第2节 能量的转化与守恒
1.（多选）下列说法正确的是（ ）
A.物体的内能是所有分子的动能与势能的总和 B.系统内能增加时，一定有外界向系统传递热量
C.电能转化为内能是通过电流做功实现的 D.第一类永动机违背能量守恒定律，不可能制成
2.下列设想不符合能量守恒定律的是（ ）
A.利用永久磁铁间的作用力造一台永远转动的机器
B.做成一条船利用河水的能量逆水航行
C.通过太阳照射飞机使飞机起飞
D.不用任何燃料使河水升温
3.在不考虑能量耗散的情况下，一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，下列说法正确的是（ ）
A.物体的机械能不变，内能也不变
B.物体的机械能减小，内能不变
C.物体的机械能减小，内能增大，机械能与内能总量减小
D.物体的机械能减小，内能增大，机械能与内能总量不变
4.如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（ ）
A.转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B.转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C.转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D.叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
5.（多选）构建节约型社会体现在生活的方方面面，自动充电式电动车就是很好的一例：将电动车的前轮装上发电机，发电机与蓄电池连接，当电动车滑行时，就可以向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来。现有某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水平路面上滑行，第一次关闭充电装置，让车自由滑行，其动能随位移的变化关系如图线①所示，第二次启动充电装置，其动能随位移的变化关系如图线②所示，则（ ）
A.电动车受到的摩擦阻力大小为50 N
B.电动车受到的摩擦阻力大小为83 N
C.第二次启动充电装置，向蓄电池所充的电能是200 J
D.第二次启动充电装置，向蓄电池所充的电能是300 J
6.目前，共享单车作为绿色出行的交通工具成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，如图1所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图2所示。这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能。关于他们的能量转化，下列说法中正确的是（ ）
A.都是把机械能转化为电能
B.都是把光能转化为电能
C.甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能
D.甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能
7.海湾共占面积1.0×107m2，涨潮时平均水深20 m，此时关上水坝闸门，可使水位保持20 m不变，落潮时，坝外水位降至18 m，利用此水坝建立一座水力发电站，每次涨落潮，涨潮和落潮各发电一次。已知重力势能转化为电能的效率为10％，每天有两次涨潮，该电站每天发出的电能是（g取10 m/s2）（ ）
A.1×1010 J B.2×1010 J
C.4×1010 J D.8×1010 J
8.一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能U和转化为木箱的动能Ek分别是多少？
9.如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，初温相同。A放在绝热板上，B用绝热绳悬挂。现只让它们吸热，当它们升高相同的温度时，吸热分别为QA、QB，则（ ）
A.QA＝QB B.QA＜QB
C.QA＞QB D.无法确定
10.A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都相同。将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中（插入过程没有空气进入管内），水银柱上升至如图所示位置停止，假设这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法中正确的是（ ）
A.A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B.B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
C.A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同
D.A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
11.如图所示，一个质量为20 kg 的绝热气缸竖直放置，绝热活塞的质量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm。现在在活塞上方加一质量为15 kg的物体，待活塞稳定后，被封闭气体的高度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加多少？（g取10 m/s2 ，气缸外界为真空，不计摩擦阻力）
12.一个半径R＝0.3 m的半球状容器如图所示，一小铁块由边缘的A点从静止开始沿内壁下滑。当滑到容器底部的B点时，容器内壁所受压力为小铁块自重的1.25倍。在它下滑的过程中内能增量的80％被小铁块吸收，那么小铁块温度升高多少摄氏度？[铁的比热容是462 J/（kg·℃），g取10 m/s2]
第2节 能量的转化与守恒
1.ACD 物体内所有分子的动能与势能的总和叫物体的内能，故A正确；系统内能增加时，可能是外界对系统做功，也可能是系统吸热，故B错误；电流做功，电能可以转化为内能，即焦耳定律，故C正确；第一类永动机违背了能量守恒定律，所以不可能制成，故D正确。
2.A 利用磁场可使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能，使转动停止，故A错；让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机起飞，故B、C正确；设计水坝利用河水重力势能发电，一部分重力势能通过水轮机叶片转化为水的内能、另外电能也可转化为内能使水升温，故D正确。
3.D 机械能的变化为除重力或弹力以外的其他力做的功。该题中摩擦力做负功，所以总的机械能减小。由于摩擦力做功，机械能转化为内能，所以内能增大，就整个系统来说，机械能和内能的总量保持不变，选项D正确。
4.D 该“永动机”叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，A、B、C错误，D正确。
5.AC 当关闭充电装置，让车自由滑行时，电动车的动能全部用来克服摩擦力做功，转化为内能，有Ek＝fs1，解得f＝50 N，B错误，A正确；当启动充电装置滑行时，电动车的动能一部分克服摩擦力做功，另一部分转化为蓄电池的电能，根据能量守恒有Ek＝fs2＋E电，故E电＝Ek－fs2＝200 J，D错误；C正确。
6.C 甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，照射到电池板上产生电能，故是将光能转化为电能。故A、B、D错误，C正确。
7.D 海水每天涨落潮两次，共发电4次，每次水的重心下降高度h'＝1 m，每次用来发电的水的体积为V＝Sh，所以机械能转化出的电能E＝4η mgh'＝4×10％×1.0×103×2×1.0×107×10×1 J＝8×1010J，选项D正确。
8.600 J 200 J
解析：由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积是转化为木箱与地面系统的内能，即：U＝60×10 J＝600 J。由能量守恒定律可得：Ek＝W总－U＝80×10 J－600 J＝200 J。
9.C A、B升高相同的温度，根据Q＝cmΔt可知，升温需要的热量是相同的。由于受热膨胀，A 的重心升高，重力势能增加，吸热QA一部分用于升温，一部分用于增加重力势能ΔEp，即QA＝Q＋ΔEp；B的重心降低，重力势能减小，吸热QB和减少的重力势能ΔEp共同用于升温，即Q＝QB＋ΔEp，显然QA＞QB，故C选项正确。
10.B 外界大气压力对水银做功，使水银进入试管内，两装置将同样多的水银压入管中，故大气压力做功是相同的，这些功一部分增加了水银的重力势能，另一部分增加了水银的内能。由于A管中水银重心高，增加的重力势能大，故A管中水银内能的增量小。故选项B正确。
11.20 J
解析：由能的转化与守恒定律可知，气体内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝（M＋m）gh＝（15＋5）×10×（50－40）×10－2 J＝20 J。
12.4.5×10－3 ℃
解析：小铁块滑到B点时满足F－mg＝m（v为小铁块在B点的速度） ①
由牛顿第三定律知F＝1.25 mg ②
从A点滑到B点，由能量守恒定律×80％＝cmΔt ③
联立①②③式得Δt≈4.5×10－3℃。
3 / 3第2节 能量的转化与守恒
核心 素养 目标 1.知道能量守恒定律的建立过程，了解迈尔、焦耳、亥姆霍兹对建立能量守恒定律的贡献。 2.认识物质的运动形式有多种，对应不同形式的能，各种形式的能在一定条件下可以相互转化。 3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律的普遍性
知识点一 能量守恒定律的发现
1.迈尔观点
体力和体热必定来源于食物中的 ，内能、化学能、机械能都是等价的，是可以 的。如果动物的能量输入与支出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是 的。
2.焦耳的研究
（1）确定了电能向内能转化的 关系。
（2）用了近40年的时间，不懈地钻研 问题，为能量守恒定律提供了无可置疑的证据。
3.亥姆霍兹的贡献
从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反应等过程，揭示了它们之间的 。
知识点二 能量守恒定律及其应用
1.内容
能量既不会 ，也不会 ，它只能从一种形式 为其他形式，或者从一个物体 到其他物体，而能量的总值 。
2.意义
揭示了自然科学各个分支之间的 ，是自然界内在 的第一个有力证据。
3.应用
各种形式的能可以转化，但能量在转化过程中总伴有 的损失。
【情景思辨】
（1）英国科学家迈尔发现了热和机械运动有一定对应关系。（ ）
（2）蒸汽机将机械能转化为内能。（ ）
（3）某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加。（ ）
（4）某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。（ ）
（5）石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了。（ ）
（6）违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。（ ）
要点一 不同形式的能量之间的转化
【探究】
给玩具汽车上紧发条，玩具汽车就会跑起来，但最终玩具汽车会停止运动。分析这个过程中能量是怎样转化的。
【归纳】
1.能量的不同形式
（1）宏观物体的运动—机械能
（2）热运动—内能
（3）电荷和电场—电能
2.各种形式的能可以相互转化
（1）机械能中的动能和势能可以相互转化（如：自由落体运动）。
（2）机械能可以与内能相互转化（如：摩擦生热，消耗了机械能，通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做功，把气体内能转化为机械能）。
（3）其他形式的能也可以转化为内能（如：电流通过导体时，把电能转化为内能；炽热的灯丝发光，又把内能转化成光能；燃料燃烧时，把化学能转化成内能）。
（4）能量之间的相互转化都是通过做功来实现的。功是能量转化的量度。
3.太阳能的转化
A
B
【典例1】 如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则（ ）
A.ΔU＝QB.ΔU＜QC.ΔU＞QD.无法比较
尝试解答
1.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是（ ）
A.机械能守恒 B.能量正在消失
C.只有动能和重力势能的相互转化 D.减少的机械能转化为内能，但总能量守恒
2.（多选）行驶的汽车刹车后停下来；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰；降落伞在空中
匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（ ）
A.物体克服阻力做功 B.物体的动能转化为其他形式的能量
C.物体的势能转化为其他形式的能量 D.物体的机械能转化为其他形式的能量
3.试说明下列现象中能量转化的情况。
（1）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： ；
（2）你用力蹬自行车上一个斜坡： ；
（3）植物的光合作用： ；
（4）用太阳能电池作动力的电动汽车在赛车场上奔驰： ；
（5）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： 。
要点二 能量守恒定律的理解和应用
【探究】
水平马路上行驶的汽车，在关闭发动机后，速度越来越慢，最后停下。这一现象是否符合能量守恒定律？汽车失去的动能变成了什么？
【归纳】
1.对能量守恒定律的理解
（1）某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
（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。
（3）各种形式的能量在转化和转移过程中总能量守恒，无需任何条件，而某种或几种形式的能量的守恒是有条件的。例如，物体的机械能守恒，必须是只有重力做功或弹力做功。
（4）能量守恒定律的意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都只能使能量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，而不能无中生有地创造能量。
2.第一类永动机不可能制成的原因
如果没有外界热源供给热量，则ΔU＝W，如果ΔU＜0，则W＜0，系统对外做功是以内能减少为代价的，若想源源不断地做功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情况下是不可能的。
3.功、热力学第一定律与能量守恒定律的关系
（1）热力学第一定律揭示了功和热量与内能的变化之间的定量关系，同时也体现了功、热量和物体内能的变化满足一种守恒关系。因此热力学第一定律也是能量守恒定律的一种具体情况。
（2）功是能量转化的量度，做功的过程就是能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化，即W＝ΔE，这也是应用能量守恒定律解题时常用的一种表达式。
（3）两个定律都反映了能量在转化或转移过程中所遵循的一种守恒关系。热力学第一定律常用于热力学系统中的能量转化或转移问题，而能量守恒定律则适用于一切能量转化过程，因而其具有更广泛的意义。
【典例2】 在如图所示的柱形容器内封有一定质量的密闭气体。光滑活塞C（质量为m）与容器用良好的隔热材料制成。另有质量为M的物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B而静止。在这一过程中，密闭气体内能的改变量ΔU、外界对密闭气体所做的功W与物体和活塞的重力势能的变化关系是（ ）
A.Mgh＋mgΔh＝ΔU＋W B.ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh
C.ΔU＝W，W＜Mgh＋mgΔh D.ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh
尝试解答
1.下列说法正确的是（ ）
A.随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的
B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但是照射到宇宙空间的能量都消失了
C.“既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背能量守恒定律，因而是不可能的
D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生
2.在光滑水平面上有一个木块保持静止状态，子弹水平射穿木块，则下列说法中正确的是（ ）
A.子弹损失的机械能等于木块增加的机械能
B.子弹损失的机械能，等于子弹与木块增加的内能
C.子弹损失的机械能，等于木块增加的动能与内能的总和
D.子弹与木块组成的系统总能量守恒
3.某地的平均风速为5 m/s，已知此地空气密度是1.2 kg/m3。有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆内10％的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机的功率是多大？（保留2位有效数字）
1.（多选）下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是（ ）
A.某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加
B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
2.（多选）空调市场上有很多变频空调，据专家介绍变频空调比定频空调要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5～7倍。定频空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动，这样频繁地启动，耗电多。而变频空调启动时有一个由低到高的过程，运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机，而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，以下说法合理的是（ ）
A.变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律
B.变频空调运行中做功少，转化能量多
C.变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电
D.变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能
3.如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是水，上面是空气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相连，整个装置与外界绝热。开始时，A中水面比B中的高，打开阀门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡，在这个过程中（活塞的质量不计）（ ）
A.大气压力对水做功，水的内能增加 B.水克服大气压力做功，水的内能减少
C.大气压力对水不做功，水的内能不变 D.大气压力对水不做功，水的内能增加
4.在绝热封闭的房间里，打开电冰箱门，使冰箱运转，经过一段时间后，房间气温反而升高，说明其原因。
5.要把质量为103 kg的卫星发射到地球附近的圆形轨道上，如果燃料完全燃烧产生的热量有1％转化为卫星在轨道上运行时的动能，则燃料质量至少为多少？（地球半径R＝6 400 km，燃料的燃烧值q＝6.4×107 J/kg，g取9.8 m/s2）
第2节 能量的转化与守恒
【基础知识·准落实】
知识点一
1.化学能 相互转化 守恒
2.（1）定量 （2）热功转换
3.统一性
知识点二
1.消失 创生 转化 转移 保持不变
2.普遍联系 统一性
3.能量
情景思辨
（1）× （2）× （3）√ （4）√ （5）× （6）√
【核心要点·快突破】
要点一
知识精研
【探究】 提示：上紧的发条具有弹性势能，弹性势能转化为玩具汽车的动能，玩具汽车就会跑起来。由于玩具汽车克服摩擦力做功，又把机械能转化为玩具汽车轮胎的内能，故最终会停止运动。
【典例1】 B 因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体气体为研究对象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加内能。故B正确。
素养训练
1.D 自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减少的机械能通过克服摩擦力等外力做功的方式转化成了内能。故选项D正确。
2.AD 这四个现象中物体在运动过程中都受到阻力作用，汽车主要是受到制动阻力，流星、降落伞是受到空气阻力，条形磁铁下落受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，选项A正确；四个物体运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化成了其他形式的能，选项D正确。
3.（1）机械能转化为内能 （2）化学能转化为机械能和内能 （3）太阳能转化为化学能 （4）太阳能转化为电能再转化为机械能 （5）内能转化为机械能，再转化为电能，电能转化为机械能
要点二
知识精研
【探究】 提示：符合。动能转化成了内能。
【典例2】 C 因活塞和容器用良好的隔热材料制成，容器内的密闭气体与外界无热交换，Q＝0，所以ΔU＝W；但由于物体和活塞碰撞时损失一部分机械能，因此有W＜Mgh＋mgΔh。虽然W＜Mgh＋mgΔh，但仍遵守能量守恒定律，只不过减少的机械能不是全部转化为密闭气体的内能，而是有一部分在碰撞时转化为活塞和物体的内能了，能的总量并未减少。故选项C正确。
素养训练
1.C 第一类永动机违背了热力学第一定律，是不可能制造成功的，故A错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极小的一部分，就形成了风云雨雪，使万物生长，但辐射到星际空间的能量也没有消失，一定是转化成了别的能量，故B错误；马和其他动物，包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源于食物中储存的化学能，故C正确；所谓“全自动”手表内部还是有能量转化装置的，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，使摆锤不停摆动，给游丝弹簧补充能量，才会维持手表的走动，如果把这种表放在桌面上静置几天，它一定会停摆的，故D错误。
2.D 子弹射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减少，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热量在数值上等于系统损失的机械能。子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和，故A、B、C错误，D正确。
3.3.4 kW
解析：首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ，
这些气流的动能为Ek＝mv2，
转变的电能为E＝mv2×10％，
故风车带动电动机功率为P＝＝πr2ρv3×10％，
解得P≈3.4 kW。
【教学效果·勤检测】
1.ABC A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的，B选项是指能量在不同的物体间转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移，C选项是指第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒守律，A、B、C正确；D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，D错误。
2.CD 自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错误；功是能量转化的量度，做同样的功，消耗同样电能，B错误，D正确；对由变频空调的工作特点可知省电的原因是效率高，C正确。
3.D 打开阀门后，A中的水逐渐流入B中，最后达到平衡，即稳定下来。在这一过程中，水的重心降低，重力势能减少。依据能量的转化与守恒定律，减少的重力势能全部转化为整个系统的内能，水的内能增加（容器的内能也增加）。A、B液面上方的大气压强相等，设为p0，当A中水的体积减少ΔV时，B中水的体积增加ΔV。所以，大气压力对水做的总功W＝pA·ΔV－pB·ΔV＝p0·ΔV－p0·ΔV＝0，即大气压力对水不做功。故选项D正确。
4.见解析
解析：电冰箱工作过程中，如果冰箱门关闭，冰箱可将冰箱内的内能转移到冰箱外，从而使冰箱内温度降低，冰箱外温度升高；如果冰箱门打开，由于电流通过压缩机时，将电能转化为内能，房间气温会升高。
5.4.9×104 kg
解析：设卫星在地球附近圆形轨道上的运行速度是v
由m0g＝m0得v＝ ①
由题意得η qm＝m0v2 ②
联立①②式，得
m＝＝ kg＝4.9×104 kg。
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第2节 能量的转化与守恒
核心
素养目标 1.知道能量守恒定律的建立过程，了解迈尔、焦耳、亥姆霍兹对建立能量守恒定律的贡献。
2.认识物质的运动形式有多种，对应不同形式的能，各种形式的能在一定条件下可以相互转化。
3.理解能量守恒定律，知道能量守恒定律的普遍性
目 录
01.
基础知识·准落实
02.
核心要点·快突破
03.
教学效果·勤检测
04.
课时训练·提素能
基础知识·准落实
梳理归纳 自主学习
01
知识点一 能量守恒定律的发现
1. 迈尔观点
体力和体热必定来源于食物中的 ，内能、化学能、机械
能都是等价的，是可以 的。如果动物的能量输入与支
出是平衡的，那么，所有这些形式的能在量上必定是 的。
化学能
相互转化
守恒
2. 焦耳的研究
（1）确定了电能向内能转化的 关系。
（2）用了近40年的时间，不懈地钻研 问题，为能量
守恒定律提供了无可置疑的证据。
定量
热功转换
3. 亥姆霍兹的贡献
从理论上把力学中的能量守恒原理推广到热、光、电、磁、化学反
应等过程，揭示了它们之间的 。
统一性
知识点二 能量守恒定律及其应用
1. 内容
能量既不会 ，也不会 ，它只能从一种形式
为其他形式，或者从一个物体 到其他物体，而能量的
总值 。
消失
创生
转
化
转移
保持不变
2. 意义
揭示了自然科学各个分支之间的 ，是自然界内在
的第一个有力证据。
普遍联系
统
一性
3. 应用
各种形式的能可以转化，但能量在转化过程中总伴有
的损失。
能量
【情景思辨】
（1）英国科学家迈尔发现了热和机械运动有一定对应关系。
（ × ）
（2）蒸汽机将机械能转化为内能。 （ × ）
（3）某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加。
（ √ ）
（4）某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加。
（ √ ）
（5）石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了。
（ × ）
（6）违背能量守恒定律的过程是不可能发生的。 （ √ ）
×
×
√
√
×
√
核心要点·快突破
互动探究 深化认知
02
要点一 不同形式的能量之间的转化
【探究】
给玩具汽车上紧发条，玩具汽车就会跑起来，但最终玩具汽车会停止运动。分析这个过程中能量是怎样转化的。
提示：上紧的发条具有弹性势能，弹性势能转化为玩具汽车的动能，
玩具汽车就会跑起来。由于玩具汽车克服摩擦力做功，又把机械能转
化为玩具汽车轮胎的内能，故最终会停止运动。
【归纳】
1. 能量的不同形式
（1）宏观物体的运动—机械能
（2）热运动—内能
（3）电荷和电场—电能
2. 各种形式的能可以相互转化
（1）机械能中的动能和势能可以相互转化（如：自由落体运
动）。
（2）机械能可以与内能相互转化（如：摩擦生热，消耗了机械
能，通过做功的形式转化为内能；热机中的气体推动活塞做
功，把气体内能转化为机械能）。
（3）其他形式的能也可以转化为内能（如：电流通过导体时，把
电能转化为内能；炽热的灯丝发光，又把内能转化成光能；
燃料燃烧时，把化学能转化成内能）。
（4）能量之间的相互转化都是通过做功来实现的。功是能量转化
的量度。
3. 太阳能的转化
【典例1】 如图所示，直立容器内部被隔板隔开的A、B两部分气
体，A的密度小，B的密度大，加热气体，并使两部分气体混合均匀，
设此过程中气体吸热为Q，气体内能的增量为ΔU，则（ ）
A
B
A. ΔU＝Q B. ΔU＜Q
C. ΔU＞Q D. 无法比较
解析：因A部分气体密度小，B部分气体密度大，以整体气体为研究对
象，开始时，气体的重心在中线以下，混合均匀后，气体的重心应在
中线上，所以有重力做负功，使气体的重力势能增大，由能量守恒定
律可知，吸收的热量Q有一部分增加气体的重力势能，另一部分增加
内能。故B正确。
1. 自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，下列说法正确的是（ ）
A. 机械能守恒
B. 能量正在消失
C. 只有动能和重力势能的相互转化
D. 减少的机械能转化为内能，但总能量守恒
解析： 自由摆动的秋千摆动幅度减小，说明机械能在减少，减
少的机械能通过克服摩擦力等外力做功的方式转化成了内能。故选
项D正确。
2. （多选）行驶的汽车刹车后停下来；流星在夜空中坠落并发出明亮
的光焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合
线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程
是（ ）
A. 物体克服阻力做功
B. 物体的动能转化为其他形式的能量
C. 物体的势能转化为其他形式的能量
D. 物体的机械能转化为其他形式的能量
解析： 这四个现象中物体在运动过程中都受到阻力作用，汽
车主要是受到制动阻力，流星、降落伞是受到空气阻力，条形磁铁
下落受到磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，选项A正确；四个
物体运动过程中，汽车是动能转化成了其他形式的能，流星、降落
伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之是机械能转化
成了其他形式的能，选项D正确。
3. 试说明下列现象中能量转化的情况。
（1）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： ；
（2）你用力蹬自行车上一个斜坡：
；
（3）植物的光合作用： ；
（4）用太阳能电池作动力的电动汽车在赛车场上奔驰：
；
（5）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：
。
机械能转化为内能
化学能转化为机械能和内
能
太阳能转化为化学能
太阳能
转化为电能再转化为机械能
内能转化为机械能，再转化为电能，电能转化
为机械能
要点二 能量守恒定律的理解和应用
【探究】
水平马路上行驶的汽车，在关闭发动机后，速度越来越慢，最后停
下。这一现象是否符合能量守恒定律？汽车失去的动能变成了什么？
提示：符合。动能转化成了内能。
【归纳】
1. 对能量守恒定律的理解
（1）某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少
量和增加量一定相等。
（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。
（3）各种形式的能量在转化和转移过程中总能量守恒，无需任何
条件，而某种或几种形式的能量的守恒是有条件的。例如，
物体的机械能守恒，必须是只有重力做功或弹力做功。
（4）能量守恒定律的意义：能量守恒定律的发现，使人们进一步
认识到，任何一部机器，只要对外做功，都要消耗能量，都
只能使能量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，而不能无中生有地创造能量。
2. 第一类永动机不可能制成的原因
如果没有外界热源供给热量，则ΔU＝W，如果ΔU＜0，则W＜
0，系统对外做功是以内能减少为代价的，若想源源不断地做
功，就必须使系统不断回到初始状态，在无外界能量供给的情
况下是不可能的。
3. 功、热力学第一定律与能量守恒定律的关系
（1）热力学第一定律揭示了功和热量与内能的变化之间的定量
关系，同时也体现了功、热量和物体内能的变化满足一种
守恒关系。因此热力学第一定律也是能量守恒定律的一种
具体情况。
（2）功是能量转化的量度，做功的过程就是能量转化的过程，且
做了多少功，就有多少能量发生转化，即W＝ΔE，这也是应
用能量守恒定律解题时常用的一种表达式。
（3）两个定律都反映了能量在转化或转移过程中所遵循的一种守
恒关系。热力学第一定律常用于热力学系统中的能量转化或
转移问题，而能量守恒定律则适用于一切能量转化过程，因
而其具有更广泛的意义。
【典例2】 在如图所示的柱形容器内封有一定质量的密闭气体。光
滑活塞C（质量为m）与容器用良好的隔热材料制成。另有质量为M的
物体从活塞上方的A点自由下落到活塞上，并随活塞一起到达最低点B
而静止。在这一过程中，密闭气体内能的改变量ΔU、外界对密闭气
体所做的功W与物体和活塞的重力势能的变化关系是（ ）
A. Mgh＋mgΔh＝ΔU＋W
B. ΔU＝W，W＝Mgh＋mgΔh
C. ΔU＝W，W＜Mgh＋mgΔh
D. ΔU≠W，W＝Mgh＋mgΔh
解析：因活塞和容器用良好的隔热材料制成，容器内的密闭气体与外
界无热交换，Q＝0，所以ΔU＝W；但由于物体和活塞碰撞时损失一
部分机械能，因此有W＜Mgh＋mgΔh。虽然W＜Mgh＋mgΔh，但仍遵
守能量守恒定律，只不过减少的机械能不是全部转化为密闭气体的内
能，而是有一部分在碰撞时转化为活塞和物体的内能了，能的总量并
未减少。故选项C正确。
1. 下列说法正确的是（ ）
A. 随着科技的发展，第一类永动机是可以制成的
B. 太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但是照射到
宇宙空间的能量都消失了
C. “既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背能量守恒定律，因而是不
可能的
D. 有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却
能一直走动，说明能量可以凭空产生
解析： 第一类永动机违背了热力学第一定律，是不可能制造成
功的，故A错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极小的一部
分，就形成了风云雨雪，使万物生长，但辐射到星际空间的能量也
没有消失，一定是转化成了别的能量，故B错误；马和其他动物，
包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源于食物中储存的化
学能，故C正确；所谓“全自动”手表内部还是有能量转化装置
的，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，使摆锤不停摆动，给
游丝弹簧补充能量，才会维持手表的走动，如果把这种表放在桌面
上静置几天，它一定会停摆的，故D错误。
2. 在光滑水平面上有一个木块保持静止状态，子弹水平射穿木块，则
下列说法中正确的是（ ）
A. 子弹损失的机械能等于木块增加的机械能
B. 子弹损失的机械能，等于子弹与木块增加的内能
C. 子弹损失的机械能，等于木块增加的动能与内能的总和
D. 子弹与木块组成的系统总能量守恒
解析： 子弹射穿木块的过程中，由于相互间摩擦力的作用使得
子弹的动能减少，木块获得动能，同时产生热量，且系统产生的热
量在数值上等于系统损失的机械能。子弹减少的动能等于木块增加
的动能与子弹和木块增加的内能之和，故A、B、C错误，D正确。
3. 某地的平均风速为5 m/s，已知此地空气密度是1.2 kg/m3。有一风
车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将
此圆内10％的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机的功
率是多大？（保留2位有效数字）
答案：3.4 kW
解析：首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ，
这些气流的动能为Ek＝mv2，转变的电能为E＝mv2×10％，
故风车带动电动机功率为P＝＝πr2ρv3×10％，
解得P≈3.4 kW。
教学效果·勤检测
强化技能 查缺补漏
03
1. （多选）下列对能量的转化和守恒定律的认识正确的是（ ）
A. 某种形式的能量减少，一定存在其他形式能量的增加
B. 某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C. 不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机
是不可能制成的
D. 石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
解析：A选项是指不同形式的能量间的转化，转化过程中能量是守恒的，B选项是指能量在不同的物体间转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移，C选项是指第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒守律，A、B、C正确；D选项中石子的机械能在变化，比如受空气阻力作用，机械能可能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会创生，也不会消失，D错误。
2. （多选）空调市场上有很多变频空调，据专家介绍变频空调比定频
空调要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，
是正常运行的5～7倍。定频空调在工作时达到设定温度就停机，等
温度高了再继续启动，这样频繁地启动，耗电多。而变频空调启动
时有一个由低到高的过程，运行过程是自动变速来保持室内温度，
从开机到关机中间不停机，而是达到设定温度后就降到最小功率运
行，所以比较省电。阅读上述介绍后，以下说法合理的是（ ）
A. 变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律
B. 变频空调运行中做功少，转化能量多
C. 变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电
D. 变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能
解析： 自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错误；功
是能量转化的量度，做同样的功，消耗同样电能，B错误，D正
确；对由变频空调的工作特点可知省电的原因是效率高，C正确。
3. 如图所示，容器A、B各有一个可自由移动的轻活塞，活塞下面是
水，上面是空气，大气压恒定。A、B的底部由带有阀门K的管道相
连，整个装置与外界绝热。开始时，A中水面比B中的高，打开阀
门，使A中的水逐渐向B中流，最后达到平衡，在这个过程中（活
塞的质量不计）（ ）
A. 大气压力对水做功，水的内能增加
B. 水克服大气压力做功，水的内能减少
C. 大气压力对水不做功，水的内能不变
D. 大气压力对水不做功，水的内能增加
解析： 打开阀门后，A中的水逐渐流入B中，最后达到平衡，即
稳定下来。在这一过程中，水的重心降低，重力势能减少。依据能
量的转化与守恒定律，减少的重力势能全部转化为整个系统的内
能，水的内能增加（容器的内能也增加）。A、B液面上方的大气
压强相等，设为p0，当A中水的体积减少ΔV时，B中水的体积增加
ΔV。所以，大气压力对水做的总功W＝pA·ΔV－pB·ΔV＝p0·ΔV－
p0·ΔV＝0，即大气压力对水不做功。故选项D正确。
4. 在绝热封闭的房间里，打开电冰箱门，使冰箱运转，经过一段时间
后，房间气温反而升高，说明其原因。
答案：见解析
解析：电冰箱工作过程中，如果冰箱门关闭，冰箱可将冰箱内的内
能转移到冰箱外，从而使冰箱内温度降低，冰箱外温度升高；如果
冰箱门打开，由于电流通过压缩机时，将电能转化为内能，房间气
温会升高。
5. 要把质量为103 kg的卫星发射到地球附近的圆形轨道上，如果燃料
完全燃烧产生的热量有1％转化为卫星在轨道上运行时的动能，则
燃料质量至少为多少？（地球半径R＝6 400 km，燃料的燃烧值q＝
6.4×107 J/kg，g取9.8 m/s2）
答案：4.9×104 kg
解析：设卫星在地球附近圆形轨道上的运行速度是v
由m0g＝m0得v＝ ①
由题意得η qm＝m0v2 ②
联立①②式，得m＝＝ kg＝4.9×104 kg。
04
课时训练·提素能
分层达标 素养提升
1. （多选）下列说法正确的是（ ）
A. 物体的内能是所有分子的动能与势能的总和
B. 系统内能增加时，一定有外界向系统传递热量
C. 电能转化为内能是通过电流做功实现的
D. 第一类永动机违背能量守恒定律，不可能制成
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解析：物体内所有分子的动能与势能的总和叫物体的内能，故A正确；系统内能增加时，可能是外界对系统做功，也可能是系统吸热，故B错误；电流做功，电能可以转化为内能，即焦耳定律，故C正确；第一类永动机违背了能量守恒定律，所以不可能制成，故D正确。
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2. 下列设想不符合能量守恒定律的是（ ）
A. 利用永久磁铁间的作用力造一台永远转动的机器
B. 做成一条船利用河水的能量逆水航行
C. 通过太阳照射飞机使飞机起飞
D. 不用任何燃料使河水升温
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解析： 利用磁场可使磁铁所具有的磁场能转化为动能，但由于
摩擦力的不可避免性，动能最终转化为内能，使转动停止，故A
错；让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，
然后把电能转化为船的动能使船逆水航行；同理可利用光能的可转
化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机起
飞，故B、C正确；设计水坝利用河水重力势能发电，一部分重力
势能通过水轮机叶片转化为水的内能、另外电能也可转化为内能使
水升温，故D正确。
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3. 在不考虑能量耗散的情况下，一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，下列
说法正确的是（ ）
A. 物体的机械能不变，内能也不变
B. 物体的机械能减小，内能不变
C. 物体的机械能减小，内能增大，机械能与内能总量减小
D. 物体的机械能减小，内能增大，机械能与内能总量不变
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解析： 机械能的变化为除重力或弹力以外的其他力做的功。该
题中摩擦力做负功，所以总的机械能减小。由于摩擦力做功，机械
能转化为内能，所以内能增大，就整个系统来说，机械能和内能的
总量保持不变，选项D正确。
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4. 如图所示，一演示用的“永动机”转轮由5根轻杆和转轴构成，轻
杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水
的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状
迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是（ ）
A. 转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B. 转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C. 转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D. 叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气
中释放的热量
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解析： 该“永动机”叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推
动转轮转动，离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以
转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降
低，A、B、C错误，D正确。
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5. （多选）构建节约型社会体现在生活的方方面面，自动充电式电动
车就是很好的一例：将电动车的前轮装上发电机，发电机与蓄电池
连接，当电动车滑行时，就可以向蓄电池充电，将其他形式的能转
化成电能储存起来。现有某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水平
路面上滑行，第一次关闭充电装置，让车自由滑行，其动能随位移
的变化关系如图线①所示，第二次启动充电装置，其动能随位移的
变化关系如图线②所示，则（ ）
A. 电动车受到的摩擦阻力大小为50 N
B. 电动车受到的摩擦阻力大小为83 N
C. 第二次启动充电装置，向蓄电池所充的电能是200 J
D. 第二次启动充电装置，向蓄电池所充的电能是300 J
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解析： 当关闭充电装置，让车自由滑行时，电动车的动能全
部用来克服摩擦力做功，转化为内能，有Ek＝fs1，解得f＝50 N，B
错误，A正确；当启动充电装置滑行时，电动车的动能一部分克服
摩擦力做功，另一部分转化为蓄电池的电能，根据能量守恒有Ek＝
fs2＋E电，故E电＝Ek－fs2＝200 J，D错误；C正确。
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6. 目前，共享单车作为绿色出行的交通工具成为时尚。甲、乙两种共
享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这
些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电
能：甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生
电能，如图1所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照
时，产生电能，如图2所示。这两种共享单车获取电能时，都是把
其他形式的能转化为电能。关于
他们的能量转化，下列说法中正
确的是（ ）
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A. 都是把机械能转化为电能
B. 都是把光能转化为电能
C. 甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能
D. 甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能
解析： 甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转
动，产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳
能电池板——有光照时，照射到电池板上产生电能，故是将光能转
化为电能。故A、B、D错误，C正确。
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7. 海湾共占面积1.0×107m2，涨潮时平均水深20 m，此时关上水坝闸
门，可使水位保持20 m不变，落潮时，坝外水位降至18 m，利用
此水坝建立一座水力发电站，每次涨落潮，涨潮和落潮各发电一
次。已知重力势能转化为电能的效率为10％，每天有两次涨潮，该
电站每天发出的电能是（g取10 m/s2）（ ）
A. 1×1010 J B. 2×1010 J
C. 4×1010 J D. 8×1010 J
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解析： 海水每天涨落潮两次，共发电4次，每次水的重心下降
高度h'＝1 m，每次用来发电的水的体积为V＝Sh，所以机械能转化
出的电能E＝4η mgh'＝4×10％×1.0×103×2×1.0×107×10×1 J
＝8×1010J，选项D正确。
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8. 一木箱静止于水平面上，现在用一个80 N的水平推力推动木箱前进
10 m，木箱受到的摩擦力为60 N，则转化为木箱与地面系统的内能
U和转化为木箱的动能Ek分别是多少？
答案：600 J 200 J
解析：由于木箱在推动中受到滑动摩擦力，其与相对位移的乘积是
转化为木箱与地面系统的内能，即：U＝60×10 J＝600 J。由能量
守恒定律可得：Ek＝W总－U＝80×10 J－600 J＝200 J。
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9. 如图所示，A、B是两个完全相同的铁球，初温相同。A放在绝热板
上，B用绝热绳悬挂。现只让它们吸热，当它们升高相同的温度
时，吸热分别为QA、QB，则（ ）
A. QA＝QB B. QA＜QB
C. QA＞QB D. 无法确定
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解析： A、B升高相同的温度，根据Q＝cmΔt可知，升温需要的
热量是相同的。由于受热膨胀，A 的重心升高，重力势能增加，吸
热QA一部分用于升温，一部分用于增加重力势能ΔEp，即QA＝Q＋
ΔEp；B的重心降低，重力势能减小，吸热QB和减少的重力势能ΔEp
共同用于升温，即Q＝QB＋ΔEp，显然QA＞QB，故C选项正确。
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10. A、B两装置，均由一支一端封闭、一端开口且带有玻璃泡的管状
容器和水银槽组成，除玻璃泡在管上的位置不同外，其他条件都
相同。将两管抽成真空后，开口向下竖直插入水银槽中（插入过
程没有空气进入管内），水银柱上升至如图所示位置停止，假设
这一过程水银与外界没有热交换，则下列说法中正确的是（ ）
A. A中水银的内能增量大于B中水银的内能增量
B. B中水银的内能增量大于A中水银的内能增量
C. A和B中水银体积保持不变，故内能增量相同
D. A和B中水银温度始终相同，故内能增量相同
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解析： 外界大气压力对水银做功，使水银进入试管内，两装
置将同样多的水银压入管中，故大气压力做功是相同的，这些功
一部分增加了水银的重力势能，另一部分增加了水银的内能。由
于A管中水银重心高，增加的重力势能大，故A管中水银内能的增
量小。故选项B正确。
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11. 如图所示，一个质量为20 kg 的绝热气缸竖直放置，绝热活塞的质
量为5 kg，处于静止状态时被封闭气体的高度为50 cm。现在在活
塞上方加一质量为15 kg的物体，待活塞稳定后，被封闭气体的高
度变为40 cm。求在这一过程中气体的内能增加多少？（g取10
m/s2，气缸外界为真空，不计摩擦阻力）
答案：20 J
解析：由能的转化与守恒定律可知，气体内能的
增加等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝
（M＋m）gh＝（15＋5）×10×（50－40）×10－2 J＝20 J。
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12. 一个半径R＝0.3 m的半球状容器如图所示，一小铁块由边缘的A
点从静止开始沿内壁下滑。当滑到容器底部的B点时，容器内壁
所受压力为小铁块自重的1.25倍。在它下滑的过程中内能增量的
80％被小铁块吸收，那么小铁块温度升高多少摄氏度？[铁的比热
容是462 J/（kg·℃），g取10 m/s2]
答案：4.5×10－3 ℃
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解析：小铁块滑到B点时满足F－mg＝m（v为小铁块在B点的速
度） ①
由牛顿第三定律知F＝1.25 mg ②
从A点滑到B点，
由能量守恒定律×80％＝cmΔt ③
联立①②③式得Δt≈4.5×10－3℃。
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