第24课能量的转换与守恒

第24课能量的转换与守恒学习目标学习目标课程标准学习目标了解能量转换掌握能量守恒定律理解能量转换的方向性能量之间相互转换能量守恒定律与永动机能量转换的方向性002预习导学观察下列能量变化高空跳伞湍急的瀑布003知识梳理一．能量的相互转化1.能量有机械能、内能、化学能、电能、核能等多种形式，各种形式的能量不是孤立的，而是相互联系的。2.能量可以在两个物体之间转移，能量形式也可以转化（1）太阳能的转化：能量转化的现象在我们周围经常发生。太阳光照射到绿色植物的叶片上，叶片通过光合作用把水和二氧化碳合成为淀粉等有机物质，将电磁能（光能）转变为化学能储存在植物里；太阳光照射到大气中使大气产生对流，将电磁能转变为空气的动能；太阳光照射到太阳能热水器上，使水的的温度升高，将电磁能转变为水的内能；太阳光照射到电池板上，将电磁能转化为电能。（2）人体能量的来源及转化：人的生命活动和人体完成的各种动作，都需要能量。所有这些能量都来自于食物。人吃进各种食物，食物消化后被吸收的营养物质从血液输送到人体各处，食物的化学能转化为人体的内能、电能、机械能等。我们每天都在使用电能，电能由发电厂提供。在火力发电厂中，燃烧煤或者天然气来加热水，水沸腾后产生的驱动涡轮机转动，涡轮机带动发电机，发电机发出的电通过输电线传输到各地的用户，对于燃煤发电厂，电能是由化学能经过一系列能量转化后得到的。大量事实表面，自然界中各种形式的能量都不是孤立的，不同形式的能量之间会发生相互转化，能量也会在不同的物体间相互转移。各种形式的能量之间的转化是非常普遍的现象，自然界中的物质运动形式的变化总伴随着能量的相互转化。平常我们所说的“消耗能量”、“利用能量”或者“获得能量”，实质上就是能量相互转化或转移的过程。1.能量转化和守恒定律：大量事实告诉我们，在能量的形式发生相互转化的过程中，某种形式的能量减少了多少，另一种形式的能量一定会相应的增加多少。同样。某种形式的能量增加了多少，另一种形式的能量就相应的减少了多少，而能的总量保持不变。也就是说：能量既不会消灭，也不会创生，它只会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。而在转化和转移的过程中，能的总量保持不变。2.能量转化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律只有。无论是机械运动，还是生命运动；无论是宇宙天体还是微观粒子，都遵循这个定律。“永动机”不可能成功的事实告诉我们，违反能量的转化和守恒定律的事件是不可能发生的。那么，遵循能量的转化和守恒定律的事件是否一定会发生呢？2.大量的现象都表面，能量的转化和转移是有一定的方向性的。我们是在能量的转移或转化的过程中利用能量的。040401强化训练一、选择题1．2023年5月11日，天舟六号货运飞船与空间站完成对接。这是我国改进型货运飞船首发船，其发射成功意义重大。下列说法正确的是（）A．起飞时，燃料的化学能全部转化为火箭的机械能B．对接完成后，以空间站为参照物，飞船是静止的C．货物从地面运到空间站，其质量与重力都保持不变D．完成对接后，空间站绕地球运动时运动状态保持不变2．如图是太阳能电池路灯，白天太阳能电池板将太阳能转化为电能，这种能量通过再次转化储存在大容量蓄电池内，夜晚蓄电池给路灯供电，下列说法正确的是（）A．路灯的塑料和铝合金灯柱都属于有机合成材料B．夜晚蓄电池给路灯供电时将光能转化为电能C．白天给蓄电池充电时将化学能转化为电能D．路灯的灯柱用合金材料制成是因为合金比纯金属具有更好的性能3．小科自制了一个“电池秋千”，如图所示，他用铜线圈做一个秋千，线圈下方放一块永久磁铁，线圈通电后，轻推线圈，线圈就能不停地摆动。下列有关叙述正确的是（）A．该电池秋千的工作原理和电动机类似B．电池秋千摆动过程中机械能转化为电能C．电池秋千摆动到最低点时动能为零D．改变磁体的两极可以使电池秋千摆动得更快4．汽车已经成为现代生活中不可缺少的一部分，现代家庭用汽车多数采用汽油机作为发动机，如图是四冲程汽油机的一个冲程，下列对汽油机和该冲程判断正确的是（）A．该冲程汽油机气缸内只有空气B．该冲程活塞运动是靠飞轮的惯性来完成的C．若该四冲程汽油机机飞轮转速为1800r/min，它1s完成了15个冲程，做了15次功D．该冲程为压缩冲程，内能转化为机械能5．2022年11月13日，“洞察”号火星探测器的太阳能板因积灰过多而被关闭。太阳能板的作用是将太阳能转化为（）A．电能 B．内能 C．动能 D．势能6．如图所示的四种家用电器中，主要利用电流热效应工作的是（）A．吸尘器B．电饭煲C．电风扇D．洗衣机7．现在开发的智能公路可以利用路面上的光伏发电板给行驶的车辆充电，该过程中发生的能量转换是（）A．电能→机械能→光能 B．光能→机械能→电能C．光能→电能→机械能 D．机械能→电能→光能8．下列现象中，利用了自然界的机械能直接发电的是（）A．北方沼气池发电 B．三峡水电站水力发电C．新疆地热发电 D．硅光电池板发电9．继高铁之后，华龙一号核电装置成为了我国的另一“国之重器”，目前已经和多个国家签订了核能发电项目。如图是核电站工作流程图，关于流程中各装置的能量转换，正确的是（

）A．核反应堆：核能转化为内能 B．蒸汽轮机：化学能转化为机械能C．发电机：电能转化为机械能 D．电风扇：电能转化为化学能10．温州市文成县珊溪水利工程发电厂的总装机容量达20万千瓦，年发电量约3.55亿千瓦时，这些能量来自大坝拦截的水所具有的（

）A．电能 B．内能 C．化学能 D．机械能11．如右图，小球在A点由静止释放后向右侧摆动，B点是小球摆动的最低点，C点是小球摆到右侧的最高点，且A、C两点到B点的竖直距离hA>hC，下列说法中不正确的是（）A．B点时，小球受力不平衡B．A到B的过程中，重力对小球做功，拉力没有做功C．小球的动能和重力势能可以相互转化D．在A到C的过程中，有部分机械能转化为化学能12．如图所示，在光滑的水平面上，一轻质弹簧左端固定，右端连接一个金属小球，O是弹簧保持原长时小球的位置。开始时通过小球压缩弹簧到A位置（已知AO=BO），释放小球，研究小球在水平方向上的受力和运动情况，则（）A．小球从A运动到O的过程中所受弹力方向向右，速度先增大后减小B．小球从O运动到B的过程中所受弹力方向向左，速度不断减小C．小球运动到B点时将停止运动并保持静止D．小球在运动过程中所受弹力的方向保持不变13．如图所示，运动员在进行蹦床比赛。运动员离开蹦床竖直向上运动到一定高度又落在蹦床上，直至最低点的过程中，不计空气阻力和碰撞时的能量损失，下列说法正确的是（）A．运动员弹离蹦床以后，蹦床对运动员做了功B．到达最高点时运动员的速度为零，受力平衡C．运动员从最高点下落到最低点过程中，其机械能守恒D．下落过程中，运动员的重力做功先变快后变慢14．核酸检测采样时使用的“采样拭子”，其顶端是如图所示的植绒拭子，安全、无毒。有一种植绒方式是：植绒机产生数万伏的高压静电，通过电子转移让喷头中的绒毛带上负电荷，然后在被植绒物体表面喷涂上胶粘剂，移动喷头靠近被植绒物体，绒毛在高压静电作用下从喷头中飞升到被植绒物体表面，呈垂直状植在涂有胶粘剂的物体表面。上述植绒过程中蕴含了许多科学知识，下列描述不合理的是（）A．喷头中的绒毛带上负电荷，是由于绒毛得到了电子B．以移动的喷头为参照物，被植绒物体是运动的C．绒毛能在高压静电作用下运动，是由于能量可以创生D．绒毛从喷头中飞升到被植绒物体表面，是由于力能改变物体的运动状态15．下列有关课本中各图内容的分析正确的是（）A．甲图：使用杠杆既能省力，又能省功B．乙图：这种“永动机”不可能实现，因为它必须遵守能的转化与守恒定律C．丙图：核电站反应堆里进行的是核裂变，现在人类可以和平利用核聚变的能量D．丁图：研究电热与电阻的关系，只需要控制通电电流相等二、填空题16．马丁喷气背包是“世上操作最简单的飞行器”，它很好驾驭，你只要系好安全带，旋转操作杆，它就会带你离开地面，如图所示。（1）飞行背包发动燃料为汽油，则汽油燃烧时将能转化为内能；（2）喷气飞行背包向下快速喷气，使人腾空而起，说明物体间；（3）要使“火箭人”悬停在空中，背包喷出气体的方向应该是。17．我们学习了能的转化和守恒定律后，用学过的知识回答下列问题。（1）当杂技演员沿竹竿下滑时，演员的重力势能有一部分转化为手和竹竿的内能，使竹竿和手的温度升高。但是，相反的过程也不会自发地发生，即手和竹竿不可能自发地降低温度，而使人的位置升高，这个现象表明，能量的转移和转化有一定的。（2）如图所示A物体上升，B物体下降，这过程能量发生了（填“转移”或“转化”）。18．如图是东海塘风力发电的外景，风力发电是将风能转化为能，且风能是清洁的（选填“可再生”或“不可再生”）能源。

三、探究题19．如图是中国自主设计的“人造太阳”实验装置——东方超环，它在1亿度超高温度下运行了近10秒；（1）核能的释放有重核裂变和轻核聚变两种途径，“人造太阳”的反应原理与太阳相似，通过的途径释放出巨大能量，从而获得高温；（2）人造太阳加热功率超过瓦，若利用人造太阳发电，发电效率为60%，则每小时发电量达J。20．能量转化和守恒定律是许多科学家经过长期探索才建立起来的，是科学史上重大发现之一。材料一：十七至十八世纪，多位科学家对能量的量度提出了不同的观点。1644年，笛卡尔用物体的质量（单位kg）和其速度（单位m/s）的乘积来表示“能量”1686年，莱布尼兹用物体的质量和其速度平方的乘积来表示“能量”；1743年，达朗贝尔用“活力”（即物体受力作用通过一定距离）来表示“能量”。材料二：温度计的不断改进给热与功研究的精确化提供了必要条件。材料三：焦耳通过400多次的实验，为能量守恒定律的确立奠定了定量的实验基础。（1）材料一中，笛卡尔所表示的“能量”的单位是。（2）如图所示是焦耳实验的装置，通过重物的上下运动，带动叶片转动，这个过程中（填能的一种形式）转化为水的内能。（3）结合材料分析，以下观点正确的是。A．伟大科学家的观点都是正确的B．测量工具的发展有助于科学理论的研究C．对科学的认识是一个不断修正完善的过程四、简答题21．在科学发展不同时期，人们对“热”有不同的认识。材料一：18世纪末，普利斯特利在实验的基础上提出“热质说”，认为热是一种称为“热质”的物质，是一种无质量的气体。自然界热质的总量不变，不会产生也不会消失，热质会由高温物体流到低温物体。材料二：19世纪中期，焦耳提出：自然界根本不存在热质，热只是一种能量的形式，其它形式的能量也可以转化为热能。如燃烧能产生热，导体通电也会产生热。材料三：焦耳利用如图装置进行实验，重物下降时通过定滑轮和转轴带动水中的叶轮转动，使容器中水的热能增大，温度升高，并计算出水增加的热能约等于重物做的功。改用水银、油重复实验，最终确认热与其它能量之间的转换关系。（1）焦耳实验中水温升高t1℃，将水改为等质量的油，重复相同实验，油温升高t2℃，则与的大小关系是；（2）焦耳的实验中存在多处摩擦，其中一处的摩擦力增大可提高实验精确度，该摩擦力为；（3）下列事实可作为否定“热质说”证据的是。A．导体通电会产生热B．木炭燃烧放出大量的热C．铁片放在火焰上灼烧，温度上升D．热水在室温下热量会逐渐散失温度降低22．“铀（元素符号为U）”是存在于自然界中的一种稀有化学元素，最常见的两种同位素为U—235和U—238，其中U—235具有放射性，根据国际原子能机构的定义，丰度为3%的U—235为核电站发电用低浓缩铀，U—235丰度大于80%的铀为高浓缩铀，其中丰度大于90%的称为武器级高浓缩铀，主要用于制造核武器。铀矿中U—235含量极低，只占0.64%，绝大部分是U—238，占了99.2%。目前从铀矿中提取U—235的主要方法是“气体扩散法”，即让这两种原子处于气体状态，利用U—235原子和U—238原子运动速度略有不同而逐渐分离。分离次数越多，U—235的浓度就越大。受2011年发生的大地震及海啸影响，日本福岛第一核电站1至3号机组堆芯熔毁。截至目前，已储存了125万吨核污水。丧心病狂的日本政府，不顾国内外反对声浪，在其它手段没有用尽的前提下，坚持决定在2023年夏开启“核废水排海”计划。请根据以上信息分析：（1）U—235和U—238在原子结构上的主要区别是。（2）用气体扩散法分离U—235和U—238的方法，属于（选填“物理变化”、“化学变化”、“原子核裂变”）。在气体状态时，U—235的运动速度U—238（选填“大于”、“等于”或“小于”）。你判断的依据是。（3）如图是核电站的工作原理图，在机组反应堆芯中的锆合金Zr能与水蒸气反应，产生ZrO2和一种可燃性气体，其反应方程式为：。核电站在发电的过程中，能量的转化过程为A．核能→机械能→内能→电能

B．核能→内能→机械能→电能C．核能→电能→内能→机械能

D．核能→电能→机械能→内能（4）福岛核电站的废水中含有大量的放射性碘－131和铯－137，一旦排放后，在海洋环境中，放射性物质会通过最终进入人体，在人体内富集，并对人体基因造成损害。这种类型的伤害遗传给下一代（选填“会”或“不会”）。参考答案1．B【解析】A．在能量的转化和转移的过程中，有能量的散失，所以燃料的化学能不可能全部转化为火箭的机械能，故A错误；B．飞船与空间站组合体对接完成后，飞船相对于空间站的位置没有改变，所以以空间站为参照物，飞船相对静止，故B正确；C．货物从地面带到“天宫”后，所含物质的多少并没有改变，所以其质量不变；物体由于地球的吸引而受到的力叫重力，货物在太空中处于失重状态，重力为零，因此货物重力发生变化，故C错误；D．空间站绕地球运动过程中，运动的方向不断变化，运动状态不断变化，故D错误。故选B。2．D【解析】A、塑料灯罩属于有机合成材料，而铝合金属于金属材料，不属于有机合成材料，错误；B、在夜晚时蓄电池给路灯供电照明，该过程中化学能转化为电能，错误；C、白天给蓄电池充电，该过程中太阳能电池板将太阳能转化电能，蓄电池将电能转化为化学能储存起来．错误；D、路灯的灯柱用合金材料制成是因为合金比纯金属具有更好的性能，如合金硬度大，耐腐蚀，正确。故选D。3．A【解析】A．由题图可知，该电池秋千的工作原理是通电线圈在磁场中受力转动，与电动机的工作原理相同，故A正确；B．电池秋千摆动过程中消耗了电能，得到了机械能，所以是将电能转化为机械能，故B错误；C．电池秋千摆动到最低点时，受到的磁场力最大，速度最大，动能最大，故C错误；D．改变磁体的两极无法改变磁场力的大小，故D错误。故选A。4．B【解析】AD．汽油机进气门和排气门关闭，活塞向上运动，所以是压缩冲程，将活塞的机械能转化为气缸内气体的内能，由于汽油机吸入空气与汽油的混合物，所以气缸内是空气与汽油的混合物，故AD错误；B．汽油机工作时做功冲程是靠高压燃气推动活塞做功完成的，其它三个冲程是靠飞轮的惯性来完成的，所以该活塞运动是靠飞轮的惯性来完成的，故B正确；C．飞轮转速为1800r/min，即30r/s，由于飞轮转2r，活塞做1次功，完成4个冲程，则1s完成了60个冲程，做了15次功，故C错误。故选B。5．A【解析】太阳能电池板吸收太阳能，将太阳能转化成电能，供火星探测器上的电器使用，故A符合题意，BCD不符合题意。故选A。6．B【解析】A．吸尘器是利用电动机带动它转动，把电能转化为机械能，利用磁场对电流有力的作用，故A不符合题意；B．电饭煲是把电能转化为热能的，利用了电流的热效应，故B符合题意；C．电风扇是利用电动机带动它转动，把电能转化为机械能，利用了利用磁场对电流有力的作用，故C不符合题意；D．洗衣机是利用电动机来带动它工作，因此它是利用磁场对电流有力的作用，故D不符合题意。故选B。7．C【解析】太阳能板，在光照时发电，即把太阳能转化为电能；汽车利用电能，将电能转化为机械能，故该过程中发生的能量转换是光能→电能→机械能，故C符合题意，ABD不符合题意。故选C。8．B【解析】A．北方沼气池发电是利用沼气的化学能先转化为内能，再把内能转化为电能，故A不符合题意；B．三峡水电站水力发电是将水的机械能转化为电能，故B符合题意；C．新疆地热发电是利用地热能来发电的，故C不符合题意；D．硅光电池板发电是利用太阳能来发电的，故D不符合题意。故选B。9．A【解析】A．核电站在发电过程中，核能先转化为水的内能，使水的温度升高，故A正确；B．水受热以后温度升高，会产生大量的水蒸气，水蒸气会推动蒸汽轮机转动，将内能转化为机械能，故B错误；C．蒸汽轮机带动发电机转动，发电机将机械能转化为电能，故C错误；D．电风扇工作时，消耗电能使风扇转动，主要是将电能转化为机械能，还有一小部分转化成内能，故D错误。故选A。10．D【解析】水电站是通过水的机械能转化为电能，因此这些能量来自大坝拦截的水所具有的机械能，故D符合题意，ABC不符合题意。故选D。11．D【解析】A．B点时，小球会继续向右运动，小球的运动方向和速度不断变化，不是平衡状态，受到的力不是平衡力，故A正确，不符合题意；B．A到B的过程中，重力的方向竖直向下，小球向下运动一段距离，重力对小球做功，小球在摆动过程中，拉力与小球的运动方向始终是垂直的，所以绳子的拉力对小球不做功，故B正确，不符合题意；C．小球从A到B的过程中，质量不变，速度变大，动能变大，同时高度降低，重力势能变小，大部分重力势能转化为动能；从B到C的过程中，质量不变，速度变小，同时高度升高，大部分动能转化为重力势能，故C正确，不符合题意；D．小球在摆动过程中，A、C两点到B点的竖直距离hA>hC（且这两点小球的速度均为0），说明小球在A点的机械能要大于C点的机械能，即该过程中有机械能的损耗，存在空气阻力，由于与空气有摩擦，摆动过程中部分机械能转化为内能，故D错误，符合题意。故选D。12．B【解析】A．小球从A运动到O的过程中，弹簧恢复原状，将弹性势能转化为动能，此时小球所受弹力方向向右、速度不断增大，故A不符合题意；B．小球从O运动到B的过程中，弹簧被拉开，球的动能转化为弹簧的弹性势能，此时小球所受弹力方向向左、速度不断减小，故B符合题意；C．小球运动到B点时，由于动能转化为弹性势能，直到速度为零，因此会停止运动，但是由于弹簧恢复原状所以不会保持静止，故C不符合题意；D．小球在运动过程中所受弹力的方向先向右后向左，是变化的，故D不符合题意。故选B。13．D【解析】A．运动员在上升过程中，没有受到蹦床的力，蹦床对运动员没有做功，故A错误；B．运动员在最高点的速度为零，但是运动员还受到重力作用，受力不平衡，故B错误；C．蹦床运动员从最高点到最低点，重力势能转化为蹦床的弹性势能，运动员的机械能不守恒，故C错误；D．运动员下落过程中，与蹦床接触前，运动员受到的重力不变，运动员的速度越来越大，根据所以重力做功越来越快，与蹦床接触后，运动员的速度越来越小，所以重力做功也越来越慢，故运动员做功时先快后慢，故D正确。故选D。14．C【解析】A．当物体带上多余的电荷，对外显负电，所以绒毛带上负电荷是得到了电子，故A正确，不符合题意；B．喷头在移动时，靠近被植绒物体，即被植绒物体相对喷头有位置变化，是运动的，故B正确，不符合题意；C．绒毛在高压静电作用下从喷头飞升到被植绒物体的过程是，电能转化为机械能的过程。据能量守恒定律，能量只能从一个物体转移到另一个物体，或由一种形式转化为另一种形式，不能凭空消失，也不能凭空产生，故C错误，符合题意；D．绒毛能从喷头中飞升到被植绒物体表面，是由于绒毛受到力的作用，而这个力的作用，让绒毛改变了运动状态，故D正确，不符合题意。故选C。15．B【解析】A.甲图中杠杆的动力臂大于阻力臂，所以使用时能够省力，但是省力就会费距离，不会省功，故A错误。B.设想的永动机不可能实现，因为它违反了能量守恒定律，故B正确。C.核电站是利用可控的链式反应工作的，这是利用核裂变，现在人类无法可控的使用核聚变，故C错误。D.根据焦耳定律，，所以研究电热与电阻的关系时，需要控制电流和时间相同，故D错误。故选B。16．化学力的作用是相互的竖直向下【解析】（1）[1]飞行背包发动燃料为汽油，则汽油燃烧时消耗化学能，产生内能，将化学能转化为内能。（2）[2]发动机将燃烧后的气体通过喷气孔向下喷出，使人获得向上的飞行动力，这是利用物体间力的作用是相互的原理。（3）[3]要使“火箭人”悬停在空中，则“火箭人”受重力与向上的推力，并且二力是一对平衡力，要得到向上的推力，由力的作用相互性可知背包喷出气体的方向应该是竖直向下。17．方向性转移【解析】（1）[1]当杂技演员沿竹竿下滑时，演员的重力势能有一部分转化为手和竹竿的内能，使竹竿和手的温度升高。但是能量的转移和转化具有方向性，所以生的内能不可能再直接转化为机械能。（2）[2]如图所示A物体上升，B物体下降，A重力势能增加，B重力势能减少，这过程能量发生了转移。18．电可再生【解析】[1]风力发电是将风能转化为电能。[2]风能是由于大气温度不同引起的气压不同形成的，可以在短时间内得到补充，因此属于清洁的可再生能源。19．核聚变【解析】（1）[1]太阳内部进行着核聚变，由氢原子核聚变成氦原子核，释放出核能，“人造太阳”的反应原理与太阳相似，通过核聚变的途径释放出巨大能量，从而获得高温。（2）[2]人造太阳加热功率超过1×1012W，若利用人造太阳发电，发电效率为60%，则每小时发电量为20．kg·m/s机械能BC【解析】（1）[1]笛卡尔用物体的质量（单位kg）和其速度（单位m/s）的乘积来表示“能量”，所以“能量”的单位是kg·m/s。（2）[2]焦耳实验的装置中，重物的上下运动，重物具