、球從B點到O點的過程中，克服摩擦做功，機械能減少，故C正確；
D、球從O點到C點的過程中，高度增加，重力勢能變大，故D錯誤。
故選：C。
（2023 杭州三模）“嫦娥5號”探測器從月球上采樣并順利返回地球，如圖所示為兩種返回技術示意圖。下列分析正確的是（　　）
A．采用“跳躍式返回”可使返回器著陸前的機械能轉化為內能更多
B．采用“跳躍式返回”可使返回器與大氣摩擦通過的距離更短
C．采用“直接進入返回”可使返回器著陸前的速度更小
D．采用“直接進入返回”可使返回器著陸前具有的機械能更小
【解答】解：AB、由圖可知，采用“跳躍式返回”可使返回器與大氣摩擦通過的距離更長，則采用“跳躍式返回”可使返回器著陸前克服摩擦力做功更多，所以機械能轉化為內能更多，故A正確、B錯誤；
CD、由圖可知，采用“直接進入返回”可使返回器與大氣摩擦通過的距離更短，則采用“直接進入返回”可使返回器著陸前克服摩擦力做功更少，所以采用“直接進入返回”可使返回器著陸前機械能轉化為內能更少，具有的機械能更大，則可使返回器著陸前的速度更大，故CD錯誤。
故選：A。
（2022秋 余姚市期末）北京時間2022年11月12日10時03分，搭載天舟五號貨運飛船的長征七號火箭，在我國文昌航天發射場點火發射（如圖甲所示），約10分鐘后，天舟五號貨運飛船與火箭成功分離并進入預定軌道，飛船太陽能帆板順利展開工作（ 如圖乙所示），發射取得圓滿成功。
（1）火箭點火，燃料燃燒發生的是 　 （選填：“物理”或“化學“）變化。
（2）搭載在飛船上的補給物資送達我國空間站時，補給物資的質量將 　 　 （選填：“變大”、“變小”或“不變”）。
（3）飛船太陽能帆板順利展開工作，就是在太陽光照射下，能為飛船上的電器設備提供能量。太陽能帆板工作時是將 　 　能轉化為 　 　能。
【解答】解：（1）火箭點火后，燃料燃燒生成水，并放出大量的熱，因此發生的是化學變化。
（2）搭載在飛船上的補給物資送達我國空間站時，雖然補給物資的位置發生改變，但是補給物資的質量將保持不變。
（3）太陽能帆板工作時是將太陽能轉化為電能。
故答案為：
（1）化學；
（2）不變；
（3）太陽；電。
（2022秋 鎮海區期末）“鋁箔秋千”是一個U形鋁箔框，其兩端通過回形針與干電池兩端相連，置于磁鐵上方，如圖所示。通電時，鋁箔框就會朝一個方向擺動。
（1）“鋁箔秋千”通電擺動時，電能轉化為 　 　能和內能。
（2）要改變“鋁箔秋千”通電時的擺動方向，請寫出一種方法：　 　。
【解答】解：（1）鋁箔框通電后擺動是因為通電鋁箔框在磁場中受力的作用，且電流通過導體時會產生熱量，此過程中將電能轉化為機械能和內能；
（2）因為通電導體在磁場中受力運動的方向與電流的方向和磁場的方向有關，所以要改變鋁箔框通電時的擺動方向，可以改變電流的方向或磁場的方向。
故答案為：（1）機械；
（2）改變電流的方向。
（2023 婺城區三模）“自熱火鍋”給我們的生活帶來一定的便利。小龍同學就某種自熱火鍋的“自熱”原理產生了興趣，查閱到的相關資料如下。
①自熱火鍋食用方法：下層底盒中倒入適量冷水，打開加熱包塑料膜，將加熱包放入涼水中，放上上層食材盒，倒入一定食用冷水，蓋上蓋子，15分鐘后，即可開蓋食用。（圖乙為自熱火鍋結構示意圖）、
②加熱包內含有鐵粉、鋁粉、焦炭粉、生石灰等物質，其中的金屬粉末與炭粉在熱水中發生化學反應，可短時間放出大量的熱，后續緩慢放熱。
③自熱火鍋工作時，下層加熱盒中空氣溫度隨時間變化的圖像如下圖丙所示。
（1）自熱火鍋在加熱食物過程中的能量轉化：　 　。
（2）為解釋自熱火鍋的工作原理，請結合上述材料，對0a、ab、bc各段的溫度變化做出解釋。
【解答】解：（1）自熱火鍋的熱量來源于化學反應，自熱火鍋的原理是利用自熱包內的物質（其中主要成分有鐵粉、鋁粉、氧化鈣、焦炭粉、活性炭和生石灰等）與水接觸發生化學反應，釋放的熱量使得食材鍋內的食物吸收熱量后溫度升高。因此自熱火鍋在加熱食物過程中的能量轉化為：化學能轉化成內能。
（2）對0a段，冷水進入熱包，與氧化鈣反應放熱；在18s內使下層底盒中的水溫升高到60℃；ab段，水溫升高后，加熱包內的鐵粉、鋁粉與炭粉發生化學反應，放出大量的熱，短時間內使水沸騰，蒸氣溫度高達200℃，高溫蒸氣對上層食盒持續加熱，使上層食盒中的水沸騰，15分鐘后即可煮熟食物；bc段，食物煮熟后，化學反應結束，蒸汽從食盒小孔出去，盒內溫度逐漸下降。
故答案為：
（1）化學能轉化成內能；
（2）對0a段，冷水進入熱包，與氧化鈣反應放熱；在18s內使下層底盒中的水溫升高到60℃；ab段，水溫升高后，加熱包內的鐵粉、鋁粉與炭粉發生化學反應，放出大量的熱，短時間內使水沸騰，蒸氣溫度高達200℃，高溫蒸氣對上層食盒持續加熱，使上層食盒中的水沸騰，15分鐘后即可煮熟食物；bc段，食物煮熟后，化學反應結束，蒸汽從食盒小孔出去，盒內溫度逐漸下降。
（2023春 西湖區校級月考）目前杭州垃圾發電有三張“大嘴”，杭州錦江環保能源有限公司“胃口”最大，可日吞800噸垃圾，日發電43萬千瓦時；杭州生活垃圾焚燒發電廠潛力最大，現在日吞垃圾600噸，日發電量10萬千瓦時；杭州余杭錦江環保能源有限公司日吞垃圾200噸，日發電14萬千瓦時。這意味著目前杭州每天3000多噸城市生活垃圾有一半被垃圾發電“吞吃”。據悉剩下的垃圾則全部拉到天子嶺垃圾填埋場進行填埋，并通過填埋產生的沼氣進行發電。填埋是目前全球垃圾處理的主要方式，傳統的垃圾處理方式是將垃圾集中填埋，讓其自行發酵。在發酵過程中會產生二氧化碳和甲烷等廢氣，易造成常規污染。請利用所學科學知識回答下列問題：
（1）垃圾焚燒發電時能量轉化情況是：化學能→ 　→　 　→電能。
（2）制沼氣時離不開甲烷細菌，它的代謝類型是異養厭氧型，它與酵母菌在細胞結構上最大的區別是 　 　。
（3）若垃圾焚燒發電時的總效率為η，焚燒m噸垃圾發電w千瓦時，則生活垃圾的平均燃燒值約為　　J/kg。
【解答】解：（1）垃圾具有化學能，燃燒時化學能轉化為內能，通過熱機轉化為機械能，再通過發電機轉化為電能；
（2）甲烷細菌屬于細菌，在細胞中沒有細胞核結構，酵母菌屬于真菌，真菌的細胞結構包括細胞壁、原生質膜、細胞質及細胞器、細胞核，真菌有細胞核，因此甲烷細菌與酵母菌在細胞結構上最大的區別是沒有細胞核結構；
（3）發電量：W電＝3.6×106×wJ，由η可知，焚燒垃圾產生的熱量為：Q放，生活垃圾的平均熱值為：qJ/kg；
故答案為：
（1）內能；機械能；
（2）沒有細胞核結構；
（3）。
（2023 杭州三模）寒假里小金玩了一回極速滑雪（如圖甲），其簡化為模型如圖乙所示。設小金及坐墊的質量分別M和m，他從軌道A點以初速度為0向下滑行，其中A、B兩點距離水平面的高度分別為H和h。
（1）小金及坐墊整體由A點到達B點時，重力勢能轉化為 　，重力做功大小為 　。
（2）若小金從A點滑到B點的過程中，坐墊的機械能轉化為其內能的效率為η，則小金到達B點時坐墊溫度升高了 （坐墊的比熱容用c表示）
【解答】解：
（1）小金沿軌道下滑時，質量不變、速度增大、高度減小，重力勢能減小、動能增大，重力勢能轉化為動能；
同時克服摩擦做功，機械能轉化為內能；
小金及坐墊整體的總重力G總＝m總g＝（M+m）g，
下滑的高度Δh＝H﹣h，
從A點滑到B點時重力做的功：
W＝G總Δh＝（M+m）g×（H﹣h）＝（M+m）g（H﹣h）；
（2）從A點滑到B點時，坐墊損失的機械能（重力勢能的減少量）為：
ΔE＝G坐墊Δh＝mg（H﹣h），
機械能轉化為物體內能的效率為η，則坐墊增加的內能（吸收的熱量）：
Q吸＝ΔEη＝mg（H﹣h）η，
由Q吸＝cmΔt可知，坐墊到達B點時溫度升高了：
Δt。
故答案為：（1）動能和內能；（M+m）g（H﹣h）；。3.8 能量的轉化與守恒
目錄
模塊一 知己知彼 1
模塊二 知識掌握 1
知識點一、能量的相互轉化 1
知識點二、能量的轉化與守恒定律 4
知識點三、能量轉化和轉移的方向性 6
模塊三 鞏固提高 8
模塊一 知己知彼
學習目標 目標解讀
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.知道能量轉化與轉移有一定的方向性。 解讀1:理解能量的轉化與守恒，舉例說明能量的轉化與守恒、能量的轉化與傳遞的方向性，并能利用能量的轉化與守恒知識解釋簡單問題。常見題型為選擇題和填空題，難度較小。
解讀2:結合生活、生產中的現象，了解提高能量利用效率和節能關系，常見題型為選擇題和填空題，難度較小。
模塊二 知識掌握
知識點一、能量的相互轉化
（一）能量可以在兩個物體之間轉移，能量形式也可以轉化
(1)太陽能的轉化
照射到植物葉片上----植物的
照射到大氣層中------空氣的
照射到太陽能熱水器--水的
照射到電池板上------
(2)人體能量的來源及轉化:人體所需的能量都來自食物，食物被消化后且被分解的過程，
是食物的 轉化為人體的內能、電能、機械能等能量的過程。被吸收的營養物質由血液輸送到人體各處。
(3)火力發電廠的能量轉化:燃料燃燒將燃料的 轉化為 來加熱水，水沸騰后，產生的蒸汽驅動渦輪機轉動將內能轉化為 ，渦輪機帶動發電機發電將機械能轉化為 。
（二）能量轉化的普遍性
自然界中的能量有多種表現形式，如機械能、內能、化學能、電能、電磁能、核能等。自然界中各種形式的能量不是孤立的，它們可以在一定的條件下發生轉化，能量也可以在同一物體或不同的物體間相互轉移。能量轉化是普遍現象，自然界中物質運動形式的變化中伴隨著能量的相互轉化。
（2023 鄞州區一模）如圖是太陽能電池路燈，白天太陽能電池板將太陽能轉化為電能，這種能量通過再次轉化儲存在大容
量蓄電池內。夜晚蓄電池給路燈供電。下列說法正確的是（　　）
A．路燈上的塑料燈罩和鋁合金燈柱都屬于有機合成材料
B．夜晚蓄電池給路燈供電時將光能轉化為電能
C．白天給蓄電池充電時將化學能轉化為電能
D．路燈的燈柱用合金材料制成是因為合金比純金屬具有更好的性能
（2022 寧波）核酸檢測采樣時使用的“采樣拭子”，其頂端是如圖所示的植絨拭子，安全、無毒。有一種植絨方式是：植絨機產生數萬伏的高壓靜電，通過電子轉移讓噴頭中的絨毛帶上負電荷，然后在被植絨物體表面噴涂上膠粘劑，移動噴頭靠近被植絨物體，絨毛在高壓靜電作用下從噴頭中飛升到被植絨物體表面，呈垂直狀植在涂有膠粘劑的物體表面。上述植絨過程中蘊含了許多科學知識，下列描述不合理的是（　　）
A．噴頭中的絨毛帶上負電荷，是由于絨毛得到了電子
B．以移動的噴頭為參照物，被植絨物體是運動的
C．絨毛能在高壓靜電作用下運動，是由于能量可以創生
D．絨毛從噴頭中飛升到被植絨物體表面，是由于力能改變物體的運動狀態
（2022 龍灣區校級模擬）如圖為伽利略斜面實驗，如果沒有摩擦力，無論斜面緩陡，小球從A點靜止滾下總會滾到與A處等高的B處或C處，小球好像“記住“了其起始高度。下列說法錯誤的是（　　）
A．這是一種理想實驗
B．A到B過程中小球動能先減小后增大
C．小球運動到乙斜面的過程機械能守恒
D．小球“記住”的是與起始高度相聯系的能量
（2023 桐廬縣二模）如圖所示，彈簧一端與小車相連，另一端固定在左側的墻壁上，小車放在光滑的水平木板上。小車位于A點時彈簧恰好為自然長度，用力壓縮彈簧使小車到達B點；松手后，小車由位置B運動至位置C，在位置C時速度為零。則小車從位置B運動至位置C的過程中，速度達到最大的位置在 （選填“A點”、“A點的左側”或“A點的右側”），彈簧的彈性勢能的變化情況是 （選填“減小”、“先減小后增大”、“先增大后減小”或“增大”）；小車從位置A運動到C點的過程中，能量轉化的情況為 。
知識點二、能量的轉化與守恒定律
（一）內容
能量既不會消滅，也不會創生，它只會從一種形式 為另一種形式，或者從一個物體 到另一個物體。而在轉化和轉移的過程中，能的總量 。這就是能量轉化和守恒定律。
（二）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。
（三）永動機一不可能成功
所謂“永動機”是指不消耗任何能量和燃料,卻能源源不斷對外做功的機器。“永動機”不可能成功的事實告訴我們，違反能量轉化和守恒定律的事件是不可能發生的。能量是不可能憑空創造出來的。即所謂的“消耗能量”“利用能量”“獲得能量"的實質是能量相互轉化或轉移的過程。
（四）機械能守恒與能量守恒定律的區別
(1)機械能守恒是有條件的一沒有能量損失或額外的能量補充。
因為機械能守恒是指一個物體如果只存在著動能和勢能之間的轉化時，機械能的總量將保持不變。如果存在機械能與其他形式的能之間的轉化，機械能總量發生改變，機械能不再守恒，例如克服摩擦做功，產生內能，機械能的總量將減少，損失的機械能將轉化為其他形式的能。
(2)能量守恒定律的成立不需要條件。這是因為能量轉化形式是多樣的，可以在機械能、內能、化學能、電能、光能、聲能間相互轉化，不限于動能和勢能之間的轉化，在轉化過程中，一種形式的能減少，另一種形式的能必然增加，能的總量保持不變。
【能力拓展】
能量的轉化可涉及兩種或兩種以上形式的能量;能量的轉移只是能量的載體發生了變化，而能量的轉化是能量的形式發生了變化。
（2022秋 拱墅區校級期中）用手將一重為G的鐵球緩慢放在一彈簧上，放手后，鐵球從A位置開始向下運動，到達B位置速度達到最大，到達C位置小球的速度變為零。已知AC間的高度差為h，則從A位置到C位置彈簧的彈性勢能增加量為 。B位置到C位置的過程中鐵球所受的重力 （選填“大于”、“小于”、“等于”）彈簧所施加的彈力。（整個過程中不計能量損耗）
（2021秋 仙居縣期末）能量轉化和守恒定律是許多科學家經過長期探索才建立起來的，是科學史上重大發現之一。
材料一：十七至十八世紀，多位科學家對能量的量度提出了不同的觀點。1644年，笛卡爾用物體的質量（單位kg）和其速度（單位m/s）的乘積來表示“能量”；1686年，萊布尼茲用物體的質量和其速度平方的乘積來表示“能量”；1743年，達朗貝爾用“活力”（即物體受力作用通過一定距離）來表示“能量”。
材料二：溫度計的不斷改進給熱與功研究的精確化提供了必要條件。
材料三：焦耳通過400多次的實驗，為能量守恒定律的確立奠定了定量的實驗基礎。
（1）材料一中，笛卡爾所表示的“能量”的單位是 。
（2）如圖所示是焦耳實驗的裝置，通過重物的上下運動，帶動葉片轉動，
這個過程中 （填能的一種形式）轉化為水的內能。
（3）結合材料分析，以下觀點正確的是 。（可多選）
A.偉大科學家的觀點都是正確的
B.測量工具的發展有助于科學理論的研究
C.對科學的認識是一個不斷修正完善的過程
知識點三、能量轉化和轉移的方向性
（一）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
如燒杯中的熱水變冷等，是內能自發地從 物體轉移到 物體。電冰箱、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: 。
（二）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
如汽車制動剎車時，由于摩擦，機械能轉變成地面、輪胎及空氣的內能，但是這些內能不能再次轉化為汽車的機械能而使汽車重新啟動。可見，能量的轉移和轉化是有 一定的方向性的。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。
【能力拓展】
我們是在能量的轉化或轉移的過程中利用能量的，因此，不是什么能量都可以利用。化石能源、核能等現在開采得越多，留給子孫的就越少。有的能量如內能，一旦耗散，便不可再利用。正是由于能量轉化和轉移的方向性，我們要“節約能源”
（2023 南潯區一模）能量的轉化是自然界普遍的現象。下列關于能量轉化的分析正確的是（　　）
A．水果電池 電能→化學能
B．瀑布傾瀉 重力勢能→動能
C．電磁感應 電能→機械能
D．鉆木取火 內能→機械能
（2022秋 西湖區期末）如圖是一種太陽能戶外滿天星LED掛燈，白天利用太陽能電板在光照下產生電流，給蓄電池供電，晚上自動亮燈。下列有關該戶外燈能量轉化的描述錯誤的是（　　）
A．白天太陽能電板將太陽能轉化為化學能
B．白天蓄電池將電能轉化為化學能
C．晚上蓄電池將化學能轉化為電能
D．晚上LED燈將電能轉化為光能
（2022秋 杭州期末）下列情形中，人對物體之間存在能量的轉化的是（　　）
A．人踢球后球在空中運動過程中
B．超市顧客在水平地面上勻速推車前進中
C．運動員舉著杠鈴3秒鐘不動的過程中
D．小孩搬石頭但是沒有搬動
（2022秋 杭州期末）在下列變化中，所發生的能的轉移或轉化說法正確的是（　　）
A．實驗室中在鐵粉與硫粉反應的過程中，化學能轉化為熱能
B．農家自釀米酒時加入醇母菌，酵母菌主要進行有氧呼吸把熱能轉化為化學能儲存在酒精中
C．人在舉起重物的過程中，化學能全轉化為機械能
D．手機充電時，家庭電路中的電能轉移成為手機電池中的電能
模塊三 鞏固提高
（2021 紹興）滑板是深受青少年喜歡的一項體育運動。如圖是U形滑臺和運動員姿勢的簡化示意圖。運動員在滑臺A處由靜止自由下滑，不計滑臺摩擦和空氣阻力，僅依靠滑行過程中運動員姿勢的自然（不用力）變化，最有可能滑到滑臺C處的是（　　）
A． B．
C． D．
（2021 溫州一模）如圖所示是蕩秋千的簡化模型。擺球從A點由靜止釋放，到達D點后返回，B、C兩點等高。下列說法正確的是（　　）
A．球在B、C兩點的動能相等
B．球在A、D兩點的機械能相等
C．球從B點到O點的過程中機械能減少
D．球從O點到C點的過程中重力勢能減少
（2023 杭州三模）“嫦娥5號”探測器從月球上采樣并順利返回地球，如圖所示為兩種返回技術示意圖。下列分析正確的是（　　）
A．采用“跳躍式返回”可使返回器著陸前的機械能轉化為內能更多
B．采用“跳躍式返回”可使返回器與大氣摩擦通過的距離更短
C．采用“直接進入返回”可使返回器著陸前的速度更小
D．采用“直接進入返回”可使返回器著陸前具有的機械能更小
（2022秋 余姚市期末）北京時間2022年11月12日10時03分，搭載天舟五號貨運飛船的長征七號火箭，在我國文昌航天發射場點火發射（如圖甲所示），約10分鐘后，天舟五號貨運飛船與火箭成功分離并進入預定軌道，飛船太陽能帆板順利展開工作（ 如圖乙所示），發射取得圓滿成功。
（1）火箭點火，燃料燃燒發生的是 （選填：“物理”或“化學“）變化。
（2）搭載在飛船上的補給物資送達我國空間站時，補給物資的質量將 （選填：“變大”、“變小”或“不變”）。
（3）飛船太陽能帆板順利展開工作，就是在太陽光照射下，能為飛船上的電器設備提供能量。太陽能帆板工作時是將 能轉化為 能。
（2022秋 鎮海區期末）“鋁箔秋千”是一個U形鋁箔框，其兩端通過回形針與干電池兩端相連，置于磁鐵上方，如圖所示。通電時，鋁箔框就會朝一個方向擺動。
（1）“鋁箔秋千”通電擺動時，電能轉化為 能和內能。
（2）要改變“鋁箔秋千”通電時的擺動方向，請寫出一種方法： 。
（2023 婺城區三模）“自熱火鍋”給我們的生活帶來一定的便利。小龍同學就某種自熱火鍋的“自熱”原理產生了興趣，查閱到的相關資料如下。
①自熱火鍋食用方法：下層底盒中倒入適量冷水，打開加熱包塑料膜，將加熱包放入涼水中，放上上層食材盒，倒入一定食用冷水，蓋上蓋子，15分鐘后，即可開蓋食用。（圖乙為自熱火鍋結構示意圖）、
②加熱包內含有鐵粉、鋁粉、焦炭粉、生石灰等物質，其中的金屬粉末與炭粉在熱水中發生化學反應，可短時間放出大量的熱，后續緩慢放熱。
③自熱火鍋工作時，下層加熱盒中空氣溫度隨時間變化的圖像如下圖丙所示。
（1）自熱火鍋在加熱食物過程中的能量轉化： 。
（2）為解釋自熱火鍋的工作原理，請結合上述材料，對0a、ab、bc各段的溫度變化做出解釋。
（2023春 西湖區校級月考）目前杭州垃圾發電有三張“大嘴”，杭州錦江環保能源有限公司“胃口”最大，可日吞800噸垃圾，日發電43萬千瓦時；杭州生活垃圾焚燒發電廠潛力最大，現在日吞垃圾600噸，日發電量10萬千瓦時；杭州余杭錦江環保能源有限公司日吞垃圾200噸，日發電14萬千瓦時。這意味著目前杭州每天3000多噸城市生活垃圾有一半被垃圾發電“吞吃”。據悉剩下的垃圾則全部拉到天子嶺垃圾填埋場進行填埋，并通過填埋產生的沼氣進行發電。填埋是目前全球垃圾處理的主要方式，傳統的垃圾處理方式是將垃圾集中填埋，讓其自行發酵。在發酵過程中會產生二氧化碳和甲烷等廢氣，易造成常規污染。請利用所學科學知識回答下列問題：
（1）垃圾焚燒發電時能量轉化情況是：化學能→ → →電能。
（2）制沼氣時離不開甲烷細菌，它的代謝類型是異養厭氧型，它與酵母菌在細胞結構上最大的區別是 。
（3）若垃圾焚燒發電時的總效率為η，焚燒m噸垃圾發電w千瓦時，則生活垃圾的平均燃燒值約為 J/kg。
（2023 杭州三模）寒假里小金玩了一回極速滑雪（如圖甲），其簡化為模型如圖乙所示。設小金及坐墊的質量分別M和m，他從軌道A點以初速度為0向下滑行，其中A、B兩點距離水平面的高度分別為H和h。
（1）小金及坐墊整體由A點到達B點時，重力勢能轉化為 ，重力做功大小為 。
（2）若小金從A點滑到B點的過程中，坐墊的機械能轉化為其內能的效率為η，則小金到達B點時坐墊溫度升高了 （坐墊的比熱容用c表示）

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