4.3
能量的转化与守恒
教研中心
教学指导
一、课标要求
1.通过实例了解能量及其存在的不同形式，能说出一些常见的能量名称，知道自然界有多种形式的能量.
2.知道能量守恒定律，知道永动机不可能制成，并能自觉利用能量守恒定律分析有关问题.
3.能解释一些常见现象中的能量转化问题.
4.能独立或采取合作的形式完成实验探究内容.
二、教学建议
本节内容是对本章及以前所学物理知识从能量的观点进行了一次综合、深化和再认识.教材首先分析自然界中各种能量之间的转化，揭示它们之间的本质联系：能量，并分析一系列熟知的能量转化的事例，指出能量的转化与守恒.最后阐述了能的转化与守恒定律的普遍性和重要性.
建议一：能量守恒定律是一个实验规律，列举能量转化的实例，是学生理解和掌握能量守恒的基础，因此在教学过程中要充分利用学生已知知识，对这些实例中的能的转化进行具体分析.
建议二：在教学过程中，应重点强调定律的两个方面：转化与守恒.另外还要强调该定律的普遍性和重要性，可列举19世纪的自然科学史对学生进行教育.
在学习中，可对“能量守恒定律”的建立及其意义多作一些了解，使学生明白永动机是永远制造不出来的，要尊重科学，尊重规律以少走弯路.
资源参考
永动机不能制造
热力学发展初期，热和机械能的相互转化是人们研究的主题.在工业革命的推动下，工业上和运输上都相当广泛地使用蒸汽机.人们研究怎样消耗最少的燃料而获得尽可能多的机械能，甚至幻想制造一种机器，不需要外界提供能量，却能不断地对外做功，这就是所谓的第一类永动机.为了解决这个问题，促使人们都去研究热和机械能之间的关系问题.迈尔（J.R.Mayer）第一个提出了能量守恒定律，而此定律得到了物理学界的确认，却是在焦耳（J.P.Joule）的实验工作发表以后.
J.P.Joule(1818—1889)
焦耳在1840—1848年间做了大量实验，测定了热与多种能量的相互转化时的严格的数量关系.以往热的单位是cal（卡），功以erg(尔格）为单位，焦耳的实验结果为1
cal=4.184×107
erg，这就是著名的热功当量.焦耳实验表明，自然界的一切物质都具有能量，它可以有多种不同的形式，但通过适当的装置，能从一种形式转化为另一种形式，在相互转化中，能量的总量不变.能量转化守恒定律的建立，对制造永动机的幻想作了最后的判决，因而热力学第一定律的另一种表述为：“不可能制造出第一类永动机”.由此可见，热力学第一定律就是涉及热现象领域内的能量守恒和转化定律.
热力学第一定律告诉我们：物质能量既不能创造，也不能消灭，而能量形式的相互转化是物质本身具有的属性.恩格斯对能量守恒与转化定律曾经给予很高的评价，将它和细胞学说及进化论相提并论，称它们是揭示自然界辩证发展过程的自然科学的三大发现.4.2
研究机械能守恒定律
思维激活
力做功的过程也是能量从一种形式转化为另一种形式的过程，物体的动能和势能总和称为机械能，例：瀑布水的下落，荡秋千，过山车，撑竿跳高等,如图4-2-1所示.分析上述各个过程中能量转换情况.
图4-2-1
提示
瀑布（自由落体）：
重力势能→动能
荡秋千：
动能重力势能
过山车：
动能→重力势能→动能
撑竿跳高：
动能→弹性势能、重力势能→动能
……
自主整理
一、什么是机械能
物体由于做机械运动而具有的能量称为机械能.物体的机械能是物体的动能与势能之和，即E=Ek+Ep.
二、研究机械能守恒定律
1.重力势能可以转化为动能
打桩机重锤在下落过程中，重力对重锤做正功，重锤的重力势能减少.在这个过程中，重锤的速度增加了，表示重锤的动能增加了.这说明，重锤原来具有的重力势能转化成了动能.
2.动能也可以转化为重力势能
原来具有一定速度的物体，由于惯性在空中竖直上升或沿光滑斜面上升，这时重力做负功，物体的速度减小，表示物体的动能减小了.但这时物体的高度增加，表示它的重力势能增加了.这说明，物体原来具有的动能转化成了重力势能.
3.弹性势能与动能之间也能相互转化
不仅重力势能可以与动能相互转化，弹性势能也可以与动能相互转化.被压缩的弹簧具有弹性势能，当弹簧恢复原来形状时，就把跟它接触的物体弹出去.这一过程中，弹力做功，弹簧的弹性势能减小，而物体得到一定的速度，动能增加.
4.机械能守恒定律
（1）定律的内容：
在只有重力或弹力做功的物体系统内，动能和势能可以互相转化，而总的机械能保持不变，即E=Ek+Ep=恒量.
（2）定律适用条件
只有重力做功或系统内弹力做功.
（3）表达式：ΔEk=ΔEp或Ek0+Ep0=Ekt+Ept.
三、应用机械能守恒定律分析问题
解题步骤
（1）根据题意，选取研究对象（物体或系统）.
（2）明确研究对象的运动过程，分析对象在过程中的受力情况，弄清各力做功情况，判断是否符合机械能守恒的条件.
（3）恰当地选取参考平面，确定研究对象在过程的起始状态和末了状态的机械能（包括动能和重力势能）.
（4）根据机械能守恒定律列方程，进行求解.
高手笔记
1.对机械能守恒定律的理解
（1）守恒定律的研究对象
既可以是某一物体，也可以是某几个相互作用的物体构成的系统.若是由两个相互作用的物体构成的系统，一个物体机械能的增加，必定等于另一个物体机械能的减少，系统机械能总量保持不变.
（2）对研究对象的受力分析
注重于重力（弹力）之外的力，分析它们是否做功.
（3）对研究对象进行状态分析
必须选定参考系与零势能参考面，区分初、末状态，但在分析状态时不必考虑物体运动的具体路径.
2.机械能守恒定律的不同表达形式
（1）物体在初状态的机械能等于其末状态的机械能，即E2=E1或Ek1+Ep1=Ek2+Ep2
（2）减少(或增加)的势能等于增加(或减少)的动能,即ΔEp=ΔEk
（3）系统内一物体机械能的增加(或减少)等于另一物体机械能的减少(或增加)，即ΔE1=－ΔE2.
3.关于机械能守恒定律的不同叙述
（1）“如果没有摩擦力和介质的阻力，在任一物体的势能与动能相互转化的过程中，物体的总的机械能保持不变”.
（2）“在只有重力和弹力做功的系统内，动能和势能（重力势能、弹性势能）可以相互转化，而总的机械能保持不变”.
（3）“在只有重力做功的情况下，物体的动能和重力势能发生相互转化，但总的机械能保持不变”.
（4）“一个物体，如果只受到重力和弹力的作用，在发生动能和势能相互转化时，机械能的总量保持不变”.
名师解惑
如何理解机械能守恒定律的条件？
剖析：（1）从能量转化的角度看，只有系统内动能和势能相互转化，无其他形式能量之间（如内能）的转化.
（2）从系统做功的角度看，只有重力和系统内的弹力做功，具体表现在：
①只有重力（和弹簧弹力），如：所有做抛体运动的物体（不计空气阻力），机械能守恒.
②只有重力和系统内的弹力做功.
例如：如图4-2-2（a、b、c）所示
图4-2-2
在图a中，小球在摆动过程中线的拉力不做功，如不计空气阻力，只有重力做功，小球的机械能守恒.
在图b中，A与B、B与地面间的摩擦力不计，A自B上自由下滑过程中，只有重力和A、B间弹力做功，A、B组成的系统机械能守恒.但对B来说，A对B的弹力做功，但这个力对B来说是外力，B的机械能不守恒.
在图c中，不计空气阻力，球在摆动过程中，只有重力和弹簧与球间的弹力做功，球与弹簧组成的系统机械能守恒，但对球来说，机械能不守恒.4.1
势能的变化与机械功
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一、课标要求
1.理解重力势能的概念，根据功和能的关系，推导出重力势能的表达式，会用重力势能的定义进行计算.
2.理解重力势能的变化和重力做功的关系，知道重力做功与路径无关.
3.学会从功和能的关系上解释和分析物理现象.
4.渗透从对生活中有关物理现象的观察，得到物理结论的方法，激发和培养学生探索自然规律的兴趣.
二、教学建议
教学中应先复习初中学过的有关重力势能的概念，明确重力势能的大小跟物体的质量和相对地面的高度有关，在此基础上提出物体重力势能的大小跟重力和高度是什么关系的问题，启发学生从功是能量转化的量度去思考，接着推导质量为m的物体从高度h1处落到h2处重力做的功.
WG=mgΔh=mgh1-mgh2
式中WG为重力做的功，重力做功结果使物体所处的高度发生变化，反映了物体重力势能的变化，可见重力势能的大小可用物体的质量和所处的高度来量度，其计算式为Ep=mgh.
1.重力势能的相对性和参考平面
教材从公式Ep=mgh出发，指出高度h是相对的，所以重力势能也是相对的.
参考平面的选择是任意的，一般要从研究问题的方便出发来选择.但是由于教材不要求知道重力势能的正、负，所以，通常取研究问题中最低处的水平面为参考平面.
2.重力做功和重力势能改变的关系
由重力势能计算公式的引出实际上已推导出重力做功和重力势能变化的关系，利用上式应说明重力做正功，物体重力势能减少，重力做负功（或物体克服重力做功）物体重力势能增加，用公式表示为
WG=Ep1-Ep2
教学中应引导学生，讨论上式的物理意义，避免学生死记公式，不会灵活应用.
3.重力做功与路径无关
教材在正文提到了重力做功与路径无关，只与起点和终点的位置有关的结论.为加深对这个结论的理解,教学中可通过如图所示的实验来实现.
让物体从A点到B点和C点的不同路径，计算重力做的功，物体沿曲线从A点到C点的情况没有推导，而是直接给出，最后得出结论：重力的总功等于起点和终点的重力势能的差，而与运动的具体路径无关.而且要让学生知道不是所有力都有这个特点，在学过的力中，重力、弹簧的弹力有这样的特点，以后要学到的电场力、分子力等也有这样的特点.
4.弹性势能
教材中对弹性势能要求不高，可在复习初中有关弹性势能的概念的基础上，通过实例说明弹簧的弹性势能的大小跟弹簧的劲度系数和弹簧形变的大小有关，不要求给出Ep=kx2的计算公式.
资源参考
浅议能量最低原理
高中化学曾讲到能量最低原理：在不违背泡利原理的情况下，核外电子总是尽先排布在能量最低的轨道上.在能量最低的轨道上，电子处于稳定状态.
分析众多事例，能量最低原理实质上是势能最低原理，即若物体（系）具有势能，则当势能最低时，其状态是稳定的.
推论：物体系的稳定状况与系统的势能相关，势能越小则状态越稳定.
势能是一种什么能呢？我们可以这样表述：物体系由于其中各物体间有保守力（万有引力、弹力、电场力等）相互作用而具有的、由它们的相对位置决定的能叫势能.换言之，势能是物体系内物体由于受某种保守力作用而具有运动趋势时所具有的能，这种能取决于物体的位置.势能的改变量取决于运动过程的始、末位置，而与路径无关.取不同的零势能点时，同一状态的势能可以有不同数值.物体运动的趋势局限于一定的范围，这个范围由物体所处状态到势能最低状态（稳定）所需经历的空间决定，不取决于物体在该状态时的受力情况及可能的加速度.允许物体运动的范围越大，势能也越大.
这样我们就认识到，能量最低原理不仅局限于核外电子排布，而应具有更普遍的意义.在任何保守力作用的物体系中，物体在无其他外力作用时，总是向势能减少的方向变化，即总是自发地、必然地趋于稳定.
这样的例子很多.如：树枝上的苹果离开树枝后总是向地面坠下，而不是背离地面升上天空.流星体进入地球引力场后受地球引力作用向地球加速运动.这些都是引力势能减少而趋于能量最低的稳定状态.
形变后的弹簧在去除外力后总是在弹性回复力作用下运动，使形变减小——势能减少，最终恢复原状——势能最小——稳定状态.
由两个点电荷组成的系统中，同种电荷总是趋向远离，异种电荷总是趋向接近，即常说的“同种电荷相斥，异种电荷相吸”，从势能的角度看，这样就使系统的电势能减少，系统趋于稳定.
在有两种保守力作用的系统中，物体兼有两种势能时，势能最低原理仍然是适用的.如：一个质量不计的弹簧，其劲度系数为k，上端固定，下端系一重物，如图所示.当物体处于平衡状态时，kx=mg.我们来证明此时总势能为最小值.
设弹簧伸长量为x，当x=0时，弹性势能EpT=0，重力势能EpG=0.
当弹簧伸长量为x时，总势能为E=EpT+EpG=kx2+(-mgx),显然，E是x的二次函数.求E对x的一阶导数并令之为0：=kx-mg=0,可知当kx=mg时，总势能有极值.求E对x的二阶导数：=k＞0,可知当kx=mg时，势能为极小，势能的极小值为Emin=mgx-mgx=-mgx.证毕.
可见，由势能最低原理讨论的结果与通常力学方法计算的结果是完全一致的.在保守力作用下，物体的平衡状态必然是势能最低状态.
推论：有两种以上保守力作用的情况下，势能最低原理仍然正确.
从势能最低原理出发可以方便地理解和解释许多物理事实.
关于物质结构的分子论：物质分子间有分子力相互作用，因而分子具有一定分子势能.固体、液体中的分子要处于某种相对稳定状态，即要势能最低.分子处于平衡位置是稳定的，其平衡间距为r0，故分子间距等于r0时分子势能必然为最小值，正如图中分子势能曲线所示.要保持分子势能的最小值，就要保持分子间距为r0.不论分子间距大于r0还是小于r0，都将使分子势能增加.因而要使物体的体积——r0改变时，必须对物体施加某种作用，如热传递，使r＞r0,增加分子引力势能；或压缩，使r＜r0，增加分子斥力势能，因为分子斥力势能随r的减小增加很快，即使Δr极小，也需要做极多的功，所以固体、液体极难被压缩，因为分子间距为r0时势能最小，是稳定的，所以固体、液体有一定体积.
通常气体分子间距大，可视为没有分子力，也就没有分子势能，因而气体无平衡位置可谈，因此其分子可随意运动，从而最大限度地充满容纳它的空间.
这里附带说一下，零势能是为了研究问题方便而根据不同的具体情况所设定的，作为参照标准的势能值，势能为零不表示没有势能.相反，它可以是一个相当大的势能.如在讨论星际运动时，定义无限远处的势能为零——引力势能的最大值，凡有限远处引力势能皆为负值.
液体表面的种种现象也可由势能最低原理获得满意解释.液体表面层中分子间作用力是引力，势能是引力势能.由于势能要趋于减小以致最低，分子间距有缩小趋势，使表面积趋于最小，从力的角度说，表现出表面张力.液体与固体相接触时，若附着层中分子间距较小，分子势能为斥力势能，反之，分子间距较大，分子势能为引力势能.无论哪种情况，附着层中分子势能较大，不稳定，必然导致分子的运动，使分子势能减小而趋向稳定，因而产生了不同的浸润与不浸润现象.
电场中的带电粒子具有电势能.它总是有使电势能减小而趋于稳定的趋势，总是在所受电场力方向——势能减小的方向产生加速度.若粒子原来是静止的，在无其他外力时，带正电荷的粒子总是向低电势处运动，反之则向高电势处运动.
在日常生活中也有许多类似现象.如绕水平轴自由转动的物体，若其质量分布稍有不同，它最终停下来时，必然是质量稍大的一方处于最低位置，如自行车轮.物体重心越高，重力势能越大，稳度越小，反之稳度越大.一个物体平衡状态被破坏后，总是要通过某种运动使重力势能减小而趋于稳定，由于物体支点（面）的不同情况而有稳定平衡与不稳定平衡之别.若物体的势能不因运动而变化，则必然是随时平衡.
用以上观点可以简捷地处理一些看起来似乎很费解的问题.
例：有两个立方体上下相叠放在水平面上，其质量分别为m和2m.要想用最小的力将这两个立方块一起推倒，怎样放置时做的功多？
这个题要严格推算是相当麻烦的.从势能最低原理出发，当2m的一块在下时，稳度大，势能小.要将其推倒必须对它做功，使重力势能增大到某个最大（临界）值，原来势能小的必然要做较多的功，即越是稳度大的物体，要破坏它的平衡状态越难.4.4
能源与可持续发展
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教学指导
一、课标要求
1.认识能源和环境与人类生存的关系，知道可持续发展的重大意义.
2.讨论能源开发和利用带来的问题及应该采取的对策,具有保护环境的意识.
3.尝试估计一些厂矿、交通工具及家用电器的能源消耗.具有可持续发展的责任感和节约能源的意识.注意自然资源的循环利用.
二、教学建议
1.调查所在地区运往外地的主要货物，在综合考虑降低能耗、方便运输、减少污染、保证安全、减低费用、减少交通拥挤等因素的基础上，讨论运输这些货物的可能方案.
2.让学生结合生活事例，研究如何提高加热器（如煤气灶、热水器等）的热效率.
3.讨论技术进步对利用自然资源和节约能源等方面的影响.
4.可让学生结合能源与人类社会发展间的关系等撰写小论文.
“能量转移和能量转化的方向性”在本章中只有极小的篇幅，但它却是实现终极目标“能源的可持续发展意识”的直接的、主要的理论依据.对它的教学，必须站在一定的高度看此问题，要先从“热力学和统计物理学”的角度以“热力学第二定律”为核心将此问题搞清，才能居高临下、收放自如地带领学生去探究这部分知识.
有了热力学理论作指导，我们就很容易把握知识发生、发展的本质与联系，在正确的方向指导下游刃有余、有轻有重、深入浅出地处理知识.如，通过卡诺定律所导出的提高热机效率的方法，我们就对提高效率、节能等问题有了坚实的理论依据，就可以很自如地引导学生探究具体的提高效率、节能的方法，大胆拓展，而不必担心会搞错方向.
资源参考
节约能源在国外
美国建筑节能靠市场
建筑业是美国经济的支柱之一，相应地，建筑耗能在美国能源消耗中也占重要比例.据统计，近年来美国住房每年消耗能源折合约3
500亿美元.
美国的建筑有其独特性.美国人口约2.5亿，近2／3的家庭有自己的房屋，人均住房面积近60平方米，居世界首位，其中大部分住宅都是三层以下的独立房屋，拥有客厅、卧室、厨房、浴室、贮藏室、洗衣室、车库等，热水、暖气、空调设备齐全，而且供暖、空调全部是分户设置.
正因为美国住宅的这些特点，电力、煤气、燃油等能源是家庭日常开销的一个主要部分.“节能”联系到家庭的支出，所以建筑节能是一个非常市场化的指标，依赖于每个家庭根据能源价格、自身收入和生活水平等因素来选择.政府在其中的角色并不显著，主要的手段就是制订行业和产品标准、开发和推荐能源新技术等.
美国联邦政府制订的《联邦政府能源管理计划》，其中有一部分涉及了建筑能源标准.而确立建筑行业标准则属于各州政府职权，加利福尼亚、纽约等经济比较发达的州，建筑节能标准就比联邦政府标准还要严格.
建筑节能既包括加强墙体等结构的保温隔热能力，也包括在供暖和供冷的来源、输送渠道及实现方式.美国能源部提出的“建筑技术计划”，对房屋建筑的上述每个方面都考虑得比较完善.得到能源部支持的“美国绿色建筑协会”也积极推行以节能为主旨的《绿色建筑评估体系》，目前是世界各国建筑环保评估标准中最完善、最有影响力的.美国环保局的“能源之星”计划，也对有利于节能的建筑材料授予“能源之星”标志.
以建造一幢住宅为例，节能涉及了墙体的隔热层、门窗玻璃、屋顶与地下室的隔热性、通风空调管道的气密性和隔热性，以及热水器和热水管道的保温效率等.美国能源部“建筑技术计划”从每个细节出发，详细解释了该如何做才能节能，并推荐符合“能源之星”节能标准的建筑材料，在细节上做得非常完善.
此外，美国能源部下属的劳伦斯伯克利实验室也对住宅节能技术进行了重点研究，并和一些州政府合作建设“节能样板房”予以示范.比如能源部和佛罗里达州合作建设的“零能耗住宅”“太阳能住宅”等，通过利用佛罗里达地区充足的太阳能和采取建筑节能措施，让住宅不再需要使用外来能源.有些州还用财政补贴方式支持节能效率高的住宅建筑.
美国在住房建筑节能方面由政府机构做好服务工作，并充分运用市场工具，让公众感受到节能对自身的好处，从而自己作出选择，这种做法是值得借鉴的.
芬兰节能六大法宝
芬兰地处北欧，冬季漫长，气候寒冷，不仅民用能耗高，而且传统的森林工业和冶金工业也是高能耗产业，使芬兰成为世界上人均能耗最多的国家之一.对于能源资源匮乏、主要依赖进口能源的芬兰来说，节能至关重要.
芬兰在节能方面采取的主要措施有：
一、建筑节能.漫长的冬季使芬兰的供暖耗能很大.为此，除了对房屋结构进行优化设计外，芬兰非常重视建筑物的绝热，尽量减少室内热量损失.芬兰环境部制定了建筑物隔热新标准，新的建筑物的墙体必须要有绝热层，室内要有通风设备.增加墙的厚度，采用二层或三层玻璃窗，每个房间的供热装置安装自动调节阀门.据称，以上这些措施可使建筑物热能消耗减少10%—15%.
二、热电联产和集中供暖.芬兰的集中供暖是通过热电联产的方式实现的.分布在全国各地的热电厂利用发电过程中产生的余热将水加热并通过密布在城市地下的供暖管道，向用户提供集中供暖和洗涤用热水.每个住宅区的集中供暖自动控制调节中心可根据室外温度的变化调节供热温度.暖气管道内的回水通过集中供暖管道被送回热电厂加热后循环使用.
电热联产和集中供暖不仅大大提高了燃料利用率，而且可减少环境污染，使城市空气质量得到明显改善.
三、采用高能效生产新工艺.多年来，芬兰企业不断改进现有的工业生产过程，采用全新的高能效生产工艺，以提高能源利用率.工业企业采用的先进自动化和控制技术以及新的能源回收技术也为节能开辟了广泛的途径.
四、采用经济手段促进节能.芬兰是世界上第一个根据能源中碳的含量收取能源税的国家.收取能源税的目的是要控制能耗的增长，并引导能源生产和能源消耗朝着减少二氧化碳排放量的方向发展.芬兰每年收取的能源税达到近30亿欧元，约占芬兰整个税收的9%.芬兰政府利用能源税的收入来支持能源技术的开发.
五、充分利用可再生能源.芬兰在利用可再生能源，特别是生物能源方面也走在世界前列.目前，芬兰各种可再生能源使用量已占芬兰整个能源消耗量的1／4.这些可再生能源主要包括：利用造纸工业生产中产生的生物淤泥和废木料作燃料，利用水力和风力发电以及太阳能等.
六、政府扶持开发节能新技术.芬兰贸工部有专门项目，资助能源工业企业在有利于环境的能源生产方面进行投资以及使用新能源技术.2005年，芬兰政府用于这方面的资助经费达到3
120万欧元.近年来，芬兰政府还不断增加对环保型能源项目的资金支持，进一步推动风能、太阳能、生物气体等有利于环境的能源项目开发.
日本节能蔚然成风
日本国民节能意识强，想方设法节约能源在日本已经蔚然成风.
记者曾参加过滋贺县野洲市居民在河滩空地上举行的一场节能音乐会.演出用的电源来自市民冈田弘开发的小型风力发电机，开幕后演出人员首先向人们介绍风力发电的优越性和节能的重要意义，并号召观众节能从点滴做起，尝试在家里减少一个灯泡.观众不时会意地点头.
在东京展览中心，记者曾几次参加“节约生活”大型展览会，每次展览都是人山人海.日本展览会形式多样，有很多宣传节能的演出，每一场演出都是一堂生动的节能教育课.各个展台展示着琳琅满目的节能产品：节能灯泡、节水洗衣机和洗碗机、节能冰箱、太阳能电池、燃料电池等等，选择这里的产品，可大量节省能源，同时节省大笔电费.
记者也对日本公司不惜血本开发节能技术留下了深刻印象.日本公司知道，节能产品是重视环保的日本人的最佳选择，如果无法在节能技术上不断创新，产品最终将失去市场.另外，日本政府也大力鼓励节能，资助科研机构开发节能技术，补贴国民购买节能产品.
节能产品不断更新换代，哪些是最节能的产品？在各公司开发的节能产品中哪种最好？为了让普通日本人能够在选择时货比三家，日本节能中心每隔半年向人们公布一次节能产品排行榜，如2
004年底日本节能冰箱排行榜上名列前茅的分别是松下、东芝、日立、三菱电机，空调排行榜的前几名依次是东芝、日立、松下等.在日本销售的冰箱不仅要标出电器价格，而且要标明每年节约电费的钱数.顾客越来越关心节能方面的成本，同等情况下都会优先选择节能产品.
日本房地产公司也积极推出节能住宅.2004年度节能住宅大奖被积水房产获得，该住宅利用隔热材料作为建材、使用太阳能发电，和20世纪80年代的住宅相比，平均每年节约能源62%，是名副其实的“环保之家”.
日本正在改变大量生产、大量消费的生活方式，向节约型社会转变.很多日本人都明白这样一个道理：保护地球，也是保护人类自己；破坏环境，等于自毁家园.4.2
研究机械能守恒定律
教研中心
教学指导
一、课标要求
1.知道什么是机械能，理解物体的动能和势能可以相互转化；
2.理解机械能守恒定律的内容和适用条件；
3.会判定具体问题中机械能是否守恒，能运用机械能守恒定律分析实际问题；
4.学习从物理现象分析、推导机械能守恒定律及适用条件的研究方法;
5.初步掌握运用能量转化和守恒来解释物理现象及分析问题的方法.
二、教学建议
1.引入
先通过实例定性地分析机械能的相互转化，然后提出如下的问题：如何定量地推导机械能守恒定律呢？在什么条件下，机械能才守恒呢？这就是本节进一步学习机械能守恒定律的目的.
2.机械能转化是通过重力或弹力做功来实现的
按教材推导完守恒定律后，可向学生说明能量转化的途径是做功，不同性质的力做功将会引起不同形式的能参与转化.只有重力做功，必定只有重力势能和动能之间的转化；只有弹力做功，必定只有弹性势能和动能之间的转化.如果除了重力（或弹力）做功之外，还有别的力做功，重力势能（或弹性势能）是不是仍然只与动能相互转化呢？教学中可以举物体下落过程中有空气阻力的情况，并引导学生运用动能定理和重力做功与重力势能变化的关系来分析说明.由于物体克服空气阻力做功Wf，所以WG-Wf=ΔEk.可见，重力做功WG即重力势能的减少量必定大于动能的增加，这是由于内能参与了转化.因此，除重力做功外，还有别的力做功，就不可能只有重力势能和动能之间的转化.有了以上的讨论，机械能守恒定律的推导以及学生理解该定律的条件也就有了基础.
3.机械能守恒定律的表述
教材对机械能守恒定律的表述只限于重力势能和动能相互转化的情况，对定律的条件的表述比旧教材进了一步.教材仍然不从“系统”“内力做功”“外力做功”的角度去阐述机械能守恒定律.
弹力做功时的机械能守恒，教材根据大纲的要求没有作定量的论证，教学中可以举一些例子（如弹簧振子）来定性地说明.要使学生知道，只有在弹力做功的情况下，物体的动能和弹性势能发生相互转化，但是机械能的总量保持不变.
4.正确认识机械能守恒的条件
关于机械能守恒定律的条件，教学中要注意解决学生中存在的一些模糊认识.例如，有的学生把“只有重力做功”与“只有重力作用”等同起来.为了解决这个问题，可以以物体在光滑斜面上运动为例，让学生讨论：物体不但受到重力作用，还受到支持力作用，物体的机械能守恒吗？为什么？通过讨论使学生认识到，只有重力作用，机械能总量当然保持不变，但如果物体受重力作用之外，还有其他力的作用，机械能也守恒.还有的学生认为：既然只有重力做功机械能才守恒，那么重力不做功时，机械能就不守恒.应使学生认识到，如果重力不做功，就不能引起重力势能的变化，如果其他力也不做功，能量就不可能发生相互转化，总量当然是不变的.例如，细绳拴着的小球在光滑的水平桌面上做匀速圆周运动时，重力和拉力都不做功，能量没有转化，机械能总量不变,但不叫机械能守恒，因为守恒是相对于能量转化而言的.
为了使学生学会用机械能守恒的条件来判断具体运动中机械能是否守恒，可将练习五第（1）题放在课堂上进行讨论.
5.应用机械能守恒定律解题的步骤
要使学生懂得，遇到实际问题，首先应分析是否满足机械能守恒的条件，所以，要对物体进行受力分析，然后考虑是否除重力做功外还有其他力做功.如果符合机械能守恒的条件，根据题意选好参考平面，在明确初状态的总机械能和末状态的总机械能后，就可以列方程解出未知量.守恒的等式也可以采用重力势能的改变量等于动能的改变量的形式.
6.机械能守恒定律不解决物体做什么运动的问题
一个在一定高度平抛出去的物体，用机械能守恒定律能求出它落地的速率，但无法说明这个物体做什么运动.又如图所示的情况，单摆的摆球与悬点O处在同一水平线上，O下方距离为摆长一半处有一个钉子P.水平释放小球，小球经过B点时，摆线受到P的阻挡，使小球做沿以P为圆心的圆弧运动，但是否能上升到悬点O？如果根据机械能守恒定律，结论是可能的，但能不能上升到O点要看具体条件.在如图的情形中，由于小球上升时，速度越来越小，小球在到达O点之前，重力就迫使它离开圆轨道而做斜上抛运动，如图中所示的曲线MN，以上情况也可以用演示来说明.通过以上例子可知，机械能守恒定律不解决物体做什么运动的问题.
资源参考
超级球问题
如果你在一个特别大的球上放一个特别小的球（如图），然后把这两个球移到距地h高的地方，释放它们.这时戏剧性的事将发生：当两个超级球中的大球撞击到地面上时，小球将脱离大球，并升高到9倍于h高的地方.为什么呢？让我们来分析这个问题.
放在一起的两个超级球从高h的地方掉下来，在它们撞击地面后的一瞬间，由于完全弹性碰撞,大球将以速度v向上，而小球仍以速度v向下运动（如图），这里速度v取决于下式：
mv2=mgh
现在假如你站在大球上，你将观察到：小球相对于你的速度为2v（如图）.
把小球与大球之间的碰撞也看成是完全弹性碰撞，因此碰撞前小球的速度相对于大球为2v，碰撞后小球相对于大球的速度应仍为2v，但这时方向相反（如左下图）.
对于大球上的观察者，小球以2v的速度离开大球，而相对于地面上的观察者来说，小球离开地面的速度等于小球相对于大球的速度与大球相对于地面速度的叠加，即等于v＋2v=3v（如右上图）.
因此小球将以相对于地面3v的速度向上运动.这里如果没有大球与小球的配合，小球单个以速度v撞击地面，那么小球只能仍以速度v向上，而不可能是现在的以速度3v向上运动.
小球能够上升到的高度H取决于下式：
mgH=m(3v)2=9·mv2=9mgh=mg(qh)
所以，H＝9h
这就是说小球能够上升到9倍的原来掉下来时的高度.4.4
能源与可持续发展
思维激活
我国人均能源占有量只有世界平均数的，解决我国能源问题的基本方针是：能源开发与节约并重.谈谈你可以通过哪些简单的方法改变自己的生活方式，以减少能源的浪费.
提示
节约的方法有很多，最重要的是，看你有没有心去做，但，只有你自己节约，别人在一旁享受，这也起不了很大的作用.所以最好能人人节约，这样，效果就会比较好了.
1.在夏天，如果不是很热，可以尽量少开电扇.
2.把通常比较少用的电器插头拔起来，可以减少电源的负担.
3.上楼时，尽量少乘坐电梯，自己多爬楼.
自主整理
一、研究能量的转化效率
1.定义：转化为有用功能量跟输入能量的比值.
2.表达式
能量的转化效率=.
二、能量转化和转移的方向性
1.内容：机械能可以完全转化为内能，反过来，内能不可能自发地并且不引起任何变化地完全变为机械能；在热传递的过程中，内能总是能自发地从高温物体向低温物体转移，而不可能自发地从低温物体向高温物体转移.
2.意义：①发现了第二类永动机的不可能性；②发现了各种自然现象转化的不可逆性.
三、让天更蓝、水更清、地更绿
1.能源
（1）概念：能够提供可利用能量的物质，都可以称为能源.
（2）分类：①从人类开发能源的历史划分：
常规能源：煤、石油、天然气等；
新能源：核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等.
②从能否再生分类：
可再生能源：水流能、风能等；
不可再生能源：石油、煤等.
2.可持续发展
保护环境和自然资源.
高手笔记
能量转化和守恒定律指明各种形式的能量可以相互转化，且在转化或转移过程中总量不变，但实际上，能量转化和转移也不是任意的，涉及内能的转化和转移都是有方向的，表现在：
1.机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化.
2.内能总是自发地从高温物体向低温物体转移，而不能自发地从低温物体向高温物体转移.
与温度有关的能量转化和转移过程称为热现象，实际上，凡是与热现象有关的自发的宏观物理过程都是有方向的，不可逆的.
名师解惑
1.怎样理解能量转化和转移是有方向的？
剖析：能量的转化和守恒定律指明各种形式的能量可以相互转化，且在转化或转移过程中总和不变，但实际上，能量转化或转移过程也不是任意的，涉及内能的转化和转移都是有方向的，这表现在：
（1）机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化.
（2）内能总是自发地从高温物体向低温物体转移，而不能自发地从低温物体向高温物体转移.
2.如何认识第二类永动机？
剖析：第二类永动机是指机器能自发地从低温热源吸收内能，向高温热源释放.高温热源将得到的能量通过另一台做功装置，对外做功，它虽然不违背能量守恒定律，但违背了能量转化和转移的不可逆性，即能量不能自发地从低温热源转移到高温热源，因此它也是不可能成功的.4.3
能量的转化与守恒
思维激活
如图4-3-1所示，是有人设计的永动机：左右的木球数目相等，右边的球浸入水中，那么右面的球始终受到向上的浮力的作用而永远转动下去.请分析可行性.
图4-3-1
提示
当木球由下方进入水时，仅受到水向下的压力，由于该处压强最大，所以向下的压力很大，要永远转动下去，要克服各处摩擦消耗能量，而这些能量又没有来源，这是违背能量守恒的，故不可行.
自主整理
一、分析小汽车行驶时能量的转化
汽车行驶要消耗燃料，汽车各部分消耗的能量都是燃油的化学能转化来的，具体情况如下：
二、能量转化与守恒定律的建立
1.能量形式的多样性
物质的运动形式是多种多样的，物质的每一种运动形式都对应着一种形式的能量.与物体的机械运动对应的能量称机械能，与物体内大量分子热运动及分子间相互作用势能对应的能量称内能；与电磁运动对应的能量称
电磁能；与物质的化学运动对应的能量称化学能.
2.能量之间的相互转化
自然界中，能的表现形式是多种多样的，除了机械能外，还有内能、电能、光能、化学能等，这些能量间可以相互转化，但总的能量不变，即遵守能量转化和守恒定律.
3.能量守恒定律
能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能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，在转化或转移的过程中其总量不变.
高手笔记
1.功和能量转化的关系
(1)合外力对物体所做的功等于物体动能的变化量，W合=Ek末-Ek初,即动能定理.
(2)只有重力（或弹簧弹力）做功，物体的机械能守恒.
(3)只要重力对物体做功，物体的重力势能一定变化，重力势能的变化只跟重力做功有关.WG=Ep末-Ep初.
(4)重力和弹簧弹力之外的力对物体做的功WF等于物体机械能的变化，WF=E末-E初.
2.能量转化与守恒定律的表达式：E初=E终；ΔE增=ΔE减.
3.用能量守恒解题的基本步骤
（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.
名师解惑
摩擦力做功与机械能的变化有什么关系？
剖析：（1）由于相互作用的一对静摩擦力做功的代数和为零，所以在静摩擦力做功的过程中，只有机械能的相互转化（静摩擦力起着传递机械能的作用），而没有机械能向其他形式的能量转化.
（2）相互作用的一对滑动摩擦力做功的代数和总不为零，且总为负值.在滑动摩擦力做功的过程中，不仅有相互摩擦物体间机械能的转移，还有机械能向内能的转化.
（3）摩擦生热
一对滑动摩擦力相互作用而产生的热量Q等于系统机械能的减少量，并且等于滑动摩擦力与相对位移的乘积，即
Q＝fs相对.4.1
势能的变化与机械功
思维激活
1.“飞流直下三千尺，疑是银河落九天.”这是唐代大诗人李白对庐山瀑布的传神写照,如图411所示.你能从物理学的角度对这一过程进行描述吗？
图4-1-1
图4-1-2
2.建筑工地上，一台台打桩机巍然屹立，重锤在绞车钢丝绳的带动下隆隆上升，至打桩机顶端后便自由落下，以雷霆万钧之力，把一根根桩打入地下，如图412所示，建筑物的基础就此奠定.这里的重锤具有做功的本领，请你从能量转化的角度对这一过程进行描述.
提示
水从高处流下，重力做功，重力势能转化为动能，因而形成飞流直下的壮观场面.重锤在提升的过程中，重力势能要增加，下落过程中，重力势能转化为动能，因而重锤高速撞击，将桩打入地下.
自主整理
一、研究重力做功跟重力势能变化的关系
1.重力势能
（1）定义：物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能.物体的重力势能等于它所受重力与所处高度的乘积.
（2）表达式：Ep=mgh.
（3）单位：在国际单位制中，重力势能的单位为焦耳，符号为J.1
J=1
kg·m·s－2·m=1
N·m.
2.重力势能的特点
（1）是标量，是状态量.
重力势能与重力做的功相对应，与物体和地球的相对位置有关，物体的相对位置发生了变化，物体的重力势能就变化，所以重力势能是标量，同时又是与状态相对应的状态量.
（2）重力势能具有相对性.
物体的高度h总是相对于某一水平面来说的，实际上是把这个水平面的高度取作零.因此，物体的重力势能也总是相对于某一水平面来说的，这个水平面叫做参考平面.在参考平面，物体的重力势能为零.
选择哪个水平面作参考平面，可视研究问题的方便而定.一般以解决问题时方便为原则来选取零势能参考面.
3.重力做功与重力势能变化的关系
（1）重力做功
重力做功的大小等于物体重力跟起点高度的乘积mgh1与物体重力跟终点高度的乘积mgh2两者之差，即WG=mgh1－mgh2.
（2）重力做功跟势能变化
重力做的功与重力势能的关系可以写为WG=Ep1－Ep2其中Ep1=mgh1表示物体在初位置的重力势能，Ep2=mgh2表示物体在末位置的重力势能.
当物体由高处运动到低处时，重力做正功，重力势能减少
，也就是WG＞0，Ep1＞Ep2.这时，重力势能减少的数量等于重力所做的功.
当物体由低处运动到高处时，重力做负功（物体克服重力做功），重力势能增加，也就是WG＜0，Ep1
＜
Ep2.这时，重力势能增加的数量等于克服重力所做的功.
二、重力做功跟路径无关
重力对物体做的功只跟物体的初位置和末位置的高度有关，而跟物体经过的路径无关.
三、弹性势能
1.定义：发生弹性形变的物体的各部分之间，由于有弹力的相互作用，也具有势能，这种势能叫做弹性势能.
2.表达式：对于劲度系数为k的弹簧，伸长量为Δx时，弹性势能为：E=kΔx2.
高手笔记
1.重力做功和重力势能的区别与联系
概念比较项目
重力做功
重力势能
物理意义
重力对物体做功
由于物体与地球的相互作用，且由它们之间相对位置决定的能
表达式
WG=G·s=mgΔh
Ep=mgh
影响大小的因素
重力G和初、末位置的高度差Δh
重力mg和某一位置的高度h
特点
只与初、末位置的高度差有关，与路径及参考平面的选择无关
与参考平面的选择有关，同一位置的物体，选择不同的参考平面会有不同的重力势能值
过程量
状态量
联系
重力做功过程是重力势能改变的过程，重力做正功，重力势能减少，重力做负功，重力势能增加，且重力做了多少功，重力势能就改变多少，即WG=Ep1-Ep2
2.重力势能是一个标量，其“+”“－”表示重力势能的大小.例如：－10
J＜0＜5
J
3.重力势能属于物体和地球组成的系统
重力势能跟重力做功密切相关，而重力是地球与物体之间的相互作用力.也就是说，倘若没有地球，就谈不上重力势能.所以，严格说来，重力势能是地球与物体所组成的系统所共有的，而不是地球上的物体单独具有的.
名师解惑
1.如何理解重力势能的相对性？
剖析：重力势能的表达式Ep＝mgh中，h为物体的高度.h的值与参考平面的选择有关，同一个物体在同一位置，相对于不同的参考平面，其重力势能的数值不同.通常情况下，选取地面作为重力势能的参考平面.在解题时，经常选取物体运动过程中的最低位置所在的平面作为参考平面，这样可以避免负势能的计算.需要说明的是：尽管重力势能具有相对性，但在某一过程中重力势能的变化量却不具备相对性.在研究问题时，人们更多关注的是该过程中重力势能的变化.
2.为什么说势能是系统所共有的？
剖析：重力势能是由物体和地球间的相对位置决定的，物体具有多少重力势能是一种习惯说法，但从概念来说，一定要理解为物体与地球这一系统所共有的.
由相互作用物体之间相对位置决定的能量叫势能.重力势能、弹性势能都是势能的一种.（1）势能是属于相互作用物体共有的.（2）势能有多种形式，除上述两种，还有其他的如热运动中的分子势能、电磁运动中的电势能等等.
