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第1节　能量的转化与守恒
学习目标
1. 知道自然界中各种形式的能量（机械能、化学能、内能、电能、光能等）在一定条件下可以相互转化；
2. 理解能量守恒定律的内容，明确能量既不会凭空产生，也不会凭空消失；
3. 能区分能量的“转化”和“转移”，并能在具体实例中判断是通过哪种方式；
4. 知道永动机不可能制造的原因，认识能量守恒定律的普遍性。
课前·自主预习
一、能量的转化
阅读教材,完成下列问题。
1.自然界中存在着各种形式的能量,如机械能、化学能、内能、电能、光能、核能、潮汐能等。在一定条件下,各种形式的能量是可以__________的。
2.请结合右图中的实例,根据所标序号,任选四个,在表格内写出相应的能量转化的具体实例。
实例对应：①摩擦生热　②太阳能热水器　③电加热器　④电动机　⑤电灯　⑥太阳能电池　⑦蜡烛燃烧　⑧光合作用
实例 能量转化
①摩擦生热 机械能转化为内能
②太阳能热水器 太阳能转化为内能
③电加热器 电能转化为内能
④电动机 电能转化为机械能
⑤电灯 电能转化为光能(和内能)
⑥太阳能电池 光能转化为电能
⑦蜡烛燃烧 化学能转化为内能
⑧光合作用 太阳能转化为化学能
二、能量守恒定律
阅读教材,完成下列问题。
1.能量守恒定律的内容:能量既不会凭空_________,也不会凭空_________,它只会从一种形式__________为其他形式,或者从一个物体__________到其他物体,而在转化和转移的过程中,能量的总量__________。
2.不可能造出永动机的原因:任何一部机器,只能使能量从一种形式______为其他形式,而不能无中生有地制造__________。因此,根本不可能造出永动机。
课堂·互动理解
一、正确理解能量的“转化”和“转移”
1.能量的转化:能量的转化往往伴随着物体做功,能量的形式发生了变化。注意:在能量转化的过程中,一种形式的能量增加了,肯定有其他形式的能量减少了。例如:弯折铁丝时,铁丝温度升高,内能增加,通过做功的方式使机械能转化成了内能。
2.能量的转移:能量的形式不变,但能量的载体发生变化。例如:用电热锅烧水时,内能从高温的电加热器转移到低温的水和锅上。再如:流水推动水轮机转动,水的机械能转移到水轮机上。
跟踪训练1(2024·湖南中考)
有关能量的转移、转化和利用,下列说法正确的是(　　)
A.用电烤炉取暖,是电能转移到人体
B.钻木取火,是内能转化为机械能
C.热水泡脚,是通过热传递的方式增大脚部的内能的
D.用嘴对着手“哈气”取暖,主要是通过做功的方式增大手的内能的
二、能量守恒定律的理解和应用
1.能量守恒定律的普遍性:能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的基本定律之一。自然界中,所有能量转化的过程,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.不需要动力就可以源源不断地对外做功的机器——永动机是不可能制成的,因为它违背了能量守恒定律。
4.能量守恒定律的成立是无条件的,一种形式的能量减少多少,其他形式的能量就会增加多少;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了多少,另一个物体的能量就增加了多少,能量的总量保持不变。
跟踪训练2
如图所示的摆设,正常运行时,小轮在支架上来回摆动,每次到达的最大高度相同。小斌发现摆设上有一电源,关掉电源后,小轮逐渐停下来。下列说法正确的是(　　)
A.小轮滚动过程中没有力对其做功
B.正常运行时,小轮的速度一直不变
C.断电后小轮最终会停下,说明能量守恒定律不一定成立
D.正常运行时,小轮往返一次,摆设一定需要消耗电能
【易错提醒】把握题目中温度的含义:水的初温t 水=25 ℃,金属块的初温t 金=100 ℃,水和金属块的末温t=30 ℃;水吸收热量,温度升高;金属块放出热量,温度降低。
课后·知能演练
基础巩固
1.关于能量的转化和转移,下列说法正确的是(　　)
A.蓄电池充电时,化学能转化为电能 B.暖瓶塞跳起时,机械能转化为内能
C.用热水袋取暖时,内能发生了转移 D.双手摩擦生热时,内能转化为机械能
2.右图是小球在地面上弹跳的频闪照片,下列说法正确的是(　　)
A.小球弹起的高度越来越小,说明此过程中能量不守恒
B.根据能量守恒定律,在此过程中小球的机械能总量是保持不变的
C.在小球的运动过程中,有一部分机械能转化成了内能
D.此过程说明能量守恒定律需要建立在一定条件之上才能成立
3.在房屋装修中常用到一种打孔工具——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,其能量转化情况是(　　)
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
4.(多选)有人设想的“永动机”如图所示。下列对该装置开始转动后的分析正确的是(　　)
A.装置所具有的机械能始终不变
B.如果没有能量补充,装置最终会停下来
C.根据能量守恒定律,装置可以一直转动下去
D.装置中小球的动能和重力势能在相互转化
素养提升
5.科技馆里有一种“水车”,其结构如图所示,叶片由高分子聚合材料制成,其特点是在常温下,叶片是平直的,在高温下,叶片可向一侧弯曲。当把水车的下半部分放进热水中时,水车就可以转动起来,有人说这种水车是永动机,因为它没有外部动力也能转动,你认为这种说法　　　　(选填“正确”或“不正确”),理由是　 　　　　　　　　　　。
拓展探究
6.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)整个过程中能量是否守恒 请做出具体解释:　　　　　　　　　　　　　　。
(2)排球从接触地面到形变达到最大的过程中,速度v与形变大小ΔV之间的关系大致如图所示。请说明该过程中,排球受力情况与机械能变化情况:　　　　　　　　　。
参考答案
课前·自主预习
一、1.相互转化。
二、1.消失;产生;转化;转移;保持不变。2.转化;能量。
课堂·互动理解
跟踪训练1：C。解析:电烤炉是利用电流的热效应工作的,电烤炉工作时,将电能转化为内能,内能再通过热传递转移到人体,而不是电能直接转移到人体,A错误。钻木取火是通过做功的方式将机械能转化为内能的,B错误。热水泡脚,热量从热水转移到脚上,这是通过热传递的方式来增大脚部的内能的,C正确。对着手“哈气”取暖,是通过热传递来改变物体内能的,D错误。
跟踪训练2：D。解析:小轮在滚动过程中,要克服摩擦力做功,A错误。正常运行时,小球从最高点滚下,重力势能转化为动能,因为小球的质量不变,所以小球的速度增大,B错误。小球在滚动过程中要克服摩擦力做功,小轮要持续往返运动,必须要有能量补充,即要消耗电能;断电后,小球克服摩擦力做功,一部分机械能转化为内能,但能量仍然是守恒的,C错误,D正确。
课后练习
1.C　解析 蓄电池充电时,将电能转化为化学能;暖瓶塞跳起时,瓶内空气对瓶塞做功,空气的内能转化为瓶塞的机械能;利用热水袋取暖时,热水袋的内能转移到人体上;双手摩擦时,机械能转化为内能。
2.C　解析 由题图可知,小球运动过程中弹起的高度越来越小,说明重力势能越来越小,同时速度越来越慢,说明动能越来越小,所以小球的机械能在减少,机械能减少的原因是小球在地面弹跳的过程中与空气摩擦做功,与地面撞击做功,将部分机械能转化为内能,可见,在此过程中,小球的机械能不守恒,但能量的总量是守恒的,A、B错误,C正确。能量守恒定律是自然界最普遍的基本定律之一,适用于所有的能量转化过程,能量守恒定律的成立是无条件的,D错误。
3.D　解析 冲击钻的钻头在电动机的带动下不断冲击墙壁的过程中,电动机转动将电能转化为机械能,冲击墙壁时机械能又会转化为内能,使钻头和墙壁发热,D正确。
4.BD　解析 装置在工作过程中,小球的高度、速度在发生变化,高度大时速度小,高度小时速度大,所以小球的动能和重力势能之间在不断地发生转化,D正确。装置在工作过程中要克服摩擦做功,将一部分机械能转化为内能,所以装置所具有的机械能会变小,A错误。由于在转动的过程中,机械能在不断变小,如果没有其他能量的补充,该装置不会一直转动下去,而是逐渐变慢,最终会停下来,B正确,C错误。
5.不正确　从能量的转化角度分析,该水车是将内能转化为机械能的装置,热水在推动叶片做功时,要消耗水的内能,水的温度会逐渐降低,如果不及时添加热水,当水温降至室温时,水车就会停止转动
解析 当水车的叶片浸在热水中时,由于温度升高,叶片会向一侧迅速弯曲,给热水施加一个力的作用。由于物体间力的作用是相互的,热水也会对叶片施加一个作用力,使水车转动起来;当叶片转出水面时,温度降低,叶片又恢复成平直的状态,这个过程不断地进行,就会使水车不停地转动。水车转动的过程中,要消耗热水的内能,将热水的内能转化为水车的机械能,看起来水车没有外部动力,实际上消耗的是热水的内能。
6.(1)排球下落和与地板的每次碰撞及排球上升过程中,能量始终守恒。虽然排球与空气摩擦、与地板碰撞过程中有机械能转化成内能,但是这些能量的总和仍然保持不变
(2)排球接触地面后,始终受到重力和地面的弹力。从A点到B点排球的重力势能转化成动能和弹性势能。到B点时,动能达到最大。从B点到形变达到最大的C点的过程中,重力势能和动能全部转化成弹性势能
解析 (1)排球在下落时将重力势能转化为动能,在刚刚接触地面时,将动能转化为排球的弹性势能,此时排球发生形变,当排球的形变最大时,其弹性势能最大;当排球恢复形变时,弹性势能又转化为动能和重力势能。在排球下落和上升时,要克服空气阻力做功,将机械能转化为内能,排球与地面碰撞时,也有一部分机械能转化为内能,但能的总量不变,即能量守恒。(2)根据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之间的关系图分析排球受力情况与机械能变化的关系时,一是要注意排球从接触地面到形变最大的过程中,排球受到的弹力逐渐增大,而排球受到的重力不变,由此说明排球的受力情况;在说明机械能的变化时,要注意从影响动能、重力势能和弹性势能的大小因素来分析,通过减少的能量会转化成增加的能量,来确定机械能的转化情况。
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