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20.3　能的转化与能量守恒
一、选择题
1．电动自行车、电动摩托车、电动汽车、电动公交车等已广泛应用于现代生活中，它们都是利用电动机来工作的，电动机工作过程中能量转化情况主要是(　　)
A．电能转化成内能
B．电能转化成机械能
C．机械能转化成电能
D．太阳能转化成机械能
2．生活中能量转化的实例很多，下列描述中正确的是 (　　)
A．摩擦生热是把内能转化为机械能
B．燃料燃烧放热是把内能转化为化学能
C．电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机械能
D．摩擦起电是把电能转化为机械能
3．如图20－3－2所示，一根不可伸长的细绳一端固定在O点，另一端系一小球，O点的正下方固定有一根钉子P，位置1在O点的正下方，位置3与A点等高，位置5是A与1之间的某点，位置2是1与3之间的某点，位置4是高于3的某点，不考虑空气阻力和摩擦力，小球由A点静止释放(　　)
图20－3－2
A．第一次过位置1后最高能到达位置2
B．第一次过位置1后最高能到达位置4
C．第二次过位置1后最高能到达位置5
D．第二次过位置1后最高能到达位置A
4． 下列关于能量的说法中，正确的是(　　)
A．洗衣机工作时将机械能转化为电能
B．电水壶工作时将内能转化为电能
C．用热水泡脚，身体会感觉暖和，说明内能可以转移
D．能量无论是转化还是转移，能量总和会逐渐减少
5．关于能量的转化或转移过程，下列说法错误的是 (　　)
A．地球上的化石能源归根结底来自远古时期的太阳能
B．自然界中水能的循环再生过程不遵循能量守恒定律
C．空调将室内空气的内能转移至高温的室外需要消耗电能
D．热水自然变凉，能量自发地从高温物体转移至低温物体
6．下列叙述中，有的是经过科学证明的事实，有的是各抒己见的观点，其中属于错误观点的是(　　)
A．在自然界中所有能量都能利用
B．太阳每天向地球辐射大量能量
C．能量的转化和转移有方向性，但总量保持不变
D．“永动机”不可能制成
7．能量是物理学中极其重要的一个概念，下列关于这个概念的说法中正确的是(　　)
①做功可以引起能量改变，根据做功的多少可以衡量能量变化的多少
②热传递可以引起能量的变化，根据吸收或放出热量的多少可以衡量能量的变化量
③能量的形式多种多样，不同形式的能量间可以无条件地相互转化
④不同的物体之间，能量可以无条件地随意转移
⑤做饭时燃烧天然气，将天然气这种物质转变成能量，即用掉了物质生成了能量
⑥电路中通过电流时，能量发生了转化，电源消耗的能量等于各部分电路中获得的总能量
A．③④⑤　　　　B．①②⑥
C．②④⑥　　　　D．①③⑤
二、填空题
8．能量的形式多种多样，下列实例属于机械能的是__________，属于内能的是__________，属于化学能的是__________，属于核能的是__________。(填序号即可)
①流动的水和高处的水具有的能量　
②热水具有的能量　
③高温水蒸气具有的能量　
④原子弹爆炸释放的能量　
⑤空气在流动过程中具有的能量
⑥煤炭具有的能量
9．如图20－3－3所示，这是一项获大奖的设计——“重力电灯”，其亮度相当于一个12 W的日光灯，使用寿命很长，操作者只需将灯上的重物从底端移到顶部，将其放进顶部的凹槽里，让重物缓缓下降，几秒钟后这种发光二极管灯具即被点亮。灯具上的重物在缓缓落下时带动转子旋转，由转子旋转产生的电使灯具发光。显然在整个过程中是重物的重力势能转化为转子的________能，进而转化为________能，最终转化为二极管的________能。
图20－3－3
10．能量的转化和转移具有__________。内能________自发地从低温物体传给高温物体；汽车制动时，由于摩擦，动能转化为内能，这些内能________自动地再次用来开动汽车。(后两空均选填“能”或“不能”)
11．如图20－3－4所示是人们设想中的永动机，它通过高处水流冲击叶片，使叶片转动来带动抽水机从低处将水抽到高处，从而循环工作，这种永动机不能永远工作下去，因为它违背了________________，抽水机在工作过程中，机械能总量________(选填“增大”“减少”或“不变”)。
图20－3－4
三、计算题
12．某物理兴趣小组的同学，用天然气给10 kg的水加热，同时绘制了如图20－3－5所示的加热过程中水温随时间变化的图线，若在6 min内完全燃烧了0.18 kg的天然气(每分钟放热相同)，水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，天然气的热值为5×107 J/kg，求：
(1)完全燃烧0.18 kg天然气释放的热量。
(2)2～4 min内水吸收的热量。
(3)在烧水过程中，“0～2 min”“2～4 min”“4～6 min”哪段时间内的热效率最高。最高热效率是多少。
图20－3－5
13．排球充气后，让排球从手上自由落下，排球每次弹回的高度都低于落下时的高度。
(1)解释整个过程中能量是否守恒。
(2)排球从接触地面到形变最大的过程中，速度v与形变大小ΔV之间的关系大致如图20－3－6所示，请说明该过程中，排球的受力情况与机械能变化的关系。
图20－3－6
详解详析
1．B　[解析] 电动机工作过程中，将电能转化为机械能。
2．C　[解析] 摩擦生热是克服摩擦做功，摩擦过程中，消耗了机械能，内能增加，是把机械能转化为内能，A选项错误；燃料燃烧放热是把化学能转化为内能，B选项错误；电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机械能，C选项正确；摩擦起电是消耗了机械能，获得了电能，是把机械能转化为电能，D选项错误。
3．D　
4．C　[解析] 洗衣机工作时，消耗电能，转化为机械能，故主要是将电能转化为机械能，故A错误；电水壶工作时消耗电能，转化为内能，故是将电能转化为内能，故B错误；用热水泡脚，内能从热水传递到脚，身体的内能会增加，会感觉暖和，说明内能可以转移，故C正确；根据能量守恒定律可知，能量在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变，故D错误。
5．B　[解析] 地球上的化石能源都是太阳能转化来的，能量既不会凭空产生也不会凭空消失，只会从一种形式转化为另一种形式，从一个物体转移到其他物体，故A正确，B错误；空调将室内空气的内能转移至高温的室外需要压缩机运转，压缩机运转需消耗电能，故C正确；热传递的条件是存在温度差，热水自然变凉，能量自发地从高温物体转移至低温物体，故D正确。
6．A
7．B　[解析] ①做功可以引起能量改变，做功越多，消耗的能量越多，所以根据做功的多少可以衡量能量变化的多少，此说法正确；②热传递可以引起能量的变化，物体吸收热量、能量增加，放出热量、能量减少，所以根据吸收或放出的热量的多少可以衡量能量的变化量，此说法正确；③能量的形式多种多样，不同形式的能量间可以相互转化，但转化都是有条件的，此说法错误；④不同的物体之间，能量的转移是有方向的，此说法错误；⑤做饭时燃烧天然气，这是将天然气的化学能转化成内能，此说法错误；⑥电路中通过电流时，能量发生了转化，消耗的电能等于各部分电路中获得的总能量，此说法正确。
8．①⑤　②③　⑥　④　[解析] ①流动的水和高处的水，具有动能和重力势能，即具有机械能；②热水具有的能量是内能；③高温水蒸气具有的能量也是内能；④原子弹爆炸释放的能量是核能；⑤空气在流动过程中具有的能量是动能，也就是机械能；⑥煤炭具有的能量是化学能。
9．动　电　光
10．方向性　不能　不能
11．能量守恒定律　减少　[解析] 人们设想的机械装置不可能实现，因为抽水机在此过程中，有部分机械能会转化为内能，即机械能会逐渐减少，所以机械能总量不守恒，他设想的机械装置不能实现，因为它违背了能量守恒定律。
12．(1)天然气完全燃烧产生的热量：Q放＝m天然气q天然气＝0.18 kg×5×107 J/kg＝9×106 J。
(2)2～4 min内，水升高的温度：Δt＝70 ℃－50 ℃＝20 ℃，
则水吸收的热量：Q吸＝c水m水Δt＝4.2×103 J/(kg·℃)×10 kg×20 ℃＝8.4×105 J。
(3)由图可知，随着水温的不断升高，温度变化越来越慢，故0～2 min时间内，在燃烧天然气放出热量相同的情况下，水升高的温度最高，热效率最大；
0～2 min内，水升高的温度：Δt′＝50 ℃－20 ℃＝30 ℃，
水吸收的热量：Q吸′＝c水m水Δt′＝4.2×103 J/(kg·℃)×10 kg×30 ℃＝1.26×106 J，
0～2 min内，燃烧天然气释放的热量：Q放′＝Q放＝×9×106 J＝3×106 J，
烧水时的最高热效率：η＝×100%＝×100%＝42%。
13．(1)整个过程中能量守恒。排球从手上自由落下，排球每次弹回的高度都低于落下时的高度，是由于空气的摩擦，有一部分机械能转化为内能，但能量的总量是守恒的。
(2)排球从接触地面到形变最大的过程中，受到重力和地面的弹力的作用，开始时重力大于弹力，速度逐渐增大；当重力等于弹力时，速度达到最大值；之后重力小于弹力，速度逐渐减小，直至速度为零；同时这一过程中可以认为动能转化为排球的弹性势能。

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