第1節(jié)

能量的轉(zhuǎn)化與守恒第二十一章

能源、材料與社會(huì)

電閃雷鳴，波濤洶涌……在自然界和生活中，能量以多種形式展現(xiàn)著。自然界和人類生產(chǎn)生活中處處都離不開能量，能量與社會(huì)發(fā)展密切相關(guān)。不同形式的能量之間存在怎樣的關(guān)系？在轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過(guò)程中有什么規(guī)律？本節(jié)我們學(xué)習(xí)能量的轉(zhuǎn)化及其規(guī)律.1.能量的轉(zhuǎn)移（1）指的是能量的傳遞，能量從一種物體轉(zhuǎn)移到另一種物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，能量形式不變。（2）能量轉(zhuǎn)移主要通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)：①傳導(dǎo)：通過(guò)物質(zhì)直接接觸傳遞熱量，常見于固體間熱量傳遞。②對(duì)流：流體（液體或氣體）通過(guò)循環(huán)流動(dòng)傳遞能量。③輻射：以電磁波形式跨空間傳遞能量。知識(shí)點(diǎn)一、能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化水波的振動(dòng)將中心部分的振動(dòng)向四面八方傳播開去。這時(shí)中心部分水面的振動(dòng)能量就不斷向四周轉(zhuǎn)移。熱傳遞時(shí)，內(nèi)能轉(zhuǎn)移：水的內(nèi)能?人體內(nèi)能。運(yùn)動(dòng)的小球通過(guò)碰撞讓靜止的小球也動(dòng)起來(lái)，動(dòng)能從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)物體。小球碰撞時(shí)物體之間會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移2.能量的轉(zhuǎn)化一種形式的能量變成另一種形式的能量的過(guò)程，能量形式改變。水力發(fā)電利用水電站將水的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。電燈發(fā)光，將電能轉(zhuǎn)化為光能和內(nèi)能植物通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并儲(chǔ)存在其體內(nèi)。大量事實(shí)說(shuō)明，能量不但可從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而且可從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式?！痉治鲇懻摗浚╝）山頂上的石塊具有_______；（b）滾動(dòng)的足球具有_______；（c）加熱后的物體具有______；

在日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)中處處都離不開能量。你能說(shuō)出圖中各種物體所具有的能量嗎？（d）牛奶、面包和水果具有_______；（e）導(dǎo)線中的電流具有______。機(jī)械能內(nèi)能機(jī)械能化學(xué)能電能1.能量的形式能量有機(jī)械能、電能、內(nèi)能、光能、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。內(nèi)能機(jī)械能電能化學(xué)能光能知識(shí)點(diǎn)二、能量守恒定律長(zhǎng)期以來(lái)，為了提高機(jī)械的工作效率，人們總是希望將一種形式的能量盡可能多地轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量，甚至希望找到一種機(jī)械，能無(wú)損耗地將一種形式的能量轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量，或產(chǎn)出多于輸入的能量。但大量的研究表明，自然界的能量是守恒的，科學(xué)家們將研究的結(jié)果概括為能量守恒定律。2.

能量守恒定律能量既不會(huì)消滅，也不會(huì)創(chuàng)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而能量的總量保持不變。3.對(duì)能量守恒定律的理解（1）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(guò)程，只要有能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化，都遵循能量守恒定律。（2）定律的成立是無(wú)條件的能量從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，一種形式的能量減少多少，其他形式的能量就會(huì)増加多少；能量從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體上，一個(gè)物體的能量減少多少，另一個(gè)物體的能量就増加多少。能量的總量保持不變。4.分析能量守恒現(xiàn)象（1）小球的擺動(dòng)小球擺動(dòng)時(shí)，勢(shì)能與動(dòng)能不斷地相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)小球到達(dá)最高處時(shí)_______最大；隨著小球的下降，勢(shì)能逐漸_____，動(dòng)能逐漸_____，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；當(dāng)小球下降到最低點(diǎn)時(shí)，勢(shì)能_______，動(dòng)能則_____。小球在運(yùn)動(dòng)時(shí)能量守恒勢(shì)能減小增大最小最大思考討論：小球擺動(dòng)的過(guò)程中，能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？遵守能量守恒定律嗎？小球下降：勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；小球上升：動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能；小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與空氣摩擦?xí)a(chǎn)生熱，一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。如果將此內(nèi)能計(jì)算進(jìn)去，總的能量還是守恒的。觀察思考蕩秋千時(shí)，一旦停止用力，秋千會(huì)越擺______掉在地上的彈性小球雖然會(huì)彈起，但其反彈的高度會(huì)越來(lái)_______。越低越低思考：秋千和小球在上述運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化。為什么它們的高度會(huì)逐漸降低？是否丟失了能量？你認(rèn)為減少的機(jī)械能到哪兒去了？參考答案：秋千和小球在下降過(guò)程中，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能；在上升過(guò)程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因與空氣摩擦，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。高度逐漸降低是因?yàn)闄C(jī)械能逐漸減少，能量并沒有丟失，減少的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為了內(nèi)能。知識(shí)點(diǎn)三、能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的方向

我們只見過(guò)自上而下的瀑布，未見過(guò)水自發(fā)地從低處流向高處。熱水冷水

一滴熱水掉進(jìn)冷水，熱量只能自發(fā)從熱水傳到冷水。

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(huì)反向轉(zhuǎn)移。

摩擦可以生熱，機(jī)械能可以方便地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但卻不能反方向使熱（內(nèi)能）全部變成機(jī)械能。那么，能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過(guò)程存在怎樣的規(guī)律？1.物理學(xué)的研究表明：能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化具有方向性。秋千和小球的運(yùn)動(dòng)中，由于摩擦的存在，一部分機(jī)械能會(huì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而這部分內(nèi)能不可能自發(fā)地再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。2.研究表明，自然界所有與熱現(xiàn)象有關(guān)的過(guò)程都具有方向性。

查閱資料，了解關(guān)于第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)的一些設(shè)想，請(qǐng)運(yùn)用能量守恒定律及能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性的自然規(guī)律，討論為什么這兩類永動(dòng)機(jī)都不可能實(shí)現(xiàn)。1.第一類永動(dòng)機(jī)：它不需要任何動(dòng)力或燃料，卻能不斷地對(duì)外做功，史稱"第一類永動(dòng)機(jī)"。

這種不消耗任何能量而能源源不斷地對(duì)外做功的永動(dòng)機(jī)是不可能設(shè)計(jì)、制造出來(lái)的。

它違背了物理學(xué)基本規(guī)律——能量守恒定律（能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，能量的總量保持不變）。機(jī)器對(duì)外做功必須消耗能量，不存在“無(wú)中生有”的能量，因此第一類永動(dòng)機(jī)無(wú)法制成。2.第二類永動(dòng)機(jī)：第二類永動(dòng)機(jī)是設(shè)想中能從單一熱源（比如空氣、海水）吸收熱量，全部用來(lái)對(duì)外做功，且不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器。它不違背能量守恒定律。

它違背了熱力學(xué)第二定律：熱量不能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體；機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化具有方向性，內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化?，F(xiàn)實(shí)中，機(jī)器工作時(shí)總會(huì)有能量以散熱、摩擦等形式損耗，無(wú)法將吸收的熱量完全轉(zhuǎn)化為有用功。視頻：第二類永動(dòng)機(jī)視頻：第一類永動(dòng)機(jī)知識(shí)點(diǎn)四、能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的效率由于能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的方向性，我們希望在能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過(guò)程中，能充分利用能量。能量的利用存在效率問題，100%的能量利用率只是一種理想情況。

你知道利用熱機(jī)有哪些能量損失嗎？

汽油在汽缸內(nèi)不能完全燃燒，損失了一部分能量，機(jī)械裝置吸收了一部分能量，廢氣帶走了一部分能量，機(jī)械傳動(dòng)等克服摩擦消耗了一部分能量，等等。1.能量轉(zhuǎn)化效率

在能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，輸出的有用能量與輸入總能量之比稱為能量轉(zhuǎn)化效率，通常用百分率表示。

柴火灶能量轉(zhuǎn)化效率只有30%左右燃?xì)庠钅芰哭D(zhuǎn)化效率可達(dá)到55%微波爐能量轉(zhuǎn)化效率一般為70%~90%2．提高能量轉(zhuǎn)化效率

提高能量利用的效率是節(jié)能問題的核心，是可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。思考討論：“如果我們想提高效率，應(yīng)該怎么做？”（1）減少熱散失，例如：加隔熱層。（2）優(yōu)化能量路徑，例如：減少中間環(huán)節(jié)。（3）

使用新型技術(shù)，例如：電磁加熱。能量的轉(zhuǎn)化與守恒能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化能量形式不同形式的能量可以發(fā)生轉(zhuǎn)化；同種形式的能量可以發(fā)生轉(zhuǎn)移能量守恒定律能量守恒定律對(duì)能量守恒定律的理解能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的方向能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化具有方向性自然界所有與熱現(xiàn)象有關(guān)的過(guò)程都具有方向性能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的效率能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的效率提高能量轉(zhuǎn)化效率1.2024年5月，中國(guó)“嫦娥六號(hào)”任務(wù)搭載四個(gè)國(guó)際載荷成功發(fā)射升空?；鸺l(fā)射時(shí)，燃料燃燒獲得的能量使其加速升空，與該過(guò)程能量轉(zhuǎn)化形式相同的是（）A．熱機(jī)做功沖程 B．鉆木取火過(guò)程 C．水力發(fā)電過(guò)程

D．物體上拋過(guò)程A2.如圖是小球在地面彈跳的頻閃照片，下列說(shuō)法中正確的是（）A．小球彈起的高度越來(lái)越小，說(shuō)明此過(guò)程中能量不守恒B．在此過(guò)程中小球的機(jī)械能總量是保持不變的C．小球運(yùn)動(dòng)