3.8 能量的转化与守恒
目录
模块一 知己知彼 1
模块二 知识掌握 1
知识点一、能量的相互转化 1
知识点二、能量的转化与守恒定律 4
知识点三、能量转化和转移的方向性 7
模块三 巩固提高 11
模块一 知己知彼
学习目标 目标解读
1.通过生活实例，了解各种形式的能量之间的相互转化，能解释一些常见现象中的能量转化过程。
2.理解能量守恒定律，能利用能量转化与守恒的观点分析问题。
3.知道能量转化与转移有一定的方向性。 解读1:理解能量的转化与守恒，举例说明能量的转化与守恒、能量的转化与传递的方向性，并能利用能量的转化与守恒知识解释简单问题。常见题型为选择题和填空题，难度较小。
解读2:结合生活、生产中的现象，了解提高能量利用效率和节能关系，常见题型为选择题和填空题，难度较小。
模块二 知识掌握
知识点一、能量的相互转化
（一）能量可以在两个物体之间转移，能量形式也可以转化
(1)太阳能的转化
照射到植物叶片上----植物的化学能
照射到大气层中------空气的动能
照射到太阳能热水器--水的内能
照射到电池板上------电能
(2)人体能量的来源及转化:人体所需的能量都来自食物，食物被消化后且被分解的过程，是食物的化学能转化为人体的内能、电能、机械能等能量的过程。被吸收的营养物质由血液输送到人体各处。
(3)火力发电厂的能量转化:燃料燃烧将燃料的化学能转化为内能来加热水，水沸腾后，产生的蒸汽驱动涡轮机转动将内能转化为机械能，涡轮机带动发电机发电将机械能转化为电能。
（二）能量转化的普遍性
自然界中的能量有多种表现形式，如机械能、内能、化学能、电能、电磁能、核能等。自然界中各种形式的能量不是孤立的，它们可以在一定的条件下发生转化，能量也可以在同一物体或不同的物体间相互转移。能量转化是普遍现象，自然界中物质运动形式的变化中伴随着能量的相互转化。
（2023 鄞州区一模）如图是太阳能电池路灯，白天太阳能电池板将太阳能转化为电能，这种能量通过再次转化储存在大容
量蓄电池内。夜晚蓄电池给路灯供电。下列说法正确的是（ ）
A．路灯上的塑料灯罩和铝合金灯柱都属于有机合成材料
B．夜晚蓄电池给路灯供电时将光能转化为电能
C．白天给蓄电池充电时将化学能转化为电能
D．路灯的灯柱用合金材料制成是因为合金比纯金属具有更好的性能
【解答】解：A、塑料灯罩属于有机合成材料，而铝合金灯柱属于金属材料，故A错误；
BC、在白天太阳能电池板给蓄电池充电是将太阳能→电能→化学能；在晚上，蓄电池给路灯供电，只是将化学能转化成电能，再转化为光能和内能，故BC错误；
D、人们大量使用的是合金而不是纯金属，这是因为合金具有更多优良性能，如铝合金比铝的硬度大、不锈钢比铁的抗腐蚀性强，故D正确。
故选：D。
（2022 宁波）核酸检测采样时使用的“采样拭子”，其顶端是如图所示的植绒拭子，安全、无毒。有一种植绒方式是：植绒机产生数万伏的高压静电，通过电子转移让喷头中的绒毛带上负电荷，然后在被植绒物体表面喷涂上胶粘剂，移动喷头靠近被植绒物体，绒毛在高压静电作用下从喷头中飞升到被植绒物体表面，呈垂直状植在涂有胶粘剂的物体表面。上述植绒过程中蕴含了许多科学知识，下列描述不合理的是（ ）
A．喷头中的绒毛带上负电荷，是由于绒毛得到了电子
B．以移动的喷头为参照物，被植绒物体是运动的
C．绒毛能在高压静电作用下运动，是由于能量可以创生
D．绒毛从喷头中飞升到被植绒物体表面，是由于力能改变物体的运动状态
【解答】解：A、喷头中的绒毛带上负电荷，是由于绒毛得到了电子，故A合理；
B、以移动的喷头为参照物，被植绒物体与喷头的位置不断变化是运动的，故B合理；
C、能量不能被创生，也不能被消灭，能量是守恒的，总量不变，故C不合理；
D、绒毛从喷头中飞升到被植绒物体表面，是由于力能改变物体的运动状态，故D合理。
故选：C。
（2022 龙湾区校级模拟）如图为伽利略斜面实验，如果没有摩擦力，无论斜面缓陡，小球从A点静止滚下总会滚到与A处等高的B处或C处，小球好像“记住“了其起始高度。下列说法错误的是（ ）
A．这是一种理想实验
B．A到B过程中小球动能先减小后增大
C．小球运动到乙斜面的过程机械能守恒
D．小球“记住”的是与起始高度相联系的能量
【解答】解：（1）伽利略斜面实验，是假设斜面上没有摩擦力，这是一种理想实验，故A正确；
（2）A到B过程中，小球的质量不变，在不考虑摩擦力的情况下，向下运动时速度变大，向上运动时速度变小，即小球的速度先变大后变小，所以，小球动能先增大后减小，故B错误；
（3）如果斜面上没有摩擦力，小球运动到乙斜面过程中，其机械能的总量保持不变，即机械能守恒，故C正确；
（4）无论斜面缓陡，小球从A点静止滚下总会滚到与A处等高的B处或C处，小球好像“记住”了其起始高度，其实质是保持小球的机械能不变，所以说，“记住”的是与起始高度相联系的能量，故D正确；
故选：B。
（2023 桐庐县二模）如图所示，弹簧一端与小车相连，另一端固定在左侧的墙壁上，小车放在光滑的水平木板上。小车位于A点时弹簧恰好为自然长度，用力压缩弹簧使小车到达B点；松手后，小车由位置B运动至位置C，在位置C时速度为零。则小车从位置B运动至位置C的过程中，速度达到最大的位置在 （选填“A点”、“A点的左侧”或“A点的右侧”），弹簧的弹性势能的变化情况是 （选填“减小”、“先减小后增大”、“先增大后减小”或“增大”）；小车从位置A运动到C点的过程中，能量转化的情况为 。
【解答】解：由于木板是光滑的，不存在摩擦力，小车在木板上运动的速度最大时，就是弹簧的弹性势能全部转化成动能时，A点时弹簧恰好为自然长度，所以A点的动能是最大的；
从B到弹簧自然长度A时，是弹簧恢复原状的过程，弹簧的弹性势能减小；从A到C的过程，小车由于惯性继续运动，弹簧发生弹性形变，弹簧的弹性势能增大；所以弹簧的弹性势能的变化情况是先减小后增大；
小车从位置A运动到C的过程中，弹簧的长度变长，弹性势能变大，小车的速度变小，动能变小，由于接触面是光滑的，不存在摩擦，则小车的动能转化为弹簧的弹性势能。
故答案为：A点；先减小后增大；小车的动能转化为弹簧的弹性势能。
知识点二、能量的转化与守恒定律
（一）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。
（二）意义
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。无论是机械运动，还是生命运动，无论是宇宙天体，还是微观粒子，都遵循这个定律。
（三）永动机一不可能成功
所谓“永动机”是指不消耗任何能量和燃料,却能源源不断对外做功的机器。“永动机”不可能成功的事实告诉我们，违反能量转化和守恒定律的事件是不可能发生的。能量是不可能凭空创造出来的。即所谓的“消耗能量”“利用能量”“获得能量"的实质是能量相互转化或转移的过程。
（四）机械能守恒与能量守恒定律的区别
(1)机械能守恒是有条件的一没有能量损失或额外的能量补充。
因为机械能守恒是指一个物体如果只存在着动能和势能之间的转化时，机械能的总量将保持不变。如果存在机械能与其他形式的能之间的转化，机械能总量发生改变，机械能不再守恒，例如克服摩擦做功，产生内能，机械能的总量将减少，损失的机械能将转化为其他形式的能。
(2)能量守恒定律的成立不需要条件。这是因为能量转化形式是多样的，可以在机械能、内能、化学能、电能、光能、声能间相互转化，不限于动能和势能之间的转化，在转化过程中，一种形式的能减少，另一种形式的能必然增加，能的总量保持不变。
【能力拓展】
能量的转化可涉及两种或两种以上形式的能量;能量的转移只是能量的载体发生了变化，而能量的转化是能量的形式发生了变化。
（2022秋 拱墅区校级期中）用手将一重为G的铁球缓慢放在一弹簧上，放手后，铁球从A位置开始向下运动，到达B位置速度达到最大，到达C位置小球的速度变为零。已知AC间的高度差为h，则从A位置到C位置弹簧的弹性势能增加量为 。B位置到C位置的过程中铁球所受的重力 （选填“大于”、“小于”、“等于”）弹簧所施加的弹力。（整个过程中不计能量损耗）
【解答】解：从A位置到C位置，铁球的重力做功W＝Gh；因为从A位置开始向下运动的过程中，重力势能转化为动能，动能又转化为弹性势能，整个过程中不计能量损耗，所以，根据机械能守恒定律可知，弹性势能增加量为E＝W＝Gh。
铁球在C位置受力不平衡，在弹力的作用下有向上运动的趋势，故B到C位置的过程中铁球所受的重力小于弹簧所施加的弹力。
故答案为：Gh；小于。
（2021秋 仙居县期末）能量转化和守恒定律是许多科学家经过长期探索才建立起来的，是科学史上重大发现之一。
材料一：十七至十八世纪，多位科学家对能量的量度提出了不同的观点。1644年，笛卡尔用物体的质量（单位kg）和其速度（单位m/s）的乘积来表示“能量”；1686年，莱布尼兹用物体的质量和其速度平方的乘积来表示“能量”；1743年，达朗贝尔用“活力”（即物体受力作用通过一定距离）来表示“能量”。
材料二：温度计的不断改进给热与功研究的精确化提供了必要条件。
材料三：焦耳通过400多次的实验，为能量守恒定律的确立奠定了定量的实验基础。
（1）材料一中，笛卡尔所表示的“能量”的单位是 。
（2）如图所示是焦耳实验的装置，通过重物的上下运动，带动叶片转动，这个过程中 （填能的一种形式）转化为水的内能。
（3）结合材料分析，以下观点正确的是 。（可多选）
A.伟大科学家的观点都是正确的
B.测量工具的发展有助于科学理论的研究
C.对科学的认识是一个不断修正完善的过程
【解答】解：（1）笛卡尔用物体的质量（单位kg）和其速度（单位m/s）的乘积来表示“能量”，所以“能量”的单位是kg m/s；
（2）是焦耳实验的装置中，重物的上下运动，重物具有机械能，带动叶片转动，这个过程中机械能转化为水的内能；
（3）A、伟大科学家的观点不一定都是正确的，故A错误；
B、测量工具的发展有利于实验数据的精确获得，有助于科学理论的研究，故B正确；
C、对科学的认识是一个不断修正完善的过程，故C正确。
故选BC。
故答案为：（1）kg m/s；（2）机械能；（3）BC。
知识点三、能量转化和转移的方向性
（一）内能总是自发地从高温物体转移到低温物体，而不能从低温物体自发地转移到高温物体
如烧杯中的热水变冷等，是内能自发地从高温物体转移到低温物体。电冰箱、空调制冷，都是从低温物体的内部吸热，向外面放热，使内能从低温物体转移到高温物体。这种转移不是自发进行的，必须要有附加的条件:消耗电能，电动机(压缩机)做功。
（二）机械能可自发地转化为内能，但内能无法自发地转化为机械能
如汽车制动刹车时，由于摩擦，机械能转变成地面、轮胎及空气的内能，但是这些内能不能再次转化为汽车的机械能而使汽车重新启动。可见，能量的转移和转化是有 一定的方向性的。能量可以自发地朝一个方向进行，但不能自发地朝反方向进行。
【能力拓展】
我们是在能量的转化或转移的过程中利用能量的，因此，不是什么能量都可以利用。化石能源、核能等现在开采得越多，留给子孙的就越少。有的能量如内能，一旦耗散，便不可再利用。正是由于能量转化和转移的方向性，我们要“节约能源”
（2023 南浔区一模）能量的转化是自然界普遍的现象。下列关于能量转化的分析正确的是（ ）
A．水果电池 电能→化学能
B．瀑布倾泻 重力势能→动能
C．电磁感应 电能→机械能
D．钻木取火 内能→机械能
【解答】解：A、水果电池通过化学反应得到了电能，故将化学能转化为了电能，故A错误；
B、瀑布倾泻。重力势能转换为动能，故B正确；
C、电磁感应，闭合电路中的部分导体切割磁感线运动，得到了电流，故将机械能转化为电能，故C错误；
D、钻木取火，克服摩擦做功得到了内能，故将机械能转化为内能，故D错误。
故选：B。
（2022秋 西湖区期末）如图是一种太阳能户外满天星LED挂灯，白天利用太阳能电板在光照下产生电流，给蓄电池供电，晚上自动亮灯。下列有关该户外灯能量转化的描述错误的是（ ）
A．白天太阳能电板将太阳能转化为化学能
B．白天蓄电池将电能转化为化学能
C．晚上蓄电池将化学能转化为电能
D．晚上LED灯将电能转化为光能
【解答】解：A、白天太阳能电板将太阳能转化为电能，故A错误；
B、白天蓄电池将电能转化为化学能，故B正确；
C、晚上蓄电池将化学能转化为电能，故C正确；
D、晚上LED灯将电能转化为光能，故D正确；
故选：A。
（2022秋 杭州期末）下列情形中，人对物体之间存在能量的转化的是（ ）
A．人踢球后球在空中运动过程中
B．超市顾客在水平地面上匀速推车前进中
C．运动员举着杠铃3秒钟不动的过程中
D．小孩搬石头但是没有搬动
【解答】解：
A、人踢球后球在空中运动过程中，球没有受到人的作用力，人的能量没有转化为物体的能量，故A错误；
B、推车时，人给车一个向前的力，车向前移动了距离，人对车做功，人对物体之间存在能量的转化，故B正确；
C、举着杠铃静止不动，人给杠铃一个向上的力，杠铃向上没有移动距离，人对杠铃没有做功，人的能量没有转化为物体的能量，故C错误；
D、人搬石头时，给石头一个向上的力，石头向上没有移动距离，人对石头没有做功，人的能量没有转化为物体的能量，故D错误；
故选：B。
（2022秋 杭州期末）在下列变化中，所发生的能的转移或转化说法正确的是（ ）
A．实验室中在铁粉与硫粉反应的过程中，化学能转化为热能
B．农家自酿米酒时加入醇母菌，酵母菌主要进行有氧呼吸把热能转化为化学能储存在酒精中
C．人在举起重物的过程中，化学能全转化为机械能
D．手机充电时，家庭电路中的电能转移成为手机电池中的电能
【解答】解：A、实验室中在铁粉与硫粉反应的过程中要放出热量，所以此过程化学能转化为热能，故A正确；
B、酵母菌的呼吸作用将葡萄糖中的化学能部分转化为热能，部分储存在酒精中，酵母菌产生酒精的过程是无氧呼吸，故B错误；
C、人在举起重物的过程中，要克服物体的重力做功，所以此过程中把化学能转化为机械能和热能，故C错误；
D、手机充电时，家庭电路中的电能转化成为手机电池中的化学能储存起来，故D错误。
故选：A。
模块三 巩固提高
（2021 绍兴）滑板是深受青少年喜欢的一项体育运动。如图是U形滑台和运动员姿势的简化示意图。运动员在滑台A处由静止自由下滑，不计滑台摩擦和空气阻力，仅依靠滑行过程中运动员姿势的自然（不用力）变化，最有可能滑到滑台C处的是（ ）
A． B．
C． D．
【解答】解：不计滑台摩擦和空气阻力，则运动员在整个过程中机械能守恒；
A、若运动员站立着从A开始滑行，到达U形滑台另一侧最高位置B点时，若是站立着，则此时重力势能等于A点的重力势能，动能为零，所以运动员不会继续向前滑行，就不会到达C点，故A错误；
B、若运动员站立着从A开始滑行，到达U形滑台另一侧最高位置B点时，若是全蹲着，则此时重力势能小于A点的重力势能，则A点部分重力势能转化为动能，动能此时不为零，所以运动员会继续向前滑行，就可能会到达C点，故B正确；
CD、若运动员全蹲着从A开始滑行，到达U形滑台另一侧最高位置B点时，也应该是全蹲着（前后两次重力势能相等，动能均为零），因为若是站着到达或者平蹲着到达B点，则运动员在B点的重力势能大于初始的A点（违反机械能守恒定律），故CD错误。
故选：B。
（2021 温州一模）如图所示是荡秋千的简化模型。摆球从A点由静止释放，到达D点后返回，B、C两点等高。下列说法正确的是（ ）
A．球在B、C两点的动能相等
B．球在A、D两点的机械能相等
C．球从B点到O点的过程中机械能减少
D．球从O点到C点的过程中重力势能减少
【解答】解：由于存在空气的摩擦，秋千在摆动的过程中，机械能转化为内能，机械能会逐渐减小；
A、球在B、C两点高度相同，重力势能相同，B的机械能大于C的机械能，B的动能大于C的动能，故A错误；
B、由于机械能逐渐减小，则A的机械能大于D的机械能，故B错误；
C、球从B点到O点的过程中，克服摩擦做功，机械能减少，故C正确；
D、球从O点到C点的过程中，高度增加，重力势能变大，故D错误。
故选：C。
（2023 杭州三模）“嫦娥5号”探测器从月球上采样并顺利返回地球，如图所示为两种返回技术示意图。下列分析正确的是（ ）
A．采用“跳跃式返回”可使返回器着陆前的机械能转化为内能更多
B．采用“跳跃式返回”可使返回器与大气摩擦通过的距离更短
C．采用“直接进入返回”可使返回器着陆前的速度更小
D．采用“直接进入返回”可使返回器着陆前具有的机械能更小
【解答】解：AB、由图可知，采用“跳跃式返回”可使返回器与大气摩擦通过的距离更长，则采用“跳跃式返回”可使返回器着陆前克服摩擦力做功更多，所以机械能转化为内能更多，故A正确、B错误；
CD、由图可知，采用“直接进入返回”可使返回器与大气摩擦通过的距离更短，则采用“直接进入返回”可使返回器着陆前克服摩擦力做功更少，所以采用“直接进入返回”可使返回器着陆前机械能转化为内能更少，具有的机械能更大，则可使返回器着陆前的速度更大，故CD错误。
故选：A。
（2022秋 余姚市期末）北京时间2022年11月12日10时03分，搭载天舟五号货运飞船的长征七号火箭，在我国文昌航天发射场点火发射（如图甲所示），约10分钟后，天舟五号货运飞船与火箭成功分离并进入预定轨道，飞船太阳能帆板顺利展开工作（ 如图乙所示），发射取得圆满成功。
（1）火箭点火，燃料燃烧发生的是 （选填：“物理”或“化学“）变化。
（2）搭载在飞船上的补给物资送达我国空间站时，补给物资的质量将 （选填：“变大”、“变小”或“不变”）。
（3）飞船太阳能帆板顺利展开工作，就是在太阳光照射下，能为飞船上的电器设备提供能量。太阳能帆板工作时是将 能转化为 能。
【解答】解：（1）火箭点火后，燃料燃烧生成水，并放出大量的热，因此发生的是化学变化。
（2）搭载在飞船上的补给物资送达我国空间站时，虽然补给物资的位置发生改变，但是补给物资的质量将保持不变。
（3）太阳能帆板工作时是将太阳能转化为电能。
故答案为：
（1）化学；
（2）不变；
（3）太阳；电。
（2022秋 镇海区期末）“铝箔秋千”是一个U形铝箔框，其两端通过回形针与干电池两端相连，置于磁铁上方，如图所示。通电时，铝箔框就会朝一个方向摆动。
（1）“铝箔秋千”通电摆动时，电能转化为 能和内能。
（2）要改变“铝箔秋千”通电时的摆动方向，请写出一种方法： 。
【解答】解：（1）铝箔框通电后摆动是因为通电铝箔框在磁场中受力的作用，且电流通过导体时会产生热量，此过程中将电能转化为机械能和内能；
（2）因为通电导体在磁场中受力运动的方向与电流的方向和磁场的方向有关，所以要改变铝箔框通电时的摆动方向，可以改变电流的方向或磁场的方向。
故答案为：（1）机械；
（2）改变电流的方向。
（2023 婺城区三模）“自热火锅”给我们的生活带来一定的便利。小龙同学就某种自热火锅的“自热”原理产生了兴趣，查阅到的相关资料如下。
①自热火锅食用方法：下层底盒中倒入适量冷水，打开加热包塑料膜，将加热包放入凉水中，放上上层食材盒，倒入一定食用冷水，盖上盖子，15分钟后，即可开盖食用。（图乙为自热火锅结构示意图）、
②加热包内含有铁粉、铝粉、焦炭粉、生石灰等物质，其中的金属粉末与炭粉在热水中发生化学反应，可短时间放出大量的热，后续缓慢放热。
③自热火锅工作时，下层加热盒中空气温度随时间变化的图像如下图丙所示。
（1）自热火锅在加热食物过程中的能量转化： 。
（2）为解释自热火锅的工作原理，请结合上述材料，对0a、ab、bc各段的温度变化做出解释。
【解答】解：（1）自热火锅的热量来源于化学反应，自热火锅的原理是利用自热包内的物质（其中主要成分有铁粉、铝粉、氧化钙、焦炭粉、活性炭和生石灰等）与水接触发生化学反应，释放的热量使得食材锅内的食物吸收热量后温度升高。因此自热火锅在加热食物过程中的能量转化为：化学能转化成内能。
（2）对0a段，冷水进入热包，与氧化钙反应放热；在18s内使下层底盒中的水温升高到60℃；ab段，水温升高后，加热包内的铁粉、铝粉与炭粉发生化学反应，放出大量的热，短时间内使水沸腾，蒸气温度高达200℃，高温蒸气对上层食盒持续加热，使上层食盒中的水沸腾，15分钟后即可煮熟食物；bc段，食物煮熟后，化学反应结束，蒸汽从食盒小孔出去，盒内温度逐渐下降。
故答案为：
（1）化学能转化成内能；
（2）对0a段，冷水进入热包，与氧化钙反应放热；在18s内使下层底盒中的水温升高到60℃；ab段，水温升高后，加热包内的铁粉、铝粉与炭粉发生化学反应，放出大量的热，短时间内使水沸腾，蒸气温度高达200℃，高温蒸气对上层食盒持续加热，使上层食盒中的水沸腾，15分钟后即可煮熟食物；bc段，食物煮熟后，化学反应结束，蒸汽从食盒小孔出去，盒内温度逐渐下降。
（2023春 西湖区校级月考）目前杭州垃圾发电有三张“大嘴”，杭州锦江环保能源有限公司“胃口”最大，可日吞800吨垃圾，日发电43万千瓦时；杭州生活垃圾焚烧发电厂潜力最大，现在日吞垃圾600吨，日发电量10万千瓦时；杭州余杭锦江环保能源有限公司日吞垃圾200吨，日发电14万千瓦时。这意味着目前杭州每天3000多吨城市生活垃圾有一半被垃圾发电“吞吃”。据悉剩下的垃圾则全部拉到天子岭垃圾填埋场进行填埋，并通过填埋产生的沼气进行发电。填埋是目前全球垃圾处理的主要方式，传统的垃圾处理方式是将垃圾集中填埋，让其自行发酵。在发酵过程中会产生二氧化碳和甲烷等废气，易造成常规污染。请利用所学科学知识回答下列问题：
（1）垃圾焚烧发电时能量转化情况是：化学能→ → →电能。
（2）制沼气时离不开甲烷细菌，它的代谢类型是异养厌氧型，它与酵母菌在细胞结构上最大的区别是 。
（3）若垃圾焚烧发电时的总效率为η，焚烧m吨垃圾发电w千瓦时，则生活垃圾的平均燃烧值约为 J/kg。
【解答】解：（1）垃圾具有化学能，燃烧时化学能转化为内能，通过热机转化为机械能，再通过发电机转化为电能；
（2）甲烷细菌属于细菌，在细胞中没有细胞核结构，酵母菌属于真菌，真菌的细胞结构包括细胞壁、原生质膜、细胞质及细胞器、细胞核，真菌有细胞核，因此甲烷细菌与酵母菌在细胞结构上最大的区别是没有细胞核结构；
（3）发电量：W电＝3.6×106×wJ，由η可知，焚烧垃圾产生的热量为：Q放，生活垃圾的平均热值为：qJ/kg；
故答案为：
（1）内能；机械能；
（2）没有细胞核结构；
（3）。
（2023 杭州三模）寒假里小金玩了一回极速滑雪（如图甲），其简化为模型如图乙所示。设小金及坐垫的质量分别M和m，他从轨道A点以初速度为0向下滑行，其中A、B两点距离水平面的高度分别为H和h。
（1）小金及坐垫整体由A点到达B点时，重力势能转化为 ，重力做功大小为 。
（2）若小金从A点滑到B点的过程中，坐垫的机械能转化为其内能的效率为η，则小金到达B点时坐垫温度升高了 （坐垫的比热容用c表示）
【解答】解：
（1）小金沿轨道下滑时，质量不变、速度增大、高度减小，重力势能减小、动能增大，重力势能转化为动能；
同时克服摩擦做功，机械能转化为内能；
小金及坐垫整体的总重力G总＝m总g＝（M+m）g，
下滑的高度Δh＝H﹣h，
从A点滑到B点时重力做的功：
W＝G总Δh＝（M+m）g×（H﹣h）＝（M+m）g（H﹣h）；
（2）从A点滑到B点时，坐垫损失的机械能（重力势能的减少量）为：
ΔE＝G坐垫Δh＝mg（H﹣h），
机械能转化为物体内能的效率为η，则坐垫增加的内能（吸收的热量）：
Q吸＝ΔEη＝mg（H﹣h）η，
由Q吸＝cmΔt可知，坐垫到达B点时温度升高了：
Δt。
故答案为：（1）动能和内能；（M+m）g（H﹣h）；。3.8 能量的转化与守恒
目录
模块一 知己知彼 1
模块二 知识掌握 1
知识点一、能量的相互转化 1
知识点二、能量的转化与守恒定律 4
知识点三、能量转化和转移的方向性 6
模块三 巩固提高 8
模块一 知己知彼
学习目标 目标解读
1.通过生活实例，了解各种形式的能量之间的相互转化，能解释一些常见现象中的能量转化过程。
2.理解能量守恒定律，能利用能量转化与守恒的观点分析问题。
3.知道能量转化与转移有一定的方向性。 解读1:理解能量的转化与守恒，举例说明能量的转化与守恒、能量的转化与传递的方向性，并能利用能量的转化与守恒知识解释简单问题。常见题型为选择题和填空题，难度较小。
解读2:结合生活、生产中的现象，了解提高能量利用效率和节能关系，常见题型为选择题和填空题，难度较小。
模块二 知识掌握
知识点一、能量的相互转化
（一）能量可以在两个物体之间转移，能量形式也可以转化
(1)太阳能的转化
照射到植物叶片上----植物的
照射到大气层中------空气的
照射到太阳能热水器--水的
照射到电池板上------
(2)人体能量的来源及转化:人体所需的能量都来自食物，食物被消化后且被分解的过程，
是食物的 转化为人体的内能、电能、机械能等能量的过程。被吸收的营养物质由血液输送到人体各处。
(3)火力发电厂的能量转化:燃料燃烧将燃料的 转化为 来加热水，水沸腾后，产生的蒸汽驱动涡轮机转动将内能转化为 ，涡轮机带动发电机发电将机械能转化为 。
（二）能量转化的普遍性
自然界中的能量有多种表现形式，如机械能、内能、化学能、电能、电磁能、核能等。自然界中各种形式的能量不是孤立的，它们可以在一定的条件下发生转化，能量也可以在同一物体或不同的物体间相互转移。能量转化是普遍现象，自然界中物质运动形式的变化中伴随着能量的相互转化。
（2023 鄞州区一模）如图是太阳能电池路灯，白天太阳能电池板将太阳能转化为电能，这种能量通过再次转化储存在大容
量蓄电池内。夜晚蓄电池给路灯供电。下列说法正确的是（ ）
A．路灯上的塑料灯罩和铝合金灯柱都属于有机合成材料
B．夜晚蓄电池给路灯供电时将光能转化为电能
C．白天给蓄电池充电时将化学能转化为电能
D．路灯的灯柱用合金材料制成是因为合金比纯金属具有更好的性能
（2022 宁波）核酸检测采样时使用的“采样拭子”，其顶端是如图所示的植绒拭子，安全、无毒。有一种植绒方式是：植绒机产生数万伏的高压静电，通过电子转移让喷头中的绒毛带上负电荷，然后在被植绒物体表面喷涂上胶粘剂，移动喷头靠近被植绒物体，绒毛在高压静电作用下从喷头中飞升到被植绒物体表面，呈垂直状植在涂有胶粘剂的物体表面。上述植绒过程中蕴含了许多科学知识，下列描述不合理的是（ ）
A．喷头中的绒毛带上负电荷，是由于绒毛得到了电子
B．以移动的喷头为参照物，被植绒物体是运动的
C．绒毛能在高压静电作用下运动，是由于能量可以创生
D．绒毛从喷头中飞升到被植绒物体表面，是由于力能改变物体的运动状态
（2022 龙湾区校级模拟）如图为伽利略斜面实验，如果没有摩擦力，无论斜面缓陡，小球从A点静止滚下总会滚到与A处等高的B处或C处，小球好像“记住“了其起始高度。下列说法错误的是（ ）
A．这是一种理想实验
B．A到B过程中小球动能先减小后增大
C．小球运动到乙斜面的过程机械能守恒
D．小球“记住”的是与起始高度相联系的能量
（2023 桐庐县二模）如图所示，弹簧一端与小车相连，另一端固定在左侧的墙壁上，小车放在光滑的水平木板上。小车位于A点时弹簧恰好为自然长度，用力压缩弹簧使小车到达B点；松手后，小车由位置B运动至位置C，在位置C时速度为零。则小车从位置B运动至位置C的过程中，速度达到最大的位置在 （选填“A点”、“A点的左侧”或“A点的右侧”），弹簧的弹性势能的变化情况是 （选填“减小”、“先减小后增大”、“先增大后减小”或“增大”）；小车从位置A运动到C点的过程中，能量转化的情况为 。
知识点二、能量的转化与守恒定律
（一）内容
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式 为另一种形式，或者从一个物体 到另一个物体。而在转化和转移的过程中，能的总量 。这就是能量转化和守恒定律。
（二）意义
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。无论是机械运动，还是生命运动，无论是宇宙天体，还是微观粒子，都遵循这个定律。
（三）永动机一不可能成功
所谓“永动机”是指不消耗任何能量和燃料,却能源源不断对外做功的机器。“永动机”不可能成功的事实告诉我们，违反能量转化和守恒定律的事件是不可能发生的。能量是不可能凭空创造出来的。即所谓的“消耗能量”“利用能量”“获得能量"的实质是能量相互转化或转移的过程。
（四）机械能守恒与能量守恒定律的区别
(1)机械能守恒是有条件的一没有能量损失或额外的能量补充。
因为机械能守恒是指一个物体如果只存在着动能和势能之间的转化时，机械能的总量将保持不变。如果存在机械能与其他形式的能之间的转化，机械能总量发生改变，机械能不再守恒，例如克服摩擦做功，产生内能，机械能的总量将减少，损失的机械能将转化为其他形式的能。
(2)能量守恒定律的成立不需要条件。这是因为能量转化形式是多样的，可以在机械能、内能、化学能、电能、光能、声能间相互转化，不限于动能和势能之间的转化，在转化过程中，一种形式的能减少，另一种形式的能必然增加，能的总量保持不变。
【能力拓展】
能量的转化可涉及两种或两种以上形式的能量;能量的转移只是能量的载体发生了变化，而能量的转化是能量的形式发生了变化。
（2022秋 拱墅区校级期中）用手将一重为G的铁球缓慢放在一弹簧上，放手后，铁球从A位置开始向下运动，到达B位置速度达到最大，到达C位置小球的速度变为零。已知AC间的高度差为h，则从A位置到C位置弹簧的弹性势能增加量为 。B位置到C位置的过程中铁球所受的重力 （选填“大于”、“小于”、“等于”）弹簧所施加的弹力。（整个过程中不计能量损耗）
（2021秋 仙居县期末）能量转化和守恒定律是许多科学家经过长期探索才建立起来的，是科学史上重大发现之一。
材料一：十七至十八世纪，多位科学家对能量的量度提出了不同的观点。1644年，笛卡尔用物体的质量（单位kg）和其速度（单位m/s）的乘积来表示“能量”；1686年，莱布尼兹用物体的质量和其速度平方的乘积来表示“能量”；1743年，达朗贝尔用“活力”（即物体受力作用通过一定距离）来表示“能量”。
材料二：温度计的不断改进给热与功研究的精确化提供了必要条件。
材料三：焦耳通过400多次的实验，为能量守恒定律的确立奠定了定量的实验基础。
（1）材料一中，笛卡尔所表示的“能量”的单位是 。
（2）如图所示是焦耳实验的装置，通过重物的上下运动，带动叶片转动，
这个过程中 （填能的一种形式）转化为水的内能。
（3）结合材料分析，以下观点正确的是 。（可多选）
A.伟大科学家的观点都是正确的
B.测量工具的发展有助于科学理论的研究
C.对科学的认识是一个不断修正完善的过程
知识点三、能量转化和转移的方向性
（一）内能总是自发地从高温物体转移到低温物体，而不能从低温物体自发地转移到高温物体
如烧杯中的热水变冷等，是内能自发地从 物体转移到 物体。电冰箱、空调制冷，都是从低温物体的内部吸热，向外面放热，使内能从低温物体转移到高温物体。这种转移不是自发进行的，必须要有附加的条件: 。
（二）机械能可自发地转化为内能，但内能无法自发地转化为机械能
如汽车制动刹车时，由于摩擦，机械能转变成地面、轮胎及空气的内能，但是这些内能不能再次转化为汽车的机械能而使汽车重新启动。可见，能量的转移和转化是有 一定的方向性的。能量可以自发地朝一个方向进行，但不能自发地朝反方向进行。
【能力拓展】
我们是在能量的转化或转移的过程中利用能量的，因此，不是什么能量都可以利用。化石能源、核能等现在开采得越多，留给子孙的就越少。有的能量如内能，一旦耗散，便不可再利用。正是由于能量转化和转移的方向性，我们要“节约能源”
（2023 南浔区一模）能量的转化是自然界普遍的现象。下列关于能量转化的分析正确的是（ ）
A．水果电池 电能→化学能
B．瀑布倾泻 重力势能→动能
C．电磁感应 电能→机械能
D．钻木取火 内能→机械能
（2022秋 西湖区期末）如图是一种太阳能户外满天星LED挂灯，白天利用太阳能电板在光照下产生电流，给蓄电池供电，晚上自动亮灯。下列有关该户外灯能量转化的描述错误的是（ ）
A．白天太阳能电板将太阳能转化为化学能
B．白天蓄电池将电能转化为化学能
C．晚上蓄电池将化学能转化为电能
D．晚上LED灯将电能转化为光能
（2022秋 杭州期末）下列情形中，人对物体之间存在能量的转化的是（ ）
A．人踢球后球在空中运动过程中
B．超市顾客在水平地面上匀速推车前进中
C．运动员举着杠铃3秒钟不动的过程中
D．小孩搬石头但是没有搬动
（2022秋 杭州期末）在下列变化中，所发生的能的转移或转化说法正确的是（ ）
A．实验室中在铁粉与硫粉反应的过程中，化学能转化为热能
B．农家自酿米酒时加入醇母菌，酵母菌主要进行有氧呼吸把热能转化为化学能储存在酒精中
C．人在举起重物的过程中，化学能全转化为机械能
D．手机充电时，家庭电路中的电能转移成为手机电池中的电能
模块三 巩固提高
（2021 绍兴）滑板是深受青少年喜欢的一项体育运动。如图是U形滑台和运动员姿势的简化示意图。运动员在滑台A处由静止自由下滑，不计滑台摩擦和空气阻力，仅依靠滑行过程中运动员姿势的自然（不用力）变化，最有可能滑到滑台C处的是（ ）
A． B．
C． D．
（2021 温州一模）如图所示是荡秋千的简化模型。摆球从A点由静止释放，到达D点后返回，B、C两点等高。下列说法正确的是（ ）
A．球在B、C两点的动能相等
B．球在A、D两点的机械能相等
C．球从B点到O点的过程中机械能减少
D．球从O点到C点的过程中重力势能减少
（2023 杭州三模）“嫦娥5号”探测器从月球上采样并顺利返回地球，如图所示为两种返回技术示意图。下列分析正确的是（ ）
A．采用“跳跃式返回”可使返回器着陆前的机械能转化为内能更多
B．采用“跳跃式返回”可使返回器与大气摩擦通过的距离更短
C．采用“直接进入返回”可使返回器着陆前的速度更小
D．采用“直接进入返回”可使返回器着陆前具有的机械能更小
（2022秋 余姚市期末）北京时间2022年11月12日10时03分，搭载天舟五号货运飞船的长征七号火箭，在我国文昌航天发射场点火发射（如图甲所示），约10分钟后，天舟五号货运飞船与火箭成功分离并进入预定轨道，飞船太阳能帆板顺利展开工作（ 如图乙所示），发射取得圆满成功。
（1）火箭点火，燃料燃烧发生的是 （选填：“物理”或“化学“）变化。
（2）搭载在飞船上的补给物资送达我国空间站时，补给物资的质量将 （选填：“变大”、“变小”或“不变”）。
（3）飞船太阳能帆板顺利展开工作，就是在太阳光照射下，能为飞船上的电器设备提供能量。太阳能帆板工作时是将 能转化为 能。
（2022秋 镇海区期末）“铝箔秋千”是一个U形铝箔框，其两端通过回形针与干电池两端相连，置于磁铁上方，如图所示。通电时，铝箔框就会朝一个方向摆动。
（1）“铝箔秋千”通电摆动时，电能转化为 能和内能。
（2）要改变“铝箔秋千”通电时的摆动方向，请写出一种方法： 。
（2023 婺城区三模）“自热火锅”给我们的生活带来一定的便利。小龙同学就某种自热火锅的“自热”原理产生了兴趣，查阅到的相关资料如下。
①自热火锅食用方法：下层底盒中倒入适量冷水，打开加热包塑料膜，将加热包放入凉水中，放上上层食材盒，倒入一定食用冷水，盖上盖子，15分钟后，即可开盖食用。（图乙为自热火锅结构示意图）、
②加热包内含有铁粉、铝粉、焦炭粉、生石灰等物质，其中的金属粉末与炭粉在热水中发生化学反应，可短时间放出大量的热，后续缓慢放热。
③自热火锅工作时，下层加热盒中空气温度随时间变化的图像如下图丙所示。
（1）自热火锅在加热食物过程中的能量转化： 。
（2）为解释自热火锅的工作原理，请结合上述材料，对0a、ab、bc各段的温度变化做出解释。
（2023春 西湖区校级月考）目前杭州垃圾发电有三张“大嘴”，杭州锦江环保能源有限公司“胃口”最大，可日吞800吨垃圾，日发电43万千瓦时；杭州生活垃圾焚烧发电厂潜力最大，现在日吞垃圾600吨，日发电量10万千瓦时；杭州余杭锦江环保能源有限公司日吞垃圾200吨，日发电14万千瓦时。这意味着目前杭州每天3000多吨城市生活垃圾有一半被垃圾发电“吞吃”。据悉剩下的垃圾则全部拉到天子岭垃圾填埋场进行填埋，并通过填埋产生的沼气进行发电。填埋是目前全球垃圾处理的主要方式，传统的垃圾处理方式是将垃圾集中填埋，让其自行发酵。在发酵过程中会产生二氧化碳和甲烷等废气，易造成常规污染。请利用所学科学知识回答下列问题：
（1）垃圾焚烧发电时能量转化情况是：化学能→ → →电能。
（2）制沼气时离不开甲烷细菌，它的代谢类型是异养厌氧型，它与酵母菌在细胞结构上最大的区别是 。
（3）若垃圾焚烧发电时的总效率为η，焚烧m吨垃圾发电w千瓦时，则生活垃圾的平均燃烧值约为 J/kg。
（2023 杭州三模）寒假里小金玩了一回极速滑雪（如图甲），其简化为模型如图乙所示。设小金及坐垫的质量分别M和m，他从轨道A点以初速度为0向下滑行，其中A、B两点距离水平面的高度分别为H和h。
（1）小金及坐垫整体由A点到达B点时，重力势能转化为 ，重力做功大小为 。
（2）若小金从A点滑到B点的过程中，坐垫的机械能转化为其内能的效率为η，则小金到达B点时坐垫温度升高了 （坐垫的比热容用c表示）
