4.1 能量 能量守恒定律 知识清单-2024-2025学年高二上学期物理教科版（2019）必修第三册

《1. 能量 能量守恒定律》知识清单 一、能量的概念 1、 **什么是能量** - 能量是一个很神奇的东西，就像生活中的货币一样，可以用来“购买”各种物理过程的发生。比如说，你想要把一个物体举高，就得消耗能量。我们平常说的“有力气”，其实就是身体具有能量的一种表现。能量的形式多种多样，有机械能（包括动能和势能）、内能、电能、化学能、核能等等。 - 举个例子，你早上起床，把手机从桌子上拿起来。你手臂用力，这个力对手机做功，手机的高度增加，它的重力势能就增加了。这时候，你身体里的化学能（来源于你吃的食物）就转化成了手机的重力势能。就好像你把自己身体里的“能量货币”花出去一部分，让手机有了更高的能量“价值”。 2、 **不同形式能量的特点** - **机械能** - **动能**：和物体的运动有关。一个物体运动得越快，质量越大，它的动能就越大。比如说，一辆大卡车在高速路上行驶，它的动能就很大。要是它突然刹车，因为动能大，就很难一下子停下来。就像我有一次在公路上看到一辆超速的摩托车，它开得飞快，当它想要避开前面的一个小石子的时候，虽然刹车了，但是因为动能大，还是滑行了一段距离才停下来，差点就摔倒了。 - **势能**：又分为重力势能和弹性势能。重力势能和物体的高度和质量有关，高度越高、质量越大，重力势能就越大。弹性势能和物体的弹性形变程度有关，比如拉弓射箭，把弓拉得越开，弓的弹性势能就越大，射出去的箭就飞得越远。 - **内能**：是物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和。物体的温度越高，内能就越大。冬天的时候，我们会觉得冷，就是因为我们身体的内能在不断地向周围寒冷的空气传递。我有次在冬天的早晨出去跑步，刚开始的时候觉得身体很冷，跑了一会儿后就暖和起来了，这是因为跑步的时候身体的新陈代谢加快，化学能转化为内能，身体的内能增加了，所以就感觉暖和了。 - **电能**：和电荷的运动有关。我们家里的电器都需要电能才能工作。比如电灯，电能通过灯丝的时候，灯丝发热发光。就像晚上回到家，打开电灯开关，一瞬间房间就亮起来了，这就是电能转化成了光能和内能。 - **化学能**：存在于物质的化学键中。像我们平常使用的电池，就是利用化学物质之间的化学反应来提供电能，这就是化学能转化为电能。还有我们吃的食物，里面含有化学能，当我们消化食物的时候，化学能就被释放出来，为我们的身体活动提供能量。 - **核能**：是一种非常强大的能量，它是通过原子核的变化（裂变或者聚变）来释放能量的。原子弹就是利用核裂变释放出巨大的能量，而太阳内部则是通过核聚变释放能量，这些能量以光和热的形式向四周传播，为地球上的生命提供了能量来源。 二、能量守恒定律 1、 **定律内容** - 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。这就像是在一个封闭的“能量银行”里，钱（能量）的总数是不会变的，只是会从一个账户（一种能量形式或物体）转到另一个账户。 - 比如说，在一个简单的秋千系统中。当你把秋千拉到一定高度的时候，秋千就具有了一定的重力势能。然后你松开手，秋千开始下落，重力势能逐渐转化为动能。当秋千荡到最低点的时候，重力势能最小，动能最大。接着秋千又开始上升，动能又逐渐转化为重力势能。在整个过程中，能量在重力势能和动能之间不断地转化，但是总的能量（重力势能和动能的总和）是不变的。 2、 **实验验证** - **单摆实验** - 器材：一个单摆（由小球和细线组成）、支架。 - 步骤：把单摆悬挂在支架上，将小球拉到一定的高度然后释放。 - 现象：小球会在平衡位置两侧来回摆动。当小球在最高点时，速度为零，动能为零，重力势能最大；当小球荡到最低点时，高度最低，重力势能最小，动能最大。在整个摆动过程中，如果忽略空气阻力等因素的影响，小球的机械能（动能和重力势能之和）是守恒的。我曾经自己做过这个实验，用一个小珠子和一根细线做了一个简易的单摆。刚开始的时候，我总是控制不好释放的高度，有时候小珠子摆动几下就停了。后来我发现是因为我没有把支架固定好，有一些能量通过支架传递到了桌子上。当我把支架固定稳之后，小珠子就能很好地摆动很长时间，而且我能明显地看到小珠子在不同位置时动能和重力势能的相互转化。 - **摩擦生热实验** - 器材：一块木板、一个木块、砂纸。 - 步骤：把木块放在木板上，用砂纸在木块上摩擦。 - 现象：经过一段时间的摩擦后，我们会发现木块和砂纸都变热了。这是因为我们通过摩擦做功，把机械能转化为了内能。在这个过程中，能量并没有消失，只是从机械能的形式转化成了内能。我记得小时候玩火柴，用火柴盒的侧面在火柴头上快速地摩擦，火柴就会燃烧起来。这就是因为摩擦生热，使火柴头上的化学物质达到了着火点，这里面也涉及到了能量的转化，从机械能转化为内能再到化学能的转化，而总的能量是守恒的。 三、能量守恒定律的应用 1、 **在工程技术中的应用** - **汽车制动能量回收系统** - 原理：当汽车刹车的时候，汽车的动能会因为刹车装置的摩擦而转化为内能，这些内能通常会以热量的形式散发到周围环境中，造成能量的浪费。而制动能量回收系统则是利用特殊的装置，把汽车刹车时的动能转化为电能，然后存储在电池中。这样，这部分原本要浪费的能量就可以被重新利用。比如说，现在很多混合动力汽车就有这样的系统。当你开车在城市里频繁刹车和启动的时候，制动能量回收系统就会发挥作用。我有个朋友开的就是混合动力汽车，他说他能明显感觉到这个系统对汽车续航能力的提升。每次他在刹车之后再启动汽车，感觉汽车好像更有劲儿了，这就是因为回收的能量又被用来驱动汽车了。 - **水电站** - 原理：利用水的机械能转化为电能。水从高处流下，具有很大的重力势能，这些重力势能在水轮机中转化为动能，水轮机带动发电机转动，从而把动能转化为电能。在这个过程中，能量从水的重力势能转化为动能再转化为电能，整个过程遵循能量守恒定律。我曾经去参观过一个水电站，站在大坝上，看着巨大的水流从高处倾泻而下，冲击着水轮机，然后在电站的控制室内看到各种仪表显示着电能的产生，真的很震撼。那些巨大的发电机就像一个个能量转换的魔法盒，把水的能量转化为我们生活中可以使用的电能。 2、 **在日常生活中的体现** - **节能意识** - 我们日常生活中处处都能体现能量守恒定律，这也提醒我们要有节能意识。比如，我们使用空调的时候，如果把温度调得很低，空调就需要消耗更多的电能来制冷。这些电能最终转化为室内外的内能差，以及空调本身运行产生的内能（因为空调运行时也会发热）。如果我们能合理地设置空调温度，就可以减少电能的消耗。我家以前夏天的时候，我总是把空调温度调得很低，结果每个月的电费都很高。后来我了解了能量守恒定律，知道了空调制冷是需要消耗大量能量的，我就把温度适当调高了一些，发现电费明显减少了，而且室内的温度也还是很舒适的。 - **运动与能量** - 当我们进行运动的时候，身体里的化学能转化为机械能。比如跑步，我们的腿部肌肉消耗化学能来产生力量，使我们的身体向前运动，这个过程中化学能转化为动能。如果我们想要提高运动效率，就需要合理地利用能量。我参加过一次马拉松比赛，刚开始的时候，我没有掌握好节奏，跑得太快，结果没跑多远就感觉很累。后来我调整了速度，按照自己的体能合理分配能量，就能够坚持跑完全程了。这就像是在管理自己身体里的“能量银行”，要合理地支出能量，才能达到最好的效果。 四、能量转化的效率 1、 **什么是能量转化效率** - 能量转化效率就是在能量转化过程中，有效利用的能量与输入的总能量的比值。用公式表示就是：能量转化效率 = 有效利用的能量/输入的总能量×100%。比如说，一个灯泡，它输入的是电能，输出的是光能和内能（因为灯泡发热），但是我们想要的是光能，那么光能就是有效利用的能量。如果这个灯泡消耗了100焦耳的电能，其中有20焦耳转化为了光能，那么这个灯泡的能量转化效率就是20焦耳/100焦耳×100% = 20%。 2、 **提高能量转化效率的意义** - 在现代社会，提高能量转化效率非常重要。因为很多能源都是有限的，比如化石燃料。如果我们能够提高能量转化效率，就可以用更少的能源做更多的事情。在工业生产中，提高能量转化效率可以降低生产成本，减少能源消耗对环境的影响。例如，在火力发电厂，燃料燃烧产生的内能转化为电能的过程中，如果能够提高效率，就可以减少煤炭等燃料的使用量，从而减少二氧化碳等污染物的排放。我看过一个关于发电厂的纪录片，里面介绍说一些老式的发电厂能量转化效率很低，大量的热能都被浪费了，而现在新的技术不断发展，通过改进发电设备和工艺流程，能量转化效率得到了很大的提高，这对保护环境和节约能源都有着非常重要的意义。 五、常见问题 1、 **能量守恒定律是否适用于所有情况** - 能量守恒定律在宏观和微观世界都是适用的。无论是机械运动、热现象、电磁现象，还是原子核内部的反应，能量守恒定律都成立。不过在某些特殊情况下，比如在相对论的高速运动情况下，能量和质量之间存在着等价关系（根据爱因斯坦的质能方程E = mc²），但这并不违背能量守恒定律，只是把质量也看作是一种能量的形式。就像在核反应中，质量亏损转化为巨大的能量释放，总的能量（包括质量对应的能量）仍然是守恒的。 2、 **如何在日常生活中更好地利用能量守恒定律** - 首先要有节能意识，像前面提到的合理使用空调等电器。其次，要善于利用能量的转化。比如在太阳能热水器中，我们利用太阳能转化为内能来加热水，这是一种非常环保和高效的能量利用方式。还有，在运动中合理分配能量，提高能量的有效利用。例如在骑自行车的时候，我们可以根据路况合理地调整骑行的力度，避免不必要的能量浪费，让自己的身体能量更有效地转化为自行车的动能。 习题： 1、 一个物体从高处自由下落，它的重力势能不断减小，动能不断增大。在忽略空气阻力的情况下，这个物体在下落过程中机械能是否守恒？为什么？ 2、 一辆汽车以恒定的速度在水平公路上行驶，汽车的发动机不断地燃烧汽油提供能量。请分析汽车在行驶过程中的能量转化情况，并说明能量是否守恒。 3、 有一个电热水器，它的额定功率是1500瓦，把10千克的水从20℃加热到100℃，用时10分钟。已知水的比热容是4.2×10³焦耳/(千克·℃)。求这个电热水器的能量转化效率。 4、 请举例说明在你身边有哪些能量转化效率低的设备或现象，并提出改进的建议。 答案： 1、 在忽略空气阻力的情况下，这个物体下落过程中机械能守恒。因为根据能量守恒定律，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失。物体下落时，高度降低，重力势能减小，速度增大，动能增大。重力势能转化为动能，总的机械能（重力势能和动能之和）保持不变。 2、 汽车在行驶过程中，发动机燃烧汽油，汽油中的化学能转化为内能，内能再转化为机械能，使汽车能够在公路上行驶。同时，汽车行驶过程中会有一部分能量因为克服摩擦力等做功而转化为内能散发到周围环境中。整个过程能量是守恒的，因为化学能转化为机械能和散发的内能的总和是不变的，遵循能量守恒定律。 3、 首先计算水吸收的热量Q = cmΔt = 4.2×10³×10×(100 - 20)=3.36×10⁶焦耳。电热水器消耗的电能W = Pt =1500×10×60 = 9×10⁵焦耳。能量转化效率η = Q/W×100%=(3.36×10⁶)/(9×10⁵)×100%≈37.3%。 4、 例如老式的白炽灯泡，它的能量转化效率很低。它输入电能，但是大部分电能转化为内能，只有一小部分转化为光能。改进建议是使用节能的LED灯泡，LED灯泡的能量转化效率高，能够将更多的电能转化为光能，从而节约能源。还有一些老式的取暖设备，如小太阳取暖器，主要是通过电阻丝发热来取暖，能量转化效率低。可以改进为使用热泵技术的取暖设备，通过搬运热量的方式来取暖，提高能量转化效率。 学科网（北京）股份有限公司 $$