能量的轉(zhuǎn)化與守恒+知識(shí)清單 高二下學(xué)期物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊(cè)

《能量的轉(zhuǎn)化與守恒》知識(shí)清單一、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的發(fā)現(xiàn)背景1、**早期對(duì)能量的認(rèn)識(shí)**-在古代，人們就已經(jīng)開始對(duì)能量有了一些模糊的認(rèn)識(shí)。比如，鉆木取火就是人們利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的一個(gè)例子。人們通過不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)木棒（這就是機(jī)械能），使木頭之間摩擦生熱（轉(zhuǎn)化成了熱能），最終產(chǎn)生火焰。那時(shí)候的人們雖然不知道什么是能量轉(zhuǎn)化，但是已經(jīng)在不自覺地運(yùn)用這種原理啦。-在工業(yè)革命之前，像風(fēng)車?yán)蔑L(fēng)能轉(zhuǎn)動(dòng)，水車?yán)盟芡苿?dòng)石磨等，都是能量利用的簡(jiǎn)單形式。不過，當(dāng)時(shí)人們還沒有形成系統(tǒng)的能量概念，只是知道這些東西能干活，能帶來一些有用的效果。2、**科學(xué)家們的探索歷程**-焦耳是一個(gè)很重要的人物。他做了好多有趣的實(shí)驗(yàn)來研究熱和功的關(guān)系。比如說，他通過重物下落帶動(dòng)葉片攪拌容器里的水，發(fā)現(xiàn)重物的機(jī)械能（就是因?yàn)樗懈叨群椭亓浚凶龉Φ哪芰Γ┰谶@個(gè)過程中轉(zhuǎn)化成了水的熱能，而且他還精確地測(cè)量出了一定量的機(jī)械能可以轉(zhuǎn)化成多少熱能。他的這個(gè)發(fā)現(xiàn)就像在黑暗中點(diǎn)亮了一盞燈，讓人們開始逐漸明白能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。-邁爾也對(duì)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律有很大的貢獻(xiàn)。他是一個(gè)醫(yī)生，在一次航海旅行中，他發(fā)現(xiàn)船員的靜脈血比在歐洲時(shí)要紅。他就開始思考這是為什么呢？后來他意識(shí)到這可能和人體在熱帶地區(qū)新陳代謝變慢有關(guān)，而新陳代謝其實(shí)就涉及到能量的轉(zhuǎn)化。他提出了能量守恒的初步想法，不過他的理論在當(dāng)時(shí)受到了很多人的質(zhì)疑，因?yàn)樗谋硎霾皇呛車?yán)謹(jǐn)，但是他的想法為后來能量守恒定律的建立奠定了基礎(chǔ)。二、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的內(nèi)容1、**能量的多種形式**-機(jī)械能：這是我們比較熟悉的一種能量形式。比如說一個(gè)正在滾動(dòng)的球，它具有動(dòng)能，因?yàn)樗谶\(yùn)動(dòng)。而一個(gè)放在桌子上的球，它相對(duì)地面有一定的高度，就具有重力勢(shì)能。如果把這個(gè)球用彈簧壓縮起來，它就具有彈性勢(shì)能。這三種能量都屬于機(jī)械能的范疇。-熱能：也就是我們平常說的熱量。當(dāng)我們燒水的時(shí)候，燃料燃燒把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，使水的溫度升高。我們能感受到水變熱了，就是因?yàn)闊崮茉谠黾印?電能：我們家里的電器都離不開電能。像電燈，電能轉(zhuǎn)化成光能，讓我們能夠看清周圍的環(huán)境；而電熱水器則是把電能轉(zhuǎn)化成熱能，用來加熱水。-化學(xué)能：我們吃的食物里面就含有化學(xué)能。當(dāng)我們把食物吃進(jìn)肚子里，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)能就會(huì)轉(zhuǎn)化成我們身體需要的能量，比如維持我們的體溫（熱能），讓我們能夠走路、跑步（機(jī)械能）等。-光能：太陽光是光能的一個(gè)巨大來源。植物通過光合作用，把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來。太陽能電池板也是把光能轉(zhuǎn)化成電能的一個(gè)例子。-核能：這是一種非常強(qiáng)大的能量形式。核電站就是利用核反應(yīng)堆中原子核的裂變反應(yīng)，將核能轉(zhuǎn)化為熱能，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能。不過，核能如果使用不當(dāng)也會(huì)帶來很大的危險(xiǎn)，就像切爾諾貝利核事故，那是一場(chǎng)非常嚴(yán)重的災(zāi)難，大量的放射性物質(zhì)泄漏，對(duì)環(huán)境和人類健康造成了巨大的危害。2、**能量轉(zhuǎn)化**-在生活中，能量轉(zhuǎn)化的例子無處不在。就拿汽車來說吧，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)里燃燒汽油，汽油中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，然后熱能再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，使汽車能夠行駛。汽車的剎車系統(tǒng)則是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，當(dāng)我們踩下剎車踏板的時(shí)候，剎車片和剎車盤之間劇烈摩擦，汽車的動(dòng)能（機(jī)械能的一種）就轉(zhuǎn)化成了熱能，讓汽車停下來。-我們的手機(jī)也是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的小天地。當(dāng)我們給手機(jī)充電的時(shí)候，電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存在手機(jī)電池里。當(dāng)我們使用手機(jī)的時(shí)候，電池里的化學(xué)能又轉(zhuǎn)化成電能，電能再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成光能（屏幕發(fā)光）、熱能（手機(jī)使用時(shí)會(huì)發(fā)熱）和機(jī)械能（手機(jī)震動(dòng)）等。3、**能量守恒定律**-這個(gè)定律簡(jiǎn)單來說就是能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，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。就像我們之前說的焦耳的實(shí)驗(yàn)，重物下落的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成水的熱能，在這個(gè)過程中，總的能量是不變的。-假設(shè)我們有一個(gè)封閉的系統(tǒng)，比如說一個(gè)絕熱的盒子里面裝著一些小球。如果我們給這些小球一個(gè)初始的機(jī)械能，讓它們?cè)诤凶永锱鲎?、滾動(dòng)。在這個(gè)過程中，小球的動(dòng)能可能會(huì)轉(zhuǎn)化成勢(shì)能，或者因?yàn)榕鲎伯a(chǎn)生熱能（小球之間以及小球和盒子壁之間的摩擦），但是不管怎么轉(zhuǎn)化，這個(gè)系統(tǒng)里面的總能量始終是保持不變的。三、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的應(yīng)用1、**工程技術(shù)方面**-在發(fā)電站中，不管是火力發(fā)電站、水力發(fā)電站還是風(fēng)力發(fā)電站，都離不開能量轉(zhuǎn)化與守恒定律?；鹆Πl(fā)電站中，燃料燃燒把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，熱能再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電（機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能）。水力發(fā)電站是利用水的機(jī)械能（水的動(dòng)能和重力勢(shì)能）轉(zhuǎn)化成電能。風(fēng)力發(fā)電站則是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能。工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)這些發(fā)電站的時(shí)候，就要精確地計(jì)算能量的轉(zhuǎn)化效率，盡量減少能量在轉(zhuǎn)化過程中的損失，提高發(fā)電效率。-在機(jī)械制造方面，比如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，工程師們要考慮如何讓燃料的化學(xué)能盡可能高效地轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。他們通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、燃燒方式等，來提高能量轉(zhuǎn)化效率，這樣汽車就能更省油，同時(shí)也能減少對(duì)環(huán)境的污染。2、**日常生活中的應(yīng)用**-我們家里的節(jié)能電器就是根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律設(shè)計(jì)的。節(jié)能冰箱通過優(yōu)化制冷系統(tǒng)，減少電能轉(zhuǎn)化成熱能的損耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。節(jié)能空調(diào)也是一樣，它采用更先進(jìn)的壓縮機(jī)技術(shù)和散熱技術(shù)，提高能量轉(zhuǎn)化效率，讓我們?cè)谑褂每照{(diào)的時(shí)候既能享受涼爽或者溫暖，又能節(jié)省電費(fèi)。-我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)的時(shí)候也和能量轉(zhuǎn)化與守恒定律有關(guān)。當(dāng)我們跑步的時(shí)候，我們身體里的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，讓我們能夠向前移動(dòng)。如果我們想要提高跑步的效率，我們可以通過合理的飲食來補(bǔ)充身體的化學(xué)能（吃富含能量的食物），同時(shí)通過科學(xué)的訓(xùn)練來提高身體把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的效率，這樣我們就能跑得更快、更遠(yuǎn)。3、**在環(huán)境保護(hù)中的意義**-現(xiàn)在全球都在關(guān)注氣候變化，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在這個(gè)方面也有著重要的意義。傳統(tǒng)的化石燃料燃燒會(huì)釋放大量的熱能和二氧化碳等溫室氣體。根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，我們知道這些燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能的同時(shí)，也帶來了環(huán)境問題。所以我們要尋找更清潔的能源，比如太陽能、風(fēng)能、水能等可再生能源，這些能源在轉(zhuǎn)化過程中對(duì)環(huán)境的影響比較小。-在資源回收利用方面，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律也起到了指導(dǎo)作用。比如說，回收廢舊金屬需要消耗一定的能量，但是這個(gè)能量比從礦石中提煉金屬所需要的能量要少得多。這是因?yàn)閺U舊金屬已經(jīng)是經(jīng)過加工的材料，它的內(nèi)能等能量狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，通過合理的回收工藝，我們可以利用能量轉(zhuǎn)化的原理，用較少的能量把廢舊金屬重新加工成可用的材料，從而節(jié)約資源和能源。四、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1、**簡(jiǎn)單的機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)**-我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒。找一個(gè)光滑的斜面（如果沒有完全光滑的，盡量找摩擦比較小的斜面），在斜面上放一個(gè)小球。讓小球從斜面的頂端靜止開始下滑。我們可以測(cè)量小球在斜面頂端的重力勢(shì)能（根據(jù)公式重力勢(shì)能等于質(zhì)量乘以重力加速度乘以高度，即mgh，其中m是小球的質(zhì)量，g是重力加速度，h是小球的高度），當(dāng)小球下滑到斜面底部的時(shí)候，它的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化成了動(dòng)能（根據(jù)公式動(dòng)能等于二分之一質(zhì)量乘以速度的平方，即1/2mv2）。我們可以通過測(cè)量小球下滑到底部的速度（可以用光電門等儀器測(cè)量），來驗(yàn)證重力勢(shì)能的減少量是否等于動(dòng)能的增加量，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒。-在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，可能會(huì)存在一些誤差。比如斜面并不是完全光滑的，小球在下滑過程中會(huì)有一些摩擦力，這就會(huì)導(dǎo)致一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，使得動(dòng)能的增加量略小于重力勢(shì)能的減少量。所以在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們要盡可能減小這些誤差的影響。2、**焦耳熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)版**-我們可以用現(xiàn)代的儀器來改進(jìn)焦耳的熱功當(dāng)量實(shí)驗(yàn)。用一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)攪拌器攪拌容器里的液體（可以是水或者油等）。電動(dòng)機(jī)消耗電能，電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，機(jī)械能再轉(zhuǎn)化成液體的熱能。我們可以精確地測(cè)量電動(dòng)機(jī)消耗的電能（用電壓表和電流表測(cè)量電壓和電流，再根據(jù)公式電能等于電壓乘以電流乘以時(shí)間，即W=UIt），同時(shí)用溫度計(jì)測(cè)量液體溫度的升高量，根據(jù)液體的比熱容（不同的液體有不同的比熱容）計(jì)算出液體吸收的熱能。通過比較電能和熱能的數(shù)值，來驗(yàn)證能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。-在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，也要注意一些問題。比如容器的絕熱性能要好，盡量減少熱量散失到周圍環(huán)境中。同時(shí)，攪拌器的效率也要考慮進(jìn)去，因?yàn)閿嚢杵髟跀嚢柽^程中自身也會(huì)消耗一部分機(jī)械能，這部分機(jī)械能并沒有完全轉(zhuǎn)化成液體的熱能。五、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的拓展1、**與相對(duì)論的聯(lián)系**-在相對(duì)論中，能量和質(zhì)量是等價(jià)的，這就是著名的質(zhì)能方程E=mc2（其中E是能量，m是質(zhì)量，c是光速）。這個(gè)方程表明質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化成能量，能量也可以轉(zhuǎn)化成質(zhì)量。這其實(shí)是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在相對(duì)論框架下的一種拓展。例如在核反應(yīng)中，原子核的質(zhì)量虧損會(huì)轉(zhuǎn)化成巨大的能量釋放。這種能量的釋放是符合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的，只不過在相對(duì)論的情況下，質(zhì)量和能量之間的界限變得模糊了。-當(dāng)我們研究高能物理現(xiàn)象的時(shí)候，比如粒子加速器中的粒子碰撞，會(huì)產(chǎn)生新的粒子，這些新粒子的產(chǎn)生伴隨著能量和質(zhì)量的轉(zhuǎn)化?？茖W(xué)家們?cè)诜治鲞@些現(xiàn)象的時(shí)候，既要考慮能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，也要考慮質(zhì)能方程，這樣才能全面地理解這些高能物理過程。2、**在微觀世界中的表現(xiàn)**-在微觀世界中，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律同樣適用。例如在原子的能級(jí)躍遷過程中，電子從一個(gè)高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，會(huì)釋放出光子，這個(gè)過程中原子的內(nèi)能（一種能量形式）減少，轉(zhuǎn)化成了光子的能量（光能）。相反，當(dāng)電子吸收光子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)時(shí)，光子的能量轉(zhuǎn)化成了原子的內(nèi)能。這種微觀的能量轉(zhuǎn)化過程是非常精確地遵循能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的。-量子力學(xué)中的不確定性原理也和能量轉(zhuǎn)化與守恒定律有一定的聯(lián)系。雖然在微觀世界中，粒子的能量和時(shí)間存在不確定性關(guān)系，但是在一定的時(shí)間平均意義下，能量轉(zhuǎn)化與守恒定律仍然是成立的。這就像在微觀的舞臺(tái)上，雖然演員（粒子）的表演有些模糊不清（不確定性），但是整個(gè)劇目的能量收支（能量轉(zhuǎn)化與守恒）在宏觀上還是平衡的。六、典型問題1、**能量轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算問題**-例如，一個(gè)火力發(fā)電站，燃燒100千克的煤（假設(shè)煤的熱值為30000千焦/千克），產(chǎn)生的熱能有60%轉(zhuǎn)化成電能。問能產(chǎn)生多少電能？-首先計(jì)算煤燃燒產(chǎn)生的總熱能：根據(jù)公式熱能等于質(zhì)量乘以熱值，即總熱能為100千克乘以30000千焦/千克=3000000千焦。然后因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)化效率為60%，所以轉(zhuǎn)化成電能的能量為3000000千焦乘以60%=1800000千焦。2、**分析復(fù)雜系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化過程**-以一輛混合動(dòng)力汽車為例，汽車在行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒汽油提供機(jī)械能，同時(shí)電池也可以提供電能來驅(qū)動(dòng)汽車。當(dāng)汽車剎車時(shí)，機(jī)械能可以回收轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存到電池中。請(qǐng)分析汽車在加速、勻速行駛和剎車這三個(gè)過程中的能量轉(zhuǎn)化過程。-加速過程：汽油燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能，熱能再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，電池中的電能也可以轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，共同使汽車加速。-勻速行駛過程：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒汽油產(chǎn)生的能量主要用來克服汽車受到的阻力（如空氣阻力、摩擦力等），化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。電池可能會(huì)根據(jù)需要補(bǔ)充少量的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。-剎車過程：汽車的機(jī)械能（主要是動(dòng)能）通過剎車系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成熱能，同時(shí)一部分機(jī)械能可以通過回收裝置轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存到電池中。3、**能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在新能源開發(fā)中的應(yīng)用問題**-在開發(fā)太陽能光伏發(fā)電時(shí)，如何提高太陽能到電能的轉(zhuǎn)化效率？從能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的角度進(jìn)行分析。-從能量轉(zhuǎn)化與守恒定律來看，我們要減少在能量轉(zhuǎn)化過程中的其他能量損耗。比如提高太陽能電池板的材料性能，減少光能轉(zhuǎn)化成電能過程中的熱能損耗（因?yàn)槿绻胁糠止饽苻D(zhuǎn)化成了熱能，那么轉(zhuǎn)化成電能的能量就會(huì)減少）。同時(shí)，優(yōu)化電池板的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)，減少電能在傳輸和轉(zhuǎn)換過程中的損耗，這樣就能提高太陽能到電能的轉(zhuǎn)化效率。一、單選題1、下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的說法中，正確的是（）-A.電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能-B.汽車加速行駛時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能-C.摩擦生熱時(shí)，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能-D.跳傘運(yùn)動(dòng)員在空中勻速下落時(shí)，重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能答案：D解析：電動(dòng)機(jī)工作時(shí)是電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，A錯(cuò)誤；汽車加速行駛時(shí)，燃料燃燒化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，B錯(cuò)誤；摩擦生熱是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C錯(cuò)誤；跳傘運(yùn)動(dòng)員在空中勻速下落時(shí)，重力勢(shì)能減小，因?yàn)榭朔諝庾枇ψ龉?，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，D正確。2、關(guān)于能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，下列說法正確的是（）-A.能量轉(zhuǎn)化與守恒定律只適用于機(jī)械能與內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)化-B.能量轉(zhuǎn)化與守恒定律只適用于能量的轉(zhuǎn)化過程-C.“摩擦生熱”是創(chuàng)造了熱，不符合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律-D.根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，宇宙中的能量總和不變答案：D解析：能量轉(zhuǎn)化與守恒定律適用于各種形式的能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，A、B錯(cuò)誤；“摩擦生熱”是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，符合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，C錯(cuò)誤；根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，宇宙中的能量總和不變，D正確。二、多選題1、下列現(xiàn)象中，能量轉(zhuǎn)化正確的是（）-A.鉆木取火——機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能-B.水電站里水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電——機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能-C.給蓄電池充電——化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能-D.植物吸收太陽光進(jìn)行光合作用——光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能答案：ABD解析：給蓄電池充電是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，C錯(cuò)誤；鉆木取火是通過做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，A正確；水電站里水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電是機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，B正確；植物吸收太陽光進(jìn)行光合作用是光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，D正確。2、在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，發(fā)生了一系列的能量轉(zhuǎn)化過程。以下關(guān)于這個(gè)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的說法正確的是（）-A.如果系統(tǒng)中只有機(jī)械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，那么機(jī)械能的減少