浙教版科学2021-2022学年上学期九年级“培优提高”讲义（三十）：能量转化与守恒【word，含答案】

一、能量的相互转化
1、自然界中能量的形式
机械能、内能、化学能、电能、太阳能、生物能、地热能、潮汐能、核能等多种形式，各种形式的能量不是孤立的，而是相互联系的。
能量可以在两个物体之间转移，能量形式也可以转化。
青蛙从地上跃起捕捉害虫。在这个过程中，青蛙消耗了什么能？这些能量到哪里去了？青蛙获得了什么能？这些能量来自哪里？
青蛙从地上跃起捕捉害虫。在这个过程中，青蛙消耗了化学能，这些能量转化为机械能；青蛙获得了机械能，这些能量来自害虫的化学能。
大量事实表明，自然界中各种形式的能量都不是孤立的，不同形式的能量之间会发生相互转化，能量也会在不同的物体间相互转移。
平常我们所说的“消耗能量”、“利用能量”或者“获得能量”，实质上就是能量相互转化或转移的过程。
氢氧化钠在水中溶解，温度会升高；硝酸铵在水中溶解，温度会降低。这两种物质在溶解过程中，能量的形式各发生了怎样的转化？
氢氧化钠在水中溶解温度会升高是把化学能转化为内能。
硝酸铵在水中溶解，温度会降低是把内能转化为化学能。
光合作用——地球上最主要的能量转化过程
阅读课文回答什么是光合作用？为什么说光合作用是地球上最主要的能量转化过程。
光合作用：是指植物利用光能，把二氧化碳和水转化成有机物，并释放出氧气的过程；因为光合作用不仅为生物体提供食物和能量，也是目前世界上主要动力的源泉。人类利用的煤、石油、天然气等化石能源，是古代植物进行光合作用攒积下来的。因此，光合作用是地球上最主要的能量转化过程。
二、能量的转化与守恒定律
我们已经知道，能量有机械能、电能、内能、化学能及核能等各种不同形式，
各种形式的能量可以在一定条件下相互转化。那么在相互转化的过程中能量的多少是否发生变化呢？
不是全部转化重物的机械能，电动机消耗的电能一部分转化为重物的机械能一部分转化为内能；如果把转化后的各种形式的能量全部加起来跟电动机消耗的电能相等。
大量事实告诉我们，任何一种形式的能量在转化为其他形式的能量过程中，消耗多少某种形式的能量，就得到多少其他形式的能量，能量的总量是保持不变的。
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世纪确立了自然界最普遍的规律之
一——能量守恒定律。
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。
注意：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。无论是宏观物体运动还是微观粒子运动，都遵循这个定律。
1、你知道什么是永动机吗？
永动机：不消耗任何能量和燃料，却源源不断对外做功的机器。
2、如图所示，达·芬奇曾设计了一个
“永动机”一只圆轮，里面装有可以自由滚动的重钢球。利用隔板的特殊形状，使轮子一边的钢球总是滚到另一边距离轮心远些的地方，这样，在钢球的重力作用下，轮子便会转动不息。你认为这个“永动机”能旋转不息吗？为什么？
这个“永动机”不可能旋转不息因为圆轮转动是要克服摩擦力和空气阻力消耗能量，即机械能会转化为内能。
根据能量的转化和守恒定律可知：机械能逐渐减少，经过足够长时间，机械能会全部转化为内能。
三、能量的转移和转化的方向性
永动机”制造一直失败的原因是：它违背了能量的转化和守恒定律。那么，遵循能量的转化和守恒定律的事件是否一定会发生呢？
一块炽热的铁块投入水中时能量发生怎样的转移？
当一块炽热的铁块投入水中时，内能从铁块传递给水，最后两者达到相同的温度。但是，铁块不可能自发地从同温度的水中吸收热，使自己变得炽热。
热量的转移是有方向性的，热量只能自发地从高温物体传向低温物体，而决不会反向转移。
当杂技演员沿竹竿下滑时，能量又是如何转化？手和竹竿的内能，能使演员上升吗？
当杂技演员沿竹竿下滑时，演员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。但是，相反的过程也不会自发地发生，即手和竹竿不可能自发地降低温度，而使人的位置升高，尽管这一过程也不违反能量转化和守恒定律。
归纳总结：
（1）能量的转化和转移是有方向的，内能不能自发地从低温物体传到高温物体。我们是在能量转移或转化过程中利用能量的。
（2）能量的利用率不可能达到100%
能量的转化和守恒定律的建立
1840
年，德国医生迈尔（Julius
Robert
von
Mayer）从生理学角度对能量进行了研究，他发现病人的静脉血比他预计的要红得多，因此他开始思考动物热的问题，并由此萌发了所有形式的能量都可以相互转化的想法。他还分析了多种能量的转化和守恒的现象，成为首先阐述能量守恒思想的人。
从
1840~1878
年的近
40
年时间里，英国科学家焦耳研究了电流热效应、空气压缩时温度的升高以及电、化学和机械作用之间的联系。他发现了焦耳定律，得出了电能向内能转化的定量关系。他做了
400多次实验，用各种方法测定热与功之间的当量关系，精确地测定了热和机械功之间的当量关系的数值，为能量守恒定律的确立奠定了定量的实验基础。
1847
年，德国科学家亥姆霍兹（Hermann
Ludwig
Ferdinard
von
Helmholtz）发表了《论力的守恒》一文，把能量的概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学等领域，系统、严密地阐述了能量守恒思想。他分析了机械能、化学能、电磁能等不同形式能量的转化和守恒，并把能量守恒与永动机不可能制成联系起来。他认为机器只能转化能量，而不能创造和消灭能量。他对能量守恒定律作出了清晰、具有说服力的论述，从而使能量转化和守恒定律得到人们的广泛接受。
可见，能量转化和守恒定律是众多科学家集体智慧的结晶。
例1、关于做功或能量转化的过程中，下列说法正确的是(???
)
A.汽油机在压缩冲程中，是内能转化为机械能
B.拉弯的弓将箭射出，其弹性势能主要转化为动能
C.电动机工作过程中，是机械能转化为电能
D.吊车吊着货物沿水平方向移动一段距离，此过程中货物的重力对自身做了功
例2、如图所示，白炽灯的能量转化示意图表明其工作时的效率为________；一盏工作时的效率为30%的节能灯，要达到60W白炽灯的亮度，其功率应为________W。节能灯产生的内能散失到空气中，无法自动转化为电能，表明能量的转化具有________。
例3、英国物理学家斯特林于1816年发明了“斯特林发动机”。斯特林发动机气缸内工作介质易汽化、易液化，该介质经过吸热膨胀、冷却压缩的循环过程输出动力，因此又被称为热气机。某工程师按照“斯特林发动机”原理设计了如图甲所示的模型机，工作过程中飞轮持续旋转如图乙。请结合所学知识解释飞轮能持续转动的工作原理。
例4、随着世界性能源危机的日益加剧，一向为人们所唾弃的垃圾也身价倍增，变成了能源再生的“宝库”。利用垃圾的一种方式就是将垃圾填埋后，通过厌氧发酵产生沼气，这些沼气燃烧，产生高温燃气，推动汽轮机转动，汽轮机驱动发电机来发电。
（1）根据上面的短文，请你将垃圾发电过程中的能量转化填写完整。
（2）垃圾填埋后产生的沼气是一种________（填“可再生”或“不可再生”）能源．利用垃圾发电与传统的垃圾填埋处理方法相比有哪些优点（写出一条）：________。
（3）若每吨填埋垃圾可产生沼气150m3，集中收集后可发电250kw?h，巳知沼气的主要成分是甲烷，其热值为2.0×107J/m3，则沼气发电的效率为多少？
1.根据能量守恒定律，判断下列说法正确的是(???
)
A.发电机可以产生电能
B.电动机工作时消灭了电能
C.发电机和电动机都是转化能量的机器
D.自然界各种能量不断地相互转化，人类不断地消耗各种能量，总能量在不断减少
2.根据能量守恒定律，以下情形可能发生的是（?
）
A.出膛的子弹射穿木板，以更快的速度继续前进
B.电水壶里的水沸腾了，给该电水壶断电，水的沸腾却永远不会停止
C.两个斜面相对接，小球从左斜面滚下后，继续冲上右斜面
D.孤岛上被人们遗忘的一只机械表，默默地走了几十年
3.如图所示，连着弹簧的小球套在水平杆上，弹簧自由伸长时，小球位于O点．小幅度向左或向右改变小球位置，小球仍能静止．现较大幅度改变小球位置，把小球移至A点后使其静止，然后释放．
（1）小球向右运动过程中速度最大点出现在________（选填“O点”、“O点左侧”、“O点右侧”、“都有可能”）;
（2）小球第一次向右经过O点至到达最右端B的过程中能量转化情况为________;
（3）小球最终静止的位置是________（选填“O点”、“O点左侧”、“O点右侧”、“可能是O点，也可能偏左或是偏右”）．
4.众所周知，爱因斯坦是一位伟大的理论科学家，他曾发明过“环保”不耗电的电冰箱．这种电冰箱内部有一种小型的浸入式致冷器，它能浸在需要冷却的液体中。这种电冰箱根本不需要常规电源，它的运行仅靠水龙头的压力，带动一台射水泵，从而在一个气室内产生真空，水和少量甲醇则在此处化为蒸气．管中甲醇会慢慢用完，但是这种液体不仅价格便宜，而且很容易弄到。这种冰箱在工作时，被冷却的液体内能________（选填“增大”、“减小”），
你认为这种不用电的冰箱________（选填“遵守”或“不遵守”）能量守恒定律。
5.光滑斜面甲与水平面AB平滑连接。从斜面甲高H处静止释放小球，小球运动到B点静止，如图甲。在
AB上的C点平滑拼接另一光滑斜面乙，已知AB＝3
AC，如图乙。回答下列问题：如果小球从斜面甲高H处静止释放，说明小球在乙斜面到达的最大高度h与H的数量关系及理由。
6.如图所示是某研究小组精心设计的一种机械，高处的水通过左侧的管道向下流动，水流冲击叶片，叶片的转动带动砂轮转动，就可以打磨需要的工件，同时带动右侧的抽水器将水从低处抽到高处，继续向下流动，从而永不停歇。你认为这种机械是否能够一直工作下去？请说明原因。
1.水流在推动水轮机的过程中做了3×108J的功，这句话应理解为(???
)
A.水流在推动水轮机前具有3×108J的能量
B.水流在推动水轮机后具有3×108J的能量
C.水流在推动水轮机的过程中具有3×108J的能量
D.水流在推动水轮机的过程中能量减少了3×108J
2.为解决日益加剧的温室效应等问题，科学家正在研究建立如下图所示的二氧化碳新循环体系：
上述关系图能反映的观点或思想有（??
）
①
化学变化中元素种类是守恒的?
②燃烧时化学能可以转化为热能和光能
③
二氧化碳也是一种重要的资源?
④无机物和有机物可以相互转化
A.①②④????B.①②③????C.②③④????D.①②③④
3.过山车是一种富有刺激性的娱乐工具，小江同学制作了一个过山车模型，如图所示，他把重力为G的铁球放在A点，然后让它沿轨道滚下，轨道的右侧有一弹簧，铁球先后经过B、C、D点，到达E点，已知B点离台面高度为零，A、D点离台面的高度分别为hA、hD
（整个过程中不计摩擦及能量损耗），则从A位置到B位置铁球的重力做功是________；C点小球具有的机械能大小________；当到达E点时，弹簧最短，小球的速度变为零，小球________（选填“处于”“不处于”）平衡状态；铁球从A运动到E的过程中，弹簧的弹性势能增加量为________．
4.浅层地热能是指蕴藏在地表以下一定深度范围内的岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的天然绿色能源。
（1）如图甲所示为一一个地热发电装置简图，地热井口喷出来的水汽混合物经处理后，蒸汽送入汽轮机进行发电。地热发电过程中的能量转化情况是________→________→电能。
（2）如图乙所示是利用浅层地热能调节室温的原理图。具体做法是：往地下打孔；接入管道，然后通入自来水。冬天，自来水通过管道流入地下，被增温层加热，再循环出来就能提高室内温度；夏天则相反。利用浅层地热调节室温，是通过________的方式改变了内能，用自来水作循环工作的物质，是因为水的________大。
（3）存在于岩石圈中的地下水是含有各种气体、离子、有机物和微生物等的混合物，主要的气体成分是O2、N2和CO2，有机质的发酵与植物的________(填生理过程)使土壤中源源不断产生CO2，并溶入流经土壤的地下水中。
5.某同学观察到气象站每日放飞探空气球，如图甲，探空气球下吊有测量仪器，气球和仪器一起匀速上升，他认为它们的机械能增加了，增加的机械能是什么能量转化来的呢？
（1）首先排除了气球增加的机械能是由空气的内能转化而来，理由是________。
（2）那么增加的机械能究竟是什么能量转化而来的呢？老师做了以下实验：先把木块压入水中，当撤去压力时，木块上浮。木块升高了，同时会有一部分水下去填补木块原来占据的位置，当木块最终漂浮后，水面有所下降。气球在空气中的上升和木块在水中的上浮原理是相同的，从能量转化和守恒角度分析该同学提出的问题：
6.氢燃料是一种绿色能源，氢燃料电池的工作原理如图所示：
（1）氢燃料电池在放电时将________能转化为________?能；
（2）已知某氢燃料电池车的电动机的输出功率为40kW，以72km/h的速度在水平道路上匀速行驶。求此时汽车与地面之间的摩擦力；
（3）在上一问的基础上，若汽车匀速行驶了180km，该燃料电池车能量转化的效率为60%，求需要消耗的氢气的质量(氢气的热值为1.5×108J/kg)。
参考答案
例1、B
例2、10%；20；方向性
例3、酒精灯加热将化学能转化为内能，热气缸中的工作介质吸热汽化膨胀，推动活塞A向右运动做功，将内能转化为机械能；由于飞轮具有惯性，带动活塞A向左运动，活塞A将热气缸中的工作介质推入冷气缸并液化，活塞B又将介质推回热气缸。如此反复。
例4、（1）内能；机械能（2）可再生；节约能源（或环保或减少污染）（3）30%
1.C
2.C
3.（1）O点左侧（2）动能转化为内能和弹性势能（3）可能是O点，也可能偏左或是偏右
4.减小；遵守
5.释放点到B点静止，减少的机械能等于在AB水平面上由于摩擦而损耗的机械能。因为AB＝3AC，所以在AC上损耗的机械能是AB上的三分之一，所以乙斜面上时机械能比甲斜面上时的机械能少三分之一，故上升高度h=
6.此“永动机”中，高处的水流冲击叶片转动对外做功时，因为摩擦等原因，有部分机械能转化为其他形式的能，从高处流下的水不可能全部被抽回原高度，根本不能一直工作下去。
1.D
2.D
3.GhA；GhA；不处于；G（hA﹣hD）
4.（1）内能；机械能（2）热传递；比热容（3）呼吸作用
5.（1）在探空气球上升的过程中，由于克服空气摩擦，其内能增加；所以探空气球机械能的增加不是内能转化来的
（2）与木块在水中上升相似，探空气球在空气中上升，其机械能增加。气球上升后，周围有一部分空气流过来填补气球原来占据空间的空缺，所以空气下降，其机械能减小。所以探空气球的机械能是由空气的机械能转化而来
6.（1）化学；电
（2）电动机产生的牵引力；
当汽车匀速直线行驶时，它受的摩擦力与牵引力相互平衡；
那么汽车与地面的摩擦力f=F=2000N；
（3）汽车做的功W=Fs=2000N×（1.8×105m）=3.6×108J；
氢气放出的热量；
消耗氢气的质量：。
2021-2022学年上学期浙教版科学九年级“培优提高”讲义（三十）
能量转化与守恒