第10节? 能量守恒定律与能源备课参考
备课参考
科学概念的作用在于它具有概括多种自然现象的能力，能量就是从千差万别的各种自然现象中抽象出来的概念。能量从更深的层次上反映了物质运动和相互作用的本质。能量守恒定律是人们认识自然的重要工具。能量关系到人们的衣食住行，关系到国家的兴旺发达。能源的开发和利用，是关系人类生存和发展的一个重大的社会问题。我们应竖立科学的世界观，形成可持续发展的意识。
?各种形式能量的相互转化
现实生活的经验告诉我们，各种形式的能量是可以相互转化的。例如：在摩擦生热的现象中，克服摩擦力做多少功，就有多少机械能转化成等量的内能；通过电流的导线变热，电能转化成内能；燃料燃烧生热，化学能转化成内能；灼热的灯丝发光，内能转化成光能。实验证明，在这些转化过程中，能量都是守恒的。
?科学家对能量守恒的探索
对于能量守恒，科学家进行了长期的探索：1801年，戴维发现了电流的化学效应；1820年，奥斯特发现了电流的磁效应；1821年，塞贝克发现了温差电现象；1831年，法拉第发现了电磁感应现象；1840年，焦耳发现了电流的热效应；1842年，迈尔表述了能量守恒定律，并计算出热功当量的数值；1843年，焦耳测定了热功当量的数值。从而，确立了电化学、电和磁、电和热、力和热等自然现象之间的联系。1847年，亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律。……
发现能量守恒定律的历史表明，能量守恒定律的发现不是偶然的它是人类对自然认识发展到一定阶段的产物；除了物理学外，别的学科对能量守恒定律的发现也有贡献。
?关于能量守恒定律
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。这就是能量守恒定律。
能量守恒定律是经过人类的长期探索在19世纪确立的。恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本规律”，认为它的发现是19世纪连同细胞学说、达尔文的生物进化论在内的自然科学的三大发现之一。
能量守恒定律自建立以来，就是人们认识自然、改造自然的有力武器。这个定律把广泛的自然科学技术领域联系起来使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言，并取得了许多重大成就。现在，能量守恒定律仍然是我们研究自然科学的强有力的武器之一。
?为什么要节约能源
教材在本节“思考与讨论”栏目中提出了这样的问题：“既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源？”这一问题值得讨论。其实，节约能源主要是出于以下两方面的考虑：
①?能源短缺 在近二三百年以来，人类相继发明了蒸汽机、内燃机、电动机等动力机械，使生产力得到了飞速发展。但是，能源的消耗也急剧增长。研究人员估计，按照目前的石油开采和消耗速度，地球上的石油储藏将在百年内用尽；煤的储量稍多一些，但也将在二百多年的时间内采完。可以想象，如果没有了石油和煤炭，汽车、飞机、轮船和铁路上的内燃机车都不能开动，火力发电厂将停止发电，人类的社会生活将会瘫痪。
②?能量耗散 宏观过程具有一定的方向性，例如：两种气体放在一个容器内，总会均匀地混合到一起，但不会再自发地分离开来。在能量的转化和转移过程中也是如此，例如：摩擦力做功的过程，要损耗机械能而生热，产生的热不可能全部用来做机械功；热量只能自发地从高温物体传给低温物体，而不可能从低温物体传向高温物体又不产生其他影响；燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会再次自动聚集起来供人类重新利用；电池中的化学能转化为电能，它又通过灯泡转化为内能和光能，我们也无法把这些内能收集起来重新利用。这些实例说明，在能量的转化和转移过程中，能量的总量是守恒的，但能量的品质却降低了，可被人类直接利用的能量在逐渐减少，这就是能量耗散现象。所以。能量虽然守恒，但我们还要节约能源。
?能量转化和能量转移方向性的进一步说明
在物理学中，能量转化和能量转移的方向性是用热力学第二定律来表述的。热力学第二定律有多种表述，两种最常见的表述形式是：
开尔文表述——不可能从单一热源吸热，使之完全变成有用的功，而不引起其他变化。
克劳修斯表述——不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。
热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。可见，不消耗任何能量而能不断做功，或者少消耗能量而能做更多功的机器（第一类永动机）是不可能的；从单一热源吸热，使之完全变成有用的功而不产生其他影响的机器（第二类永动机）也是不可能的。前者违背了能量守恒定律，后者尽管不违背能量守恒定律，但是却违背反映能量转化和能量转移方向性的规律——热力学第二定律。
对于热力学第二定律，以及反映功、热量跟内能变化之间定量关系的热力学第一定律，我们将在物理选修模块中深入研究。
?能源的开发和利用
目前，对能源的开发和利用已越来越受到人们的极大关注。我们不仅要注意节约能源，还要重视能源的合理开发。
节约能源的办法有：采用高效锅炉，节约燃料；采用高温高压蒸汽轮机，提高热机效率；充分利用废气余热，提高燃料利用率；从能源直接得到电能，提高发电效率；等等。
在合理开发和节约使用煤、石油、天然气等常规能源的同时，要大力开发核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等新能源。
?对功是能量转化的量度的再认识
能量转化是与做功紧密地联系在一起的。力做功时，必然伴随着能量的转化，而且功与能量转化的量值是相等的。这一等量关系不仅提供了计算功的大小的另一种途径，而且涉及功与能的其他物理量也可能在这一等量关系中求出。在力学中，常涉及以下几种力的功引起的相应的能量变化的等量关系：
合外力所做的功或外力所做功的代数和等于物体或物体系动能的变化——动能定理；
除了重力和弹力外，其他力对物体系所做的功等于物体系机械能的变化——功能原理；
重力或弹力对物体所做的功与重力势能或弹性势能的变化数值相等；
两物体间滑动摩擦力对物体系所做的功与物体系增加的内能数值相等。
典型例题
本节知识的应用主要涉及对能量守恒定律和能源问题的理解，以及有关能量转化、能源开发和利用问题的计算。
例1 试说明下列现象中能量是怎样转化的：
A. 在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最后停止。
B. 电风扇通电后开始转动，断电后转动着的风扇又慢慢停下来。
C. 火药爆炸产生燃气，子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，射穿一块钢板，速度减小。
D. 用柴油机带动发电机发电，供给电动水泵抽水，把水从低处抽到高处。
提示 从能量的种类和做功情况加以分析。
解析 A. 在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最后停止。这一过程中，汽车所受的阻力做负功，机械能转化为内能。
B. 电风扇通电后开始转动，电流做功，电能转化为机械能，有一部分转化为内能；断电后转动着的风扇又慢慢停下来，阻力做负功，机械能转化为内能。
C. 火药爆炸产生燃气，化学能转化为内能；子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，推力做功，内能转化为机械能；子弹射穿一块钢板，速度减小，阻力做负功，机械能转化为内能。
D. 用柴油机带动发电机发电，化学能转化为机械能，又转化为电能；发电机发电后供给电动水泵抽水，电流做功，电能转化为机械能；电动水泵把水从低处抽到高处，水泵对水做功，使水泵的机械能传递给水。
点悟 做功的过程就是能量转化或转移的过程。各种能量可以相互转化，而在转化过程中，能量的总量则保持不变。
例2 一质量均匀、不可伸长的绳索，重为G，A、B两端固定在天花板上，如图1所示。现在最低点C处施加一竖直向下的力，将最低点缓慢拉至D点。在此过程中，绳的重心位置（ ）
A. 逐渐升高 B. 逐渐降低
C. 先降低后升高 D. 始终不变
提示 从外力做功引起绳索重力势能的变化进行分析。
解析 外力对绳索做功，绳索的机械能增加。由于绳索的动能不变，增加的必是重力势能，重力势能增加是重心升高的结果。正确选项为A。
点悟 本题绳索重心的具体位置很难确定，且往往会错误地认为：外力将绳索向下拉，绳索的重心会逐渐降低。这里，我们应用功能原理，对问题作出了正确的判断。
例3 约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图2所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。
在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，而且竟在德国取得了专利权！
请你分析一下，维尔金斯“永动机”能实现吗?
提示 运用能量守恒定律进行分析。
解析 维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消。可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量，所以维尔金斯“永动机”不可能实现。
点悟 能量守恒定律告诉我们：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，那种不消耗能量的所谓“永动机”是不可能造成的。人类利用自然，必须遵循自然规律，而不是去研制永远无法实现的“永动机”。
例4 随着人类能量消耗的迅速增加，如何有效地提高能量利用率是人类所面临的一项重要任务。上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案将站台抬高了一些，与站台连接的轨道有一个小的坡度。请你从提高能量利用效率的角度，分析这种设计的优点。
提示 从能量转化的角度分析如何提高能量的利用率。
解析 列车进站时，利用上坡使部分动能转化为重力势能加以储存，减少了因刹车而损耗的机械能；列车出站时，利用下坡把储存的重力势能又转化为动能，起到节能的作用，从而提高了能量的利用率。
点悟 节约能源是涉及社会可持续发展的重大问题，应该引起人们的极大关注。上海“明珠线”某轻轨车站的上述设计方案，正是从节约能源的角度提出的。这里，我们看到了物理规律与实际生活的密切联系及其发挥的重要作用。
例5 下列说法正确的是（ ）
A. 热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B. 只要对热机不断改革，就可使热机把它得到的全部内能转化为机械能
C. 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
D. 凡是不违背能量守恒定律的过程都一定能实现
提示 用反映能量转化和能量转移方向性的规律——热力学第二定律进行判断。
解析 热量会自发地从高温物体传给低温物体，而不会自发地才低温物体传给高温物体，但如果有外界的影响或者帮助，热量也能从低温物体传到高温物体。例如：电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功，能够不断地把冰箱内（低温）的热量传给外界的空气（高温）。
热机不能把它得到的全部内能转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时总要向冷凝器散热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量。
根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律的过程，同样不能实现。
可见，正确选项为C。
点悟 热力学第二定律是关于热量传递不可逆性的一条基本规律。对热力学第二定律的正确理解是：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
例6 如图3所示，小球以60J的初动能从A点出发沿粗糙斜面向上运动，在上升到B点的过程中，小球的动能损失了50J，机械能损失了10J，则小球继续向上运动至最高点C再运动至出发点A时的动能为多少？
提示 由于斜面粗糙，小球克服摩擦力做功，机械能转化为内能，所以小球的机械能不守恒，可应用动能定理和功能原理求解。
解析 小球在由A点到B点的过程中，动能的损失量对应于克服合外力所做的功，机械能的损失量对应于克服摩擦力所做的功。由动能定理得WG+WF=△Ek=－50J，由功能关系得WF=△E=－10J，又F︰G =WF︰WG，由以上三式可得?F︰G =1︰4。
小球在由B点到C点的过程中，动能减少10J，由动能定理得WG’+WF’=△Ek’=－10J，又WF’︰WG’ = F︰G =1︰4，由以上两式可得WF’=－2J。
所以，上升过程中小球克服摩擦力做功12J，一上一下，全过程小球克服摩擦力做功24J。在小球运动的全过程中由动能定理得?= Ekt－Ek0，
解得小球运动至出发点A时的动能为Ekt=+ Ek0=－24J+60J=36J。
点悟 本题涉及功与能的几个对应关系。研究动能的变化，只要看合外力做了多少功（本题中即为重力与摩擦力所做功之和）；研究机械能的变化，只要看除重力、弹力以外的力总共做了多少功（本题中即为摩擦力所做的功）。必须弄清各种能量的变化与什么力所做的功相对应，否则可能乱套公式而出错。
课本习题解析
[p76问题与练习]
1. 家用电饭锅是把电能转化为内能，洗衣机是把电能转化为动能，等等。
2. (1)?依题意可知，三峡水库第二期蓄水后，用于发电的水流量每秒为
?1.35×104m3－3?500m3=10?000m3/s
每秒钟转化为的电能是mgh×20%=ρVgh×20%=1.0×103×1.0×104×10×135×20%J/s=2.7×109 J/s，发电功率最大是2.7×109W=2.7×106kW。
(2)?设三口之家每户的家庭生活用电功率为1kW，考虑到不是每家同时用1kW的电，我们平均每家同时用电0.5kW，则三峡发电站能供给?户=5.8×106户用电，人口数为3×5.8×106人≈17×106人，即可供17个百万人口城市的生活用电。
巩固练习
能源是人类社会活动的物质基础。人类利用能源大致经历了三个时期，依次是（ ）
A. 柴薪时期、煤炭时期、石油时期 ? ?B. 柴薪时期、石油时期、煤炭时期
C. 煤炭时期、石油时期、电力时期 D. 畜力时期、热力时期、电力时期
关于能量耗散，下列说法中正确的是（ ）
能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了
能量耗散表明，能量守恒定律具有一定的局限性
能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了
能量耗散从能量转化的角度，反映出自然界中宏观过程的方向性
下列说法中正确的是（ ）
A. 不同形式能量的转化是通过做功来实现的
B. 做功的过程总是伴随着能量的变化
C. 某种形式的能量增加10J，一定有其他形式的能量减少10J
D. 某个物体的能量减少10J，一定有其他物体的能量增加10J
运动员把原来静止的足球踢出去，使足球获得100J的动能。则在运动员踢球的过程中，运动员消耗的体能（ ）
A. 等于100J ? B. 大于100J ? C. 小于100J ?D. 无法确定
斜面的高是0.6m，倾角是37°，质量是1kg的物体由顶端滑到底端。已知动摩擦因数是0.5，g取10m/s2，在这个过程中产生多少热量？
水能是可再生能源，可用来发电为人类提供清洁的能源。若一水力发电站水库平均流量为Q?m3/s，落差为h?m。试回答和计算：
水力发电过程是什么能之间的转化？
设发电效率为η，则全年的发电量为多少？（用kW·h来表示）
8. 将一物体竖直向上抛出，不计空气阻力，则物体的动能—路程图象应是图4中的（ ）
A. (a)?图 ?? B. (b)?图 ? ?C. (c)?图 ? ?D. (d)?图
9. 小球质量为m，在距地面h高度处以v0的初速度竖直向上抛出，设空气阻力恒为F，且小于mg，小球与地面碰撞过程中不损失机械能，则小球在整个过程中经历的路程是多少？
10. 用一个底面积是500cm2、高不小于2cm的圆柱形容器，内装水1kg，可用来估测射到地面上的太阳能。在日光垂直照射5min后，水温升高了2.5°C。试估算在日光直射下地球表面每平方米每秒钟获得的热量。（忽略容器吸收的和散失到周围的热量）
参考答案
1. A 2. CD 3. ABCD 4. ABC
5. 原来静止的足球获得了100J的动能，说明在踢球过程中运动员对足球做了100J的功，有100J的体能（即体内的化学能）转化成了动能；同时运动员在踢球的过程中，由于自身的剧烈运动，也要消耗一部分体能。所以，运动员消耗的体能大于100J。
6. 在这个过程中产生的热量等于物体克服摩擦力所做的功，即
Q=W=Fx=μmgcosθ·J=4J。
7. (1)?水力发电过程是水的重力势能转化为动能，再转化为电能。
(2)?全年的发电量为W=Pt=ηρQght=ηQh×103×9.8×10-3×24×365?kW·h≈8.58×104ηQh kW·h。
8. 设物体抛出时的初动能为Ek?0，物体所能达到的最大高度为H，根据重力做功与物体动能变化的关系，在物体上升阶段由 －mgs=Ek－Ek?0，可得Ek= Ek?0－mgs（0≤s≤H），在物体的动能—路程（Ek－s）图象中应是向下倾斜的直线段。
同理，在物体下落阶段由mg(s－H)= Ek?，可得Ek= mgs－mgH（H≤s≤2H），在物体的动能—路程（Ek－s）图象中应是向上倾斜的直线段。
所以，正确选项为B。
9. 小球在整个过程中克服阻力做功，机械能转化为内能，有，解得小球经历的路程是。
10. 设日光直射下地球表面每平方米每秒钟获得的热量为E0，根据能量守恒定律有E0St=cm△t，所以J/(m2·s)=700 J/(m2·s)。
§7.10 能量守恒定律与能源
【自主学习】 1能量
(1)概念.一个物体能够对外 ,我们就说这个物体具有 。如:运动的物体可以推动与其接触的另一个物体一起向前运动,对被推动的物体做功,说明运动的物体具有能量。又如流动的河水、被举高的重物、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功.因此都具有能量。
(2〕形式：能量有各种不同的形式。运动的物体具有 ;被举高的重物具有 ;发生弹性形变的物体具有 ;由大量粒子构成的系统具有 。另外自然界中还存在化学能、电能、光能、太阳能、风能、潮汐能、原子能等等不同形式的能。
不同的能与物体的不同运动形式相对应,如机械能对应 ;内能与大量微观粒子的 相对应
(3)能量的转化：各种不同形式的能量可以相互转化,而且在转化过程中 保持不变。也就是说当某个物体的能量 时,一定存在其他物体的能量 且减少量一定 增加量;当 的能量减少时,一定存在其他形式的能量增加,且减少量一定 增加量。
（4）功是能量转化的量度
不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的。做功的过程就是各种形式的 的过程。且做了多少功,就有 能量发生转化(或转移),因此,功是能量转化的 。
2能量守恒定律
(1)内容:能量既不会 ，也不会 ,它只会从一种形式 为其地形式,或者从一个物体 另一个物体,而在转化和转移过程中.能量的总量 ,这个规律叫做能量守恒定律.
(2)定律的表达式：① ②
3.能源和能量耗散
(1)能源是人类社会活动的物质基础.人类利用能源大致经历了三个时期,即 ，
。
(2)能量耗散:燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去,它就不会 起来供人类重新利用;电池中的化学能转化为电能,它又通过灯泡转化为内能和光能,热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能,我们也无法把这些内能 起来 这种现象叫做能量的耗散。
引入新课
教师活动：提出问题：我们已学习了多种形式的能，请同学们说出你所知道的能量形式。我们还知道不同能量之间是可以相互转化的，请你举几个能量转化的例子。
学生活动：思考并回答问题，列举实例。
教师活动：演示实验1：在一个玻璃容器内放入沙子，拿一个小铁球分别从某一高度释放，使其落到沙子中。
思考：小球运动过程中机械能是否守恒？请说出小球运动过程中能量的转化情况。
演示实验2：在盛有水的玻璃容器中放一小木块，让小木块在水中上下浮动，过一段时间，小木块停止运动。
思考：小木块运动过程中机械能是否守恒？请说出小球运动过程中能量的转化情况。
学生活动：观察实验并积极思考。讨论后，选出代表发表见解。
教师活动：听取学生汇报，总结点评。回答学生可能提出的问题。
点评：通过学生举例和演示实验，说明各种形式的能量可以相互转化，增强学生的感性认识，并激发学生的学习兴趣，唤起学生强烈的求知欲。
教师活动：引入课题：以上实验表明，各种形式的能量可以相互转化，一种能量减少，必有其他能量增加，一个物体的能量减少，必定其他物体能量增加，能量的总和并没有不化。这就是我们今天要学习的能量守恒定律。
进行新课
1、能量守恒定律
教师活动：引导学生阅读教材，说出能量守恒定律的内容，并引用教材上的话，说明能量守恒定律的建立有何重大意义？
历史上曾有人设想制造一种不需要消耗任何能源就可以不断做功的机器，即永动机，这样的机器能不能制成？为什么？
学生活动：认真阅读教材，思考并回答问题
教师活动：提出问题，引出下一课题：
既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源？
2、能源和能量耗散
教师活动：引导学生阅读教材，了解人类应用能源的历程，能源对人类社会发展所起的作用；人类在利用能源的同时也对环境造成了严重污染。
什么是能量耗散？能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解？
学生活动：认真阅读教材，思考并回答问题。
教师活动：听取学生汇报，总结点评。回答学生可能提出的问题。
【课堂训练】
1．功与能
能是状态量，功是过程量。不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的。做功的过程就是各种形式的能量之间转化(或转移)的过程。且做了多少功,就有多少能量发生转化(或转移),因此,功是能量转化的量度。如举重运动员把重物举起来,对重物做了功这一过程中,运动员通过做功消耗了体内的化学能,转化为重物的重力势能.并且,运动员做了多少功,就有多少化学能转化为重力势能。能量的具体值往往无多大意义,我们关心的大多是能量的变化量,能量的变化必须通过做功才能实现,某种力做功往往与某一具体的能量变化相联系。
例1．分析常见力做功与能量转化的对应关系：
重力做功： 弹力做功：
电场力做功： 电流做功：
2． 能量守恒定律
⑴能量守恒定律是贯穿整个物理学的基本规律之一,是学习物理学的一条主线。
⑵要分清系统中有多少种形式的能,发生了哪些转化和转移.
⑶滑动摩擦力与相对距离的乘积在数值上等于系产生的内能、即Q=FL相
注意:(1)某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加,且减少量一定和增加量相等
(2)某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等。这也是我们列能量守恒表达式时的两条基本思路。
例2．如图2-10-1所示，在水平桌面的边角处有一轻质光滑的定滑轮K，一条不可伸长的轻绳绕过K分别与物块A、B相连，A、B的质量分别为mA、mB。开始时系统处于静止状态。现用一水平恒力F拉物块A，使物块B上升。已知当B上升距离为h时，B的速度为v。求此过程中物块A克服摩擦力所做的功。重力加速度为g。
解答：
例3．一小滑块放在如图2-10-2所示的凹形斜面上，用力F沿斜面向下拉小滑块，小滑块沿斜面运动了一段距离。若已知在这过程中，拉力F所做的功的大小（绝对值）为A，斜面对滑块的作用力所做的功的大小为B，重力做功的大小为G，空气阻力做功的大小为D。当用这些量表达时，小滑块的动能的改变（指末态动能减去初态动能）等于多少？，滑块的重力势能的改变等于多少？滑块机械能（指动能与重力势能之和）的改变等于多少？
解析：
3．能源和能量耗散
能量耗散表明,在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中,能量在数量上并未减少,但在利用的品质上降低了,从便于利用的变成不便于利用的了。是能源危机更深层次的含意,也是“自然界的能量虽然守恒,但还是要节约能源”的根本原因。能量和能源是两回事；非再生能源和可再生能源是两回事。作为常规能源的煤炭、石油、天然气等面临枯竭.节能和开发新的能源已是人类必须面对的实际问题.能源对造福人类具有极重要的意义,节约每一份能源,不仅能提高能源的利用价值,对于维护人类赖以生存的环境也有不可忽视的作用新的能源有待于人类去开发.有待开发和利用的新能源主要指:太阳能、地热能、风能、水、能、核能。由于煤、石油和天然气都是几亿年以前的生物遗体形成的,所以人们也称它们为化石燃料.由于这些能源是不能再次生产,也不可能重复使用的,所以称为非再生能源
例4．太阳能的储存一直是个难题.科学家发现,盐水湖被太阳晒久了,湖底的湿度会越来越高,并难以通过湖水的对流将热散发出去，而淡水湖不具备这一特点.根据这一特点,可以利用盐水湖来储存太阳能.你能分析这是为什么吗?你能根据这规律设计出一种储存太阳能的具体方案吗？（提示:盐水湖中含盐量高的湖水密度大,总是留存湖底不会上浮)
解答:
【课后思考】
有人设计了这样一台“永动机”：距地面一定高度架设一个水槽，水从槽底的管中流出，冲击一个水轮机，水轮机的轴上安装一个抽水机和一个砂轮．他指望抽水机把地面水槽里的水抽上去，这样循环不已，机器不停地转动，就可以永久地用砂轮磨制工件做功了（下图）．
请你分析一下，高处水槽中水的势能共转变成哪几种形式的能，说明这个机器是否能够永远运动下去．
第10节? 能量守恒定律与能源备课参考
备课参考
科学概念的作用在于它具有概括多种自然现象的能力，能量就是从千差万别的各种自然现象中抽象出来的概念。能量从更深的层次上反映了物质运动和相互作用的本质。能量守恒定律是人们认识自然的重要工具。能量关系到人们的衣食住行，关系到国家的兴旺发达。能源的开发和利用，是关系人类生存和发展的一个重大的社会问题。我们应竖立科学的世界观，形成可持续发展的意识。
?各种形式能量的相互转化
现实生活的经验告诉我们，各种形式的能量是可以相互转化的。例如：在摩擦生热的现象中，克服摩擦力做多少功，就有多少机械能转化成等量的内能；通过电流的导线变热，电能转化成内能；燃料燃烧生热，化学能转化成内能；灼热的灯丝发光，内能转化成光能。实验证明，在这些转化过程中，能量都是守恒的。
?科学家对能量守恒的探索
对于能量守恒，科学家进行了长期的探索：1801年，戴维发现了电流的化学效应；1820年，奥斯特发现了电流的磁效应；1821年，塞贝克发现了温差电现象；1831年，法拉第发现了电磁感应现象；1840年，焦耳发现了电流的热效应；1842年，迈尔表述了能量守恒定律，并计算出热功当量的数值；1843年，焦耳测定了热功当量的数值。从而，确立了电化学、电和磁、电和热、力和热等自然现象之间的联系。1847年，亥姆霍兹在理论上概括和总结了能量守恒定律。……
发现能量守恒定律的历史表明，能量守恒定律的发现不是偶然的它是人类对自然认识发展到一定阶段的产物；除了物理学外，别的学科对能量守恒定律的发现也有贡献。
?关于能量守恒定律
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。这就是能量守恒定律。
能量守恒定律是经过人类的长期探索在19世纪确立的。恩格斯曾经把这一定律称为“伟大的运动基本规律”，认为它的发现是19世纪连同细胞学说、达尔文的生物进化论在内的自然科学的三大发现之一。
能量守恒定律自建立以来，就是人们认识自然、改造自然的有力武器。这个定律把广泛的自然科学技术领域联系起来使不同领域的科学工作者具有了一系列的共同语言，并取得了许多重大成就。现在，能量守恒定律仍然是我们研究自然科学的强有力的武器之一。
?为什么要节约能源
教材在本节“思考与讨论”栏目中提出了这样的问题：“既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源？”这一问题值得讨论。其实，节约能源主要是出于以下两方面的考虑：
①?能源短缺 在近二三百年以来，人类相继发明了蒸汽机、内燃机、电动机等动力机械，使生产力得到了飞速发展。但是，能源的消耗也急剧增长。研究人员估计，按照目前的石油开采和消耗速度，地球上的石油储藏将在百年内用尽；煤的储量稍多一些，但也将在二百多年的时间内采完。可以想象，如果没有了石油和煤炭，汽车、飞机、轮船和铁路上的内燃机车都不能开动，火力发电厂将停止发电，人类的社会生活将会瘫痪。
②?能量耗散 宏观过程具有一定的方向性，例如：两种气体放在一个容器内，总会均匀地混合到一起，但不会再自发地分离开来。在能量的转化和转移过程中也是如此，例如：摩擦力做功的过程，要损耗机械能而生热，产生的热不可能全部用来做机械功；热量只能自发地从高温物体传给低温物体，而不可能从低温物体传向高温物体又不产生其他影响；燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会再次自动聚集起来供人类重新利用；电池中的化学能转化为电能，它又通过灯泡转化为内能和光能，我们也无法把这些内能收集起来重新利用。这些实例说明，在能量的转化和转移过程中，能量的总量是守恒的，但能量的品质却降低了，可被人类直接利用的能量在逐渐减少，这就是能量耗散现象。所以。能量虽然守恒，但我们还要节约能源。
?能量转化和能量转移方向性的进一步说明
在物理学中，能量转化和能量转移的方向性是用热力学第二定律来表述的。热力学第二定律有多种表述，两种最常见的表述形式是：
开尔文表述——不可能从单一热源吸热，使之完全变成有用的功，而不引起其他变化。
克劳修斯表述——不可能把热量从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。
热力学第二定律使人们认识到，自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。可见，不消耗任何能量而能不断做功，或者少消耗能量而能做更多功的机器（第一类永动机）是不可能的；从单一热源吸热，使之完全变成有用的功而不产生其他影响的机器（第二类永动机）也是不可能的。前者违背了能量守恒定律，后者尽管不违背能量守恒定律，但是却违背反映能量转化和能量转移方向性的规律——热力学第二定律。
对于热力学第二定律，以及反映功、热量跟内能变化之间定量关系的热力学第一定律，我们将在物理选修模块中深入研究。
?能源的开发和利用
目前，对能源的开发和利用已越来越受到人们的极大关注。我们不仅要注意节约能源，还要重视能源的合理开发。
节约能源的办法有：采用高效锅炉，节约燃料；采用高温高压蒸汽轮机，提高热机效率；充分利用废气余热，提高燃料利用率；从能源直接得到电能，提高发电效率；等等。
在合理开发和节约使用煤、石油、天然气等常规能源的同时，要大力开发核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等新能源。
?对功是能量转化的量度的再认识
能量转化是与做功紧密地联系在一起的。力做功时，必然伴随着能量的转化，而且功与能量转化的量值是相等的。这一等量关系不仅提供了计算功的大小的另一种途径，而且涉及功与能的其他物理量也可能在这一等量关系中求出。在力学中，常涉及以下几种力的功引起的相应的能量变化的等量关系：
合外力所做的功或外力所做功的代数和等于物体或物体系动能的变化——动能定理；
除了重力和弹力外，其他力对物体系所做的功等于物体系机械能的变化——功能原理；
重力或弹力对物体所做的功与重力势能或弹性势能的变化数值相等；
两物体间滑动摩擦力对物体系所做的功与物体系增加的内能数值相等。
典型例题
本节知识的应用主要涉及对能量守恒定律和能源问题的理解，以及有关能量转化、能源开发和利用问题的计算。
例1 试说明下列现象中能量是怎样转化的：
A. 在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最后停止。
B. 电风扇通电后开始转动，断电后转动着的风扇又慢慢停下来。
C. 火药爆炸产生燃气，子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，射穿一块钢板，速度减小。
D. 用柴油机带动发电机发电，供给电动水泵抽水，把水从低处抽到高处。
提示 从能量的种类和做功情况加以分析。
解析 A. 在水平公路上行驶的汽车，发动机熄火之后，速度越来越小，最后停止。这一过程中，汽车所受的阻力做负功，机械能转化为内能。
B. 电风扇通电后开始转动，电流做功，电能转化为机械能，有一部分转化为内能；断电后转动着的风扇又慢慢停下来，阻力做负功，机械能转化为内能。
C. 火药爆炸产生燃气，化学能转化为内能；子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去，推力做功，内能转化为机械能；子弹射穿一块钢板，速度减小，阻力做负功，机械能转化为内能。
D. 用柴油机带动发电机发电，化学能转化为机械能，又转化为电能；发电机发电后供给电动水泵抽水，电流做功，电能转化为机械能；电动水泵把水从低处抽到高处，水泵对水做功，使水泵的机械能传递给水。
点悟 做功的过程就是能量转化或转移的过程。各种能量可以相互转化，而在转化过程中，能量的总量则保持不变。
例2 一质量均匀、不可伸长的绳索，重为G，A、B两端固定在天花板上，如图1所示。现在最低点C处施加一竖直向下的力，将最低点缓慢拉至D点。在此过程中，绳的重心位置（ ）
A. 逐渐升高 B. 逐渐降低
C. 先降低后升高 D. 始终不变
提示 从外力做功引起绳索重力势能的变化进行分析。
解析 外力对绳索做功，绳索的机械能增加。由于绳索的动能不变，增加的必是重力势能，重力势能增加是重心升高的结果。正确选项为A。
点悟 本题绳索重心的具体位置很难确定，且往往会错误地认为：外力将绳索向下拉，绳索的重心会逐渐降低。这里，我们应用功能原理，对问题作出了正确的判断。
例3 约在1670年，英国赛斯特城的主教约翰·维尔金斯设计了一种磁力“永动机”，如图2所示，在斜坡顶上放一块强有力的磁铁，斜坡上端有一个小孔，斜面下有一个连接小孔直至底端的弯曲轨道。维尔金斯认为：如果在斜坡底放一个小铁球，那么由于磁铁的吸引，小铁球就会向上运动，当小球运动到小孔P处时，它就要掉下，再沿着斜面下的弯曲轨道返回斜坡底端Q，由于有速度而可以对外做功，然后又被磁铁吸引回到上端，到小孔P处又掉下。
在以后的二百多年里，维尔金斯的永动机居然改头换面地出现过多次，其中一次是在1878年，即在能量转化和守恒定律确定20年后，而且竟在德国取得了专利权！
请你分析一下，维尔金斯“永动机”能实现吗?
提示 运用能量守恒定律进行分析。
解析 维尔金斯“永动机”不可能实现，因为它违背了能量守恒定律。小球上升过程中，磁场力对小球做正功，使小球增加了机械能；但小球下落时，同样也受到磁场力，而且磁场力做负功，这个负功与上升过程的正功相互抵消。可见，维尔金斯“永动机”不可能源源不断向外提供能量，所以维尔金斯“永动机”不可能实现。
点悟 能量守恒定律告诉我们：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，那种不消耗能量的所谓“永动机”是不可能造成的。人类利用自然，必须遵循自然规律，而不是去研制永远无法实现的“永动机”。
例4 随着人类能量消耗的迅速增加，如何有效地提高能量利用率是人类所面临的一项重要任务。上海“明珠线”某轻轨车站的设计方案将站台抬高了一些，与站台连接的轨道有一个小的坡度。请你从提高能量利用效率的角度，分析这种设计的优点。
提示 从能量转化的角度分析如何提高能量的利用率。
解析 列车进站时，利用上坡使部分动能转化为重力势能加以储存，减少了因刹车而损耗的机械能；列车出站时，利用下坡把储存的重力势能又转化为动能，起到节能的作用，从而提高了能量的利用率。
点悟 节约能源是涉及社会可持续发展的重大问题，应该引起人们的极大关注。上海“明珠线”某轻轨车站的上述设计方案，正是从节约能源的角度提出的。这里，我们看到了物理规律与实际生活的密切联系及其发挥的重要作用。
例5 下列说法正确的是（ ）
A. 热量能够从高温物体传到低温物体，但不能从低温物体传到高温物体
B. 只要对热机不断改革，就可使热机把它得到的全部内能转化为机械能
C. 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化
D. 凡是不违背能量守恒定律的过程都一定能实现
提示 用反映能量转化和能量转移方向性的规律——热力学第二定律进行判断。
解析 热量会自发地从高温物体传给低温物体，而不会自发地才低温物体传给高温物体，但如果有外界的影响或者帮助，热量也能从低温物体传到高温物体。例如：电冰箱消耗了电能，对致冷系统做了功，能够不断地把冰箱内（低温）的热量传给外界的空气（高温）。
热机不能把它得到的全部内能转化为机械能，因为热机必须有热源和冷凝器，热机工作时总要向冷凝器散热，不可避免地要由工作物质带走一部分热量。
根据热力学第二定律，不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不引起其他变化。
不违背能量守恒定律，但违背热力学第二定律的过程，同样不能实现。
可见，正确选项为C。
点悟 热力学第二定律是关于热量传递不可逆性的一条基本规律。对热力学第二定律的正确理解是：自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
例6 如图3所示，小球以60J的初动能从A点出发沿粗糙斜面向上运动，在上升到B点的过程中，小球的动能损失了50J，机械能损失了10J，则小球继续向上运动至最高点C再运动至出发点A时的动能为多少？
提示 由于斜面粗糙，小球克服摩擦力做功，机械能转化为内能，所以小球的机械能不守恒，可应用动能定理和功能原理求解。
解析 小球在由A点到B点的过程中，动能的损失量对应于克服合外力所做的功，机械能的损失量对应于克服摩擦力所做的功。由动能定理得WG+WF=△Ek=－50J，由功能关系得WF=△E=－10J，又F︰G =WF︰WG，由以上三式可得?F︰G =1︰4。
小球在由B点到C点的过程中，动能减少10J，由动能定理得WG’+WF’=△Ek’=－10J，又WF’︰WG’ = F︰G =1︰4，由以上两式可得WF’=－2J。
所以，上升过程中小球克服摩擦力做功12J，一上一下，全过程小球克服摩擦力做功24J。在小球运动的全过程中由动能定理得?= Ekt－Ek0，
解得小球运动至出发点A时的动能为Ekt=+ Ek0=－24J+60J=36J。
点悟 本题涉及功与能的几个对应关系。研究动能的变化，只要看合外力做了多少功（本题中即为重力与摩擦力所做功之和）；研究机械能的变化，只要看除重力、弹力以外的力总共做了多少功（本题中即为摩擦力所做的功）。必须弄清各种能量的变化与什么力所做的功相对应，否则可能乱套公式而出错。
课本习题解析
[p76问题与练习]
1. 家用电饭锅是把电能转化为内能，洗衣机是把电能转化为动能，等等。
2. (1)?依题意可知，三峡水库第二期蓄水后，用于发电的水流量每秒为
?1.35×104m3－3?500m3=10?000m3/s
每秒钟转化为的电能是mgh×20%=ρVgh×20%=1.0×103×1.0×104×10×135×20%J/s=2.7×109 J/s，发电功率最大是2.7×109W=2.7×106kW。
(2)?设三口之家每户的家庭生活用电功率为1kW，考虑到不是每家同时用1kW的电，我们平均每家同时用电0.5kW，则三峡发电站能供给?户=5.8×106户用电，人口数为3×5.8×106人≈17×106人，即可供17个百万人口城市的生活用电。
巩固练习
能源是人类社会活动的物质基础。人类利用能源大致经历了三个时期，依次是（ ）
A. 柴薪时期、煤炭时期、石油时期 ? ?B. 柴薪时期、石油时期、煤炭时期
C. 煤炭时期、石油时期、电力时期 D. 畜力时期、热力时期、电力时期
关于能量耗散，下列说法中正确的是（ ）
能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了
能量耗散表明，能量守恒定律具有一定的局限性
能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了
能量耗散从能量转化的角度，反映出自然界中宏观过程的方向性
下列说法中正确的是（ ）
A. 不同形式能量的转化是通过做功来实现的
B. 做功的过程总是伴随着能量的变化
C. 某种形式的能量增加10J，一定有其他形式的能量减少10J
D. 某个物体的能量减少10J，一定有其他物体的能量增加10J
运动员把原来静止的足球踢出去，使足球获得100J的动能。则在运动员踢球的过程中，运动员消耗的体能（ ）
A. 等于100J ? B. 大于100J ? C. 小于100J ?D. 无法确定
斜面的高是0.6m，倾角是37°，质量是1kg的物体由顶端滑到底端。已知动摩擦因数是0.5，g取10m/s2，在这个过程中产生多少热量？
水能是可再生能源，可用来发电为人类提供清洁的能源。若一水力发电站水库平均流量为Q?m3/s，落差为h?m。试回答和计算：
水力发电过程是什么能之间的转化？
设发电效率为η，则全年的发电量为多少？（用kW·h来表示）
8. 将一物体竖直向上抛出，不计空气阻力，则物体的动能—路程图象应是图4中的（ ）
A. (a)?图 ?? B. (b)?图 ? ?C. (c)?图 ? ?D. (d)?图
9. 小球质量为m，在距地面h高度处以v0的初速度竖直向上抛出，设空气阻力恒为F，且小于mg，小球与地面碰撞过程中不损失机械能，则小球在整个过程中经历的路程是多少？
10. 用一个底面积是500cm2、高不小于2cm的圆柱形容器，内装水1kg，可用来估测射到地面上的太阳能。在日光垂直照射5min后，水温升高了2.5°C。试估算在日光直射下地球表面每平方米每秒钟获得的热量。（忽略容器吸收的和散失到周围的热量）
参考答案
1. A 2. CD 3. ABCD 4. ABC
5. 原来静止的足球获得了100J的动能，说明在踢球过程中运动员对足球做了100J的功，有100J的体能（即体内的化学能）转化成了动能；同时运动员在踢球的过程中，由于自身的剧烈运动，也要消耗一部分体能。所以，运动员消耗的体能大于100J。
6. 在这个过程中产生的热量等于物体克服摩擦力所做的功，即
Q=W=Fx=μmgcosθ·J=4J。
7. (1)?水力发电过程是水的重力势能转化为动能，再转化为电能。
(2)?全年的发电量为W=Pt=ηρQght=ηQh×103×9.8×10-3×24×365?kW·h≈8.58×104ηQh kW·h。
8. 设物体抛出时的初动能为Ek?0，物体所能达到的最大高度为H，根据重力做功与物体动能变化的关系，在物体上升阶段由 －mgs=Ek－Ek?0，可得Ek= Ek?0－mgs（0≤s≤H），在物体的动能—路程（Ek－s）图象中应是向下倾斜的直线段。
同理，在物体下落阶段由mg(s－H)= Ek?，可得Ek= mgs－mgH（H≤s≤2H），在物体的动能—路程（Ek－s）图象中应是向上倾斜的直线段。
所以，正确选项为B。
9. 小球在整个过程中克服阻力做功，机械能转化为内能，有，解得小球经历的路程是。
10. 设日光直射下地球表面每平方米每秒钟获得的热量为E0，根据能量守恒定律有E0St=cm△t，所以J/(m2·s)=700 J/(m2·s)。
课件43张PPT。第七章 机械能守恒定律第十节 能量守恒定律与能源1.理解能量的概念，知道各种不同形式的能．
2．能够叙述能量守恒定律的内容，会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题．
3．了解能量的耗散，知道能源短缺和环境恶化的问题，增强节约能源和环境保护意识.2．能量守恒定律的表达式
E初＝E末；ΔE增＝ΔE减
3．注意：
(1)该定律是贯穿整个物理学的基本规律之一，是学习物理学的一条主线．(2)要分清系统中有多少种形式的能，发生了哪些转化和转移．某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等；某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，且减少量一定和增加量相等．4．用能量守恒定律解题的基本步骤
(1)分清有多少种形式的能(如机械能、热能、电能等)在变化．
(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式. (3)列式求解．
用能量观点去分析、解决物理问题，往往具有简便、适用范围广等优点．同学们要逐步养成用能量的观点分析、解决问题的素养．
5．功能关系
不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是各种形式的能量之间转化的过程，且做了多少功，就有多少能发生转化，因此功是能量转化的量度．能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了．这是能源危机更深层次的含意，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因．3．作为常规能源的煤炭、石油、天然气等面临枯竭，节能和开发新的能源已是人类必须面对的实际问题．能源对造福人类具有极其重要的意义，节约每一份能源，不仅能提高能源的利用价值，对于维护人类赖以生存的环境也有不可忽视的作用．新的能源有待于人类去开发，如核能的利用、太阳能的利用等，还有许多艰苦的工作需要去做．努力学习、努力探索才是应取的态度．(1)为什么煤、石油和天然气人们称它们为非再生能源
由于煤、石油和天然气都是几亿年以前的生物遗体形成的，所以人们也称它们为化石燃料．由于这些能源是不能再次生产，也不可能重复使用的，所以称为非再生能源．(2)人类利用能源的过程及新能源的开发和利用
①人类利用能源大致经历的三个时期是：柴薪时期、煤炭时期、石油时期．
②有待开发和利用的新能源主要指：太阳能、地热能、风能、水能、核能．(3)人类与能源的关系
能源的利用给人类的生活带来了极大的改善．人类社会每一次重大的经济飞跃和产业革命，都与新的能源和动力装置的利用密切相关，能源消耗的多少已经成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志，所以说人类离不开能源．另一方面能源的大量使用会给环境带来极大的破坏，例如人类在利用化石燃料的过程中产生的烟尘，污染大气，造成酸雨和温室效应，对人类造成危害．
(4)自然界中自发的能量的转化和转移具有方向性．
①热量可以自发的由高温物体传递给低温物体，但不能自发的由低温物体传给高温物体．
②冒起的煤烟和散开的炭灰不可能又重新组合成一堆煤炭．
③散失到周围环境中的内能不能回收重新利用．
1.关于功和能，下列说法中正确的是( )
A．功和能的单位相同，物理意义也相同
B．物体对外未做功，这个物体就不具有能量
C．物体对外做功多，这个物体具有的能量就多
D．功和能不能相互转化，是不同的两个物理量2．一辆汽车发动机的功率为35 kW，效率为25%.若油箱中有10 kg汽油，汽车的速度为36 km/h，这些汽油能使汽车行驶多远？(已知汽油的热值为q＝4.6×107 J/kg)试根据能的转化和守恒定律，分析说明这台装置能够正常工作吗？若不能正常工作，原因可能出现在哪里？
