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2023-2024人教版9年物理全册同步学讲练测学案（全国通用）
第十四章 内能的利用 专题14.3 能量的转化和守恒
1.知道各种形式的能是可以相互转化的。
2. 知道各种能在转化的过程中，能量的总量是保持不变的。
3. 能列举出日常生活中能量守恒的实例。
阅读本节课教材，参考教材完成教师给出的知识点问题的填空：
知识点1. 能量守恒定律
1.能的转化和转移：各种形式的能量都可以在一定条件下相互 .用热传递的方法改变内能，实质上是内能从高温物体_____到低温物体的过程；用做功的方法改变内能，实质上是内能和机械能相互的_____过程。
2.能量守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式 为其他形式，或者从一个物体 到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的 保持不变.
知识点2. 能量转换装置的效率问题
这个问题属于难点，是与本节有关的拓展性知识。是学生开阔实验，提高物理思维素养的好素材。
能量转换装置的效率等于_____的能量与输入_____的之比，用百分数表示。根据定义，若W为转换的能量，Q为输入的总能量，η为能量转换装置的效率，则：
考点1. 能量转化和转移
【例题1】（2023北京） 如图所示，在试管内装适量水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间后，橡胶塞被推出，管口出现大量“白气”。下列说法正确的是（ ）
A. 管口出现的“白气”是水蒸气
B. 水蒸气推出橡胶塞导致水蒸气内能增加
C. 水被加热的过程中，其内能是通过做功的方式改变的
D. 水蒸气推出橡胶塞的过程中，橡胶塞的动能是由水蒸气的内能转化来的
考点2. 能量守恒定律
【例题2】（2023甘肃金昌）汽车在刹车过程中，机械能转化为地面和轮胎的内能，这些内能将无法自动地转化为汽车的机械能，这种现象说明自发的能量转化过程是有一定______性的，但在能量的转化和转移过程中，能的总量_____（选填“不断减少”、“保持不变”或“不断增加”）。
【演练1】（2022湖南益阳）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
【演练2】 （2022江苏连云港）知识梳理是学习的一种重要方法，请将动能、能、机械能、内能填在下列知识结构图对应的序号框中。
（1）______；（2）______；（3）______；（4）______.
根据能量守恒定律分析能量转化的思路
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。所有能量转化的过程，都服从能量守恒定律。根据能量守恒定律，在分析自然现象时，如果发现某种形式的能量减少，一定能找到另一种形式的能量增加；反之，当某种形式的能量增大时，也一定可以找到另一种形式的能量减少。
（满分100分，答题时间45分钟，根据下面给出的试题答案与解析自测自评）
一、选择题（本大题4小题，每小题5分，共20分）
1. 内燃机的能量流向图如图所示。内燃机的效率为（ ）
A. 7% B. 28% C. 31% D. 34%
2. 2022年6月5日，中国载人航天飞船神舟十四号发射成功。如图所示，飞船在空中加速上升时的能量转化情况是（ ）
A. 飞船的动能转化为重力势能，动能减小
B. 飞船的重力势能转化为动能，重力势能减小
C. 燃料燃烧产生的内能转化为飞船的机械能
D. 没有发生能量的转化，飞船的机械能不变
3.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
4.能量的转化是自然界普遍的现象．下列关于能量转化的观点错误的是（ ）
水果电池 光合作用 钻木取火 电磁感应
A. 水果电池是电能转化为化学能 B. 光合作用是光能转化为化学能
C. 钻木取火是机械能转化为内能 D. 电磁感应现象是电能转化为机械能
二、填空题（本大题4小题，9个空，每空3分，共27分）
1. （2022广东）图表示四冲程汽油机处于_______冲程。汽车尾气带走的能量______（选填“能”或“不能”）自动汇集回来转化成燃料的化学能，这反映了能量的转化具有________。
2. 常用打火机的打火方式有两种，一种是用一个粗糙的小轮摩擦“火石”打火；另一种是利用高压电装置打火。从能量转化角度看，前者是把______能转化为内能；后者是把_____能转化为内能。
3. （2022黑龙江牡鸡）2022年6月5日，“神州十四号”火箭发射成功，火箭使用液态氢作燃料是因为液态氢的_____较大；火箭向下喷射燃气获得推力加速上升，是_____能转化为机械能。
4. 现代电动汽车为了节能，都安装了能量回收装置，在汽车刹车时带动发电机，将汽车的______能转化为电能，为汽车提供后续运动的能量。有人认为，只要不断改进，这种汽车就可以一边行驶，一边发电，永远运动下去，这种观念违背了______。
三、实验题（本大题1小题，共12分）
1. （2022江苏扬州）利用气球可以完成下列实验：
（1）在气球上粘上小塑料颗粒，代表宇宙中天体，气球膨胀时，任意一个塑料颗粒周围的其他的塑料颗粒都与它______，可模拟宇宙膨胀现象。
（2）如图1所示，充满气体的气球向左喷气而向右飞出，说明______，此过程发生的能量转化与图_____（选填“2”或“3”）中的能量转化是一致的。
四、简答题（本大题2小题，每小题各8分，共16分）
1.有人曾设想制造一种不消耗任何能量和燃料，却源源不断对外做功的机器，人们把这种机器叫永动机。这种机器有可能制成吗？
2. 飞越苍弯，筑梦星河。2022年6月5日10时44分07秒，神舟十四号载人飞船成功发射。火箭点火后，向下快速喷出气体，推动火箭加速上升。请你结合实际，分析并解答下列问题：
（1）火箭向下快速喷出气体，推动火箭加速上升，此过程包含哪些力学知识，请你说出两点。
（2）请分析发射过程中存在哪些能量转化。
五、计算题（本大题2小题，共25分）
1.（10分）小华家使用的是天然气热水器，该热水器的铭牌标明了它的热效率，表示该热水器工作时，天然气完全燃烧所消耗的化学能，有多大比例转化为水的内能。
小华尝试估测该热水器的热效率，以核对铭牌上的数值是否准确。他把家里自动洗衣机的“水量”设置为40L，用热水器输出的热水注入洗衣机，当注入水的体积达到40L时洗衣机便会自动停止注水。已知当时自来水的温度是15℃，热水器输出热水的温度为40℃，注入前天然气表的示数是2365.89m3，注水后变为2366.05m3，天然气的热值为3.2×107J/m3。请你估测该热水器的热效率。
2. （15分）2022年北京冬奥会示范运营1000多辆氢燃料电池车（如图所示），该车排放物是水，不产生任何污染物，是当前世界新能源汽车重要的发展方向。假设某国产氢燃料电池车总质量为5×103kg。在某次测试中该车匀速行驶时受到的阻力是车重的0.02倍，在0.5h内行驶了28km的路程，消耗的氢能源为0.4kg（不考虑氢能源燃料消耗对车质量的影响）。求该测试过程中氢燃料电池车：（已知q氢=1.4×108J/kg，g取10N/kg）
（1）行驶的平均速度为多少km/h；
（2）牵引力做功；
（3）氢能源燃烧释放的能量转化为机械能的效率。
焦耳对能量转化和守恒定律的贡献
这个人就是英国的啤酒商詹姆斯·焦耳。焦耳跟革命导师马克思同岁，1818年出生于英国曼彻斯特，父亲是一个富有的酿酒厂主。焦耳从小跟着父亲学习酿酒，没有上过什么正规的学校，曾经在一个家庭学校里学习过。1834年，16岁的詹姆斯·焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会的道尔顿的门下学习。很难想象现在的教授会收两个没上过什么正规学校的小屁孩做自己的学生，不过，当年这位大化学家的经济状况也确实不大好。焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何，后来道尔顿因中风而退休。跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生。大师的指导对他的成长起了关键的作用，使他对科学研究发生了浓厚的兴趣，并学到了他理论与实践相结合的科学研究方法。之后焦耳进入曼彻斯特大学就读。毕业后回家经营啤酒厂，直到1854年卖出啤酒厂之前，这一直都是他的“正业”，科学只是焦耳的一个业余爱好。
在1831年法拉第发现电磁感应定律之后，从英国开始，掀起了一场席卷欧洲和北美的电气热潮。1838年，20岁的焦耳也投入到了这场电气热潮之中，开始研究起磁电机来。在实验过程中他注意到电机和电路中的发热现象，他认为这和机械运动中的摩擦现象一样，都会造成动力的损失，于是他就开始进行电流的热效应研究。
1840年，22岁的焦耳向英国皇家学会提交了论文《电的金属导体产生的热和电解时电池组放出的热》，文中介绍了他的实验。他把缠在玻璃管上的导电线圈放入盛水的容器中，通电后测量水的温度变化。实验中他使用不同的导线、改变电流强度，得到多组实验数据。通过计算最后他得出结论：“在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方及导体电阻的乘积成正比。”这就是著名的焦耳定律。
焦耳认为，电可以看成是携带、安排和转变化学热的一种重要媒介，在电池中“燃烧”一定的化学“燃料”，在电路中就会发出相应大小的热，和这些燃料在氧气中燃烧所得的热应该是一样多。
在研究了化学能向电能和热能的转化之后，焦耳又开始研究机械能与电能和热能之间的转化，并进行了大量的热功当量实验。焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条细线，在相距约27.4米处安装两个定滑轮，细线跨过滑轮挂有砝码，砝码的重量可以调整，线圈浸在量热器的水中。根据水的温度变化可以计算出热量，根据砝码的重量及下落的距离可以计算出机械功。焦耳记录下13组实验数据，取其平均值得出如下结果：“能使1磅的水升温1华氏度的热量等于把838磅重物提升一英尺的机械功。”从这个结果可以得出热功当量为4.511焦耳/卡，现代的公认值为4.187焦耳/卡。
不久，焦耳又把多孔塞置于水的通道中，测量水通过多孔塞之后的升温，得到热功当量为772磅·英尺/英热单位（即4.145焦耳/卡），与现代的公认值相比，误差仅有百分之一。焦耳并没有就此罢手，他从1843年采用磁电机开始测量当量，直至1878年最后一次发表实验结果，共做了400多次实验，分别以固体、流体、气体多种物质为对象，运用了不同原理的各种方法，涉及机械力学、电磁学、化学、热力学、流体力学等各个领域，以日益精确的数据，为热和功的相当性提供了详实可靠的证据，使能量转化与守恒定律的确立具备了牢固的实验基础。而他本人则从25岁的小伙变成了花甲老人。
学习目标
自学知识点梳理
考点例题精讲
对点演练
解题方法归纳
课时减负课外小验
科学精神与担当
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2023-2024人教版9年物理全册同步学讲练测学案（全国通用）
第十四章 内能的利用 专题14.3 能量的转化和守恒
1.知道各种形式的能是可以相互转化的。
2. 知道各种能在转化的过程中，能量的总量是保持不变的。
3. 能列举出日常生活中能量守恒的实例。
阅读本节课教材，参考教材完成教师给出的知识点问题的填空：
知识点1. 能量守恒定律
1.能的转化和转移：各种形式的能量都可以在一定条件下相互 转化 .用热传递的方法改变内能，实质上是内能从高温物体转移到低温物体的过程；用做功的方法改变内能，实质上是内能和机械能相互转化的过程。
2.能量守恒定律：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 到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的 总量 保持不变.
知识点2. 能量转换装置的效率问题
这个问题属于难点，是与本节有关的拓展性知识。是学生开阔实验，提高物理思维素养的好素材。
能量转换装置的效率等于转换的能量与输入的总能量之比，用百分数表示。根据定义，若W为转换的能量，Q为输入的总能量，η为能量转换装置的效率，则：
考点1. 能量转化和转移
【例题1】（2023北京） 如图所示，在试管内装适量水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间后，橡胶塞被推出，管口出现大量“白气”。下列说法正确的是（ ）
A. 管口出现的“白气”是水蒸气
B. 水蒸气推出橡胶塞导致水蒸气内能增加
C. 水被加热的过程中，其内能是通过做功的方式改变的
D. 水蒸气推出橡胶塞的过程中，橡胶塞的动能是由水蒸气的内能转化来的
【答案】D
【解析】A．管口出现的“白气”是水蒸气液化成的小水滴，故A错误；
BD．水蒸气推出橡胶塞，水蒸气的内能转化为橡胶塞的机械能，水蒸气内能减小，故B错误，D正确；
C．水被火焰加热的过程中，其内能是通过热传递的方式改变的，故C错误。
故选D。
考点2. 能量守恒定律
【例题2】（2023甘肃金昌）汽车在刹车过程中，机械能转化为地面和轮胎的内能，这些内能将无法自动地转化为汽车的机械能，这种现象说明自发的能量转化过程是有一定______性的，但在能量的转化和转移过程中，能的总量_____（选填“不断减少”、“保持不变”或“不断增加”）。
【答案】 方向 保持不变
【解析】汽车在刹车过程中，机械能可以自发地转化为地面和轮胎的内能，但这些内能将无法自发地转化为汽车的机械能，这说明自发的能量转化过程是有一定方向性的。
由能量守恒定律可知，在能量的转化和转移过程中，能的总量保持不变。
【演练1】（2022湖南益阳）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。
【演练2】 （2022江苏连云港）知识梳理是学习的一种重要方法，请将动能、能、机械能、内能填在下列知识结构图对应的序号框中。
（1）______；（2）______；（3）______；（4）______.
【答案】 （1）能 （2）机械能 （3）内能 （4）动能
【解析】能量的种类比较多：有光能、机械能、内能等；其中机械能包括动能和势能。
根据能量守恒定律分析能量转化的思路
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。所有能量转化的过程，都服从能量守恒定律。根据能量守恒定律，在分析自然现象时，如果发现某种形式的能量减少，一定能找到另一种形式的能量增加；反之，当某种形式的能量增大时，也一定可以找到另一种形式的能量减少。
（满分100分，答题时间45分钟，根据下面给出的试题答案与解析自测自评）
一、选择题（本大题4小题，每小题5分，共20分）
1. 内燃机的能量流向图如图所示。内燃机的效率为（ ）
A. 7% B. 28% C. 31% D. 34%
【答案】D
【解析】内燃机的效率是指用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，所以，结合能量流向图可知，该内燃机的效率为34%。故选D。
2. 2022年6月5日，中国载人航天飞船神舟十四号发射成功。如图所示，飞船在空中加速上升时的能量转化情况是（ ）
A. 飞船的动能转化为重力势能，动能减小
B. 飞船的重力势能转化为动能，重力势能减小
C. 燃料燃烧产生的内能转化为飞船的机械能
D. 没有发生能量的转化，飞船的机械能不变
【答案】C
【解析】AB．载人飞船加速上升时，质量不变、速度增大、高度增大，所以动能和重力势能均增大，故AB错误；
CD．载人飞船加速上升时，因为动能和重力势能均增大，所以机械能增大，是由燃料燃烧产生的内能转化而来的，故C正确，D错误。
3.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。
4.能量的转化是自然界普遍的现象．下列关于能量转化的观点错误的是（ ）
水果电池 光合作用 钻木取火 电磁感应
A. 水果电池是电能转化为化学能 B. 光合作用是光能转化为化学能
C. 钻木取火是机械能转化为内能 D. 电磁感应现象是电能转化为机械能
【答案】AD
【解析】A. 水果电池是化学能转化为电能
B. 光合作用是光能转化为化学能
C. 钻木取火是机械能转化为内能
D. 电磁感应现象是机械能转化为电能
二、填空题（本大题4小题，9个空，每空3分，共27分）
1. （2022广东）图表示四冲程汽油机处于_______冲程。汽车尾气带走的能量______（选填“能”或“不能”）自动汇集回来转化成燃料的化学能，这反映了能量的转化具有________。
【答案】 排气 不能 方向性
【解析】由图示知，汽缸的进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，是排气冲程。
燃料燃烧放出的能量中有部分热散失，被尾气带走，而尾气带走的能量不会再自动变成燃料的化学能，这是因为能量的转化具有方向性。
2. 常用打火机的打火方式有两种，一种是用一个粗糙的小轮摩擦“火石”打火；另一种是利用高压电装置打火。从能量转化角度看，前者是把______能转化为内能；后者是把_____能转化为内能。
【答案】 机械 电
【解析】小轮摩擦“火石”的过程，消耗了机械能，产生了内能，将机械能转化为内能。
利用高压电装置打火时，消耗了电能，产生了内能，将电能转化为内能。
3. （2022黑龙江牡鸡）2022年6月5日，“神州十四号”火箭发射成功，火箭使用液态氢作燃料是因为液态氢的_____较大；火箭向下喷射燃气获得推力加速上升，是_____能转化为机械能。
【答案】 热值 内
【解析】火箭使用液态氢作燃料是因为液态氢的热值比较大，相同质量的燃料，液态氢完全燃烧释放的热量多。
火箭向下喷射燃气获得推力加速上升，是燃料燃烧释放的内能，是将燃料的化学能转化为内能，再将内能转化为机械能，从而实现了火箭升空。
4. 现代电动汽车为了节能，都安装了能量回收装置，在汽车刹车时带动发电机，将汽车的______能转化为电能，为汽车提供后续运动的能量。有人认为，只要不断改进，这种汽车就可以一边行驶，一边发电，永远运动下去，这种观念违背了______。
【答案】 机械 能量守恒定律
【解析】运动的汽车具有机械能，刹车时带动发电机，把汽车的机械能转化为电能储存起来。
能量既不会消灭也不会创生，能量在转化和转移过程中，能量的总量保持不变，这就是能量守恒定律，汽车一边行驶，一边发电，永远运动下去的观念违背了能量守恒定律，不可能实现。
三、实验题（本大题1小题，共12分）
1. （2022江苏扬州）利用气球可以完成下列实验：
（1）在气球上粘上小塑料颗粒，代表宇宙中天体，气球膨胀时，任意一个塑料颗粒周围的其他的塑料颗粒都与它______，可模拟宇宙膨胀现象。
（2）如图1所示，充满气体的气球向左喷气而向右飞出，说明______，此过程发生的能量转化与图_____（选填“2”或“3”）中的能量转化是一致的。
【答案】 （1）远离 （2）力的作用是相互的 3
【解析】（1）为了形象的说明宇宙大爆炸，课本上将一个粘有小塑料颗粒的气球看成宇宙，小塑料颗粒代表宇宙中的天体，气球膨胀时，任意一个塑料颗粒周围的其他的塑料颗粒都与它远离，表示宇宙中的天体在相互远离，这里运用的是类比法。
（2）充满气体的气球向左喷气而向右飞出，说明力的作用是相互的。
充满气体的气球向左喷气而向右飞出，气球内的气体向外喷出，气体对外做功，内能转化为球的机械能，由图2可知，进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，属于压缩冲程，压缩冲程的能量转化是机械能转化为内能；由图3可知，进气门和排气门都关闭，活塞向下运动，属于做功冲程，做功冲程的能量转化是内能转化为机械能，所以充满气体的气球向左喷气而向右飞出过程发生的能量转化与图3中的能量转化是一致的。
四、简答题（本大题2小题，每小题各8分，共16分）
1.有人曾设想制造一种不消耗任何能量和燃料，却源源不断对外做功的机器，人们把这种机器叫永动机。这种机器有可能制成吗？
【答案】见解析
【解析】高处的水具有一定的机械能W总，在水向下流动时，对水轮机做功，水轮机转动，把低处的水抽到高处。而水轮机做机械运动的各部件间有摩擦，会有部分机械能转化为内能W内能，只有一部分能量W抽水用来对外做功抽水。
根据能量守恒定律可知： W总=W内能+ W抽水，最后抽水的能量小于原来水的总能量，使流下的水不能全部抽回。
2. 飞越苍弯，筑梦星河。2022年6月5日10时44分07秒，神舟十四号载人飞船成功发射。火箭点火后，向下快速喷出气体，推动火箭加速上升。请你结合实际，分析并解答下列问题：
（1）火箭向下快速喷出气体，推动火箭加速上升，此过程包含哪些力学知识，请你说出两点。
（2）请分析发射过程中存在哪些能量转化。
【答案】（1）见解析；（2）见解析
【解析】（1）火箭向下快速喷出气体，推动火箭加速上升，可得物体间力的作用是相互的；火箭加速上升可得力可以改变物体的运动状态；有力产生时至少出现两个物体，可得力是物体对物体的作用。
（2）燃料燃烧过程中，化学能转化为内能；火箭加速上升过程中，内能转化为机械能；与空气摩擦过程中，机械能转化为内能。
五、计算题（本大题2小题，共25分）
1.（10分）小华家使用的是天然气热水器，该热水器的铭牌标明了它的热效率，表示该热水器工作时，天然气完全燃烧所消耗的化学能，有多大比例转化为水的内能。
小华尝试估测该热水器的热效率，以核对铭牌上的数值是否准确。他把家里自动洗衣机的“水量”设置为40L，用热水器输出的热水注入洗衣机，当注入水的体积达到40L时洗衣机便会自动停止注水。已知当时自来水的温度是15℃，热水器输出热水的温度为40℃，注入前天然气表的示数是2365.89m3，注水后变为2366.05m3，天然气的热值为3.2×107J/m3。请你估测该热水器的热效率。
【答案】见解析
【解析】水吸收的热量
Q吸=cmΔt
=4.2×103J/( kg·℃) ×103kg /m3×40×10-3m3×(40-15) ℃
=4.2×106J，
天然气用量V=2366.05m3 -2365.89m3=0.16 m3，
天然气完全燃烧放热
Q放=Vq=0.16m3 ×3.2×107J/m3 =5.12×106J，
该热水器的效率为
=4.2×106J/5.12×106J=0.82=82%
2. （15分）2022年北京冬奥会示范运营1000多辆氢燃料电池车（如图所示），该车排放物是水，不产生任何污染物，是当前世界新能源汽车重要的发展方向。假设某国产氢燃料电池车总质量为5×103kg。在某次测试中该车匀速行驶时受到的阻力是车重的0.02倍，在0.5h内行驶了28km的路程，消耗的氢能源为0.4kg（不考虑氢能源燃料消耗对车质量的影响）。求该测试过程中氢燃料电池车：（已知q氢=1.4×108J/kg，g取10N/kg）
（1）行驶的平均速度为多少km/h；
（2）牵引力做功；
（3）氢能源燃烧释放的能量转化为机械能的效率。
【答案】（1）56km/h；（2）2.8×107J；（3）50%
【解析】（1）氢燃料电池车0.5h内行驶了28km的路程，根据可得，车行驶的平均速度为
（2）氢燃料电池车总质量为5×103kg，受到的重力为
G=mg=5×103kg×10N/kg=5×104N
车匀速行驶时受到的阻力是车重的0.02倍，汽车做匀速直线运动，牵引力和阻力是一对平衡力，所以车受到的牵引力为
F=f=0.02G=0.02×5×104N=103N
牵引力做的功为
W=Fs=103N×28×103m=2.8×107J
（3）消耗0.4kg的氢能源，放出的热量为
Q放=mq=0.4kg×1.4×108J/kg=5.6×107J
氢能源燃烧释放的能量转化为机械能的效率为
焦耳对能量转化和守恒定律的贡献
这个人就是英国的啤酒商詹姆斯·焦耳。焦耳跟革命导师马克思同岁，1818年出生于英国曼彻斯特，父亲是一个富有的酿酒厂主。焦耳从小跟着父亲学习酿酒，没有上过什么正规的学校，曾经在一个家庭学校里学习过。1834年，16岁的詹姆斯·焦耳和他的哥哥本杰明被送到曼彻斯特文学与哲学学会的道尔顿的门下学习。很难想象现在的教授会收两个没上过什么正规学校的小屁孩做自己的学生，不过，当年这位大化学家的经济状况也确实不大好。焦耳兄弟俩跟随道尔顿学习了两年算术和几何，后来道尔顿因中风而退休。跟随道尔顿的这段经历影响了焦耳的一生。大师的指导对他的成长起了关键的作用，使他对科学研究发生了浓厚的兴趣，并学到了他理论与实践相结合的科学研究方法。之后焦耳进入曼彻斯特大学就读。毕业后回家经营啤酒厂，直到1854年卖出啤酒厂之前，这一直都是他的“正业”，科学只是焦耳的一个业余爱好。
在1831年法拉第发现电磁感应定律之后，从英国开始，掀起了一场席卷欧洲和北美的电气热潮。1838年，20岁的焦耳也投入到了这场电气热潮之中，开始研究起磁电机来。在实验过程中他注意到电机和电路中的发热现象，他认为这和机械运动中的摩擦现象一样，都会造成动力的损失，于是他就开始进行电流的热效应研究。
1840年，22岁的焦耳向英国皇家学会提交了论文《电的金属导体产生的热和电解时电池组放出的热》，文中介绍了他的实验。他把缠在玻璃管上的导电线圈放入盛水的容器中，通电后测量水的温度变化。实验中他使用不同的导线、改变电流强度，得到多组实验数据。通过计算最后他得出结论：“在一定时间内伏打电流通过金属导体产生的热与电流强度的平方及导体电阻的乘积成正比。”这就是著名的焦耳定律。
焦耳认为，电可以看成是携带、安排和转变化学热的一种重要媒介，在电池中“燃烧”一定的化学“燃料”，在电路中就会发出相应大小的热，和这些燃料在氧气中燃烧所得的热应该是一样多。
在研究了化学能向电能和热能的转化之后，焦耳又开始研究机械能与电能和热能之间的转化，并进行了大量的热功当量实验。焦耳在磁电机线圈的转轴上绕两条细线，在相距约27.4米处安装两个定滑轮，细线跨过滑轮挂有砝码，砝码的重量可以调整，线圈浸在量热器的水中。根据水的温度变化可以计算出热量，根据砝码的重量及下落的距离可以计算出机械功。焦耳记录下13组实验数据，取其平均值得出如下结果：“能使1磅的水升温1华氏度的热量等于把838磅重物提升一英尺的机械功。”从这个结果可以得出热功当量为4.511焦耳/卡，现代的公认值为4.187焦耳/卡。
不久，焦耳又把多孔塞置于水的通道中，测量水通过多孔塞之后的升温，得到热功当量为772磅·英尺/英热单位（即4.145焦耳/卡），与现代的公认值相比，误差仅有百分之一。焦耳并没有就此罢手，他从1843年采用磁电机开始测量当量，直至1878年最后一次发表实验结果，共做了400多次实验，分别以固体、流体、气体多种物质为对象，运用了不同原理的各种方法，涉及机械力学、电磁学、化学、热力学、流体力学等各个领域，以日益精确的数据，为热和功的相当性提供了详实可靠的证据，使能量转化与守恒定律的确立具备了牢固的实验基础。而他本人则从25岁的小伙变成了花甲老人。
学习目标
自学知识点梳理
考点例题精讲
对点演练
解题方法归纳
课时减负课外小测验
科学精神与担当
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