能量守恒定律與能源各種形式能量的相互轉(zhuǎn)化(doc 7)

1、 能量守恒定律與能源理解領(lǐng)悟科學(xué)概念的作用在于它具有概括多種自然現(xiàn)象的能力，能量就是從千差萬別的各種自然現(xiàn)象中抽象出來的概念。能量從更深的層次上反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和相互作用的本質(zhì)。能量守恒定律是人們認(rèn)識(shí)自然的重要工具。能量關(guān)系到人們的衣食住行，關(guān)系到國家的興旺發(fā)達(dá)。能源的開發(fā)和利用，是關(guān)系人類生存和發(fā)展的一個(gè)重大的社會(huì)問題。我們應(yīng)豎立科學(xué)的世界觀，形成可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)?；A(chǔ)級(jí)1. 各種形式能量的相互轉(zhuǎn)化 現(xiàn)實(shí)生活的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，各種形式的能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。例如：在摩擦生熱的現(xiàn)象中，克服摩擦力做多少功，就有多少機(jī)械能轉(zhuǎn)化成等量的內(nèi)能；通過電流的導(dǎo)線變熱，電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能；燃料燃燒生熱，化學(xué)能轉(zhuǎn)化成

2、內(nèi)能；灼熱的燈絲發(fā)光，內(nèi)能轉(zhuǎn)化成光能。實(shí)驗(yàn)證明，在這些轉(zhuǎn)化過程中，能量都是守恒的。2. 科學(xué)家對(duì)能量守恒的探索對(duì)于能量守恒，科學(xué)家進(jìn)行了長期的探索：1801年，戴維發(fā)現(xiàn)了電流的化學(xué)效應(yīng)；1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)；1821年，塞貝克發(fā)現(xiàn)了溫差電現(xiàn)象；1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象；1840年，焦耳發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)；1842年，邁爾表述了能量守恒定律，并計(jì)算出熱功當(dāng)量的數(shù)值；1843年，焦耳測(cè)定了熱功當(dāng)量的數(shù)值。從而，確立了電化學(xué)、電和磁、電和熱、力和熱等自然現(xiàn)象之間的聯(lián)系。1847年，亥姆霍茲在理論上概括和總結(jié)了能量守恒定律。發(fā)現(xiàn)能量守恒定律的歷史表明，能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)不是

3、偶然的它是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物；除了物理學(xué)外，別的學(xué)科對(duì)能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)也有貢獻(xiàn)。3. 關(guān)于能量守恒定律能量既不會(huì)消滅，也不會(huì)創(chuàng)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。這就是能量守恒定律。能量守恒定律是經(jīng)過人類的長期探索在19世紀(jì)確立的。恩格斯曾經(jīng)把這一定律稱為“偉大的運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律”，認(rèn)為它的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)連同細(xì)胞學(xué)說、達(dá)爾文的生物進(jìn)化論在內(nèi)的自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一。能量守恒定律自建立以來，就是人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的有力武器。這個(gè)定律把廣泛的自然科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域聯(lián)系起來使不同領(lǐng)域的科學(xué)工作者具有了一系列的共同

4、語言，并取得了許多重大成就?，F(xiàn)在，能量守恒定律仍然是我們研究自然科學(xué)的強(qiáng)有力的武器之一。4. 為什么要節(jié)約能源教材在本節(jié)“思考與討論”欄目中提出了這樣的問題：“既然能量是守恒的，不可能消滅，為什么我們還要節(jié)約能源？”這一問題值得討論。其實(shí)，節(jié)約能源主要是出于以下兩方面的考慮：能源短缺 在近二三百年以來，人類相繼發(fā)明了蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械，使生產(chǎn)力得到了飛速發(fā)展。但是，能源的消耗也急劇增長。研究人員估計(jì)，按照目前的石油開采和消耗速度，地球上的石油儲(chǔ)藏將在百年內(nèi)用盡；煤的儲(chǔ)量稍多一些，但也將在二百多年的時(shí)間內(nèi)采完。可以想象，如果沒有了石油和煤炭，汽車、飛機(jī)、輪船和鐵路上的內(nèi)燃機(jī)車都不能

5、開動(dòng)，火力發(fā)電廠將停止發(fā)電，人類的社會(huì)生活將會(huì)癱瘓。能量耗散 宏觀過程具有一定的方向性，例如：兩種氣體放在一個(gè)容器內(nèi)，總會(huì)均勻地混合到一起，但不會(huì)再自發(fā)地分離開來。在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中也是如此，例如：摩擦力做功的過程，要損耗機(jī)械能而生熱，產(chǎn)生的熱不可能全部用來做機(jī)械功；熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而不可能從低溫物體傳向高溫物體又不產(chǎn)生其他影響；燃料燃燒時(shí)一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會(huì)再次自動(dòng)聚集起來供人類重新利用；電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，它又通過燈泡轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能，我們也無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用。這些實(shí)例說明，在能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量是守恒的，但能量的品

6、質(zhì)卻降低了，可被人類直接利用的能量在逐漸減少，這就是能量耗散現(xiàn)象。所以。能量雖然守恒，但我們還要節(jié)約能源。發(fā)展級(jí)5. 能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移方向性的進(jìn)一步說明在物理學(xué)中，能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移的方向性是用熱力學(xué)第二定律來表述的。熱力學(xué)第二定律有多種表述，兩種最常見的表述形式是：開爾文表述不可能從單一熱源吸熱，使之完全變成有用的功，而不引起其他變化?？藙谛匏贡硎霾豢赡馨褵崃繌牡蜏匚矬w傳到高溫物體，而不引起其他變化。熱力學(xué)第二定律使人們認(rèn)識(shí)到，自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。可見，不消耗任何能量而能不斷做功，或者少消耗能量而能做更多功的機(jī)器（第一類永動(dòng)機(jī)）是不可能的；從單一熱源吸熱，使之完

7、全變成有用的功而不產(chǎn)生其他影響的機(jī)器（第二類永動(dòng)機(jī)）也是不可能的。前者違背了能量守恒定律，后者盡管不違背能量守恒定律，但是卻違背反映能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移方向性的規(guī)律熱力學(xué)第二定律。對(duì)于熱力學(xué)第二定律，以及反映功、熱量跟內(nèi)能變化之間定量關(guān)系的熱力學(xué)第一定律，我們將在物理選修模塊中深入研究。6. 能源的開發(fā)和利用目前，對(duì)能源的開發(fā)和利用已越來越受到人們的極大關(guān)注。我們不僅要注意節(jié)約能源，還要重視能源的合理開發(fā)。節(jié)約能源的辦法有：采用高效鍋爐，節(jié)約燃料；采用高溫高壓蒸汽輪機(jī)，提高熱機(jī)效率；充分利用廢氣余熱，提高燃料利用率；從能源直接得到電能，提高發(fā)電效率；等等。在合理開發(fā)和節(jié)約使用煤、石油、天然氣等常

8、規(guī)能源的同時(shí)，要大力開發(fā)核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等新能源?. 對(duì)功是能量轉(zhuǎn)化的量度的再認(rèn)識(shí)能量轉(zhuǎn)化是與做功緊密地聯(lián)系在一起的。力做功時(shí)，必然伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，而且功與能量轉(zhuǎn)化的量值是相等的。這一等量關(guān)系不僅提供了計(jì)算功的大小的另一種途徑，而且涉及功與能的其他物理量也可能在這一等量關(guān)系中求出。在力學(xué)中，常涉及以下幾種力的功引起的相應(yīng)的能量變化的等量關(guān)系： 合外力所做的功或外力所做功的代數(shù)和等于物體或物體系動(dòng)能的變化動(dòng)能定理； 除了重力和彈力外，其他力對(duì)物體系所做的功等于物體系機(jī)械能的變化功能原理； 重力或彈力對(duì)物體所做的功與重力勢(shì)能或彈性勢(shì)能的變化數(shù)值相等； 兩物體間滑動(dòng)摩擦力對(duì)物體

9、系所做的功與物體系增加的內(nèi)能數(shù)值相等。應(yīng)用鏈接本節(jié)知識(shí)的應(yīng)用主要涉及對(duì)能量守恒定律和能源問題的理解，以及有關(guān)能量轉(zhuǎn)化、能源開發(fā)和利用問題的計(jì)算。基礎(chǔ)級(jí)例1 試說明下列現(xiàn)象中能量是怎樣轉(zhuǎn)化的：a. 在水平公路上行駛的汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火之后，速度越來越小，最后停止。b. 電風(fēng)扇通電后開始轉(zhuǎn)動(dòng)，斷電后轉(zhuǎn)動(dòng)著的風(fēng)扇又慢慢停下來。c. 火藥爆炸產(chǎn)生燃?xì)?，子彈在燃?xì)獾耐苿?dòng)下從槍膛發(fā)射出去，射穿一塊鋼板，速度減小。d. 用柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，供給電動(dòng)水泵抽水，把水從低處抽到高處。提示 從能量的種類和做功情況加以分析。解析 a. 在水平公路上行駛的汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火之后，速度越來越小，最后停止。這一過程中，汽車

10、所受的阻力做負(fù)功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。b. 電風(fēng)扇通電后開始轉(zhuǎn)動(dòng)，電流做功，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；斷電后轉(zhuǎn)動(dòng)著的風(fēng)扇又慢慢停下來，阻力做負(fù)功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。c. 火藥爆炸產(chǎn)生燃?xì)?，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；子彈在燃?xì)獾耐苿?dòng)下從槍膛發(fā)射出去，推力做功，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；子彈射穿一塊鋼板，速度減小，阻力做負(fù)功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。d. 用柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，又轉(zhuǎn)化為電能；發(fā)電機(jī)發(fā)電后供給電動(dòng)水泵抽水，電流做功，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電動(dòng)水泵把水從低處抽到高處，水泵對(duì)水做功，使水泵的機(jī)械能傳遞給水。點(diǎn)悟 做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。各種能量可以相互轉(zhuǎn)化，而在轉(zhuǎn)化過程

11、中，能量的總量則保持不變。圖566dabc例2 一質(zhì)量均勻、不可伸長的繩索，重為g，a、b兩端固定在天花板上，如圖566所示?，F(xiàn)在最低點(diǎn)c處施加一豎直向下的力，將最低點(diǎn)緩慢拉至d點(diǎn)。在此過程中，繩的重心位置（ ）a. 逐漸升高 b. 逐漸降低 c. 先降低后升高 d. 始終不變提示 從外力做功引起繩索重力勢(shì)能的變化進(jìn)行分析。解析 外力對(duì)繩索做功，繩索的機(jī)械能增加。由于繩索的動(dòng)能不變，增加的必是重力勢(shì)能，重力勢(shì)能增加是重心升高的結(jié)果。正確選項(xiàng)為a。圖567點(diǎn)悟 本題繩索重心的具體位置很難確定，且往往會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為：外力將繩索向下拉，繩索的重心會(huì)逐漸降低。這里，我們應(yīng)用功能原理，對(duì)問題作出了正確的判

12、斷。例3 約在1670年，英國賽斯特城的主教約翰維爾金斯設(shè)計(jì)了一種磁力“永動(dòng)機(jī)”，如圖567所示，在斜坡頂上放一塊強(qiáng)有力的磁鐵，斜坡上端有一個(gè)小孔，斜面下有一個(gè)連接小孔直至底端的彎曲軌道。維爾金斯認(rèn)為：如果在斜坡底放一個(gè)小鐵球，那么由于磁鐵的吸引，小鐵球就會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到小孔p處時(shí)，它就要掉下，再沿著斜面下的彎曲軌道返回斜坡底端q，由于有速度而可以對(duì)外做功，然后又被磁鐵吸引回到上端，到小孔p處又掉下。在以后的二百多年里，維爾金斯的永動(dòng)機(jī)居然改頭換面地出現(xiàn)過多次，其中一次是在1878年，即在能量轉(zhuǎn)化和守恒定律確定20年后，而且竟在德國取得了專利權(quán)！請(qǐng)你分析一下，維爾金斯“永動(dòng)機(jī)”能實(shí)現(xiàn)嗎

13、?提示 運(yùn)用能量守恒定律進(jìn)行分析。解析 維爾金斯“永動(dòng)機(jī)”不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗`背了能量守恒定律。小球上升過程中，磁場(chǎng)力對(duì)小球做正功，使小球增加了機(jī)械能；但小球下落時(shí)，同樣也受到磁場(chǎng)力，而且磁場(chǎng)力做負(fù)功，這個(gè)負(fù)功與上升過程的正功相互抵消。可見，維爾金斯“永動(dòng)機(jī)”不可能源源不斷向外提供能量，所以維爾金斯“永動(dòng)機(jī)”不可能實(shí)現(xiàn)。點(diǎn)悟 能量守恒定律告訴我們：任何一部機(jī)器，只能使能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而不能無中生有地制造能量，那種不消耗能量的所謂“永動(dòng)機(jī)”是不可能造成的。人類利用自然，必須遵循自然規(guī)律，而不是去研制永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的“永動(dòng)機(jī)”。例4 隨著人類能量消耗的迅速增加，如何有效地提高能量利用

14、率是人類所面臨的一項(xiàng)重要任務(wù)。上?！懊髦榫€”某輕軌車站的設(shè)計(jì)方案將站臺(tái)抬高了一些，與站臺(tái)連接的軌道有一個(gè)小的坡度。請(qǐng)你從提高能量利用效率的角度，分析這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。提示 從能量轉(zhuǎn)化的角度分析如何提高能量的利用率。解析 列車進(jìn)站時(shí)，利用上坡使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能加以儲(chǔ)存，減少了因剎車而損耗的機(jī)械能；列車出站時(shí)，利用下坡把儲(chǔ)存的重力勢(shì)能又轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，起到節(jié)能的作用，從而提高了能量的利用率。點(diǎn)悟 節(jié)約能源是涉及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題，應(yīng)該引起人們的極大關(guān)注。上?！懊髦榫€”某輕軌車站的上述設(shè)計(jì)方案，正是從節(jié)約能源的角度提出的。這里，我們看到了物理規(guī)律與實(shí)際生活的密切聯(lián)系及其發(fā)揮的重要作用。發(fā)展級(jí)例

15、5 下列說法正確的是（ ）a. 熱量能夠從高溫物體傳到低溫物體，但不能從低溫物體傳到高溫物體b. 只要對(duì)熱機(jī)不斷改革，就可使熱機(jī)把它得到的全部內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能c. 不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化d. 凡是不違背能量守恒定律的過程都一定能實(shí)現(xiàn) 提示 用反映能量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)移方向性的規(guī)律熱力學(xué)第二定律進(jìn)行判斷。解析 熱量會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體，而不會(huì)自發(fā)地才低溫物體傳給高溫物體，但如果有外界的影響或者幫助，熱量也能從低溫物體傳到高溫物體。例如：電冰箱消耗了電能，對(duì)致冷系統(tǒng)做了功，能夠不斷地把冰箱內(nèi)（低溫）的熱量傳給外界的空氣（高溫）。熱機(jī)不能把它得到的全部內(nèi)能

16、轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因?yàn)闊釞C(jī)必須有熱源和冷凝器，熱機(jī)工作時(shí)總要向冷凝器散熱，不可避免地要由工作物質(zhì)帶走一部分熱量。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，不可能從單一熱源吸收熱量并把它全部用來做功，而不引起其他變化。不違背能量守恒定律，但違背熱力學(xué)第二定律的過程，同樣不能實(shí)現(xiàn)?？梢?，正確選項(xiàng)為c。圖568abc點(diǎn)悟 熱力學(xué)第二定律是關(guān)于熱量傳遞不可逆性的一條基本規(guī)律。對(duì)熱力學(xué)第二定律的正確理解是：自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性。例6 如圖568所示，小球以60j的初動(dòng)能從a點(diǎn)出發(fā)沿粗糙斜面向上運(yùn)動(dòng)，在上升到b點(diǎn)的過程中，小球的動(dòng)能損失了50j，機(jī)械能損失了10j，則小球繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)c再運(yùn)動(dòng)至出發(fā)

17、點(diǎn)a時(shí)的動(dòng)能為多少？提示 由于斜面粗糙，小球克服摩擦力做功，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，所以小球的機(jī)械能不守恒，可應(yīng)用動(dòng)能定理和功能原理求解。解析 小球在由a點(diǎn)到b點(diǎn)的過程中，動(dòng)能的損失量對(duì)應(yīng)于克服合外力所做的功，機(jī)械能的損失量對(duì)應(yīng)于克服摩擦力所做的功。由動(dòng)能定理得wg+wf=ek=50j，由功能原理得 wf=e=10j，又 fg =wfwg，由以上三式可得 fg =14。小球在由b點(diǎn)到c點(diǎn)的過程中，動(dòng)能減少10j，由動(dòng)能定理得wg+wf=ek=10j，又 wfwg = fg =14，由以上兩式可得 wf=2j。所以，上升過程中小球克服摩擦力做功12j，一上一下，全過程小球克服摩擦力做功24j。在小球運(yùn)

18、動(dòng)的全過程中由動(dòng)能定理得= ektek0，解得小球運(yùn)動(dòng)至出發(fā)點(diǎn)a時(shí)的動(dòng)能為ekt=+ ek0=24j+60j=36j。 點(diǎn)悟 本題涉及功與能的幾個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究動(dòng)能的變化，只要看合外力做了多少功（本題中即為重力與摩擦力所做功之和）；研究機(jī)械能的變化，只要看除重力、彈力以外的力總共做了多少功（本題中即為摩擦力所做的功）。必須弄清各種能量的變化與什么力所做的功相對(duì)應(yīng)，否則可能亂套公式而出錯(cuò)。課本習(xí)題解讀p.30問題與練習(xí)1. 家用電飯鍋是把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，洗衣機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，等等。2. (1)依題意可知，三峽水庫第二期蓄水后，用于發(fā)電的水流量每秒為1.35104m33500m3=10000m

19、3/s，每秒鐘轉(zhuǎn)化為的電能是mgh20%=vgh20%=1.01031.01041013520%j/s=2.7109 j/s，發(fā)電功率最大是 2.7109w=2.7106kw。(2)設(shè)三口之家每戶的家庭生活用電功率為1kw，考慮到不是每家同時(shí)用1kw的電，我們平均每家同時(shí)用電0.5kw，則三峽發(fā)電站能供給戶=5.8106戶用電，人口數(shù)為 35.8106人17106人，即可供17個(gè)百萬人口城市的生活用電。 3. 請(qǐng)按題目要求思考。練習(xí)鞏固（510）基礎(chǔ)級(jí)1. 能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。人類利用能源大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期，依次是（ ）a. 柴薪時(shí)期、煤炭時(shí)期、石油時(shí)期 b. 柴薪時(shí)期、石油時(shí)期、煤

20、炭時(shí)期c. 煤炭時(shí)期、石油時(shí)期、電力時(shí)期 d. 畜力時(shí)期、熱力時(shí)期、電力時(shí)期2.3.4. .關(guān)于能量耗散，下列說法中正確的是（ ）a. 能量耗散是指在一定條件下，能量在轉(zhuǎn)化過程中總量減少了b. 能量耗散表明，能量守恒定律具有一定的局限性c. 能量耗散表明，在能源的利用過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了d. 能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度，反映出自然界中宏觀過程的方向性5. 下列說法中正確的是（ ）a. 不同形式能量的轉(zhuǎn)化是通過做功來實(shí)現(xiàn)的b. 做功的過程總是伴隨著能量的變化c. 某種形式的能量增加10j，一定有其他形式的能量減少10jd. 某個(gè)物體的能量減少10j，一定有其他物體的能量增加10j6. 下列說法中正確的是（ ）a. 彈簧的彈力做功10j，彈簧的彈性勢(shì)能就減少10jb