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能量的转化和守恒
第1节
第十四章 内能的利用
初/中/物/理 人教版——九年全一册 —————————————————————
1.能够准确识别常见的能量形式，并清晰阐述不同能量形式的基本特征；
2.知道能量的转移和转化，深入理解能量转化的本质，能解释一些生活、生产中常见现象中的能量转化过程；
3.理解能量守恒定律，有用能量守恒定律的观点分析物理现象的意识，体会能量守恒定律的普适性；
4.通过对大量生活实例的观察、分析和讨论，培养学生从现象中提取关键信息、归纳总结物理规律的能力，提高学生的观察能力和逻辑思维能力。
学习目标
难点
重点
新课引入
通过前面的学习，我们已经认识了不同形式的机械能，并且知道不同形式的机械能之间可以通过做功进行相互转化。
飞驰的汽车具有动能
树上的椰子具有重力势能
拉伸的弹力带具有弹性势能
翱翔的鹰具有动能和重力势能
同学们，你们还知道哪些生活中常见形式的能量？
自然界一切物体都具有内能。
新课引入
高压输电线输送电能
发光的台灯具有光能
核电站中的核能
太阳能
瀑布具有巨大的机械能
太阳能电池板接收太阳能
大风车利用风能发电
各种食物具有化学能
各种燃油具有化学能
新课引入
同学们，不同能量形式之间是否可以相互转化呢？
自然界中各种样式的能量
知识构建
同学们，你们知道下面现象中伴随怎样的能量转化吗？
燃油具有化学能
疾驶的汽车具有机械能
汽车行驶：燃油的化学能转化为汽车的机械能。
汽车刹车停止：汽车的机械能转化为轮胎和地面以及机械之间的内能，最终耗散掉。
一、能的转化
植物的光合作用
土豆电池
光合作用：光能转化为植物的化学能。
土豆电池：土豆的化学能转化为电能；
灯泡发光：电能转化为灯泡的光能。
一、能的转化
水利发电：水的机械能转化为电能。
风力发电：风能转化为电能。
三峡水电站
风力发电
一、能的转化
冰雪融化：太阳的光能转化为冰雪的内能。
钻木取火：人的机械能转化为木柴内能。
太阳下融化的冰雪
古人钻木取火
一、能的转化
太阳能电池板小风扇转动起来：
1.太阳的光能转化为电池版的电能；
2.电池板的电能在转化为风扇的机械能。
一、能的转化
试一试，在黑塑料袋内装上水，插入温度计后系好袋口，放在阳光下，温度计的示数会怎么变化？这一过程伴随怎样的能量变化？
试一试，来回迅速摩擦双手会出现什么现象？并伴有怎样的能量变化？
试一试，用梳子在头发或毛衣上摩擦后再靠近细小的纸片，会出现什么样的现象？并伴随怎样的能量变化？
恭喜你获得免作业一次。
演亦文化
课堂小游戏——想想做做
点击下面的纸牌，然后回答问题，答对了有奖励。
一、能的转化
演亦文化
课堂小游戏——想想做做
说说下面的游戏中会出现什么样的现象，并伴随怎样的能量转化？
手会发热，机械能转化为内能。
一会儿温度计示数升高，光能转化为内能。
梳子会发热，并同时吸引小纸片，机械能转化为电能及内能。
一、能的转化
钻木取火
燃烧发光
光合作用
电池
手机电池充电
蒸汽机
红外加热
木材燃烧
发电机
电动机
能量的转化
在一定条件下，一种形式的能量转化成另一种形式的能量，这种现象叫做能量的转化。自然界中各种形式的能，在一定条件下都可以相互转化。
能量存在的形式
能量有多种存在形式，如机械能，内能，电能，化学能，光能，核能，潮汐能等。
一、能的转化
能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。在这个过程中，能量的形式没有发生改变。
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重点
判断能量是发生转化还是发生转移的方法，是看能量的形式是否发生变化。
左图中的燃料在燃烧的过程中，锅里的食物沸腾了，这一过程中，火焰将内能传递给了锅里的食物，能量的形式没有发生改变。
二、能的转移
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暖宝宝将内能传递给手和身体
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特高压技术实现电能输送
二、能的转移
水的机械能转移到了水车上
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下列能量在转移的过程中，形式并没有发生变化。
三、能量守恒定律
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停止用力，摆动的秋千会越摆越低
思考秋千在运动过程中有怎样的能量的转化？秋千为什么会越荡越低？它是否丢失了能量？减少的机械能去了哪里？
1.秋千从高处荡向低处时，是重力势能转化为动能和内能，从低处荡回高处时是动能转化为重力势能和内能。
2.秋千越摆越低，是因为机械能存在损耗，损耗的机械能转化为内能，并不是丢失。
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弹起的小球，越跳越低，最后静止。
思考小球在运动过程中有怎样的能量的转化？小球为什么会越跳越低？它是否丢失了能量？减少的机械能去了哪里？
1.小球从高处跳向低处时，是重力势能转化为动能和内能，从低处跳回高处时是动能转化为重力势能和内能。
2.小球越跳越低，是因为机械能存在损耗，损耗的机械能转化为内能，并不是丢失。
三、能量守恒定律
能量守恒定律
三、能量守恒定律
大量事实表明能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。
说明：
（1）能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。所有的能量转化过程都遵循此定律。
（2）能量在转化/转移过程中，能量的总量保持不变。但某种形式的能量不一定保持不变。
滚摆和牛顿摆在摆动的过程中，幅度越来越小，说明机械能有损耗，损耗的机械嫩转化为内能。
三、能量守恒定律
滚摆摆动视频
牛顿摆摆动视频
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既然能量是守恒的，那能否制造一种不需要外界能量供给，就源源不断地对外做功的机器呢？
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不少人曾设想制造一种不需要动力就对外做功的机器，人们把这种机器叫做永动机。
三、能量守恒定律
法国物理学家
亨内考
魔轮：
“轮子的中央，安装着一个转动轴，轮子的边缘等距地安装着12根活动短杆，每根短杆的一端，都装有一个铁球，这些铁球成为了实现 “永动” 的关键元素。”
永动机1
亨内考认为，当魔轮运转时，右侧的铁球由于离轴较远，在重力的作用下，会产生比左侧铁球更大的转动力矩。这样一来，右侧铁球产生的较大力矩将驱动魔轮持续转动，从而实现永动的目标。
三、能量守恒定律
达·芬奇永动机：
“从结构上看，整个装置围绕一个轮子展开，十二条轨道均匀分布于轮子之上，每条轨道内都安置有一个滚珠。”
永动机2
达·芬奇
意大利画家
达芬奇认为，在轮子转动过程中，滚珠会沿着弯曲的轨道运动，滚珠的位置会不断发生变化。由于轨道的特殊弯曲设计，在轮子旋转时，滚珠的移动会使轮子的重心持续偏移。重心不断偏移能够让轮子在没有外界持续动力输入的情况下，
自发且持续地转动起来，从而实现永动的效果。
三、能量守恒定律
虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。这就导致了轮子两侧的力矩在整体上趋于平衡，无法形成持续的驱动力。此外，在实际运转过程中，摩擦力和空气阻力等因素也不可忽视。这些能量损耗会逐渐消耗魔轮运转所需要的能量，使得魔轮在仅仅摆动几下之后，便无奈地停在了某一位置，宣告了永动梦想的破灭。
在达 芬奇的这个设计中，轮子在转动过程中，滚珠与轨道间不可避免地存在摩擦，这会导致机械能不断转化为热能而散失。同时，空气阻力等其他因素也会消耗能量。即使在初始状态下轮子能够依靠重心偏移启动转动，但随着能量的持续损耗，轮子最终必然会停止转动，无法达成真正意义上的永动。
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历史上,这么多人制造永动机，为什么都失败了呢？
我们一起来探讨下吧。
魔轮
达·芬奇永动机
三、能量守恒定律
流水落差永动机
任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量。因此，根本不可能造出永动机。
上图是一种设想中的永动机，它通过高处的水流冲击叶片，使叶片转动来对外做功，同时带动抽水机将水从低处抽到高处，从而循环工作。
同学们，能不能从能量守恒的角度说明它为什么不能一直工作下去？
1.机械之间存在磨损；
2.部分机械能转化为内能；
3.水源不断的蒸发，水量减少，总的机械能减少。
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永动机不存在
三、能量守恒定律
1.某智能百叶窗的叶片上贴有太阳能板，在光照时发电，给电动机供电以调节百叶窗的开合。该过程中发生的能量转化是（ ）
A.电能→机械能→光能 B.光能→机械能→电能
C.光能→电能→机械能 D.机械能→电能→光能
知识迁移
C
太阳能板，在光照时发电，即把太阳能转化为电能；电能供给电动机，转化为机械能，调节百叶窗的开合；故该过程中发生的能量转化是光能→电能→机械能，故C正确，ABD错误。
知识迁移
2.关于能量，以下判断正确的是（ ）
A.太阳能电池板可将光能转化为化学能
B.骑自行车时，人的化学能转化为机械能
C.滑梯上匀速下滑的小孩机械能不变
D.只要结构科学合理，永动机是可以制造出来的
B
A.太阳能电池板是太阳能转化为电能，故A错误；B.人骑自行车时，消耗了化学能，获得了机械能，故B正确；C.小孩从滑梯上匀速滑下时，质量不变，速度不变，其动能不变；高度不断减小，其重力势能变小；动能不变，重力势能变小，因机械能等于动能与势能的总和，故其机械能变小，故C错误；D. 不可能制成永动机，故D错误。
在永动机的探索历程中，达 芬奇的设计充满了奇思妙想。其第三种永动机设计别具一格，采用了十二条轨道与滚珠的精妙组合。
从结构上看，整个装置围绕一个轮子展开，十二条轨道均匀分布于轮子之上，每条轨道内都安置有一个滚珠。达 芬奇设想，在轮子转动过程中，滚珠会沿着弯曲的轨道运动 。当轮子开始转动，滚珠的位置会不断发生变化。由于轨道的特殊弯曲设计，在轮子旋转时，滚珠的移动会使轮子的重心持续偏移。达 芬奇认为，这种重心的不断偏移能够让轮子在没有外界持续动力输入的情况下，自发且持续地转动起来，从而实现永动的效果。例如，在轮子转动到某一时刻，右侧轨道中的滚珠因轨道形状而处于离轮心较远的位置，此时右侧的重力矩较大；而随着轮子转动，滚珠位置改变，重力矩的分布也相应变化，似乎能形成一种持续推动轮子转动的动力。
然而，从科学原理的角度深入剖析，这一设计并不能实现永动。根据能量守恒定律，能量不会凭空产生或消失，仅能从一种形式转化为另一种形式。在达 芬奇的这个设计中，轮子在转动过程中，滚珠与轨道间不可避免地存在摩擦，这会导致机械能不断转化为热能而散失。同时，空气阻力等其他因素也会消耗能量。即使在初始状态下轮子能够依靠重心偏移启动转动，但随着能量的持续损耗，轮子最终必然会停止转动，无法达成真正意义上的永动。 尽管达 芬奇的这一永动机设计未能成功，但它充分展现了达 芬奇在机械设计领域非凡的创造力和勇于探索未知的精神，为后世在机械原理及能量转化等方面的研究提供了宝贵的思考素材 。
科学世界
在现代生活中，太阳能以更直接的方式被利用。光伏电池通过半导体材料的光电效应，将太阳能直接转化为电能，转换效率已突破 26%，部分高倍聚光光伏系统效率甚至可达 47%。太阳能热水器利用选择性吸收涂层，将光能转化为热能，满足全球超过 1 亿户家庭的热水需求。太阳辐射还影响着地球的气候系统，光合作用维持着大气中氧气和二氧化碳的平衡，这些都间接保障了人类的生存环境。从微观的细胞代谢到宏观的全球能源网络，太阳能始终是驱动地球生命系统和人类社会运转的核心能量来源。
太阳作为一颗主序星，已持续进行核聚变反应近 50 亿年，每秒约 释放出 3.8×10 焦耳的能量。这些能量以电磁辐射形式向宇宙空间发散，其中仅有约二十二亿分之一抵达地球，但这微小部分的能量，却塑造了地球独特的生态系统与能量循环体系。
从地质历史角度看，远古时期植物通过光合作用捕获太阳能，将二氧化碳和水转化为碳水化合物，同时释放氧气。历经亿万年地质变迁，这些有机物在高温高压下形成煤炭、石油和天然气，成为人类工业文明的核心能源。
科学世界
热到底是什么？
对热的本质的认识过程
17世纪以后，根据摩擦生热的现象，不少物理学家都认为热是一种特殊的运动形式，但是这种看法由于缺乏精确的实验证据，还不能形成科学的理论。
热质说将热看成一种没有质量或不可称量的流质——热质，认为热质不生不灭，存在于一切物体之中，物体的冷热程度，取决于其中所含热质的多少。到了18世纪，热质说由于能够解释某些实验结果，因而在当时获得了承认。热质说对摩擦生热的解释是，摩擦并没有改变热质的总量，但物质在摩擦时比热容降低了，
因此摩擦可以使物体的温度升高。
热质说
科学世界
伦福德
戴维
于是他设计并做了一系列实验，发现钻下的金属屑的比热容在摩擦时并没有降低。根据实验结果，伦福德断言热质说不足为信，应当把热看成一种运动形式。热质说的统治地位开始动摇了。
由摩擦所生的热，来源似乎是无穷无尽的，要用热质说解释摩擦生热现象，钻下的金属屑的比热容要改变很大才行。
支持热质说
对热的本质的认识过程
热质说是错误的，我要推翻这个错误的理论！
反对热质说
1799年，英国化学家戴维做了更加严格的实验，有力地打击了热质说。
科学世界
对热的本质的认识过程
英国物理学家焦耳做了大量实验，定量地研究了热和功的关系，证明做了多少机械功，就有多少机械能转化成与热相关的能量。焦耳的工作表明热不是一种特殊的物质，同时为能量守恒定律奠定了基础。
说到不如做到！让我来！
推翻热质说
焦耳
知识小结
能量的转化与利用
能量守恒定律
能量的转移
能量的转化
在一定条件下，一种形式的能量转化成另一种形式的能量，这种现象叫做能量的转化。
自然界中存在各种各样的能量。
能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从物体的一部分转移到另一部分。在这个过程中，能量的形式没有发生改变。
能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。
任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量。因此，根本不可能造出永动机。

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