人教版九年级物理全册预习学案——14.3 能量的转化和守恒（有答案）

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第十四章 内能的利用
第3节 能量的转化和守恒
要点一、各种形式的能量
能量是物质的一种存在形态，它的表现形式是多种多样的。
能量可分为机械能、化学能、内能、电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等。其中，机械能、内能、化学能、电能、光能、核能为六种基本形式的能。
要点二：能量的转化
在一定条件下，各种形式的能量是可以相互转化的；
例如：摩擦生热，机械能转化为内能；
水电站里水轮机带动发电机发电，机械能转化为电能;电动机带动水泵把水送到高处，电能转化为机械能；
植物吸收太阳光进行光合作用，光能转化为化学能；
燃料燃烧时发热，化学能转化为内能....
2.能量的转化与转移的区别
(1)能量的转化,是指通过做功使能量的形式发生了改变,是一种形式的能转化为另一种形式的能。
(2)能量的转移,是指同一种形式的能从一个物体转移到另--个物体,能量的形式没有改变,如热传递。
要点诠释：
(1)不同形式的能量在一定的条件下可以相互转化。能量的转化伴随着物体做功而表现出来，能量的形式发生改变。如打铁时铁块的温度升高，内能增加，就是通过做功使机械能转化为内能。
(2)发生能量的转移时，能量的形式没有发生改变，能量转移的形式是热传递。
(3)能量的转化和转移是有方向性的。例如，永动机不可能制成，题为机械在运动过程中，柯避兔地存在摩擦,将机械能转化为热，向四周扩散,称为“无用的能量",所以任何运动着的机械需要不断补充能量。
要点三、能量守恒定律：
内容：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，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，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。
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，小到原子核,大到宇宙天体，只要有能量转化,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，- 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。
要点诠释：
(1)能量守恒定律是普遍适用的规律。大到天体，小到原子核，无论是物理学的问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都服从能量守恒定律。能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系。能量守恒定律是人类认识自然、利用自然、保护自然的有力武器。
(2)机械能守恒与能量守恒定律的区别：机械能守恒是有条件的，即没有能量损失或额外的能量补充。能量守恒定律的成立不需要条件，这是因为能量转化的形式是多样的，可以在机械能、内能、化学能、电能、光能和原子能间相互转化，不限于动能和势能之间。
要点三、永动机
永动机是一种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的机器。在历史上，永动机一直被人们讨论和研究，但是，很多人并不清楚这背后到底有什么意义。在人们的想象中，永动机是一种机械装置，它可以不停地自动运动,而且还可以举起重物等，做一些有意义的事情。13世纪就有人试图想制造这种机械装置，但是直到21世纪也没有人真正制造出来。
永动机是不可能制造出来的，原因是它违背了能量守恒定律。
3.5.1知道能量守恒定律。列举日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的观点分析问题的意识。
3.5.2从能量转化和转移的角度认识效率。
3.5.3列举能量转化和转移具有方向性的常见实例。
能列举能量转化和转移的实例，知道能量在转化和转移过程中是守恒的，认识机械功、热量、电功、热值等是与能量转化或转移密切相关的物理量，知道它们的含义；能用能量转化与守恒的观点解释常见的自然现象，解决日常生活中的有关问题，形成初步的能量观念。
【例题1】物理学中，我们把物体位置的变化叫 ，能量是与物体运动有关的物理量。现代生活需要的电能来自发电厂，在火力发电厂煤炭燃烧，释放出的能量一部分 转化成电能，而煤炭是上亿年前的植物储存的 能。
【分析】
物体位置变化的运动叫机械运动；
火力发电厂燃烧的煤炭是上亿年的植物形成的，植物通过光合作用将太阳能转化为化学能储存在植物体内。
【解答】
物理学中，我们把物体位置的变化叫机械运动，能量是与物体运动有关的物理量。
现代生活需要的电能来自发电厂，在火力发电厂煤炭燃烧，释放出的能量一部分内能转化成电能，而煤炭是上亿年前的植物储存的化学能。
故答案为：机械运动；内能；化学。
【例题2】如图所示是“风光互补”景观照明灯，它“头顶”小风扇，“肩扛”电池板，“脚踩”蓄电池，“腰”挎照明灯，下列解释合理的是（　　）
A．光电池板是将光能转化为电能
B．照明灯工作时，LED 灯是将光能转化为电能
C．小风扇是风力发电机，将电能转化为机械能
D．蓄电池在夜晚放电时，将电能转化为化学能
【分析】
（1）光电池板将光能转化为电能；
（2）用电器工作时将电能转化为其他形式的能量；
（3）风力发电机将风能转化为电能；
（4）蓄电池放电时将化学能转化为电能
【解答】
A、太阳能电池板是将光能转化为电能，故A正确；
B、照明灯消耗电能而发光，将电能转化为光能，故B错误；
C、风扇式发电机可以通过风吹动扇片转动，把风能转化为电能，故C错误；
D、蓄电池在夜晚放电时，将化学能转化为电能，故D错误。
故选：A。
【例题3】《天工开物》中记载有一种自动引水灌溉工具——“高转筒车”（如图）。使用时下方转轮安装在河道中，流水驱动轮子转动，系在传动绳索上的竹筒将水从河里源源不断输送到上方农田中。下列说法正确的是（　　）
A．这是一台“永动机”
B．水在输送过程中重力势能不变
C．转轮转速越快输水做功功率越大
D．上、下两个转轮可分别看作定滑轮和动滑轮。
【分析】（1）自然界中能量是守恒的，但机械能在转化时往往存在能量的损耗，一部分机械能会转化为内能散失到空气中；
（2）重力势能的大小与质量和高度有关；
（3）功率是表示做功快慢的物理量；
（4）“高转筒车”在转动时，它的轴始终是固定不动的。
【解答】解：A、这一装置在工作时，存在摩擦和空气阻力，不是一台“永动机”，故A错误；
B、水在输送过程中高度改变，所以重力势能改变，故B错误；
C、转轮转速越快，相同时间内输水做功越多，则功率越大，故C正确；
D、上、下两个转轮在转动时，它们的轴始终是固定不动的，不符合动滑轮的特点，里面不存在动滑轮，故D错误。
故选：C。
【例题4】下列从能量转化的角度阐释的效率的意义，说法错误的是（　　）
A．某电热水器工作的效率是87%，意义是该电热水器可以把87%的电能转化为内能
B．某电动机工作的效率是83%，意义是将消耗掉的电能的83%转化为机械能输出
C．某锂电池充电时的效率是99%，意义是将消耗掉的化学能的99%转化为电能储存起来
D．某柴油机工作的效率是35%，意义是柴油燃烧时释放的能量的35%转化为机械能
【分析】能量转化率是指输出有效能量与输入能量之比。
（1）电热水器工作的输入能量是指消耗的电能，输出的有效能量是转化的内能；
（2）电动机工作的输入能量是指消耗的电能，输出的有效能量是指转化的机械能；
（3）锂电池充电时的输入能量是指消耗的电能，输出的有效能量是指转化的化学能；
（4）柴油机工作的输入能量是指柴油完全燃烧放出的热量，输出的有效能量是指转化的机械能。
【解答】解：A、某电热水器工作的效率是87%，意义是该电热水器可以把87%的电能转化为内能，故A正确；
B、某电动机工作的效率是83%，意义是将消耗掉的电能的83%转化为机械能输出，故B正确；
C、某锂电池充电时的效率是99%，意义是将消耗掉电能的99%转化为化学能储存起来，故C错误；
D、某柴油机工作的效率是35%，意义是柴油完全燃烧时释放的能量的35%转化为机械能，故D错误。
故选：CD。
【例题5】抽水蓄能电站是电力保障项目之一。该电站可以利用风能和光能资源充足时发电获得的部分电能，将水抽到高处转化为水的机械能储存起来，需要时再利用水的势能发电，从而弥补了风能、光能不稳定且转化的电能难储存的不足，实现风、光与水电的互补，堪称电力系统的巨型“充电宝”。下列有关说法正确的是（　　）
A．风能和光能不可从自然界直接获取
B．该电站抽水蓄能时可将电能转化为机械能，发电时可将机械能转化为电能
C．根据能量守恒定律可知，该电站抽水时消耗的电能全部转化为水的机械能
D．风能、光能、机械能、电能可以相互转化，说明能量的转化是没有方向性的
【分析】（1）可再生能源的概念：像风能、水能、太阳能等可以在自然界源源不断地得到，把它们称为可再生能源。不可再生能源的概念：化石能源、核能等能源会越用越少，不能在短期内从自然界得到补充，这类能源称为不可再生能源。
（2）电动机工作时，将电能转化为机械能；发电机工作时，将机械能转化为电能。
（3）在能量转化过程中，总存在一定的能量损耗。
（4）能量的转化、能量的转移都是有方向性的，要逆向转化或转移能量，就会消耗其他的能量。
【解答】解：A、风能和光能是可再生能源，故A错误；
B、该电站抽水蓄能时，可将电能转化为机械能储存起来，发电时可将机械能转化为电能，故B正确；
C、该电站抽水时所消耗的电能不可能全部转化为水的势能，故C错误；
D、能量的转移和转化都有方向性，如电灯发光、汽车制动过程中产生的内能散失在空气中，不可以自动转化为电能或机械能，因此风能、光能、机械能、电能可以相互转化，不能说明能量的转化是没有方向性的，故D错误。
故选：B。
1. （1）一辆五菱小卡车的输出功率为60kW，载货匀速前进的速度为20m/s,则受到的阻力为 N，前进2000m,牵引力做功为 J；
（2）该车发动机的飞轮转速为2400r/min,则发动机每分钟做 次功，完成 个冲程，热机工作中大部分内能散失到周围环境中，而散失的能量却不能再自发集中转移到气缸中用来做功，说明能量转移具有 。
2. 快递服务业务提升了我们的生活质量，为了提高快递配送效率，可使用如图所示的物流机器人完成最后三公里的快速智能配送。若空载时该物流机器人质量为600kg,轮胎与地面的总接触面积为0.2m2，当该物流机器人完成所有配送任务后返回服务站时，在某平直道路上以4m/s匀速行驶了100s,牵引力为120N，电动机的工作电压为60V，工作电流为10A。求此过程中：
（1）空载时机器人对水平路面的压强；
（2）机器人牵引力做的功；
（3）机器人电动机工作时的功率；
（4）机器人电动机的工作效率。
3. 如图甲是《天工开物》中记载的筒车，筒车发明于隋而胜于唐，距今已有1000多年的历史。其构造及原理：在水流急湍处建一水轮，水轮底部没入水中，顶部超出河岸，轮上倾斜绑置若干竹筒（只有一端开口，如图乙），竹筒承受水的冲力使筒车旋转，还可以取水并随水轮转过轮顶时，将水自动倒出。
（1）小明认为筒车不需要人力或畜力就可以源源不断地取水，属于永动机。请你对小明的观点进行评价： 。
（2）如图丙，若筒车能正常工作， （选填“A”或“B”）处应该是河流的上游。
（3）当筒车旋转太慢或提不起水，可以将筒车浸入水中 （选填“深”或“浅”）一些，请你说明理由： 。
4. 现在小汽车已经走进了我们的家庭。你观察到了吗？小汽车的轮胎上刻有很深的花纹；通过后视镜可以看清车后的情况：安全带比较宽；高速行驶的小汽车急刹车时还要沿行一段距离；急刹车后轮胎与路面接触处会发热且留下黑色的擦痕。
请从短文中找出与下列物理知识有关的现象填在对应的横线上：
①惯性： ；
②压强： ；
③能量转化： 。
5. 今年，我国发射的“天舟四号”货运飞船与“天和号”核心舱在太空成功对接。对接后，它们一起绕地球转动。对这一过程所涉及的物理知识说法错误的是（　　）
A．火箭加速升空过程与汽油机做功冲程的能量转化形式相同
B．运载火箭用液态氢做燃料，是因其热值较大
C．对接后以“天舟四号”为参照物，“天和号”是运动的
D．地面工作人员利用电磁波传递信息来控制对接过程
6. 小明利用家中的燃气表和温度计测量燃气灶烧水的效率。将1kg的水从20℃加热到60℃，消耗了0.01m3的天然气（假设天然气完全燃烧），已知水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），天然气的热值为4.0×107J/m3，则此次燃气灶烧水的效率为 。
1. 请阅读《高速铁路》并回答题
高速铁路
高速铁路（简称高铁），是指通过改造原有线路，使营运速率达到不小于200km/h,或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到至少250km/h的铁路系统，高铁列车具有速度快、安全性好、正点率高、舒适方便、能耗较低等特点，是我国重点发展的交通工具，高铁列车比普通列车快，主要进行了两方面的改进。第一，改进路轨，提高平整程度，普通铁路的钢轨，每二十五米就有个接口，列车的车轮滚过钢轨连接处时，车轮和车厢上下震动，列车行驶很不平稳，速度不能提高，否则震动加剧会造成翻车事故，而高铁在修路时，采取多种措施减少了钢轨上很多接口，车轮滚动平稳，列车行驶告别了“哐当哐当”的震动，列车平稳前进，大大提高了速度。第二，改进列车，普通列车开动，首先是车头开动，拉动第一节车厢运动后，才能带动第二节及后面车厢运动，整个列车开动是一节一节车厢带动起来的，需要较长时间，也无法实现列车的高速运行，而高铁动车组不只是车头装有牵引电动机，每个车厢都有牵引电动机，使每节列车的车轮都有动力。这样动车组前进，就像赛龙舟每个人都奋力划桨，车轮一致运转，列车就很快提速，并可保持高速运行。
（1）高铁列车与普通列车相比，具有 、 优点；（请写出二条）
（2）高铁列车运行时，是将电能转化为 ；
（3）京津城铁属于“高速新线”，其全长为120km,则乘坐高铁列车从北京到天津全程需要的时间约为 h。
2. 阅读短文，回答问题。
筒车
筒车亦称“水转筒车”，是一种以水流作动力取水灌田的工具。据史料记载，筒车发明于隋而盛于唐，距今已有1000多年的历史。
筒车的种类较多，制作工艺有所不同。如图所示，简易的筒车常用一端开口、一端封闭的竹节制成筒，竹筒被均匀安装在筒车上，用于从河中打水，同时在水流的推动下使筒车转动起来。筒车工作时，竹筒绕车轴做圆周运动，筒底与筒口的运动轨迹是同心圆，且筒底所在的外圆半径大于筒口所在的内圆半径。竹筒浸在水里的时候被灌满了水，当转过一定角度后将离开水面被提升，所以竹筒在低处时盛水，在高处时泄水，泄出的水落入水槽后被引向农田，如此往复，循环提水。在实际使用过程中，人们会根据农田与水面间的高度差调整水槽的位置和宽度，使水槽能够接到更多的水。
（1）关于筒车的说法正确的是 。（填字母）
A.筒车能转动是由于竹筒受到了浮力
B.筒车能连续转动是受到惯性的作用
C.筒车工作时对水流有力的作用
D.筒车证明了永动机是可以制造出来的
（2）筒车在匀速转动的过程中，竹筒受 （选填“平衡力”或“非平衡力”），以竹筒为参照物，车轴是 （选填“运动”或“静止”）的；当竹筒运行至高处泄水，水在 力的作用下落入水槽。
（3）某筒车上均匀分布了20个相同的竹筒，每个竹筒的容积为2L，筒底的运动半径为2.2m,筒口的运动半径为2.0m,通过调整水槽的位置，竹筒中50%的水能落入水槽，则当筒车以每分钟转动5圈的速度连续工作2h,最多可以为农田浇灌 kg的水，在此过程中，竹筒的筒底比筒口运动的速度快 m/s。（圆周率π取3，ρ水=1.0×103kg/m3）。
参考答案：
热身训练：1. （1）3000；6×106；（2）1200；4800；方向性；
2. （1）空载时机器人对水平路面的压强是3×104Pa；
（2）机器人牵引力做的功为4.8×104J；
（3）机器人电动机工作时的功率为600W；
（4）机器人电动机的工作效率为80%；
3. （1）小明说法错误，筒车取水需要消耗水流的机械能；
（2）B；（3）深；没入水中深一些，可以增大动力（水流对竹筒冲击力变大），减小阻力（水面上方有水的竹筒数量变少），容易转起来；
4. 高速行驶的小汽车急刹车时还要滑行一段距离；安全带比较宽；急刹车后路面上常常留有黑色的擦痕；
5. C；
6. 42%。
拓展阅读：1. （1）速度快、安全性好；能耗较低；（2）机械能；（3）0.48；
2. （1）C；（2）非平衡力；运动；重；（3）12000；0.1。
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