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第5节 能的转化与能量守恒
考点一、能的相互转化
（一）能量可以在两个物体之间转移，能量形式也可以转化
(1)太阳能的转化
照射到植物叶片上----植物的化学能
照射到大气层中------空气的动能
照射到太阳能热水器--水的内能
照射到电池板上------电能
(2)人体能量的来源及转化:人体所需的能量都来自食物，食物被消化后且被分解的过程，是食物的化学能转化为人体的内能、电能、机械能等能量的过程。被吸收的营养物质由血液输送到人体各处。
(3)火力发电厂的能量转化:燃料燃烧将燃料的化学能转化为内能来加热水，水沸腾后，产生的蒸汽驱动涡轮机转动将内能转化为机械能，涡轮机带动发电机发电将机械能转化为电能。
（二）能量转化的普遍性
自然界中的能量有多种表现形式，如机械能、内能、化学能、电能、电磁能、核能等。自然界中各种形式的能量不是孤立的，它们可以在一定的条件下发生转化，能量也可以在同一物体或不同的物体间相互转移。能量转化是普遍现象，自然界中物质运动形式的变化中伴随着能量的相互转化。
典例1：2022年11月，“神舟十五号”航天飞船在酒泉卫星发射中心用“长征二号”F型运载火箭发射升空。“长征二号”F型运载火箭使用偏二甲肼作为主要燃料，是因为偏二甲肼中储存着　 　能，“神舟十五号”航天飞船有着巨大的电池板，可将太阳能转化为　 　能储存在电池板中。
变式1：如图是某空间站能量转化系统局部示意图，下列有关说法错误的是（　　）
A．光电转换器是将光能转换为电能
B．燃料电池系统将化学能转化为电能
C．氢元素在循环过程中总质量减少
D．该能量转化系统中的水可以回收使用
变式2：2024年6月25日，探月工程“嫦娥六号”返回器成功着陆，实现世界首次月背采样。这次返回任务采用了高速再入轨道技术。返回轨道如图所示，返回器以“打水漂”的方式返回，避免了返回器由于速度过快存在燃烧殆尽的风险。下列有关返回器分析错误的是（　　）
A．这种返回方式能有效减小返回器的动能
B．返回过程中，返回器的机械能始终守恒
C．反弹过程中，返回器的动能部分转换为势能
D．返回过程中，返回器要克服摩擦力做功产生热能
变式3：如图所示是一种在阳光下能不断摇摆的塑料小花。花盆表面的太阳能电板在光照下，产生电流驱动电动机，使小花左右摆动。则小花摆动过程中涉及的能量形式有　 　能和　 　能等。
考点二、能量守恒定律
（一）内容
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。而在转化和转移的过程中，能的总量保持不变。这就是能量转化和守恒定律。
（二）意义
能量转化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。无论是机械运动，还是生命运动，无论是宇宙天体，还是微观粒子，都遵循这个定律。
（三）永动机一不可能成功
所谓“永动机”是指不消耗任何能量和燃料,却能源源不断对外做功的机器。“永动机”不可能成功的事实告诉我们，违反能量转化和守恒定律的事件是不可能发生的。能量是不可能凭空创造出来的。即所谓的“消耗能量”“利用能量”“获得能量"的实质是能量相互转化或转移的过程。
（四）机械能守恒与能量守恒定律的区别
(1)机械能守恒是有条件的一没有能量损失或额外的能量补充。
因为机械能守恒是指一个物体如果只存在着动能和势能之间的转化时，机械能的总量将保持不变。如果存在机械能与其他形式的能之间的转化，机械能总量发生改变，机械能不再守恒，例如克服摩擦做功，产生内能，机械能的总量将减少，损失的机械能将转化为其他形式的能。
(2)能量守恒定律的成立不需要条件。这是因为能量转化形式是多样的，可以在机械能、内能、化学能、电能、光能、声能间相互转化，不限于动能和势能之间的转化，在转化过程中，一种形式的能减少，另一种形式的能必然增加，能的总量保持不变。
典例1：轻质弹簧的一端连接在放置于粗糙水平面的物块上，另一端固定在竖直的墙上(保持弹簧与水平面平行)，当弹簧处于自然状态时，物块位于O处。小乐将物块移至N处后由静止开始释放，发现物块向左移动，最终停在M处。下列说法正确的是（　　）
A．从N到M的过程中，物块的机械能保持不变
B．从N到M的过程中，弹的弹性势能先减小后增大
C．物块经过O处时，受到的摩擦力方向发生改变
D．物块停在M处时，受到水平向右的摩擦力
变式1：“反向蹦极”是一项比蹦极更刺激的运动。如图所示，弹性轻绳的上端固定在O点，拉长后将下端固定在体验者的身上，并与固定在地面上的扣环相连。打开扣环，人从A点由静止释放，像火箭一样被“竖直发射”，上升到最高位置C点，其中在B点时速度最快。对此过程，下列描述不正确的是（　　）
A．扣环打开前，弹性绳的弹性势能最大
B．到达B点时，弹性绳处于原长位置
C．人从A到C的过程中，重力势能增加，动能先增加后减少
D．人从A到B的过程中，弹性绳的弹性势能转化为人的机械能
变式2：2022年，工程师开发出一种“可穿戴微电网”，当人体运动时，穿戴设备通过摩擦发电，这些电可以收集并存储起来为小型电子设备供电。“可穿戴微电网”摩擦发电过程中的能量转化是　 　能转化成电能，该过程中能量　 　(填“守恒”或“不守恒”)。
变式3：小明将重为0.02牛的乒乓球，从1米高的地方静止释放，第一次弹起的高度为0.6米(如图甲)，将乒乓球置于装有适量水的杯子中，一起从1米高的地方静止释放，乒乓球弹起的高度远大1米(如图乙)。图甲，乒乓球从A点到B点的过程中，机械能减少了　 　焦；图乙，乒乓球弹起的高度远大于1米，请从能量转化的角度分析原因：　 　。
考点三、能量转化和转移的方向性
（一）内能总是自发地从高温物体转移到低温物体，而不能从低温物体自发地转移到高温物体
如烧杯中的热水变冷等，是内能自发地从高温物体转移到低温物体。电冰箱、空调制冷，都是从低温物体的内部吸热，向外面放热，使内能从低温物体转移到高温物体。这种转移不是自发进行的，必须要有附加的条件:消耗电能，电动机(压缩机)做功。
（二）机械能可自发地转化为内能，但内能无法自发地转化为机械能
如汽车制动刹车时，由于摩擦，机械能转变成地面、轮胎及空气的内能，但是这些内能不能再次转化为汽车的机械能而使汽车重新启动。可见，能量的转移和转化是有 一定的方向性的。能量可以自发地朝一个方向进行，但不能自发地朝反方向进行。
典例1：如图是小嘉制作的“能的转化与守恒”概念图（部分），请完成以下问题。
（1）请你在概念图中填入合适的内容①　 　②　 　。
（2）当人沿竹竿下滑时，人的重力势能有一部分转化为手和竹竿的内能，使手和竹竿的温度升高，但相反的过程不会自发地发生。这是因为能量的转化具有　 　。
变式1：汽油机的效率一般为20～30%，下列选项可能符合家用轿车等热机能量流向的是（　　）
A． B．
C． D．
变式2：中国科研团队再传喜讯，中国新一代“人造太阳”装置等离子体电流突破100万安培，创造了新纪录。点亮“人造太阳”，将来有望实现源源不断的清洁能源供应，实现能源自由。
（1）“人造太阳”获得核能的方式是　 　（填“核裂变”或“核聚变”）；
（2）水从高处流向地处后，无法自发回到同样的高度，说明能量的转化具有　 　，所以尽管能量是守恒的，我们仍然要节约能源。
变式3：各种形式的能量都不是孤立的，它们可以在一定条件下发生转化或转移。
（1）根据能量守恒定律，在能量发生转化或转移的过程中，能的总量是　 　的（填“变化”或“不变”）。
（2）运动会抛出去的实心球从脱手到落地过程，重力势能怎么变　 　。
（3）俗语说：“水往低处流”；空气不会自行聚拢；在烧杯中的水，上面的水不可能沸腾，下面的水结冰。这些事例都说明了一个问题：能量的转化和转移都是有　 　的。核电站是利用核能进行发电的，电站的核反应堆中发生的是人工可以控制的核　 　（选填“聚变”或“裂变”）。
1．新能源电动车（如图）利用电池提供能量来驱动汽车。电池和汽油中蕴含相同形式的能量，该能量是（　　）
A．电能 B．化学能 C．机械能 D．电磁能
2．关于能源、能量和材料，下列说法正确的是
A．热水变凉，热量从高温物体转移到低温物体
B．超导材料若用于制作电饭锅的发热体，可提高发热效率
C．核电站是通过核聚变释放能量进行发电的
D．新能源的开发和利用技术难、成本高，无实用价值
3．如图AB、AC、AD为三个光滑斜面，其中AD为曲面，小球M从A点分别沿三个面自由滑下，撞击放在B、C、D三点完全相同的物块上，物块在粗糙程度相同同一水平面上移动相同距离停下，则（　　）
A．物块克服阻力做功一样多 B．小球M对B点的动能最大
C．物块克服阻力做功C点最大 D．小球M对D点的动能最小
4．如图所示为教材中关于能量转化和守恒的图例。其中仅涉及能量转移的是(　　)
A．金属勺放入热水中变烫
B．甲物上升，乙物下降(考虑摩擦影响)到电池板上
C．太阳光照射
D．达·芬奇的永动机模型
5．某同学通过斜面实验认识能量、运动和力的关系（如图，A、B两点等高）。忽略摩擦及空气阻力，小滑块由静止滑下，下列说法错误的是（　　）
A．小滑块下滑过程中机械能守恒
B．小滑块上升过程中内能不断增加
C．小滑块从A点静止滑下，能到达B点
D．小滑块起始位置越高，到达斜面底端速度越大
6．把一个篮球竖直向上抛出，运动到最高点并下落。A、B是篮球运动轨迹中的两个点，其动能和重力势能如表所示。
A点 B点
动能/J 7 9
重力势能/J 6 5
（1）篮球B处往A处的运动方向可能是　 　。
（2）A点与B点的篮球机械能不等，减少的机械能转化为　 　。
7．如图轻质弹簧原长为2L，将弹簧竖直放置在地面上，在其顶端将一质量为m的物体由静止释放，当弹簧被压缩到静止时，弹簧长度为L，现将该弹簧水平放置，一端固定在A点，另一端与物块P接触但不连接。光滑水平轨道与光滑半圆轨道相切。AB是长度为5L的水平轨道，B端与半径为L的光滑半圆轨道BCD相切，用外力推动物块P，将弹簧压缩至长度L，然后释放，P开始沿轨道运动，问：
（1）从竖直放置在地面上的弹簧顶端，静止释放物块P，至弹簧被压缩后静止，物块P的重力势能转化为弹簧的　 　能；
（2）将弹簧压缩至长度L，然后放开，P开始沿轨道运动，能到达的最高位置　 　（图中字母表示），此时到达该位置具有　 　能，大小为　 　。
8．如图所示，为两个光滑的圆弧槽和一段粗糙的水平面相连接的装置。将质量为m的物体从左侧圆弧槽A点由静止释放，最高到达右侧圆弧槽B点处，然后再次滑下，最高到达左侧圆弧槽C点处，其中A、B两点距离水平面的高度分别为H、h。( 忽略空气阻力)
（1）物体从A点滑到水平面时，重力所做的功为　 　。
（2）C点距离水平面的高度为 　 　。
9．能量转化和守恒定律是许多科学家经长期探索建立起来的，是科学史上的重大发现；
材料一：十七至十八世纪，多位科学家对能量的量度提出了不同的观点；1644年，笛卡尔用物体的质量和其速度的乘积来量度；1686年，莱布尼兹用物体的质量和其速度平方的乘积来量度；1743年，达朗贝尔用“活力”（即物体受力作用而通过一定距离）来量度；
材料二：温度计的不断改进给热与功研究的精确化准备了必要条件；焦耳通过400多次的实验，于1849年精确地测定了热功当量关系的数值，这一数值与现代公认值非常接近，为能量守恒定律的确立奠定了定量的实验基础；
（1）材料一中，哪位科学家的观点与“功”概念相符合　 　；
A．笛卡尔 B．莱布尼兹 C．达朗贝尔
（2）如图所示是焦耳研究热功当量关系的实验装置，通过重物的上下运动，带动叶片转动，通过做功使水的内能　 　（选填“增大”或“减小”）；
（3）结合材料分析，以下观点正确的是　 　。（可多选）
A．面对前人的观点要敢质疑 B．时间久远的理论是没有科学价值的
C．测量工具的发展有助于科学理论研究 D．对科学的认识是不断修正完善的过程
10．碳排放一般指温室气体排放，造成温室效应，使全球气温上升。我国体现大国责任，推动以二氧化碳 为主的温室气体 减排。二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和。
（1）植物的光合作用是自然界消耗二氧化碳的最重要途径之一，人们称其为地球上最重要的能量转化过程：
①写出植物光合作用的文字表达式：　 　；
②此转化过程是否遵守能量守恒定律？　 　（选填“遵守”或“不遵守”）；
（2）你能为实现“碳中和”目标做些什么？（至少2点）　 　。
（3）为实现“碳中和”目标，未来，风能、太阳能和生物质能将成为主要的能源来源。某小区路灯利用与太阳能电池板相连的蓄电池作电源，其电压为、容量为（表示安小时），若路灯的规格为“12V24W”。如果电池充满后给灯泡供电，电量下降至20%停止工作，电池充满一次可以供路灯工作多少小时？
典例分析
举一反三
典例分析
举一反三
典例分析
举一反三
课后巩固
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第5节 能的转化与能量守恒
考点一、能的相互转化
（一）能量可以在两个物体之间转移，能量形式也可以转化
(1)太阳能的转化
照射到植物叶片上----植物的化学能
照射到大气层中------空气的动能
照射到太阳能热水器--水的内能
照射到电池板上------电能
(2)人体能量的来源及转化:人体所需的能量都来自食物，食物被消化后且被分解的过程，是食物的化学能转化为人体的内能、电能、机械能等能量的过程。被吸收的营养物质由血液输送到人体各处。
(3)火力发电厂的能量转化:燃料燃烧将燃料的化学能转化为内能来加热水，水沸腾后，产生的蒸汽驱动涡轮机转动将内能转化为机械能，涡轮机带动发电机发电将机械能转化为电能。
（二）能量转化的普遍性
自然界中的能量有多种表现形式，如机械能、内能、化学能、电能、电磁能、核能等。自然界中各种形式的能量不是孤立的，它们可以在一定的条件下发生转化，能量也可以在同一物体或不同的物体间相互转移。能量转化是普遍现象，自然界中物质运动形式的变化中伴随着能量的相互转化。
典例1：2022年11月，“神舟十五号”航天飞船在酒泉卫星发射中心用“长征二号”F型运载火箭发射升空。“长征二号”F型运载火箭使用偏二甲肼作为主要燃料，是因为偏二甲肼中储存着　 　能，“神舟十五号”航天飞船有着巨大的电池板，可将太阳能转化为　 　能储存在电池板中。
【答案】化学；电
【解析】（1）燃料本身具有化学能，通过燃烧的方式转化为内能；
（2）根据能量转化的知识解答。
【解答】（1）“长征二号”F型运载火箭使用偏二甲肼作为主要燃料，是因为偏二甲肼中储存着化学能；
（2）“神舟十五号”航天飞船有着巨大的电池板，可将太阳能转化为电能储存在电池板中。
变式1：如图是某空间站能量转化系统局部示意图，下列有关说法错误的是（　　）
A．光电转换器是将光能转换为电能
B．燃料电池系统将化学能转化为电能
C．氢元素在循环过程中总质量减少
D．该能量转化系统中的水可以回收使用
【答案】C
【解析】化学变化的本质是原子的重新组合，原子的种类、质量和个数均不变，可知各种元素的质量均不变。【解答】A、光电转换器是将光能转换为电能，说法正确，故A不符合题意；
B、燃料电池系统将化学能转化为电能，说法正确，故B不符合题意；
C、在化学反应中，遵循质量守恒定律，氢元素在循环过程中总质量不会减少，故C符合题意；
D、由转化图可知，该系统中水既可分解也可生成，是可以回收并循环使用的，说法正确，故D不符合题意。故答案为：C。
变式2：2024年6月25日，探月工程“嫦娥六号”返回器成功着陆，实现世界首次月背采样。这次返回任务采用了高速再入轨道技术。返回轨道如图所示，返回器以“打水漂”的方式返回，避免了返回器由于速度过快存在燃烧殆尽的风险。下列有关返回器分析错误的是（　　）
A．这种返回方式能有效减小返回器的动能
B．返回过程中，返回器的机械能始终守恒
C．反弹过程中，返回器的动能部分转换为势能
D．返回过程中，返回器要克服摩擦力做功产生热能
【答案】B
【解析】（1）动能大小与物体质量和速度有关，速度减小，动能减小。
（2）机械能守恒的条件是只有重力或弹力做功，不受其他外力或其他外力做功为零。
（3）动能和势能可以相互转化，上升过程中动能转化为势能。
（4）物体克服摩擦力做功，机械能转化为内能。
【解答】A、每次进入大气层时，返回器的动能第二次比第一次小，可以有效减小返回器的动能，故A正确，不符合题意；
B、返回过程中，返回器的机械能不断的转化为内能，因此机械能不断减小，故B错误，符合题意；
C、反弹过程中，返回器的高度增大，则动能部分转换为重力势能，故C正确，不符合题意；
D、返回过程中，返回器要克服摩擦力做功，将机械能转化为内能，故D正确，不符合题意。
故答案为：B。
变式3：如图所示是一种在阳光下能不断摇摆的塑料小花。花盆表面的太阳能电板在光照下，产生电流驱动电动机，使小花左右摆动。则小花摆动过程中涉及的能量形式有　 　能和　 　能等。
【答案】太阳能；；电能；机械能等（两种即可）
【解析】根据能量存在形式的知识分析解答。
【解答】花盆表面的太阳能电板在光照下，将天阳能转化为电能，产生电流驱动电动机，即将电能转化为机械能，使小花左右摆动。
考点二、能量守恒定律
（一）内容
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。而在转化和转移的过程中，能的总量保持不变。这就是能量转化和守恒定律。
（二）意义
能量转化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。无论是机械运动，还是生命运动，无论是宇宙天体，还是微观粒子，都遵循这个定律。
（三）永动机一不可能成功
所谓“永动机”是指不消耗任何能量和燃料,却能源源不断对外做功的机器。“永动机”不可能成功的事实告诉我们，违反能量转化和守恒定律的事件是不可能发生的。能量是不可能凭空创造出来的。即所谓的“消耗能量”“利用能量”“获得能量"的实质是能量相互转化或转移的过程。
（四）机械能守恒与能量守恒定律的区别
(1)机械能守恒是有条件的一没有能量损失或额外的能量补充。
因为机械能守恒是指一个物体如果只存在着动能和势能之间的转化时，机械能的总量将保持不变。如果存在机械能与其他形式的能之间的转化，机械能总量发生改变，机械能不再守恒，例如克服摩擦做功，产生内能，机械能的总量将减少，损失的机械能将转化为其他形式的能。
(2)能量守恒定律的成立不需要条件。这是因为能量转化形式是多样的，可以在机械能、内能、化学能、电能、光能、声能间相互转化，不限于动能和势能之间的转化，在转化过程中，一种形式的能减少，另一种形式的能必然增加，能的总量保持不变。
典例1：轻质弹簧的一端连接在放置于粗糙水平面的物块上，另一端固定在竖直的墙上(保持弹簧与水平面平行)，当弹簧处于自然状态时，物块位于O处。小乐将物块移至N处后由静止开始释放，发现物块向左移动，最终停在M处。下列说法正确的是（　　）
A．从N到M的过程中，物块的机械能保持不变
B．从N到M的过程中，弹的弹性势能先减小后增大
C．物块经过O处时，受到的摩擦力方向发生改变
D．物块停在M处时，受到水平向右的摩擦力
【答案】B
【解析】轻质弹簧在O点的时候是原长，此时弹性势能为零；拉伸到N点时，形变量最大，此时弹性势能最大。由N点开始释放，向左运动到O点，弹簧形变量越来越小，所以弹性势能是由大变小；从O点到M点继续向左运动，弹簧又处于压缩状态，并且形变量越来越大，所以弹性势能又开始变大，所以整个过程的弹性势能，是由大变小再变大。又由于水平面是粗糙的，有摩擦，所以机械能不守恒。
【解答】A、因为摩擦损耗，整个过程机械能越来越小，A错误。
B、根据上述分析，B正确。
C、物体的运动方向是向左的，所以摩擦力方向向右，C错误。
D、M点时物体静止，受到了向右的推力，要保持静止状态，肯定受到平衡力的作用，那么摩擦力的方向是向左，D错误。故答案为：B
变式1：“反向蹦极”是一项比蹦极更刺激的运动。如图所示，弹性轻绳的上端固定在O点，拉长后将下端固定在体验者的身上，并与固定在地面上的扣环相连。打开扣环，人从A点由静止释放，像火箭一样被“竖直发射”，上升到最高位置C点，其中在B点时速度最快。对此过程，下列描述不正确的是（　　）
A．扣环打开前，弹性绳的弹性势能最大
B．到达B点时，弹性绳处于原长位置
C．人从A到C的过程中，重力势能增加，动能先增加后减少
D．人从A到B的过程中，弹性绳的弹性势能转化为人的机械能
【答案】B
【解析】A.弹性势能大小与质量和高度变化有关；
B.当合力与运动方向相同时，物体做加速运动；当合力为零时，物体加速停止，即此时速度最大；
CD.动能与质量和速度有关，重力势能与质量和高度有关，弹性势能与形变程度有关，据此分析判断。
【解答】A.扣环打开前，弹性绳的弹性形变程度最大，弹性势能最大，故A正确不合题意；
B.人在B点时速度最快，此时受到的合力为零，即弹力与人的重力相等，此时弹性绳对人还有弹力，则不是绳的原长位置，故B错误符合题意；
C.人从A到C的过程中，质量不变，高度增大，重力势能增加；AB段速度逐渐变大，动能逐渐变大；。BC段速度逐渐变 小，动能逐渐变小，动能先增加后减少，故C正确不合题意；
D.从A到B的过程中，人的质量不变、高度增大，重力势能增加；质量不变、速度逐渐变大，动能变大，所以机械能增大。人从A到B的过程中，弹性绳的弹性势能转化为人的机械能，故D正确不合题意。故选B。
变式2：2022年，工程师开发出一种“可穿戴微电网”，当人体运动时，穿戴设备通过摩擦发电，这些电可以收集并存储起来为小型电子设备供电。“可穿戴微电网”摩擦发电过程中的能量转化是　 　能转化成电能，该过程中能量　 　(填“守恒”或“不守恒”)。
【答案】机械；守恒
【解析】（1）根据能量转化的知识解答；
（2）根据能量转化和守恒定律分析解答。
【解答】“可穿戴微电网”摩擦发电过程中的能量转化是机械能转化成电能，该过程中能量守恒。
变式3：小明将重为0.02牛的乒乓球，从1米高的地方静止释放，第一次弹起的高度为0.6米(如图甲)，将乒乓球置于装有适量水的杯子中，一起从1米高的地方静止释放，乒乓球弹起的高度远大1米(如图乙)。图甲，乒乓球从A点到B点的过程中，机械能减少了　 　焦；图乙，乒乓球弹起的高度远大于1米，请从能量转化的角度分析原因：　 　。
【答案】0.008焦；落地的瞬间，水的部分机械能转化为乒乓球的机械能或乒乓球弹起的瞬间，杯内的水对乒乓球做功，使乒乓球的机械能增加(合理即可)
【解析】（1）根据W=Gh分别计算出A和B点时的重力势能，然后相减得到机械能的减小量；
（2）注意分析水的机械能转化为乒乓球的机械能即可。
【解答】（1） 图甲，乒乓球从A点到B点的过程中，机械能减少 ：WA-WB=GhA-GhB=0.02N×（1m-0.6m）=0.008J；
（2） 图乙，乒乓球弹起的高度远大于1米， 原因是： 落地的瞬间，水的部分机械能转化为乒乓球的机械能或乒乓球弹起的瞬间，杯内的水对乒乓球做功，使乒乓球的机械能增加 。
考点三、能量转化和转移的方向性
（一）内能总是自发地从高温物体转移到低温物体，而不能从低温物体自发地转移到高温物体
如烧杯中的热水变冷等，是内能自发地从高温物体转移到低温物体。电冰箱、空调制冷，都是从低温物体的内部吸热，向外面放热，使内能从低温物体转移到高温物体。这种转移不是自发进行的，必须要有附加的条件:消耗电能，电动机(压缩机)做功。
（二）机械能可自发地转化为内能，但内能无法自发地转化为机械能
如汽车制动刹车时，由于摩擦，机械能转变成地面、轮胎及空气的内能，但是这些内能不能再次转化为汽车的机械能而使汽车重新启动。可见，能量的转移和转化是有 一定的方向性的。能量可以自发地朝一个方向进行，但不能自发地朝反方向进行。
典例1：如图是小嘉制作的“能的转化与守恒”概念图（部分），请完成以下问题。
（1）请你在概念图中填入合适的内容①　 　②　 　。
（2）当人沿竹竿下滑时，人的重力势能有一部分转化为手和竹竿的内能，使手和竹竿的温度升高，但相反的过程不会自发地发生。这是因为能量的转化具有　 　。
【答案】（1）机械能；做功
（2）方向性
【解析】（1）根据机械能的定义解答。根据能量转化的形式解答。
（2）根据能量转化和转移的方向性解答。
【解答】（1）动能和势能统称为机械能，故①为机械能。能量通过做功的形式进行相互转化，故②为做功。
（2）当人沿竹竿下滑时，人的重力势能有一部分转化为手和竹竿的内能，使手和竹竿的温度升高，但相反的过程不会自发地发生。这是因为能量的转化具有方向性。
变式1：汽油机的效率一般为20～30%，下列选项可能符合家用轿车等热机能量流向的是（　　）
A． B．
C． D．
【答案】D
【解析】根据计算出输出的机械能，再用Q散失=Q-W有计算出散失的热量即可。
【解答】汽油机的效率最高为30%，则输出的有用功为：W有=ηQ=30%×1000J=300J；
散失的热量为：Q散失=Q-W有=1000J-300J=700J。
变式2：中国科研团队再传喜讯，中国新一代“人造太阳”装置等离子体电流突破100万安培，创造了新纪录。点亮“人造太阳”，将来有望实现源源不断的清洁能源供应，实现能源自由。
（1）“人造太阳”获得核能的方式是　 　（填“核裂变”或“核聚变”）；
（2）水从高处流向地处后，无法自发回到同样的高度，说明能量的转化具有　 　，所以尽管能量是守恒的，我们仍然要节约能源。
【答案】（1）核聚变（2）方向性
【解析】（1）根据太阳能量的来源解答；
（2）根据能量转化和转移的方向性解答。
【解答】(1)“人造太阳”获得核能的方式是核聚变；
(2)水从高处流向地处后，无法自发回到同样的高度，说明能量的转化具有方向性，所以尽管能量是守恒的，我们仍然要节约能源。
变式3：各种形式的能量都不是孤立的，它们可以在一定条件下发生转化或转移。
（1）根据能量守恒定律，在能量发生转化或转移的过程中，能的总量是　 　的（填“变化”或“不变”）。
（2）运动会抛出去的实心球从脱手到落地过程，重力势能怎么变　 　。
（3）俗语说：“水往低处流”；空气不会自行聚拢；在烧杯中的水，上面的水不可能沸腾，下面的水结冰。这些事例都说明了一个问题：能量的转化和转移都是有　 　的。核电站是利用核能进行发电的，电站的核反应堆中发生的是人工可以控制的核　 　（选填“聚变”或“裂变”）。
【答案】（1）不变
（2）先变大后变小
（3）方向；裂变
【解析】（1）根据能量转化和守恒定律解答；
（2）重力势能与质量和高度大小有关；
（3）根据能量转化和转移的方向性解答。根据核电站的工作原理解答。
【解答】(1)根据能量守恒定律，在能量发生转化或转移的过程中，能的总量是不变的。
(2)运动会抛出去的实心球从脱手到落地过程，它的质量不变，高度先增大后碱性，则重力势能先变大后变小；
(3)俗语说：“水往低处流”；空气不会自行聚拢；在烧杯中的水，上面的水不可能沸腾，下面的水结冰。这些事例都说明了一个问题：能量的转化和转移都是有方向的。核电站是利用核能进行发电的，电站的核反应堆中发生的是人工可以控制的核裂变。
1．新能源电动车（如图）利用电池提供能量来驱动汽车。电池和汽油中蕴含相同形式的能量，该能量是（　　）
A．电能 B．化学能 C．机械能 D．电磁能
【答案】B
【解析】当燃料没有燃烧时具有的能量为化学能。
【解答】根据能量转化的知识可知，电池和汽油中蕴含相同形式的能量是化学能，故B符合题意，ACD不符合题意。故选B。
2．关于能源、能量和材料，下列说法正确的是
A．热水变凉，热量从高温物体转移到低温物体
B．超导材料若用于制作电饭锅的发热体，可提高发热效率
C．核电站是通过核聚变释放能量进行发电的
D．新能源的开发和利用技术难、成本高，无实用价值
【答案】A
【解析】A.根据热传递的方向判断；
B.根据超导材料的应用判断；
C.根据核电站的工作原理判断；
D.根据对新能源开发的认识判断。
【解答】A.热水自然变凉，能量自发地从高温物体转移到低温物体，故A正确；
B.电饭锅利用电阻发热，而超导体的电阻为零，不能用于制作发热体，故B错误；
C.核电站是通过核裂变释放能量进行发电的，故C错误；
D. 新能源的开发和利用技术难、成本高，但是可以替代传统能源，保护环境，故D错误。
故选A。
3．如图AB、AC、AD为三个光滑斜面，其中AD为曲面，小球M从A点分别沿三个面自由滑下，撞击放在B、C、D三点完全相同的物块上，物块在粗糙程度相同同一水平面上移动相同距离停下，则（　　）
A．物块克服阻力做功一样多 B．小球M对B点的动能最大
C．物块克服阻力做功C点最大 D．小球M对D点的动能最小
【答案】A
【解析】（1）根据W=fs判断；
（2）（3）（4）根据W=Gh比较小球的重力做的功，即确定重力势能的大小，再根据动能和重力势能的转化比较动能的大小。
【解答】物块完全相同，则它在水平面上受到的摩擦力f相等，且三个物块移动的距离s相等，根据W=fs可知，物块客服阻力做功一样多，故A正确；
小球M的重力相同，下落的高度相同，根据W=Gh可知，重力做功相同，则小球到达三个位置时的动能相等，故B、C、D错误。故选A。
4．如图所示为教材中关于能量转化和守恒的图例。其中仅涉及能量转移的是(　　)
A．金属勺放入热水中变烫
B．甲物上升，乙物下降(考虑摩擦影响)到电池板上
C．太阳光照射
D．达·芬奇的永动机模型
【答案】A
【解析】根据图片，对各个选项中能量的转化或转移情况进行分析判断即可。
【解答】A.金属勺放入热水中变烫，即热量从热水转移到金属勺上，故A符合题意；
B.甲物上升，乙物下降(考虑摩擦影响)到电池板上，将重力势能转化为动能，故B不合题意；
C.太阳光照射时，将光能转化为内能，故C不合题意；
D.达·芬奇的永动机模型，将动能和重力势能相互转化，故D不合题意。故选A。
5．某同学通过斜面实验认识能量、运动和力的关系（如图，A、B两点等高）。忽略摩擦及空气阻力，小滑块由静止滑下，下列说法错误的是（　　）
A．小滑块下滑过程中机械能守恒
B．小滑块上升过程中内能不断增加
C．小滑块从A点静止滑下，能到达B点
D．小滑块起始位置越高，到达斜面底端速度越大
【答案】B
【解析】机械能包括动能和势能，忽略空气阻力和摩擦，可知没有能量转化为内能，即机械能守恒。动能与物体的质量和速度有关，质量一定时，速度越大，动能越大；重力势能与物体的质量和高度有关，质量一定时，高度越高，重力势能越大。【解答】A、忽略摩擦及空气阻力，小滑块运动过程中只有动能和重力势能的转化，机械能守恒，故A正确，不符合题意；
B、小滑块上升过程中，因忽略摩擦及空气阻力，小滑块的内能不变，故B错误，符合题意；
C、小滑块在滑动时机械能守恒，A点和B点等高重力势能和动能都相等，所以从A点静止滑下，能到达B点，故C正确，不符合题意；
D、小滑块在斜面上由静止开始向下运动，重力势能转化为动能，起点位置越高，重力势能越大，到达斜面底端时的动能越大，速度越大，故D正确，不符合题意。
故答案为：B。
6．把一个篮球竖直向上抛出，运动到最高点并下落。A、B是篮球运动轨迹中的两个点，其动能和重力势能如表所示。
A点 B点
动能/J 7 9
重力势能/J 6 5
（1）篮球B处往A处的运动方向可能是　 　。
（2）A点与B点的篮球机械能不等，减少的机械能转化为　 　。
【答案】（1）篮球由B点上升到A点（2）内能
【解析】（1）在篮球的运动过程中，由于与空气摩擦，因此机械能会不断转化为内能，据此比较A、B两点机械能的大小即可；
（2）根据机械能和内能的转化解答。
【解答】（1）根据“机械能=动能+重力势能”可知，A点的机械能为13J，B点的机械能为14J。由于篮球运动时机械能肯定不断减小，因此篮球从B点运动到A点。由于A点的重力势能大于B点，因此篮球的高度在增大，即篮球从B点上升到A点。
（2）A点与B点的篮球机械能不等，减少的机械能转化为内能。
7．如图轻质弹簧原长为2L，将弹簧竖直放置在地面上，在其顶端将一质量为m的物体由静止释放，当弹簧被压缩到静止时，弹簧长度为L，现将该弹簧水平放置，一端固定在A点，另一端与物块P接触但不连接。光滑水平轨道与光滑半圆轨道相切。AB是长度为5L的水平轨道，B端与半径为L的光滑半圆轨道BCD相切，用外力推动物块P，将弹簧压缩至长度L，然后释放，P开始沿轨道运动，问：
（1）从竖直放置在地面上的弹簧顶端，静止释放物块P，至弹簧被压缩后静止，物块P的重力势能转化为弹簧的　 　能；
（2）将弹簧压缩至长度L，然后放开，P开始沿轨道运动，能到达的最高位置　 　（图中字母表示），此时到达该位置具有　 　能，大小为　 　。
【答案】（1）弹性势
（2）C；重力势；mgL
【解析】（1）物体由于发生弹性形变而具有的能量叫弹性势能；
（2）根据能量转化的知识计算出弹簧水平压缩到L时具有的弹性势能，再确定最终物体的高度。根据W=Gh计算物体具有的重力势能。
【解答】（1）从竖直放置在地面上的弹簧顶端，静止释放物块P，至弹簧被压缩后静止，物块P的重力势能转化为弹簧的弹性势能；
（2）将质量为m的物体放在弹簧上静止时，弹簧长度为L，此时弹簧缩短：2L-L=L。
此时弹簧的弹性势能等于物体下落L减小的重力势能，即为W=Gh=mgh。
在水平面上，将同一弹簧压缩到L，则此时弹性势能为mgh；
根据能量转化和守恒定律可知，当物体到达最高点时，物体具有的重力势能肯定等于弹簧的弹性势能，即大小为mgh。因为半圆形轨道的报警为L，所以能达到的最高位置为C。
8．如图所示，为两个光滑的圆弧槽和一段粗糙的水平面相连接的装置。将质量为m的物体从左侧圆弧槽A点由静止释放，最高到达右侧圆弧槽B点处，然后再次滑下，最高到达左侧圆弧槽C点处，其中A、B两点距离水平面的高度分别为H、h。( 忽略空气阻力)
（1）物体从A点滑到水平面时，重力所做的功为　 　。
（2）C点距离水平面的高度为 　 　。
【答案】（1）mgH
（2）2h－H
【解析】（1）根据W=Gh计算出重力做的功；
（2）物体在水平面上损失的机械能等于物体在A、B两处时重力势能的差值。而物体最终达到C点时，在水平面上往复两次，用A点的机械能减去两次消耗的机械能，得到C点的机械能，最后再计算C点的高度即可。
【解答】（1）物体从A点滑到水平面时，重力所做的功为：W=Gh=mgH；
（2）物体在水平面上运动一次消耗的机械能：mgH-mgh=mg（H-h）；
物体再次回到C点时的机械能：mgH-2mg（H-h）=2mgh-mgh；
则C点的高度为：。
9．能量转化和守恒定律是许多科学家经长期探索建立起来的，是科学史上的重大发现；
材料一：十七至十八世纪，多位科学家对能量的量度提出了不同的观点；1644年，笛卡尔用物体的质量和其速度的乘积来量度；1686年，莱布尼兹用物体的质量和其速度平方的乘积来量度；1743年，达朗贝尔用“活力”（即物体受力作用而通过一定距离）来量度；
材料二：温度计的不断改进给热与功研究的精确化准备了必要条件；焦耳通过400多次的实验，于1849年精确地测定了热功当量关系的数值，这一数值与现代公认值非常接近，为能量守恒定律的确立奠定了定量的实验基础；
（1）材料一中，哪位科学家的观点与“功”概念相符合　 　；
A．笛卡尔 B．莱布尼兹 C．达朗贝尔
（2）如图所示是焦耳研究热功当量关系的实验装置，通过重物的上下运动，带动叶片转动，通过做功使水的内能　 　（选填“增大”或“减小”）；
（3）结合材料分析，以下观点正确的是　 　。（可多选）
A．面对前人的观点要敢质疑 B．时间久远的理论是没有科学价值的
C．测量工具的发展有助于科学理论研究 D．对科学的认识是不断修正完善的过程
【答案】C；增大；ACD
【解析】（1）求出动叶轮对水做的功W与水吸收的热量Q，如果W=Q，此过程能量转化是守恒的；如果W≠Q，此过程能量转化是不守恒的；
（2）做功可以改变内能的大小；
（3）根据题意分析即可。
【解答】（1）由于功为作用在物体上的力，使物体沿力的方向移动一段距离，所以和达朗贝尔的概念相符，故C符合题意，AB不符合题意。故选C。
（2）重物的上下运动，带动叶片转动，将叶片的机械能转化为水的内能，所以通过做功使水的内能增大。
（3） A、真理成立的前提是先要大胆的猜想，所以面对前人的观点要敢于质疑，故A正确；
B、若是亘古不变的真理不会随着时间的推移而淡忘，相反会更好的用当前超前的技术或思想理解，故B错误；
C、真理成立的前提是实验，所以测量工具的发展有助于科学理论的研究，故C正确；
D、随着技术的发展，知识的加深，会对科学的认识是一个不断修正完善的过程，故D正确。
故答案为：ACD。
10．碳排放一般指温室气体排放，造成温室效应，使全球气温上升。我国体现大国责任，推动以二氧化碳 为主的温室气体 减排。二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和。
（1）植物的光合作用是自然界消耗二氧化碳的最重要途径之一，人们称其为地球上最重要的能量转化过程：
①写出植物光合作用的文字表达式：　 　；
②此转化过程是否遵守能量守恒定律？　 　（选填“遵守”或“不遵守”）；
（2）你能为实现“碳中和”目标做些什么？（至少2点）　 　。
（3）为实现“碳中和”目标，未来，风能、太阳能和生物质能将成为主要的能源来源。某小区路灯利用与太阳能电池板相连的蓄电池作电源，其电压为、容量为（表示安小时），若路灯的规格为“12V24W”。如果电池充满后给灯泡供电，电量下降至20%停止工作，电池充满一次可以供路灯工作多少小时？
【答案】（1）二氧化碳+水有机物+氧气；遵守
（2）绿色出行、随手关灯。
（3）路灯的规格为“12V，24W”，路灯的额定电流是，
如果电池充满后给灯泡供电，电量下降至20%停止工作，电池充满一次可以供路灯工作的时间是：
。
【解析】（1）①根据二氧化碳和水在光照、叶绿体的作用下反应生成有机物和氧气进行分析；
②根据自然界的能量是守恒的进行分析；
（2）根据生活中常见的减少二氧化碳的排放的方法进行解答；
（3）根据P=UI，按路灯的规格计算出路灯的电流，然后计算工作的时间。
【解答】
（1）①二氧化碳和水在光照、叶绿体的作用下反应生成有机物和氧气，文字表达式为：二氧化碳+水有机物+氧气 ；
②自然界的能量是守恒的，所以这个过程能量守恒；
（2）为实现“碳中和”目标的做法是：绿色出行、随手关灯、使用节能灯、不使用一次性的筷子和包装袋、节约用水和用粮、少开空调。
典例分析
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典例分析
举一反三
典例分析
举一反三
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