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第十八章 能源与可持续发展
第3节 能量转化的基本规律
①能量：物体能够做功就具有能量。
②自然界存在着各种形式的能量。例如：机械能、内能、电能、太阳能、化学能、核能等.
这些不同形式的能量可以相互发生转化吗？在转化的过程中有没有规律呢？这就是我们今天要研究的问题。
回忆能量的概念
想一想
1.了解能量的转化或转移。
2.掌握能量守恒定律的内容。
3.知道能量的转化和转移是有方向的。
我们是在能量转化或转移过程中利用能量的。以电能的产生和利用为例：燃烧煤、石油或天然气对水加热，产生高温蒸汽，主要是化学能转化为蒸汽的内能；高温蒸汽推动发电机发电，主要是内能转化为机械能，再转化为电能；电动机带动机械运转，主要是电能转化为机械能。
杯中的热水慢慢变凉；抱住热水袋，会感到双手暖和；晒太阳等。
能量的转化
能量的转移
知识点一、能量守恒定律
历史上曾有人设想，如果能够设计出不需要消耗能量却能自动运转的机器该有多好!那样的话，所有的能源危机就不会发生了。这种想法能实现吗
永动机设计图
“永动机”的设想
议一议
用两支铅笔在水平桌面上搭成如图18-20所示的斜坡，将乒乓球放在斜坡的低处，松手后会看到乒乓球向斜坡高处滚动。此现象是否说明乒乓球可以自动从低处滚向高处
分别测量乒乓球在斜坡低处和高处时距离桌面的高度，你有什么发现
量一量
不能
h低＞h高
活动18.3 探究乒乓球自动“上滚”的奥秘
试一试
将两支铅笔平搭成斜坡，重做上述实验，乒乓球还会自动“上滚”吗
测量后你会发现，看似向上滚动的乒乓球，它的重心仍然是下降的，即它的重力势能减小，转化为乒乓球的动能，在这一过程中乒乓球的机械能并没有增加。
生活中大量事实表明，某一能量的增加必然伴随着其他能量的减少。 历史上不少人都想设计不消耗能量，却能永远运动并对外做功的“永动机”,但无一例外均以失败告终。
科学家经过长时间的探索终于发现：任何一种形式的能量在转化成其他形式能量的过程中，总量保持不变。也就是说， 能量既不会凭空产生， 也不会凭空消失，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，在转化或转移的过程中，总量保持不变。这就是能量守恒定律。
能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一，也是自然界最普遍、最重要的基本规律之一，恩格斯把它称作“伟大的运动基本定律”。 自然界的一切变化过程，小到微观粒子，大到宇宙天体，只要有能量的变化，都无一例外地遵循能量守恒定律。
能量守恒定律
18世纪末到19世纪初，随着对动力学研究的深入，人们已经初步形成了机械能转化和守恒的思想。同时，各种自然现象之间的联系相继被发现。摩擦生热实验把“热”和“功”,即物体内能的变化与机械运动联系起来；伏打电池发明后不久，电流的热效应、磁效应相继被发现；生物学领域证明了动物维持体温和生理活动的能量跟它所摄取食物的化学能有关。自然科学的这些成就，为建立能量守恒定律奠定了必要的基础。
读一读：能量守恒定律是如何建立的
19世纪中叶，德国医生迈尔从生理学的角度对能量进行了研究，最先阐述了能量转化和守恒的思想。英国物理学家焦耳在30多年的时间里，做了400多次实验，测定了热和功之间的当量关系(图18-21),为能量守恒定律的确立奠定了坚实的实验基础。德国物理学家亥姆霍兹最早在论文里对能量守恒定律作出了清晰、全面的论述。 还有一批科学家，彼此独立地进行研究，从不同角度 互相印证了这一伟大的定律。因此，能量守恒定律的建立是自然科学发展的必然结果，是对客观世界本质和规律的认识。
既然能量是守恒的，不会凭空消失，那么,为什么会发生能源危机呢
这的确是个令人困惑的问题。
知识点二、能量转移和转化的方向性
观察以下日常生活中常见的现象：
如图18-22所示，瀑布飞流而下，这是因为自然状态下水总是从高处流向低处。如图18-23所示，热水中的冰块逐渐熔化，这是因为自然状态下热量总是从高温物体传递到低温物体。
房间里充满空气。突然，这些空气自行聚拢到某一个角落，如图18-24所示。
一杯水的内能自发集中到这杯水的上层，使上面的水剧烈地沸腾，而下面的水却结成了冰，如图18-25所示。
原来，自然界中自发的过程都是有方向的，或者说能量的转化和转移是有方向的。
这两幅图所示的情况并不违反能量守恒定律，但均不可能发生，这是为什么呢
想一想 ， 以下情况会发生吗
例如，电灯发光时，有一部分电能转化为内能散失到空气中，但这些内能却无法自动地转化为电能。又如，在汽车制动过程中，它的动能转化为地面、轮胎、空气的内能，这些内能同样无法自动地转化为机械能再用来驱动汽车。
我们是在能量转化或转移过程中利用能量的，而在这个过程中，总会有一部分能量转化成内能散失到周围的环境中，无法自动转化为其他形式的能量，因而不能再利用。也就是说，经转化后，可利用的能量只会减少。因此，节约能源并且更有效地利用能源是人类迫切需要解决的重要问题。
能量守恒定律以及能量转移和转化的方向性原理，将我们对自然界各种现象和各个学科领域的认识联系起来，是人类从事生产活动和社会活动所必须遵守的基本准则之一。
探究乒乓球“上滚”的奥秘
能
量
转
化
的
基
本
规
律
能量守恒定律
能量转移和转化的方向性
重心下降
重力势能转化为动能
机械能没有增加
举例分析能量的转化和转移是有方向的
能量转移和转化的方向性原理
能量守恒定律
“永动机”的设想不成立
举例分析能量的转化或转移
1 . 如图是“风能——太阳能”路灯电路示意图，下列关于能量转化的说法正确的是（　　）
A．太阳能电池供电：电能→太阳能
B．风力发电机发电：电能→机械能
C．蓄电池充电：电能→化学能
D．路灯工作：电能→化学能
C
2 ．下列情境中属于能量转移的是 ( )
A ．用热水袋取暖 B ．钻木取火
C ．燃料燃烧时释放热量 D ．正在工作的电风扇
A
3 ．下列过程中，能量发生转化的是 ，能量发生转移的是 。（均填序号）
①杯中的热水慢慢变凉
②飞驰而过的流星拖着一条发光的尾巴
③水沸腾时，水壶盖被向上顶起来
④抱住热水袋，会感到双手暖和
⑤在磨刀石上磨刀时，刀会变热
②③⑤
①④
4 ．能量是与物体运动有关的物理量，生活中很多现象中存在能量的转化：
(1)电灯发光时，将电能转化为光能和 能；
(2)手机充电时，将电能转化为手机电池的 能；
(3)张家界极限荒野求生挑战中钻木取火比赛时，将 能转化为内能。
内
化学
机械
5 ．关于能量和能源，下列说法正确的是 ( )
A ．能量在转化和转移过程中，其总量保持不变
B ．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少
C ．能量在转化和转移过程中，其总量会不断增加
D ．能量的转化和转移没有方向性
A
6 ．下列关于能量转移和转化有方向性的描述中，正确的是 ( )
A ．机械能可以转化为内能， 内能不可以转化为机械能
B ．热可以自发地由低温物体传向高温物体
C ．内能不可能全部转化成机械能，而不产生其他影响
D ． 自然界的一切物理过程都是不可逆的
C
7．上图是某科技馆的一台“永动机” ，由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有形状记忆合金制成的叶片。轻杆进入热水后因叶片伸展“划水”而转动，离开热水后叶片形状迅速复原，该过程水的内能转化为该“永动机”的 ；没有能量的补充该“永动机” （选填“能”或“不能”）一直运转下去。
机械能
不能

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