能量的转化与守恒+知识清单 高二下学期物理鲁科版（2019）选择性必修第三册

《能量的转化与守恒》知识清单一、能量转化与守恒定律的发现背景1、**早期对能量的认识**-在古代，人们就已经开始对能量有了一些模糊的认识。比如，钻木取火就是人们利用机械能转化为热能的一个例子。人们通过不断地转动木棒（这就是机械能），使木头之间摩擦生热（转化成了热能），最终产生火焰。那时候的人们虽然不知道什么是能量转化，但是已经在不自觉地运用这种原理啦。-在工业革命之前，像风车利用风能转动，水车利用水能推动石磨等，都是能量利用的简单形式。不过，当时人们还没有形成系统的能量概念，只是知道这些东西能干活，能带来一些有用的效果。2、**科学家们的探索历程**-焦耳是一个很重要的人物。他做了好多有趣的实验来研究热和功的关系。比如说，他通过重物下落带动叶片搅拌容器里的水，发现重物的机械能（就是因为它有高度和重量，有做功的能力）在这个过程中转化成了水的热能，而且他还精确地测量出了一定量的机械能可以转化成多少热能。他的这个发现就像在黑暗中点亮了一盏灯，让人们开始逐渐明白能量之间是可以相互转化的。-迈尔也对能量转化与守恒定律有很大的贡献。他是一个医生，在一次航海旅行中，他发现船员的静脉血比在欧洲时要红。他就开始思考这是为什么呢？后来他意识到这可能和人体在热带地区新陈代谢变慢有关，而新陈代谢其实就涉及到能量的转化。他提出了能量守恒的初步想法，不过他的理论在当时受到了很多人的质疑，因为他的表述不是很严谨，但是他的想法为后来能量守恒定律的建立奠定了基础。二、能量转化与守恒定律的内容1、**能量的多种形式**-机械能：这是我们比较熟悉的一种能量形式。比如说一个正在滚动的球，它具有动能，因为它在运动。而一个放在桌子上的球，它相对地面有一定的高度，就具有重力势能。如果把这个球用弹簧压缩起来，它就具有弹性势能。这三种能量都属于机械能的范畴。-热能：也就是我们平常说的热量。当我们烧水的时候，燃料燃烧把化学能转化成热能，使水的温度升高。我们能感受到水变热了，就是因为热能在增加。-电能：我们家里的电器都离不开电能。像电灯，电能转化成光能，让我们能够看清周围的环境；而电热水器则是把电能转化成热能，用来加热水。-化学能：我们吃的食物里面就含有化学能。当我们把食物吃进肚子里，经过一系列的化学反应，化学能就会转化成我们身体需要的能量，比如维持我们的体温（热能），让我们能够走路、跑步（机械能）等。-光能：太阳光是光能的一个巨大来源。植物通过光合作用，把光能转化成化学能储存起来。太阳能电池板也是把光能转化成电能的一个例子。-核能：这是一种非常强大的能量形式。核电站就是利用核反应堆中原子核的裂变反应，将核能转化为热能，再进一步转化为电能。不过，核能如果使用不当也会带来很大的危险，就像切尔诺贝利核事故，那是一场非常严重的灾难，大量的放射性物质泄漏，对环境和人类健康造成了巨大的危害。2、**能量转化**-在生活中，能量转化的例子无处不在。就拿汽车来说吧，汽车发动机里燃烧汽油，汽油中的化学能转化成热能，然后热能再转化成机械能，使汽车能够行驶。汽车的刹车系统则是把机械能转化成热能，当我们踩下刹车踏板的时候，刹车片和刹车盘之间剧烈摩擦，汽车的动能（机械能的一种）就转化成了热能，让汽车停下来。-我们的手机也是一个能量转化的小天地。当我们给手机充电的时候，电能转化成化学能储存在手机电池里。当我们使用手机的时候，电池里的化学能又转化成电能，电能再进一步转化成光能（屏幕发光）、热能（手机使用时会发热）和机械能（手机震动）等。3、**能量守恒定律**-这个定律简单来说就是能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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，能量的总量保持不变。就像我们之前说的焦耳的实验，重物下落的机械能转化成水的热能，在这个过程中，总的能量是不变的。-假设我们有一个封闭的系统，比如说一个绝热的盒子里面装着一些小球。如果我们给这些小球一个初始的机械能，让它们在盒子里碰撞、滚动。在这个过程中，小球的动能可能会转化成势能，或者因为碰撞产生热能（小球之间以及小球和盒子壁之间的摩擦），但是不管怎么转化，这个系统里面的总能量始终是保持不变的。三、能量转化与守恒定律的应用1、**工程技术方面**-在发电站中，不管是火力发电站、水力发电站还是风力发电站，都离不开能量转化与守恒定律。火力发电站中，燃料燃烧把化学能转化成热能，热能再转化成机械能推动发电机发电（机械能转化成电能）。水力发电站是利用水的机械能（水的动能和重力势能）转化成电能。风力发电站则是把风能转化成电能。工程师们在设计这些发电站的时候，就要精确地计算能量的转化效率，尽量减少能量在转化过程中的损失，提高发电效率。-在机械制造方面，比如汽车发动机的设计，工程师们要考虑如何让燃料的化学能尽可能高效地转化成机械能。他们通过改进发动机的结构、燃烧方式等，来提高能量转化效率，这样汽车就能更省油，同时也能减少对环境的污染。2、**日常生活中的应用**-我们家里的节能电器就是根据能量转化与守恒定律设计的。节能冰箱通过优化制冷系统，减少电能转化成热能的损耗，从而达到节能的目的。节能空调也是一样，它采用更先进的压缩机技术和散热技术，提高能量转化效率，让我们在使用空调的时候既能享受凉爽或者温暖，又能节省电费。-我们在运动的时候也和能量转化与守恒定律有关。当我们跑步的时候，我们身体里的化学能转化成机械能，让我们能够向前移动。如果我们想要提高跑步的效率，我们可以通过合理的饮食来补充身体的化学能（吃富含能量的食物），同时通过科学的训练来提高身体把化学能转化成机械能的效率，这样我们就能跑得更快、更远。3、**在环境保护中的意义**-现在全球都在关注气候变化，能量转化与守恒定律在这个方面也有着重要的意义。传统的化石燃料燃烧会释放大量的热能和二氧化碳等温室气体。根据能量转化与守恒定律，我们知道这些燃料中的化学能转化成热能的同时，也带来了环境问题。所以我们要寻找更清洁的能源，比如太阳能、风能、水能等可再生能源，这些能源在转化过程中对环境的影响比较小。-在资源回收利用方面，能量转化与守恒定律也起到了指导作用。比如说，回收废旧金属需要消耗一定的能量，但是这个能量比从矿石中提炼金属所需要的能量要少得多。这是因为废旧金属已经是经过加工的材料，它的内能等能量状态已经发生了变化，通过合理的回收工艺，我们可以利用能量转化的原理，用较少的能量把废旧金属重新加工成可用的材料，从而节约资源和能源。四、能量转化与守恒定律的实验验证1、**简单的机械能守恒实验**-我们可以做一个简单的实验来验证机械能守恒。找一个光滑的斜面（如果没有完全光滑的，尽量找摩擦比较小的斜面），在斜面上放一个小球。让小球从斜面的顶端静止开始下滑。我们可以测量小球在斜面顶端的重力势能（根据公式重力势能等于质量乘以重力加速度乘以高度，即mgh，其中m是小球的质量，g是重力加速度，h是小球的高度），当小球下滑到斜面底部的时候，它的重力势能全部转化成了动能（根据公式动能等于二分之一质量乘以速度的平方，即1/2mv²）。我们可以通过测量小球下滑到底部的速度（可以用光电门等仪器测量），来验证重力势能的减少量是否等于动能的增加量，从而验证机械能守恒。-在这个实验中，可能会存在一些误差。比如斜面并不是完全光滑的，小球在下滑过程中会有一些摩擦力，这就会导致一部分机械能转化成热能，使得动能的增加量略小于重力势能的减少量。所以在做实验的时候，我们要尽可能减小这些误差的影响。2、**焦耳热功当量实验的改进版**-我们可以用现代的仪器来改进焦耳的热功当量实验。用一个电动机带动搅拌器搅拌容器里的液体（可以是水或者油等）。电动机消耗电能，电能转化成机械能，机械能再转化成液体的热能。我们可以精确地测量电动机消耗的电能（用电压表和电流表测量电压和电流，再根据公式电能等于电压乘以电流乘以时间，即W=UIt），同时用温度计测量液体温度的升高量，根据液体的比热容（不同的液体有不同的比热容）计算出液体吸收的热能。通过比较电能和热能的数值，来验证能量转化与守恒定律。-在这个实验中，也要注意一些问题。比如容器的绝热性能要好，尽量减少热量散失到周围环境中。同时，搅拌器的效率也要考虑进去，因为搅拌器在搅拌过程中自身也会消耗一部分机械能，这部分机械能并没有完全转化成液体的热能。五、能量转化与守恒定律的拓展1、**与相对论的联系**-在相对论中，能量和质量是等价的，这就是著名的质能方程E=mc²（其中E是能量，m是质量，c是光速）。这个方程表明质量可以转化成能量，能量也可以转化成质量。这其实是能量转化与守恒定律在相对论框架下的一种拓展。例如在核反应中，原子核的质量亏损会转化成巨大的能量释放。这种能量的释放是符合能量转化与守恒定律的，只不过在相对论的情况下，质量和能量之间的界限变得模糊了。-当我们研究高能物理现象的时候，比如粒子加速器中的粒子碰撞，会产生新的粒子，这些新粒子的产生伴随着能量和质量的转化。科学家们在分析这些现象的时候，既要考虑能量转化与守恒定律，也要考虑质能方程，这样才能全面地理解这些高能物理过程。2、**在微观世界中的表现**-在微观世界中，能量转化与守恒定律同样适用。例如在原子的能级跃迁过程中，电子从一个高能级跃迁到低能级时，会释放出光子，这个过程中原子的内能（一种能量形式）减少，转化成了光子的能量（光能）。相反，当电子吸收光子从低能级跃迁到高能级时，光子的能量转化成了原子的内能。这种微观的能量转化过程是非常精确地遵循能量转化与守恒定律的。-量子力学中的不确定性原理也和能量转化与守恒定律有一定的联系。虽然在微观世界中，粒子的能量和时间存在不确定性关系，但是在一定的时间平均意义下，能量转化与守恒定律仍然是成立的。这就像在微观的舞台上，虽然演员（粒子）的表演有些模糊不清（不确定性），但是整个剧目的能量收支（能量转化与守恒）在宏观上还是平衡的。六、典型问题1、**能量转化效率的计算问题**-例如，一个火力发电站，燃烧100千克的煤（假设煤的热值为30000千焦/千克），产生的热能有60%转化成电能。问能产生多少电能？-首先计算煤燃烧产生的总热能：根据公式热能等于质量乘以热值，即总热能为100千克乘以30000千焦/千克=3000000千焦。然后因为能量转化效率为60%，所以转化成电能的能量为3000000千焦乘以60%=1800000千焦。2、**分析复杂系统中的能量转化过程**-以一辆混合动力汽车为例，汽车在行驶过程中，发动机燃烧汽油提供机械能，同时电池也可以提供电能来驱动汽车。当汽车刹车时，机械能可以回收转化成电能储存到电池中。请分析汽车在加速、匀速行驶和刹车这三个过程中的能量转化过程。-加速过程：汽油燃烧，化学能转化成热能，热能再转化成机械能，电池中的电能也可以转化成机械能，共同使汽车加速。-匀速行驶过程：发动机燃烧汽油产生的能量主要用来克服汽车受到的阻力（如空气阻力、摩擦力等），化学能转化成热能再转化成机械能。电池可能会根据需要补充少量的电能转化成机械能。-刹车过程：汽车的机械能（主要是动能）通过刹车系统转化成热能，同时一部分机械能可以通过回收装置转化成电能储存到电池中。3、**能量转化与守恒定律在新能源开发中的应用问题**-在开发太阳能光伏发电时，如何提高太阳能到电能的转化效率？从能量转化与守恒定律的角度进行分析。-从能量转化与守恒定律来看，我们要减少在能量转化过程中的其他能量损耗。比如提高太阳能电池板的材料性能，减少光能转化成电能过程中的热能损耗（因为如果有部分光能转化成了热能，那么转化成电能的能量就会减少）。同时，优化电池板的结构和电路设计，减少电能在传输和转换过程中的损耗，这样就能提高太阳能到电能的转化效率。一、单选题1、下列关于能量转化的说法中，正确的是（）-A.电动机工作时，机械能转化为电能-B.汽车加速行驶时，机械能转化为内能-C.摩擦生热时，内能转化为机械能-D.跳伞运动员在空中匀速下落时，重力势能转化为内能答案：D解析：电动机工作时是电能转化为机械能，A错误；汽车加速行驶时，燃料燃烧化学能转化为机械能，B错误；摩擦生热是机械能转化为内能，C错误；跳伞运动员在空中匀速下落时，重力势能减小，因为克服空气阻力做功，机械能转化为内能，D正确。2、关于能量转化与守恒定律，下列说法正确的是（）-A.能量转化与守恒定律只适用于机械能与内能的相互转化-B.能量转化与守恒定律只适用于能量的转化过程-C.“摩擦生热”是创造了热，不符合能量转化与守恒定律-D.根据能量转化与守恒定律，宇宙中的能量总和不变答案：D解析：能量转化与守恒定律适用于各种形式的能量转化和转移，A、B错误；“摩擦生热”是机械能转化为内能，符合能量转化与守恒定律，C错误；根据能量转化与守恒定律，宇宙中的能量总和不变，D正确。二、多选题1、下列现象中，能量转化正确的是（）-A.钻木取火——机械能转化为内能-B.水电站里水轮机带动发电机发电——机械能转化为电能-C.给蓄电池充电——化学能转化为电能-D.植物吸收太阳光进行光合作用——光能转化为化学能答案：ABD解析：给蓄电池充电是电能转化为化学能，C错误；钻木取火是通过做功将机械能转化为内能，A正确；水电站里水轮机带动发电机发电是机械能转化为电能，B正确；植物吸收太阳光进行光合作用是光能转化为化学能，D正确。2、在一个封闭的系统中，发生了一系列的能量转化过程。以下关于这个系统能量转化的说法正确的是（）-A.如果系统中只有机械能和内能的转化，那么机械能的减少