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

《能量的轉(zhuǎn)化與守恒》知識清單一、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的發(fā)現(xiàn)背景1、**早期對能量的認識**-在古代，人們就已經(jīng)開始對能量有了一些模糊的認識。比如，鉆木取火就是人們利用機械能轉(zhuǎn)化為熱能的一個例子。人們通過不斷地轉(zhuǎn)動木棒（這就是機械能），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)在不自覺地運用這種原理啦。-在工業(yè)革命之前，像風車利用風能轉(zhuǎn)動，水車利用水能推動石磨等，都是能量利用的簡單形式。不過，當時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、**科學家們的探索歷程**-焦耳是一個很重要的人物。他做了好多有趣的實驗來研究熱和功的關(guān)系。比如說，他通過重物下落帶動葉片攪拌容器里的水，發(fā)現(xiàn)重物的機械能（就是因為它有高度和重量，有做功的能力）在這個過程中轉(zhuǎn)化成了水的熱能，而且他還精確地測量出了一定量的機械能可以轉(zhuǎn)化成多少熱能。他的這個發(fā)現(xiàn)就像在黑暗中點亮了一盞燈，讓人們開始逐漸明白能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。-邁爾也對能量轉(zhuǎn)化與守恒定律有很大的貢獻。他是一個醫(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要紅。他就開始思考這是為什么呢？后來他意識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，不過他的理論在當時受到了很多人的質(zhì)疑，因為他的表述不是很嚴謹，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**-機械能：這是我們比較熟悉的一種能量形式。比如說一個正在滾動的球，它具有動能，因為它在運動。而一個放在桌子上的球，它相對地面有一定的高度，就具有重力勢能。如果把這個球用彈簧壓縮起來，它就具有彈性勢能。這三種能量都屬于機械能的范疇。-熱能：也就是我們平常說的熱量。當我們燒水的時候，燃料燃燒把化學能轉(zhuǎn)化成熱能，使水的溫度升高。我們能感受到水變熱了，就是因為熱能在增加。-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。-化學能：我們吃的食物里面就含有化學能。當我們把食物吃進肚子里，經(jīng)過一系列的化學反應(yīng)，化學能就會轉(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（機械能）等。-光能：太陽光是光能的一個巨大來源。植物通過光合作用，把光能轉(zhuǎn)化成化學能儲存起來。太陽能電池板也是把光能轉(zhuǎn)化成電能的一個例子。-核能：這是一種非常強大的能量形式。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，再進一步轉(zhuǎn)化為電能。不過，核能如果使用不當也會帶來很大的危險，就像切爾諾貝利核事故，那是一場非常嚴重的災(zāi)難，大量的放射性物質(zhì)泄漏，對環(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)動機里燃燒汽油，汽油中的化學能轉(zhuǎn)化成熱能，然后熱能再轉(zhuǎn)化成機械能，使汽車能夠行駛。汽車的剎車系統(tǒng)則是把機械能轉(zhuǎn)化成熱能，當我們踩下剎車踏板的時候，剎車片和剎車盤之間劇烈摩擦，汽車的動能（機械能的一種）就轉(zhuǎn)化成了熱能，讓汽車停下來。-我們的手機也是一個能量轉(zhuǎn)化的小天地。當我們給手機充電的時候，電能轉(zhuǎn)化成化學能儲存在手機電池里。當我們使用手機的時候，電池里的化學能又轉(zhuǎn)化成電能，電能再進一步轉(zhuǎn)化成光能（屏幕發(fā)光）、熱能（手機使用時會發(fā)熱）和機械能（手機震動）等。3、**能量守恒定律**-這個定律簡單來說就是能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，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驗，重物下落的機械能轉(zhuǎn)化成水的熱能，在這個過程中，總的能量是不變的。-假設(shè)我們有一個封閉的系統(tǒng)，比如說一個絕熱的盒子里面裝著一些小球。如果我們給這些小球一個初始的機械能，讓它們在盒子里碰撞、滾動。在這個過程中，小球的動能可能會轉(zhuǎn)化成勢能，或者因為碰撞產(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，燃料燃燒把化學能轉(zhuǎn)化成熱能，熱能再轉(zhuǎn)化成機械能推動發(fā)電機發(fā)電（機械能轉(zhuǎn)化成電能）。水力發(fā)電站是利用水的機械能（水的動能和重力勢能）轉(zhuǎn)化成電能。風力發(fā)電站則是把風能轉(zhuǎn)化成電能。工程師們在設(shè)計這些發(fā)電站的時候，就要精確地計算能量的轉(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。-在機械制造方面，比如汽車發(fā)動機的設(shè)計，工程師們要考慮如何讓燃料的化學能盡可能高效地轉(zhuǎn)化成機械能。他們通過改進發(fā)動機的結(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，同時也能減少對環(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，從而達到節(jié)能的目的。節(jié)能空調(diào)也是一樣，它采用更先進的壓縮機技術(shù)和散熱技術(shù)，提高能量轉(zhuǎn)化效率，讓我們在使用空調(diào)的時候既能享受涼爽或者溫暖，又能節(jié)省電費。-我們在運動的時候也和能量轉(zhuǎn)化與守恒定律有關(guān)。當我們跑步的時候，我們身體里的化學能轉(zhuǎn)化成機械能，讓我們能夠向前移動。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充身體的化學能（吃富含能量的食物），同時通過科學的訓練來提高身體把化學能轉(zhuǎn)化成機械能的效率，這樣我們就能跑得更快、更遠。3、**在環(huán)境保護中的意義**-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方面也有著重要的意義。傳統(tǒng)的化石燃料燃燒會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能轉(zhuǎn)化成熱能的同時，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、風能、水能等可再生能源，這些能源在轉(zhuǎn)化過程中對環(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作用。比如說，回收廢舊金屬需要消耗一定的能量，但是這個能量比從礦石中提煉金屬所需要的能量要少得多。這是因為廢舊金屬已經(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)化與守恒定律的實驗驗證1、**簡單的機械能守恒實驗**-我們可以做一個簡單的實驗來驗證機械能守恒。找一個光滑的斜面（如果沒有完全光滑的，盡量找摩擦比較小的斜面），在斜面上放一個小球。讓小球從斜面的頂端靜止開始下滑。我們可以測量小球在斜面頂端的重力勢能（根據(jù)公式重力勢能等于質(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），當小球下滑到斜面底部的時候，它的重力勢能全部轉(zhuǎn)化成了動能（根據(jù)公式動能等于二分之一質(zhì)量乘以速度的平方，即1/2mv2）。我們可以通過測量小球下滑到底部的速度（可以用光電門等儀器測量），來驗證重力勢能的減少量是否等于動能的增加量，從而驗證機械能守恒。-在這個實驗中，可能會存在一些誤差。比如斜面并不是完全光滑的，小球在下滑過程中會有一些摩擦力，這就會導致一部分機械能轉(zhuǎn)化成熱能，使得動能的增加量略小于重力勢能的減少量。所以在做實驗的時候，我們要盡可能減小這些誤差的影響。2、**焦耳熱功當量實驗的改進版**-我們可以用現(xiàn)代的儀器來改進焦耳的熱功當量實驗。用一個電動機帶動攪拌器攪拌容器里的液體（可以是水或者油等）。電動機消耗電能，電能轉(zhuǎn)化成機械能，機械能再轉(zhuǎn)化成液體的熱能。我們可以精確地測量電動機消耗的電能（用電壓表和電流表測量電壓和電流，再根據(jù)公式電能等于電壓乘以電流乘以時間，即W=UIt），同時用溫度計測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）計算出液體吸收的熱能。通過比較電能和熱能的數(shù)值，來驗證能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。-在這個實驗中，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，攪拌器的效率也要考慮進去，因為攪拌器在攪拌過程中自身也會消耗一部分機械能，這部分機械能并沒有完全轉(zhuǎn)化成液體的熱能。五、能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的拓展1、**與相對論的聯(lián)系**-在相對論中，能量和質(zhì)量是等價的，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。這其實是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律在相對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，只不過在相對論的情況下，質(zhì)量和能量之間的界限變得模糊了。-當我們研究高能物理現(xiàn)象的時候，比如粒子加速器中的粒子碰撞，會產(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。科學家們在分析這些現(xiàn)象的時候，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。例如在原子的能級躍遷過程中，電子從一個高能級躍遷到低能級時，會釋放出光子，這個過程中原子的內(nèi)能（一種能量形式）減少，轉(zhuǎn)化成了光子的能量（光能）。相反，當電子吸收光子從低能級躍遷到高能級時，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，粒子的能量和時間存在不確定性關(guān)系，但是在一定的時間平均意義下，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上，雖然演員（粒子）的表演有些模糊不清（不確定性），但是整個劇目的能量收支（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)化效率的計算問題**-例如，一個火力發(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。然后因為能量轉(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**-以一輛混合動力汽車為例，汽車在行駛過程中，發(fā)動機燃燒汽油提供機械能，同時電池也可以提供電能來驅(qū)動汽車。當汽車剎車時，機械能可以回收轉(zhuǎn)化成電能儲存到電池中。請分析汽車在加速、勻速行駛和剎車這三個過程中的能量轉(zhuǎn)化過程。-加速過程：汽油燃燒，化學能轉(zhuǎn)化成熱能，熱能再轉(zhuǎn)化成機械能，電池中的電能也可以轉(zhuǎn)化成機械能，共同使汽車加速。-勻速行駛過程：發(fā)動機燃燒汽油產(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），化學能轉(zhuǎn)化成熱能再轉(zhuǎn)化成機械能。電池可能會根據(jù)需要補充少量的電能轉(zhuǎn)化成機械能。-剎車過程：汽車的機械能（主要是動能）通過剎車系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成熱能，同時一部分機械能可以通過回收裝置轉(zhuǎn)化成電能儲存到電池中。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，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（因為如果有部分光能轉(zhuǎn)化成了熱能，那么轉(zhuǎn)化成電能的能量就會減少）。同時，優(yōu)化電池板的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計，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.電動機工作時，機械能轉(zhuǎn)化為電能-B.汽車加速行駛時，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能-C.摩擦生熱時，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能-D.跳傘運動員在空中勻速下落時，重力勢能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能答案：D解析：電動機工作時是電能轉(zhuǎn)化為機械能，A錯誤；汽車加速行駛時，燃料燃燒化學能轉(zhuǎn)化為機械能，B錯誤；摩擦生熱是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，C錯誤；跳傘運動員在空中勻速下落時，重力勢能減小，因為克服空氣阻力做功，機械能轉(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錯誤；“摩擦生熱”是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，符合能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，C錯誤；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——機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能-B.水電站里水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電——機械能轉(zhuǎn)化為電能-C.給蓄電池充電——化學能轉(zhuǎn)化為電能-D.植物吸收太陽光進行光合作用——光能轉(zhuǎn)化為化學能答案：ABD解析：給蓄電池充電是電能轉(zhuǎn)化為化學能，C錯誤；鉆木取火是通過做功將機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，A正確；水電站里水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電是機械能轉(zhuǎn)化為電能，B正確；植物吸收太陽光進行光合作用是光能轉(zhuǎn)化為化學能，D正確。2、在一個封閉的系統(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)中只有機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化，那么機械能的減少