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沪科版2024九年级全册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第二十一章 能源、材料与社会
第一节 能量的转化与守恒
物理观念：能列举能量转化和转移的实例,知道能量守恒定律,知道能量转化和转移具有方向,能用能量守恒、能量转化和转移具有方向性的自然规律来分析自然现象、解释生产生活中的相关问题。
科学思维：能从能量转化和转移的角度认识效率,能用能量转化与守恒的观点分析问题。
科学探究: 通过对能量转移和转化的实际案例观察、分析,加深对能量转移、转化中的问题的认识。能从能量转化效率体会理想状态与实际的区别。
科学态度与责任：能体会能量守恒定律在科学发展中的意义。有主动提高效率的意识,能从能量转化和转移的方向性,领悟可持续发展的重要意义。能从能量守恒定律感受大自然的多样性与统一性,能体会物理学的发展深化了人类对自然的认识。
重点：能量守恒定律;能量转移和转化的效率。
难点：能用能量守恒、能量转化和转移具有方向性的自然规律去认识物质世界。
知识点1. 多种形式的能量
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。我们已学过机械能、电能和内能等，下面将学习化学能和核能。
1. 化学能
概念：是由于化学反应而产生的能量。
实例：木材的燃烧是一种化学反应，燃烧时产生的光和热就来源于木材里储存的化学能。食物也具有化学能，人们的生活、工作所消耗的能量就来源于食物里储存的化学能。
2. 核能
概念：是由于核反应，物质的原子核结构发生变化而释放的能量。
实例：原子弹、氢弹爆炸时释放的能量就来源于核能。
3. 交流与讨论：在日常生活和生产活动中处处都离不开能量。你能说出下列情形各种物体所具有的能量吗？
（1）山顶上的石块具有机械能；（2）滚动的足球具有机械能；（3）加热后的物体具有内能；
（4）牛奶、面包和水果具有化学能；（5）导线中的电流具有电能。
【注意】不同形式的能量区分
能量种类 概述
机械能 机械能包括动能和势能（势能包括重力势能和弹性势能）。
电能 发电机或电池等电源把其他形式的能转化为电能，电流通过用电器把电能转化为人们需要的能量形式。
内能 物体内所有分子无规则运动的动能以及分子势能的总和就是物体的内能。一切物体都有内能。
化学能 由于化学反应而产生的能量。
核能 由于核反应，物质的原子核结构发生变化而释放的能量。核电站工作、核弹爆炸的能量都来自核能。
太阳能 太阳辐射向地球传递的巨大的能量。
【例题1】下列物体所具有能量的形式表述正确的是（　　）
A．被大风摇动的树干不具有能量
B．米饭中储存着化学能
C．被拉伸的弹簧具有能量而被压缩的弹簧不具有能量入
D．水库中的水不具有能量，而只有当它从水库中流下时才具有能量
【答案】B
【解析】A．被大风摇动的树干具有动能，故A错误；
B．储存在食物中的能量是化学能，米饭中储存着化学能，故B正确；
C．被拉伸和被压缩的弹簧都有弹性势能，故C错误；
D．水库中的水由于位置较高，具有重力势能，故D错误。故选B。
（变式训练1）热机的特点是将燃料燃烧获得内能，然后通过做功驱动机器。它们都是利用了储存在燃料中的（　　）
A．势能 B．电能 C．化学能 D．机械能
【答案】C
【解析】所有的燃料都储存了化学能，而热机工作的过程是将燃料的化学能转化为内能，再通过做功的方式将内能转化成机械能的过程，故ABD不符合题意，C符合题意。
故选C。
（变式训练2）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这种能量，该能量是（　　）
A．电能 B．内能 C．机械能 D．化学能
【答案】D
【解析】新能源电动车利用电池提供能量来驱动汽车，电池将化学能转化为电能，电能再转化为机械能，汽油是利用燃烧将化学能转化为内能，内能再转化为机械能，电池和汽油中蕴含相同形式的能量是化学能，故ABC不符合题意，D符合题意。故选D。
（变式训练3）下列关于能的叙述不正确的是（　　）
A．人在跑步时要消耗体内的“能”
B．挂在树枝上的苹果没有运动，所以苹果不具有“能”
C．向日葵在太阳下不断生长时将太阳光中的“能”储存到体内
D．伽利略的斜面实验中，小球从斜面滚下后能滚上另一个斜面是因为小球具有“能”
【答案】B
【解析】A．人在跑步时要消耗体内的“能”，跑步消耗人的化学能，故A正确；
B．挂在树枝上的苹果没有运动，但相对地面有一定的高度，具有重力势能，也就具有机械能，故B错误；
C．向日葵在太阳下不断生长时将太阳光中的“能”储存到体内，太阳光具有内能，故C正确；
D．伽利略的斜面实验中，小球从斜面滚下后能滚上另一个斜面是因为小球具有机械能，故D正确。
故选B。
知识点2. 能量的转移与转化
1. 能量的转移：同种形式的能量在不同物体之间或同一物体的不同部分之间发生转移，称为能量的转移。
2. 能量的转化
自然界中，能量不但可以从一个物体转移到其他物体，而且可以从一种形式转化为其他形式。
（1）能量转化的过程是一种形式的能转化为其他形式的能的过程。
（2）不同形式的能量可以在一定条件下相互转化，如图所示。
①钻木取火是机械能转化内能
②水轮机带动发电机发电是机械能转化电能
③LED灯发光是电能转化光能（和内能）
3. 地球上能量的来源
我们生产、生活中利用的能量大都来自太阳能。太阳辐射向地球传递了巨大的能量。
（1）水能和风能
水 、空气的流动产生了水能和风能，而水、空气流动的能量来自吸收的太阳能。
（2）煤、石油 、天然气等燃料中蕴含的能量
植物通过光合作用将太阳能转化为化学能储存在其体内，动物直接或间接地从植物中获取能量。古代的动物、植物遗体在地下或海底，经过一系列变化，变成了煤、石油、天然气等燃料。所以煤、石油 、天然气等燃料中蕴含的能量间接来自太阳能。
（3）直接利用太阳能：太阳能热水器、太阳能电池等。
【例题2】仿照例子，写出下列过程中能量转化或转移的情况.
例子：使用充电器为手机充电：电能转化为化学能.
（1）燃料燃烧：　 　.
（2）壶中的水沸腾时，壶盖不断地跳动：　 　.
（3）滑滑梯时，臀部会发烫：　 　.
（4）风力发电机发电：　 　.
（5）植物进行光合作用：　 　.
【答案】见解析
【解析】（1）燃料燃烧是化学能转化为内能。
（2）壶中的水沸腾时，壶盖不断地跳动属于内能转化为机械能。
（3）滑滑梯时，臀部会发烫是机械能转化为内能。
（4）风力发电机发电是机械能转化为电能。
（5）植物进行光合作用是光能转化为化学能。
（变式训练1）能量的转换是自然界普遍的现象。下列关于能量转换的分析错误的是（ ）
A．水果电池：化学能→电能 B．发电机：电能→机械能
C．光合作用：光能→化学能 D．钻木取火：机械能→内能
【答案】B
【解析】A．水果电池，电池内部发生化学反应，而对外发电，因此是化学能转化为电能，故A正确；
B．发电机是将机械能转化为电能，故B错误；
C．光合作用是植物、藻类和某些细菌，在光的照射下，经过反应，利用光合色素，将二氧化碳和水转化为有机物，将光能转化成化学能储存在有机物中，故C正确；
D．钻木取火过程中需要克服摩擦做功，将机械能转化为内能，故D正确。
（变式训练2）目前长沙城区的老居民小区正在进行水路改造，改造中用到了一种打孔工具﹣﹣冲击钻，冲击钻工作时，钻头在电动机的带动下不断地冲击墙壁，打出圆孔，如图所示，冲击钻在工作过程中，其能量转化关系是（　　）
A．内能转化为机械能
B．内能转化为电能
C．只有机械能和内能的转化
D．有电能、机械能和内能的转化
【答案】D
【解析】（1）当电流通过电动机时，电流做功，消耗电能转化为机械能和内能；
（2）钻头冲击墙壁，克服摩擦做功，将机械能转化为内能；
由此分析可知，在该过程中存在电能、机械能和内能的转化。
（变式训练3）雷电是大气中的放电现象，你能说出其中能量转化的方式吗
【答案】见解析
【解析】雷电是大气中的放电现象，其能量转化方式主要包括电能转化为内能、光能和机械能（声波）。 当电流在两块带电云间穿过时，会发热发光，这个过程消耗的是电能，得到的是内能和光能。
知识点3. 能量守恒定律
1. 能量守恒现象实例分析
（1）小球的摆动：如图甲，小球摆动时，势能与动能不断地相互转化。当小球到达最高处时势能最大；随着小球的下降，势能逐渐减小，动能逐渐增大，势能转化为动能；当小球下降到最低点时，势能最小，动能则最大。
小球摆动的高度越来越低，最后停下来。说明这个过程中机械能减小了，而摆动过程中要克服空气阻力做功，使小球和周围空气的内能增大。
甲 乙 丙
（2）乒乓球的弹跳：如图乙，从高处掉到地板上的乒乓球会先弹起后落下，落下又弹起，但是越跳越低，最终会静止下来。
这一过程中，小球的重力势能与动能不断地相互转化。乒乓球弹起的高度逐渐降低，说明总的机械能减小，而在这个过程中，乒乓球与地面碰撞及克服空气阻力做功，使乒乓球内能增大。
（3）跳动的小丑：如图丙所示的玩具小丑在跳动过程中，能量是如何转化的吗？
玩具小丑向上跳时，弹簧恢复原长，弹性势能减少，小丑速度不为零，具有动能，小丑高度增加，重力势能增加。在小丑向上跳的过程中，弹性势能转化为动能和重力势能。
小丑跳动的幅度越来越小，最后停下来。说明这个过程中能量减小了，而跳动过程中要克服摩擦阻力做功，使小丑和周围空气的内能增大。
分析与总结：
（1）小球、乒乓球和小丑的机械能减小，并不是能量丢失了，而是转化成了另一种形式的能——内能。小球摆动次数越多，乒乓球弹起次数越多，阻力对它们做的功就越多，小球和乒乓球的内能增大就越多，而摆动和弹起的高度越低，机械能减小就越多，减小的机械能转化为增大的内能。
（2）可见，一个物体能量减小，并不是能量消失了，而是转移给了其他物体，或转化成了其他形式的能量；一个物体能量增大，并不是凭空产生了能量，而是从其他物体获得或从其他形式的能量转化而来。
2. 能量守恒定律的内容
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能的总量保持不变。
3. 对能量守恒定律的理解
（1）能量守恒定律的普遍性
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。 自然界中的一切变化过程，只要有能量转移或转化，都遵循能量守恒定律。
（2）能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。
（3）能量守恒定律的成立是无条件的。
能量从一种形式转化为其他形式，一种形式的能量减少多少，其他形式的能量就会増加多少；能量从一个物体转移到另一个物体上，一个物体的能量减少多少，另一个物体的能量就増加多少。能量的总量保持不変。
注意：永动机的失败：不消耗能量，能够永远对外做功的机器——永动机是不存在的，它违背了能量守恒定律。
【例题3】（2026山东）我国某科技公司发射的太空算力卫星，将数据中心“搬”到太空，利用太阳能电池板发电，在太空完成计算、存储等任务，并将数据传回地球，其在轨运行示意图如图所示。
(1)太阳能是__________（选填“可再生”或“不可再生”）能源。
(2)卫星携带的算力芯片工作时，电能转化为内能，但这些内能无法自发地再转化为电能，说明能量的转化具有__________。在能量转化和转移的过程中，能量的总量_______。
(3)数据信息传回地球利用的是__________
(4)目前发射卫星使用的推进剂主要有液氢、偏二甲肼等。完全燃烧时，液氢产生的热量比等质量的偏二甲肼产生的热量多，这说明液氢的__________大。
【答案】(1)可再生 (2)方向性 保持不变 (3)电磁波 (4)热值
【解析】（1）太阳能可以从自然界源源不断得到补充，属于可再生能源。
（2）电能转化为内能后，这些内能无法自发地再转化为电能，说明能量的转化具有方向性。
根据能量守恒定律，在能量转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。
（3）太空与地球之间是真空，电磁波可以在真空中传播，故数据信息传回地球利用的是电磁波。
（4）由可知，完全燃烧相同质量的燃料，液氢产生的热量更多，说明液氢的热值大。
（变式训练1）关于能量守恒定律，下列说法正确的是（　　）
A．能量可以凭空消失
B．能量可以凭空产生
C．能量在转化和转移过程中，能量的总量保持不变
D．热机在工作的过程中不遵循能量守恒定律
【答案】C
【解析】ABC．由能量守恒定律可知，能量既不能凭空产生，也不会凭空消失，当能量从一个物体转移到其他物体或从一种形式转化为其他形式时，总量保持不变，故AB错误，C正确；
D．能量守恒定律适用于自然界中任何形式能的相互转化，热机的工作过程也遵循能量守恒定律，故D错误。故选C。
（变式训练2）在各种形式的能量相互转化的过程中,下列说法中正确的是（ ）
A.机械能一定守恒
B.每种形式的能量都是守恒的
C.各种形式的能的总量守恒
D.只有机械能转化为内能才守恒
【答案】C
【解析】如果只有动能和势能的相互转化,机械能守恒,如果存在其他形式的力做功(如摩擦力、空气阻力等),机械能就会发生变化,转化为其他形式的能(如内能),A错误;
能量有多种形式,如机械能、内能、电能、化学能等,它们之间可以相互转化。但是,并不是每种形式的能量都单独守恒,而是各种形式的能的总量守恒,B错误,C正确;
能量守恒定律适用于所有形式的能量转化和转移,不仅仅是机械能转化为内能,D错误。故选C。
（变式训练3）有关能量守恒定律,下列说法中正确的是（ ）
A.能量守恒定律只适用于机械能与内能的相互转化
B.能量守恒定律只适用于能量转化过程
C.“摩擦生热”是创造了热,它不符合能量守恒定律
D.按照能量守恒定律,宇宙中的能量总和永远不会增减
【答案】D
【解析】能量守恒定律适用于自然界中任何形式能的相互转化,A错误；
能量守恒定律既适用于能量转化过程,又适用于能量转移过程,B错误；
“摩擦生热”是将机械能转化为内能,它也是符合能量守恒定律的,C错误；
根据能量守恒定律,宇宙中的能量总和不变,D正确。故选D。
知识点4. 能量转移与转化的方向性
1. 能量转移的方向性
（1）观察以下日常生活中经常发生的一些现象，为什么？
如图甲所示，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。
甲图 乙图
如图乙所示，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
（2）想一想，以下情况会发生吗
你坐在房间里，房间里充满空气。突然，这些空气自行聚拢到某一个角落，使你窒息，如图所示。
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，如图所示。
结论：能量转移的方向性。
2.能量转化的方向性。
我们从石油中提炼出汽油，汽车内燃机工作时，把汽油中的化学能转化为汽车的机械能、内能等。这些机械能、内能无法再转化回可以被利用的能源。所以说能量的转化是有方向的.
所以，能量转移与转化的方向性。
3.永动机：不需要外界输入能量或者只需要一个初始能量就可以永远做功，这样的一种机器称为永动机。实践证明，永动机的失败是由于违反了能量守恒定律，这种机械是不可能制造出来的 。
【例题4】下列关于能量转移和转化的方向性的说法中,不正确的是（ ）
A.在自然界中不是所有能量都能利用
B.能量的利用是有条件的,也是有代价的
C.不同温度的物体发生热传递时,热传递的方向只能从高温物体到低温物体,不会相反
D.汽车刹车时,车的动能转化为内能,这些内能可以自动收集起来,再作为车行驶的动力
【答案】D
【解析】 在自然界中不是所有能量都能利用,例如雷电带来的能量,还不能被人类所利用,A正确,不符合题意;能量的利用是有条件的,也是有代价的,例如利用核能来发电,一旦核泄漏,造成的后果将不堪设想,B正确,不符合题意;
热量可以自发地从高温物体传递给低温物体,但却不能自发地从低温物体传递到高温物体,说明能量转移具有方向性,C正确,不符合题意;
汽车刹车时,车的动能转化为内能,内能不可以自动地收集起来转化为机械能,说明能量转化具有方向性,D错误,符合题意。故选D。
（变式训练1）如图所示为一种人们设想中的永动机，它通过高处的水流冲击叶片，叶片的转动又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________（选填“能够”或“不能”）永远工作下去，因为在这一过程中会有一部分___________能转化为_________能，而能量的总量保持不变。
【答案】 不能 机械 内
【解析】他设想的机械装置不可能实现，因为抽水机在此过程中，存在摩擦，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。
（变式训练2）2025年1月，中国“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置实现1亿摄氏度高温下1066秒的稳态运行。在核聚变过程中核能转化为内能，但内能却不能自发地转化为核能。说明能量的转化具有____性；在能量转化和转移的过程中，能量的总量保持____。
【答案】 方向 守恒
【解析】由题意可知，核能转化为内能的过程不能自发逆向进行，说明能量转化具有方向性，即某些转化需要特定条件。
根据能量守恒定律，无论能量如何转化或转移，其总量始终守恒即保持不变。
（变式训练3）如图展示了一个极具想象力的设想，其大意是：上面水池中的水流下来，冲击叶轮转动；叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动；人利用打磨轮打磨工件，同时，运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中…，只要一开始在上面水池中注满水，就能通过水的上下循环，使机器不停地工作．
①你认为，上面水池中流下来的水，能否被水泵全部抽送到上面水池中？并说明理由．
②这个设想曾得到不少人的赞许，并把这个装置誉为“永动机”．请运用你掌握的知识，说明这个装置是否真能“永动”？
【答案】①不能。因为，高处水池中水的重力势能，只有部分转化为叶轮的动能；而叶轮的动能部分用来打磨物体及转动部分摩擦做功，不会全部提供给水泵用来提升水。或简答为“用于水泵提升水的能量只是从上面流下的水的动能的一部分”。
② 不能。由于从上面流到下面水池中的水不能全部被抽送到上面的水池中（或“对外做功消耗能量”、“用来打磨物体消耗能量”、“克服装置的摩擦要消耗能量”），上面水池中的水越来越少，一定时间后便不再有水从上面流下来，所以这个装置不能够“永动”。
【解析】有的同学会答这个装置能“永动”。错误原因，他没有用能量守恒定律思想去分析，只会背诵内容，不会具体分析。突破办法是：抓住开始的能量性质，然后分析这些能量是怎样转化的，转化到最后的能量和开始能量是否还相等，不相等的话，根据能量守恒定律分析损失的能量哪去了，都要透彻分析。转化到最后的能量和开始能量不相等，说明装置不能够“永动”。
理解能量一些转化的实例图表
1.能量形式多种多样，下列有关物体具备的能量描述错误的是（　　）
A．风具有风能 B．奔跑的豹有动能 C．食物中有化学能D．跳水运动员有弹性势能
【答案】D
【解析】A.风是流动的空气，能够做功，所以具有风能，故A正确；
B.奔跑的猎豹处于高速运动状态，具有动能，故B正确；
C.食物中具有化学能，可以转化成人体需要的能量，故C正确；
D.跳水运动员脚下的跳板具有弹性势能。起跳后跳板的弹性势能转化为运动员的动能，故D错误。
故选：D。
2. 以下情景中，将电能转化为机械能的是（　　）
A. 核电站利用反应堆产生内能 B. 电动机通电转动的过程
C. 光伏电池充电的过程 D. 汽油机的做功冲程
【答案】B
【解析】A．核电站利用反应堆产生内能，将核能转化为内能，故A不符合题意；
B．电动机通电转动的过程，将电能转化为机械能，故B符合题意；
C．光伏电池充电的过程，将光能转化为电能，故C不符合题意；
D．汽油机的做功冲程，将内能转化为机械能，故D不符合题意。故选B。
3．如图所示是一种太阳能背包。它的前面有一个太阳能电池板，里面有一个蓄电池，可以给手机、小风扇或数码相机等电子产品供电。下列说法错误的是（　　）
A．太阳能电池板将太阳能转化为电能
B．给蓄电池充电将电能转化为化学能
C．蓄电池放电将化学能转化为电能
D．小风扇工作将化学能转化为机械能
【答案】D
【解析】A．太阳能电池板工作时，消耗太阳能，产生电能，将太阳能转化为电能，故A正确，不符合题意；
B．给蓄电池充电，消耗电能，产生化学能，将电能转化为化学能，故B正确，不符合题意；
C．蓄电池放电，消耗化学能，产生电能，将化学能转化为电能，故C正确，不符合题意；
D．小风扇工作时将电能转化为机械能，故D错误，符合题意。
故选D。
4. 如图所示，用酒精灯加热试管里的水，产生的水蒸气将试管塞冲向空中。在这个过程中，能量转化的顺序为（　　）
A．内能——机械能——化学能 B．化学能——内能——机械能
C．机械能——内能——化学能 D．内能——化学能——机械能
【答案】B
【解析】用酒精灯加热水的过程中，酒精的化学能转化为试管和水的内能；当水沸腾时产生大量的水蒸气，试管内的气体压强增大，大于外界大气压，就会将塞子冲出，此过程中试管内水蒸气对塞子做功，水蒸气的内能减小，转化为塞子的机械能，所以，这个过程中能量转化的顺序是：化学能→内能→机械能，故B正确。故选B。
5. 下列能量转化或转移的情景中，属于能量转移的是（　　）
A. 燃料燃烧时发热 B. 用热水袋取暖
C. 钻木取火 D. 电动机带动水泵把地下水送到地面
【答案】B
【解析】A．燃料燃烧时，将化学能转化为内能，属于能量的转化，故A不符合题意；
B．用热水袋取暖，是热传递过程，内能从热水袋转移到其它物体向上，属于能量的转移，故B符合题意；
C．钻木取火，是克服摩擦做功，将机械能转化为内能，属于能量转化，故C不符合题意；
D．电动机带动水泵把地下水送到地面，电动机工作时将电能转化为机械能，属于能量的转化，故D不符合题意。故选B。
6. 我国发布了“十四五”可再生能源发展规划，确立了到2025年实现可再生能源年发电量达到3.3万亿千瓦时的目标，为此需要逐步减少（　　）
A. 煤炭、天然气发电 B. 太阳能、风力发电
C. 海水涨落的潮汐发电 D. 水力发电
【答案】A
【解析】能源按能否可再生分为可再生能源和不可再生能源。其中，太阳能、风能、潮汐能、水能等属于可再生能源，而煤炭、天然气属于不可再生能源，提高利用可再生能源发电的比例，需减小利用不可再生能源发电的比例，故A符合题意，BCD不符合题意。故选A。
7. 生活中涉及能量转化的事例有许多。下列事例正确的是（ ）
A.人运动时，糖原氧化的化学能转化为人运动的机械能和热能。
B.汽车运动时，汽油燃烧，化学能转化为势能。
C.试管中的水蒸气把橡胶塞弹出（实验时注意安全），水蒸气对橡胶塞做功，将水蒸气的内能转化成了橡胶塞的机械能。
D.电流流过电炉丝，电流做了功，将电能转化成了电炉丝的内能。
【答案】ACD
【解析】要认识不同形式能量之间的转化。要看这种能量用于什么目的，要是用于物体运动，就是转化为动能；要是用于物体被举高，就是转化为重力势能；要是用于物体发光，就是转化为光能；要是用于物体发热，就是转化为热能；要是用于物体弹性形变，就是转化为弹性势能；等等。
A.人运动时，糖原氧化的化学能转化为人运动的机械能和热能。
B.汽油燃烧，一般多数同学会答化学能转化为是热能。但要知道汽车运动时，产生的动能是汽油燃烧获得内能，推动活塞做功的结果。所以，汽车运动时，汽油燃烧，化学能转化为动能。
C.试管中的水蒸气把橡胶塞弹出，水蒸气对橡胶塞做功，将水蒸气的内能转化成了橡胶塞的机械能。
D.电流流过电炉丝产生电热，电流做了功，将电能转化成了电炉丝的内能。
8.舌尖上的美食。食物中所贮存的能量最终来自 　 。定期体检可以使我们及时、准确地了解自身健康状况。抽血检测前要求空腹，因为食物的消化产物主要在 　 　处被吸收进入血液后，会影响验血结果。
【答案】太阳能；小肠。
【解析】在生态系统中只有绿色植物才能进行光合作用组织有机物，有机物中储存着来自阳光的能量。所以，绝大多数生物体的生命活动所需能量最终来自太阳能，即食物中所贮存的能量最终来自太阳能。抽血检测前要求空腹，因为食物的消化产物主要在消化道的小肠处被吸收进入血液后，会影响验血结果。
9.不同形式的能量可以在一定条件下相互转化，如图中给出了两个实例，请你做一些补充。圆圈内A的能量形式是_____能，圆圈内B的能量形式是______能，序号⑤的实例有____________（选填“摩擦生热”或“燃料燃烧”）。大量事实表明，能量在转化和转移的过程中，能量的总量_______（选填“变小”、“不变”或“变大”）
【答案】内 电 摩擦生热 不变
【解析】由图知，电灯将电能转化为光能判断B能量为电能，加热器将电能转化为内能，故A为内能。
摩擦生热时克服摩擦做功，是通过做功改变物体的内能，机械能转化为内能。
根据能量守恒定律，能量在转化和转移的过程中，能量的总量不变。
10. 小球在摆动过程中（如图所示），由于摩擦的存在，一部分机械能会转化为 ，这部分能量不可能自动地再转化为机械能，如果没有能量的补充，小球最终会停止运动。研究表明，自然界的能量是守恒的，能量的转化与转移具有 性。
【答案】 内能 方向
【解析】小球在摆动过程中，克服摩擦做功，一部分机械能转化为内能，机械能会减小，散失到空气中的内能无法自动转化为机械能，说明能量的转移和转化具有方向性。
11. 1905年被誉为“爱因斯坦奇迹年”，为纪念“爱因斯坦奇迹年”100周年和爱因斯坦逝世50周年，2004年6月联合国大会将2005年定为“世界物理年”．除“相对论”以外，爱因斯坦的另一重大贡献是正确解释了“光电效应”现象，为量子理论的发展作出了重要贡献．在光电效应的诸多应用中，当前最值得关注的是光电池．如图所示是表示光电池工作原理的示意图：当太阳光照射到组成光电池的叠在一起的两片不同的半导体的表面时，将会产生光电效应，从而使电路中产生电流．回答下列问题：
（1）从能量转化的角度看，光电池是将 光能转化为 电能的装置．
（2）在纪念活动中，小明同学将他发明的令人称奇的“关门装置”（如下图）展示给大家．
1）根据图中场景，请你从A、B、C、D、E、F、G中任选三个环节，指出各自涉及的物理知识．
2）要保证“关门装置”能顺利工作，各环节的设计应符合一定的要求．请你针对其中的两个环节，谈谈设计时要注意的问题．
【答案】见解析。
【解析】（1）光 电(2) 1）在图中的A环节,小孩剪断线后,因为受到的浮力大于重力,气球将上升而碰撞转板一端,使其发生倾斜.B中的转板涉及了杠杆知识;C中的滑板是利用滚动代替滑动减小摩擦;D中的滑梯利用斜面,将重力势能转化为动能;E中的铁锤落下时将重力势能转化为动能;F中的跷跷板利用了杠杆;G中皮球弹起撞击门是机械能的转移.
2)A环节中气球受的浮力要足够大;B环节中的转板转动要非常灵活.
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沪科版2024九年级全册物理同步精讲精炼学案（全国通用）
第二十一章 能源、材料与社会
第一节 能量的转化与守恒
物理观念：能列举能量转化和转移的实例,知道能量守恒定律,知道能量转化和转移具有方向,能用能量守恒、能量转化和转移具有方向性的自然规律来分析自然现象、解释生产生活中的相关问题。
科学思维：能从能量转化和转移的角度认识效率,能用能量转化与守恒的观点分析问题。
科学探究: 通过对能量转移和转化的实际案例观察、分析,加深对能量转移、转化中的问题的认识。能从能量转化效率体会理想状态与实际的区别。
科学态度与责任：能体会能量守恒定律在科学发展中的意义。有主动提高效率的意识,能从能量转化和转移的方向性,领悟可持续发展的重要意义。能从能量守恒定律感受大自然的多样性与统一性,能体会物理学的发展深化了人类对自然的认识。
重点：能量守恒定律;能量转移和转化的效率。
难点：能用能量守恒、能量转化和转移具有方向性的自然规律去认识物质世界。
知识点1. 多种形式的能量
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。我们已学过机械能、电能和内能等，下面将学习化学能和核能。
1. 化学能
概念：是由于化学反应而产生的能量。
实例：木材的燃烧是一种化学反应，燃烧时产生的光和热就来源于木材里储存的化学能。食物也具有化学能，人们的生活、工作所消耗的能量就来源于食物里储存的化学能。
2. 核能
概念：是由于核反应，物质的原子核结构发生变化而释放的能量。
实例：原子弹、氢弹爆炸时释放的能量就来源于核能。
3. 交流与讨论：在日常生活和生产活动中处处都离不开能量。你能说出下列情形各种物体所具有的能量吗？
（1）山顶上的石块具有机械能；（2）滚动的足球具有机械能；（3）加热后的物体具有内能；
（4）牛奶、面包和水果具有化学能；（5）导线中的电流具有电能。
【注意】不同形式的能量区分
能量种类 概述
机械能 机械能包括动能和势能（势能包括重力势能和弹性势能）。
电能 发电机或电池等电源把其他形式的能转化为电能，电流通过用电器把电能转化为人们需要的能量形式。
内能 物体内所有分子无规则运动的动能以及分子势能的总和就是物体的内能。一切物体都有内能。
化学能 由于化学反应而产生的能量。
核能 由于核反应，物质的原子核结构发生变化而释放的能量。核电站工作、核弹爆炸的能量都来自核能。
太阳能 太阳辐射向地球传递的巨大的能量。
【例题1】下列物体所具有能量的形式表述正确的是（　　）
A．被大风摇动的树干不具有能量
B．米饭中储存着化学能
C．被拉伸的弹簧具有能量而被压缩的弹簧不具有能量入
D．水库中的水不具有能量，而只有当它从水库中流下时才具有能量
【答案】B
【解析】A．被大风摇动的树干具有动能，故A错误；
B．储存在食物中的能量是化学能，米饭中储存着化学能，故B正确；
C．被拉伸和被压缩的弹簧都有弹性势能，故C错误；
D．水库中的水由于位置较高，具有重力势能，故D错误。故选B。
（变式训练1）热机的特点是将燃料燃烧获得内能，然后通过做功驱动机器。它们都是利用了储存在燃料中的（　　）
A．势能 B．电能 C．化学能 D．机械能
（变式训练2）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这种能量，该能量是（　　）
A．电能 B．内能 C．机械能 D．化学能
（变式训练3）下列关于能的叙述不正确的是（　　）
A．人在跑步时要消耗体内的“能”
B．挂在树枝上的苹果没有运动，所以苹果不具有“能”
C．向日葵在太阳下不断生长时将太阳光中的“能”储存到体内
D．伽利略的斜面实验中，小球从斜面滚下后能滚上另一个斜面是因为小球具有“能”
知识点2. 能量的转移与转化
1. 能量的转移：同种形式的能量在不同物体之间或同一物体的不同部分之间发生转移，称为能量的转移。
2. 能量的转化
自然界中，能量不但可以从一个物体转移到其他物体，而且可以从一种形式转化为其他形式。
（1）能量转化的过程是一种形式的能转化为其他形式的能的过程。
（2）不同形式的能量可以在一定条件下相互转化，如图所示。
①钻木取火是机械能转化内能
②水轮机带动发电机发电是机械能转化电能
③LED灯发光是电能转化光能（和内能）
3. 地球上能量的来源
我们生产、生活中利用的能量大都来自太阳能。太阳辐射向地球传递了巨大的能量。
（1）水能和风能
水 、空气的流动产生了水能和风能，而水、空气流动的能量来自吸收的太阳能。
（2）煤、石油 、天然气等燃料中蕴含的能量
植物通过光合作用将太阳能转化为化学能储存在其体内，动物直接或间接地从植物中获取能量。古代的动物、植物遗体在地下或海底，经过一系列变化，变成了煤、石油、天然气等燃料。所以煤、石油 、天然气等燃料中蕴含的能量间接来自太阳能。
（3）直接利用太阳能：太阳能热水器、太阳能电池等。
【例题2】仿照例子，写出下列过程中能量转化或转移的情况.
例子：使用充电器为手机充电：电能转化为化学能.
（1）燃料燃烧：.
（2）壶中的水沸腾时，壶盖不断地跳动：.
（3）滑滑梯时，臀部会发烫：.
（4）风力发电机发电：.
（5）植物进行光合作用：.
【答案】见解析
【解析】（1）燃料燃烧是化学能转化为内能。
（2）壶中的水沸腾时，壶盖不断地跳动属于内能转化为机械能。
（3）滑滑梯时，臀部会发烫是机械能转化为内能。
（4）风力发电机发电是机械能转化为电能。
（5）植物进行光合作用是光能转化为化学能。
（变式训练1）能量的转换是自然界普遍的现象。下列关于能量转换的分析错误的是（ ）
A．水果电池：化学能→电能 B．发电机：电能→机械能
C．光合作用：光能→化学能 D．钻木取火：机械能→内能
（变式训练2）目前长沙城区的老居民小区正在进行水路改造，改造中用到了一种打孔工具﹣﹣冲击钻，冲击钻工作时，钻头在电动机的带动下不断地冲击墙壁，打出圆孔，如图所示，冲击钻在工作过程中，其能量转化关系是（　　）
A．内能转化为机械能
B．内能转化为电能
C．只有机械能和内能的转化
D．有电能、机械能和内能的转化
（变式训练3）雷电是大气中的放电现象，你能说出其中能量转化的方式吗
知识点3. 能量守恒定律
1. 能量守恒现象实例分析
（1）小球的摆动：如图甲，小球摆动时，势能与动能不断地相互转化。当小球到达最高处时势能最大；随着小球的下降，势能逐渐减小，动能逐渐增大，势能转化为动能；当小球下降到最低点时，势能最小，动能则最大。
小球摆动的高度越来越低，最后停下来。说明这个过程中机械能减小了，而摆动过程中要克服空气阻力做功，使小球和周围空气的内能增大。
甲 乙 丙
（2）乒乓球的弹跳：如图乙，从高处掉到地板上的乒乓球会先弹起后落下，落下又弹起，但是越跳越低，最终会静止下来。
这一过程中，小球的重力势能与动能不断地相互转化。乒乓球弹起的高度逐渐降低，说明总的机械能减小，而在这个过程中，乒乓球与地面碰撞及克服空气阻力做功，使乒乓球内能增大。
（3）跳动的小丑：如图丙所示的玩具小丑在跳动过程中，能量是如何转化的吗？
玩具小丑向上跳时，弹簧恢复原长，弹性势能减少，小丑速度不为零，具有动能，小丑高度增加，重力势能增加。在小丑向上跳的过程中，弹性势能转化为动能和重力势能。
小丑跳动的幅度越来越小，最后停下来。说明这个过程中能量减小了，而跳动过程中要克服摩擦阻力做功，使小丑和周围空气的内能增大。
分析与总结：
（1）小球、乒乓球和小丑的机械能减小，并不是能量丢失了，而是转化成了另一种形式的能——内能。小球摆动次数越多，乒乓球弹起次数越多，阻力对它们做的功就越多，小球和乒乓球的内能增大就越多，而摆动和弹起的高度越低，机械能减小就越多，减小的机械能转化为增大的内能。
（2）可见，一个物体能量减小，并不是能量消失了，而是转移给了其他物体，或转化成了其他形式的能量；一个物体能量增大，并不是凭空产生了能量，而是从其他物体获得或从其他形式的能量转化而来。
2. 能量守恒定律的内容
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能的总量保持不变。
3. 对能量守恒定律的理解
（1）能量守恒定律的普遍性
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。 自然界中的一切变化过程，只要有能量转移或转化，都遵循能量守恒定律。
（2）能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。
（3）能量守恒定律的成立是无条件的。
能量从一种形式转化为其他形式，一种形式的能量减少多少，其他形式的能量就会増加多少；能量从一个物体转移到另一个物体上，一个物体的能量减少多少，另一个物体的能量就増加多少。能量的总量保持不変。
注意：永动机的失败：不消耗能量，能够永远对外做功的机器——永动机是不存在的，它违背了能量守恒定律。
【例题3】（2026山东）我国某科技公司发射的太空算力卫星，将数据中心“搬”到太空，利用太阳能电池板发电，在太空完成计算、存储等任务，并将数据传回地球，其在轨运行示意图如图所示。
(1)太阳能是__________（选填“可再生”或“不可再生”）能源。
(2)卫星携带的算力芯片工作时，电能转化为内能，但这些内能无法自发地再转化为电能，说明能量的转化具有__________。在能量转化和转移的过程中，能量的总量_______。
(3)数据信息传回地球利用的是__________
(4)目前发射卫星使用的推进剂主要有液氢、偏二甲肼等。完全燃烧时，液氢产生的热量比等质量的偏二甲肼产生的热量多，这说明液氢的__________大。
【答案】(1)可再生 (2)方向性 保持不变 (3)电磁波 (4)热值
【解析】（1）太阳能可以从自然界源源不断得到补充，属于可再生能源。
（2）电能转化为内能后，这些内能无法自发地再转化为电能，说明能量的转化具有方向性。
根据能量守恒定律，在能量转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。
（3）太空与地球之间是真空，电磁波可以在真空中传播，故数据信息传回地球利用的是电磁波。
（4）由可知，完全燃烧相同质量的燃料，液氢产生的热量更多，说明液氢的热值大。
（变式训练1）关于能量守恒定律，下列说法正确的是（　　）
A．能量可以凭空消失
B．能量可以凭空产生
C．能量在转化和转移过程中，能量的总量保持不变
D．热机在工作的过程中不遵循能量守恒定律
（变式训练2）在各种形式的能量相互转化的过程中,下列说法中正确的是（ ）
A.机械能一定守恒
B.每种形式的能量都是守恒的
C.各种形式的能的总量守恒
D.只有机械能转化为内能才守恒
（变式训练3）有关能量守恒定律,下列说法中正确的是（ ）
A.能量守恒定律只适用于机械能与内能的相互转化
B.能量守恒定律只适用于能量转化过程
C.“摩擦生热”是创造了热,它不符合能量守恒定律
D.按照能量守恒定律,宇宙中的能量总和永远不会增减
知识点4. 能量转移与转化的方向性
1. 能量转移的方向性
（1）观察以下日常生活中经常发生的一些现象，为什么？
如图甲所示，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。
甲图 乙图
如图乙所示，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
（2）想一想，以下情况会发生吗
你坐在房间里，房间里充满空气。突然，这些空气自行聚拢到某一个角落，使你窒息，如图所示。
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，如图所示。
结论：能量转移的方向性。
2.能量转化的方向性。
我们从石油中提炼出汽油，汽车内燃机工作时，把汽油中的化学能转化为汽车的机械能、内能等。这些机械能、内能无法再转化回可以被利用的能源。所以说能量的转化是有方向的.
所以，能量转移与转化的方向性。
3.永动机：不需要外界输入能量或者只需要一个初始能量就可以永远做功，这样的一种机器称为永动机。实践证明，永动机的失败是由于违反了能量守恒定律，这种机械是不可能制造出来的 。
【例题4】下列关于能量转移和转化的方向性的说法中,不正确的是（ ）
A.在自然界中不是所有能量都能利用
B.能量的利用是有条件的,也是有代价的
C.不同温度的物体发生热传递时,热传递的方向只能从高温物体到低温物体,不会相反
D.汽车刹车时,车的动能转化为内能,这些内能可以自动收集起来,再作为车行驶的动力
【答案】D
【解析】 在自然界中不是所有能量都能利用,例如雷电带来的能量,还不能被人类所利用,A正确,不符合题意;能量的利用是有条件的,也是有代价的,例如利用核能来发电,一旦核泄漏,造成的后果将不堪设想,B正确,不符合题意;
热量可以自发地从高温物体传递给低温物体,但却不能自发地从低温物体传递到高温物体,说明能量转移具有方向性,C正确,不符合题意;
汽车刹车时,车的动能转化为内能,内能不可以自动地收集起来转化为机械能,说明能量转化具有方向性,D错误,符合题意。故选D。
（变式训练1）如图所示为一种人们设想中的永动机，它通过高处的水流冲击叶片，叶片的转动又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________（选填“能够”或“不能”）永远工作下去，因为在这一过程中会有一部分___________能转化为_________能，而能量的总量保持不变。
（变式训练2）2025年1月，中国“人造太阳”——全超导托卡马克核聚变实验装置实现1亿摄氏度高温下1066秒的稳态运行。在核聚变过程中核能转化为内能，但内能却不能自发地转化为核能。说明能量的转化具有____性；在能量转化和转移的过程中，能量的总量保持____。
（变式训练3）如图展示了一个极具想象力的设想，其大意是：上面水池中的水流下来，冲击叶轮转动；叶轮带动打磨轮和水泵的轴转动；人利用打磨轮打磨工件，同时，运转的水泵又把流到下面水池中的水抽到上面的水池中…，只要一开始在上面水池中注满水，就能通过水的上下循环，使机器不停地工作．
①你认为，上面水池中流下来的水，能否被水泵全部抽送到上面水池中？并说明理由．
②这个设想曾得到不少人的赞许，并把这个装置誉为“永动机”．请运用你掌握的知识，说明这个装置是否真能“永动”？
理解能量一些转化的实例图表
1.能量形式多种多样，下列有关物体具备的能量描述错误的是（　　）
A．风具有风能 B．奔跑的豹有动能 C．食物中有化学能D．跳水运动员有弹性势能
2. 以下情景中，将电能转化为机械能的是（　　）
A. 核电站利用反应堆产生内能 B. 电动机通电转动的过程
C. 光伏电池充电的过程 D. 汽油机的做功冲程
3．如图所示是一种太阳能背包。它的前面有一个太阳能电池板，里面有一个蓄电池，可以给手机、小风扇或数码相机等电子产品供电。下列说法错误的是（　　）
A．太阳能电池板将太阳能转化为电能
B．给蓄电池充电将电能转化为化学能
C．蓄电池放电将化学能转化为电能
D．小风扇工作将化学能转化为机械能
4. 如图所示，用酒精灯加热试管里的水，产生的水蒸气将试管塞冲向空中。在这个过程中，能量转化的顺序为（　　）
A．内能——机械能——化学能 B．化学能——内能——机械能
C．机械能——内能——化学能 D．内能——化学能——机械能
5. 下列能量转化或转移的情景中，属于能量转移的是（　　）
A. 燃料燃烧时发热 B. 用热水袋取暖
C. 钻木取火 D. 电动机带动水泵把地下水送到地面
6. 我国发布了“十四五”可再生能源发展规划，确立了到2025年实现可再生能源年发电量达到3.3万亿千瓦时的目标，为此需要逐步减少（　　）
A. 煤炭、天然气发电 B. 太阳能、风力发电
C. 海水涨落的潮汐发电 D. 水力发电
7. 生活中涉及能量转化的事例有许多。下列事例正确的是（ ）
A.人运动时，糖原氧化的化学能转化为人运动的机械能和热能。
B.汽车运动时，汽油燃烧，化学能转化为势能。
C.试管中的水蒸气把橡胶塞弹出（实验时注意安全），水蒸气对橡胶塞做功，将水蒸气的内能转化成了橡胶塞的机械能。
D.电流流过电炉丝，电流做了功，将电能转化成了电炉丝的内能。
8.舌尖上的美食。食物中所贮存的能量最终来自 　 。定期体检可以使我们及时、准确地了解自身健康状况。抽血检测前要求空腹，因为食物的消化产物主要在 　 　处被吸收进入血液后，会影响验血结果。
9.不同形式的能量可以在一定条件下相互转化，如图中给出了两个实例，请你做一些补充。圆圈内A的能量形式是_____能，圆圈内B的能量形式是______能，序号⑤的实例有____________（选填“摩擦生热”或“燃料燃烧”）。大量事实表明，能量在转化和转移的过程中，能量的总量_______（选填“变小”、“不变”或“变大”）
10. 小球在摆动过程中（如图所示），由于摩擦的存在，一部分机械能会转化为 ，这部分能量不可能自动地再转化为机械能，如果没有能量的补充，小球最终会停止运动。研究表明，自然界的能量是守恒的，能量的转化与转移具有 性。
11. 1905年被誉为“爱因斯坦奇迹年”，为纪念“爱因斯坦奇迹年”100周年和爱因斯坦逝世50周年，2004年6月联合国大会将2005年定为“世界物理年”．除“相对论”以外，爱因斯坦的另一重大贡献是正确解释了“光电效应”现象，为量子理论的发展作出了重要贡献．在光电效应的诸多应用中，当前最值得关注的是光电池．如图所示是表示光电池工作原理的示意图：当太阳光照射到组成光电池的叠在一起的两片不同的半导体的表面时，将会产生光电效应，从而使电路中产生电流．回答下列问题：
（1）从能量转化的角度看，光电池是将 光能转化为 电能的装置．
（2）在纪念活动中，小明同学将他发明的令人称奇的“关门装置”（如下图）展示给大家．
1）根据图中场景，请你从A、B、C、D、E、F、G中任选三个环节，指出各自涉及的物理知识．
2）要保证“关门装置”能顺利工作，各环节的设计应符合一定的要求．请你针对其中的两个环节，谈谈设计时要注意的问题．
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