第1节 能量的转化与守恒（培优教学课件）物理人教版2024九年级全一册

第十四章 内能的利用 九年级全一册•人教版 火能驱散寒冷和黑暗，带来温暖和光明。摩擦生火第一次使人支配了一种自然力量，而蒸汽机的发明则给人类带来了巨大的动力。 将内能转化为机械能的各种热机广泛使用在汽车、火车、轮船、飞机和火箭上。热机是怎样将内能转化成我们需要的能量的？学习完这一章，你就会清楚了。 第1节 能量的转化与守恒 第1节 能量的转化与守恒 通过前面的学习，我们已经发现可以通过做功将其他形式的能量转化为内能。生活中的风能、太阳能、电能、水能、化学能等，也可以相互转化吗? 风能和太阳能 导入新课 学习目标 物理观念 了解能量及其存在的多种形式；能列举各种能量之间的转化及同种能量之间的转移；理解能量守恒定律，有用能量守恒定律的观点分析物理现象的意识，体会能量守恒定律的普适性。 科学思维 能用能量转化与守恒的观点解释常见的自然现象。 科学探究 经历能量转化和转移的探究过程。 科学态度 与责任 通过问题的设置，培养学生分析、综合和归纳能力，培养探究精神和合作意识。 重点难点 教学重点 理解能量守恒定律。 教学难点 理解能量守恒定律。 学习内容 1. 能量的转化 2. 能量守恒定律 3. 课堂总结 4. 练习与应用 5. 提升训练 一、能量的转化和转移 第1节 能量的转化与守恒 一、能量的转化和转移 1. 自然界存在着各种不同形式的能量 （1）机械能 机械能包括动能、重力势能和弹性势能。 （2）内能 构成物体的所有分子，其热运动的动能与分子势能的总和，叫做物体的内能。一切物体都具有内能。 一、能量的转化和转移 （3）太阳能 太阳能是一种可再生能源。是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。 （4）化学能 化学能是一种很隐蔽的能量，它不能直接用来做功，只有在发生化学变化的时候才可以释放出来，变成内能或者其他形式的能量。 各种物质都储存化学能，如燃料、动物、食物都储存有化学能。 一、能量的转化和转移 （5）电能 电能是指使用电以各种形式做功的能力。 （4）核能 核能也叫原子能。原子核结构发生变化放出的能量。通常指重核（如钚、铀）裂变和轻核（氘、氚）聚变时所发出的巨大能量。 核电站 一、能量的转化和转移 2. 能量的转化 （1）探究能量的转化 【想想做做】完成下面一组小实验。观察实验发生的现象，讨论发生了哪些能量转化。 ①来回迅速摩擦双手。 ②黑塑料袋内盛水，插入温度计后系好袋口，放在阳光下。 ③将太阳电池连在小电扇上，并使它对着阳光。 ④将钢笔杆在头发或毛衣上摩擦后靠近细碎的纸片。 …… 一、能量的转化和转移 【现象与分析】 实验 现象 能量转化 ①来回迅速摩擦双手。 ②黑塑料袋内盛水，插入温度 计系好袋口，放在阳光下。 ③将太阳电池连在小电 扇上，并使它对着阳光。 ④将钢笔杆在头发或毛衣上 摩擦后靠近细碎的纸片。 双手发热 温度计的示数升高 小电扇会转动 吸管会发热，并同时吸引细碎的纸片 机械能→内能 太阳能→内能 太阳能→电能→机械能 机械能→电能→内能 一、能量的转化和转移 （2）能量的转化 自然界中的各种现象都是互相联系的。科学家们经过长期探索，发现能量转化是非常普遍的，在一定条件下，各种形式的能量是可以相互转化的。 一、能量的转化和转移 （3）能量转化的实例 ①机械能与内能的相互转化 “钻木取火”是________能转化为______能； 蒸汽机火车是_______能转化为________能。 钻木取火 蒸汽机火车 机械 内 机械 内 一、能量的转化和转移 ②电能与机械能的相互转化 水电站发电是________能转化为______能； 电车是_______能转化为________能。 机械 电 机械 电车 水电站 电 一、能量的转化和转移 ③电能与内能的相互转化 电水壶是________能转化为______能；地热发电站是_____能转化为_______能。 内 电 内 电 冰岛国辛格韦德利 ——地热发电站 一、能量的转化和转移 ④电能与光能的相互转化 白炽灯是________能转化为______能； 太阳能电池板是_______能转化为________能。 光 电 电 白炽灯 太阳能电池板 光 一、能量的转化和转移 ⑤内能与光能的相互转化 白炽灯把_______能转化成_______能，再把______能转化成______能。 太阳能热水器是_______能转化为________能。 光 电 内 白炽灯 太阳能热水器 光 内 内 一、能量的转化和转移 尝试一下，按图中给出的实例，你能做些补充吗？ 一、能量的转化和转移 蒸汽机 太阳能电池 发电机 充电机 燃料燃烧 太阳能热水器 吸热化学反应 燃料燃烧 火药爆炸 压缩气体 地热发电 物体发光 光合作用 电池 电动机 摩擦生热 一、能量的转化和转移 3. 能量的转移 能量可以从一个物体转移到其他物体，也可以从物体的一部分转移到其他部分。 例如，在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体或从物体的高温部分转移到低温部分，这些都属于能量的转移。 涨潮时海水涌入水坝冲击水轮机转动，属于机械能的转移。 一、能量的转化和转移 4. 正确理解能量的“转化”和“转移” （1）能量的转化：能的形式发生了改变。如：弯折铁丝时，铁丝的温度升高，内能增加，机械能转化成了内能。 在能量的转化过程中，一种形式的能量增加了，肯定有其他形式的能量减少了。 （2）能量的转移：能量的形式并没有变化。如：用锅烧水时内能从高温的火转移到低温的水和锅上。再如：流水推动水轮机转动，水的机械能转移到了水轮机上。 一、能量的转化和转移 视频欣赏——《能量及其转化》 一、能量的转化和转移 【例题1】关于图中四个事例的能量转化，下列说法中不正确的是（　　） A．甲图中原始人类“钻木取火”，把内能转化为机械能 B．乙图中水轮机带动发电机发电，把水能转化为电能 C．丙图中行驶的高速电动列车，把电能转化为机械能 D．丁图中楼顶的太阳能热水器，把太阳能转化为内能 A 一、能量的转化和转移 【解析】 A．“钻木取火”是克服摩擦做功，把机械能转化为内能，故A不正确，符合题意； B．根据能量转化特点可知，水轮机带动发电机发电，将水的机械能转化为电能，故B正确，不符合题意； C．根据能量转化特点可知，高速电动列车的电动机工作时，将电能转化为机械能，动车高速运动起来，故C正确，不符合题意； D．根据能量转化特点可知，太阳能热水器直接把太阳能转化为内能，故D 正确，不符合题意。 故选A. 一、能量的转化和转移 【例题2】下列实例中没有发生能量转化的是（　　） A． 太阳能电池发电 B． 泥石流冲垮房屋 C． 电风扇通电吹风 D． 雷击引发森林火灾 B 【解析】 A．太阳能电池发电是太阳能转化为电能，故A不符合题意； B．泥石流冲垮房屋主要是力对物体做功，属于机械能的转移，没有典型的能量转化，故B符合题意； C．电风扇通电吹风是电能转化为机械能，故C不符合题意； D．雷击引发森林火灾是电能转化为内能，故D不符合题意。 故选B. 二、能量守恒定律 第1节 能量的转化与守恒 二、能量守恒定律 1. 能量守恒定律 （1）想想议议 ①荡秋千时，若停止用力，秋千会越来越低。为什么高度会逐渐降低？是否丢失了能量？减少的机械能到哪去了？ 分析：在秋千的运动过程中，秋千和空气间有阻力，绳索间存在摩擦力，秋千要克服这些阻力做功，一部分机械能逐渐转化为内能，机械能总量逐渐减少，最终机械能为零，全部转化为内能。 二、能量守恒定律 ②实验：抛出弹性小球，观察小球与地面碰撞时的运动情况。会发现掉在地上的弹性小球越跳越低。为什么高度会逐渐降低？是否丢失了能量？减少的机械能到哪里去了？ 分析： 在小球的运动过程中，由于和空气间有阻力，小球克服空气阻力做功，一部分机械能逐渐转化为内能，机械能总量逐渐减少，最终机械能全部转化为内能。 弹性小球在地面弹跳的频闪照片 二、能量守恒定律 （2）能量守恒定律 能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量守恒定律。 二、能量守恒定律 （3）能量守恒定律的普遍性 能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。大到天体，小到原子核，无论是物理学的问题还是化学、生物学、地理学、天文学的问题，所有能量转化的过程，都服从能量守恒定律。 根据能量守恒定律，在分析自然现象时，如果发现某种形式的能量减少，一定能找到另一种形式的能量增加；反之，当某种形式的能量增大时，也一定可以找到另一种形式的能量减少。 二、能量守恒定律 （4）运用能量守恒定律分析问题 从日常生活到科学研究、工程技术，这一规律都发挥着重要的作用。例如，在行驶的汽车中，燃料的化学能通过燃烧转化为燃气的内能，再通过热机做功把内能转化为机械能。在这个过程中，燃料的化学能一部分转化为机械能，一部分转化成了热机和周围环境的内能。 机械传热损失一部分能量W3 燃料的化学能 W总=W有用+W1+W2+ W3 废气排出带走的能量W2 有用的 机械能W有用 克服摩擦消耗的能量W1 二、能量守恒定律 2. 永动机 （1）永动机 有人曾设想制造一种不消耗任何能量和燃料，却源源不断对外做功的机器，人们把这种机器叫永动机。 这种机器有可能制成吗？ 一种设想中的永动机 图是一种设想中的永动机，它通过高处的水流冲击叶片，叶片的转动用来对外做功，同时带动抽水器从低处将水抽到高处，从而循环工作。你能不能从能量守恒的角度说明它为什么不能一直工作下去？ 二、能量守恒定律 （2）分析永动机失败的原因 一种设想中的永动机 如图所示，高处的水具有一定的机械能W总，在水向下流动时，对水轮机做功，水轮机转动，把低处的水又抽到高处。 由于水轮机转动的各部件间存在摩擦，会有部分机械能转化为内能W内能，所以只有一部分能量W抽水用来抽水做功。 根据能量守恒定律可知：W总=W内能+W抽水，可见最后抽水的能量小于原来水的总能量，W抽水<W总，最终使流下的水不能全部抽回。 由能量守恒定律知：无法制成永动机。 二、能量守恒定律 【例题3】根据能量守恒定律，以下情形可能发生的是（ ） A．孤岛上被人们遗忘的一只机械表，默默地走了几十年 B．电水壶里的水沸腾了，给该电水壶断电，水的沸腾却永远不会停止 C．出膛的子弹射穿木板，以更快的速度继续前进 D．两个斜面相对接，小球从左斜面滚下后，继续冲上右斜面 D 二、能量守恒定律 【解析】 A．机械表工作是靠表内弹簧的弹性势能转化为机械能，所以，不会默默地走了几十年，故A不符合题意； B．在电水壶的使用过程中，消耗了电能，温度升高，内能增加，断电后，水不再继续吸收热量，所以，沸腾会停止，故B不符合题意； C．子弹高速运动时，由于摩擦生热会使动能减小，速度减慢，故C不符合题意； D．两个斜面相对接，小球从左斜面滚下后，由于具有动能，会继续冲上右斜面，将动能转化为部分重力势能，故D符合题意。 故选D。 二、能量守恒定律 【例题4】关于能量守恒定律，下列说法正确的是（　　） A．能量守恒定律只适用于机械能与内能的相互转化 B．能量守恒定律只适用于能量转化的过程 C．摩擦生热是创造了热，并不符合能量守恒定律 D．按照能量守恒定律，宇宙中能量的总量永远不会增减 D 【解析】A．能量守恒定律适用于所有形式的能量相互转化，故A错误； B．能量守恒定律既适用于能量转化过程，也适用于能量转移过程，B错误； C．摩擦生热是机械能转化为内能，使物体内能增大，温度升高，而不是创造了热，这一过程同样符合能量守恒定律，故C错误； D．按照能量守恒定律，宇宙中能量的总量永远不会增减，即能量的总量是守恒的，故D正确，符合题意。 故选D。 热是一种常见的现象。热是什么? 1. 热是一种特殊的运动形式：17世纪以后，根据摩擦生热的现象，不少物理学家都认为热是一种特殊的运动形式，但是这种看法由于缺乏精确的实验证据，还不能形成科学的理论。 2. 热质说：热质说将热看成一种没有质量或不可称量的流质——热质，认为热质不生不灭，存在于一切物体之中，物体的冷热程度，取决于其中所含热质的多少。到了18世纪，热质说由于能够解释某些实验结果，因而在当时获得了承认。热质说对摩擦生热的解释是，摩擦并没有改变热质的总量，但物质在摩擦时比热容降低了，因此摩擦可以使物体的温度升高。 对热的本质的认识过程 3. 伦福德的观点 1798年，英国物理学家伦福德发现钻孔钻下的金属屑具有极高的温度，甚至可以使水沸腾。伦福德认为，由摩擦所生的热，来源似乎是无穷无尽的，要用热质说解释摩擦生热现象，钻下的金属屑的比热容要改变很大才行。于是他设计并做了一系列实验，发现钻下的金属屑的比热容在摩擦时并没有降低。根据实验结果，伦福德断言热质说不足为信，应当把热看成一种运动形式。热质说的统治地位开始动摇了。 对热的本质的认识过程 4. 焦耳的观点 1799年，英国化学家戴维做了更加严格的实验，有力地打击了热质说。此后，科学家进一步研究了热和功的关系，特别是英国物理学家焦耳做了大量实验，定量地研究了热和功的关系，证明做了多少机械功，就有多少机械能转化成与热相关的能量。 焦耳的工作表明热不是一种特殊的物质，同时为能量守恒定律奠定了基础。 对热的本质的认识过程 5. 热量的本质 能量守恒定律的建立，彻底否定了热质说，同时为分子动理论的发展开辟了道路。人们认识到：宏观的热现象原来是物体内部大量分子的无规则运动的表现，物体内部的能量就是前面讲过的内能。热量不表示物质所含“热质”的多少，而表示在热传递过程中传递的能量的多少。 透过表面现象追求背后的本质，这是科学家寻根究底、追求真理精神的体现。 对热的本质的认识过程 四、课堂总结 第1节 能量的转化与守恒 四、课堂总结 能量的转化与守恒 ①各种形式的能量：机械能、内能、电能、光能等. ②能量的转化：由一种形式转化为另一种形式的能. ③能量的转移：能量的形式不变，能量由一个物体转移 到其他物体，或从物体的一部分转移到其他部分. ④能量守恒定律：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，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. ⑤永动机的失败：是因为违背了能量守恒定律. 五、练习与应用 第1节 能量的转化与守恒 五、练习与应用 【解析】高处的水流下来时水的重力势能减小，动能增加，重力势能转化为动能；冲击水轮机的叶轮，是水的动能转移到叶轮上； 水轮机的叶轮，带动发电机发电，将叶轮上的机械能转化成电能。 所以整个过程中，能量转化的顺序是：势能→动能→电能。 1. 用水发电时，水从高处流下冲击水轮机，水轮机转动并带动发电机发电。在这个过程中发生了哪些能量转化? 五、练习与应用 【解析】白天，风力发电机与太阳能电池板，分别将风的机械能与太阳能转化为电能储存在蓄电池中。 景观照明灯晚上照明时，把电能转化为光能。 2. 图展示的是“风光互补”景观照明灯。它的最上端是一台风力发电机，灯柱上还配有太阳能电池板，底部的蓄电池可以储存电能。请说明这种景观照明灯在储能和照明时有哪些能量转化。 五、练习与应用 【解析】如果达到与A点高度相同的C点，则需要在C点的机械能与A点的机械能相等，当没有任何摩擦阻力时，根据能量守恒定律可知，运动员在空中能达到与A点高度相同的C点。 实际上运动员在A点自由滑下到B点的运动过程中，受到摩擦阻力与空气的阻力作用，机械能会减少。所以在空中不能达到与A点高度相同的C点。 3. 图甲是运动员在2022年北京冬奥会自由式滑雪大跳台训练的情景。运动员从60m高的跳台上的A点自由滑下，从B点冲出，如图乙所示。运动员在空中能否达到与A点高度相同的C点?为什么? 乙 甲 五、练习与应用 4. 食物也是一种“燃料”，葡萄糖等营养成分在人体细胞里与氧结合，提供细胞生命所需的能量。这种过程没有火焰，但化学能同样可以转化为内能。从能量守恒的角度看，食物提供的化学能还转化为哪些能量? 人体摄入的能量（营养师常称之为热量）过多或过少，都有损于健康。对于正在长身体的初中学生，每天应该摄入多少能量？应该如何调整饮食？查阅资料、 进行调查，写一篇科学报告， 并与同学交流。 五、练习与应用 【解析】食物的化学能除转化为内能外，还可以转化为机械能，使人体器官和人体肌肉运动。因为人体内还会产生微弱的生物电流，所以食物提供的化学能还可以转化为电能。食物的化学能还可以转化为人体本身的化学能，以脂肪等形式储存于体内。 查阅资料时可利用电脑在搜索框中输人“初中学生每天摄入能量”进行搜索、查询。 五、练习与应用 5. 如图所示，轻轻推倒第一块小木板就会产生连锁反应，使最后一块大木板被推倒。有人认为，实验说明了用很少的能量可以产生较多的能量，所以能量守恒定律不成立。你认为他的说法正确吗?说说理由。 【解析】第一块小木板倒下时，其所处高度减小，重力势能减小，动能增大，该过程中重力势能转化为动能；这部分能量就转移给下一张木板，下一张木板倒下时具有的能量更大，木板被推倒的速度变大。依次类推，最后一块大木板获得的能量达到最大，该能量都是原来小木块的重力势能转化来的，并不违背能量守恒定律。 六、提升训练 第1节 能量的转化与守恒 六、提升训练 【解析】 A．燃料燃烧时放热，将燃料的化学能转化为内能，属于能量的转化； B．脚放在热水中取暖，通过热传递改变了内能，属于能量的转移； C．来回搓手取暖，通过做功改变物体的内能，属于能量的转化； D．给手机充电时，手机发烫，将电能转化为电池的化学能和内能， 属于能量的转化。故选B. 1．下列能量转化或转移的情景中，属于能量转移的是（　　） A．燃料燃烧时放热 B．脚放在热水中取暖 C．来回搓手取暖 D．给手机充电时，手机发烫 B 六、提升训练 【解析】运动场上奔跑的运动员具有动能；剧烈运动的空气形成的龙卷风具有动能；快速行驶的汽车具有动能；核电站为我们的生活和生产提供电能，ABC三个选项中具有的能量形式与D选项中具有的能量形式不同，故ABC不符合题意，D符合题意。故选D. 2．能量是与物体运动有关的物理量，不同的运动形态对应着不同的能量形式。下列四种能量形式中与其它三种能量形式不同的是（　） A．运动场上奔跑的运动员具有的能量 B．剧烈运动的空气形成的龙卷风具有的能量 C．快速行驶的汽车具有的能量 D．核电站为我们的生活和生产提供的能量 D 六、提升训练 【解析】AD．蓄电池白天充电，光电池板是将太阳能转化为电能，电能转化为化学能，故A错误，符合题意，D正确，不符合题意； B．照明灯工作时，将电能主要转化为光能，故B正确； C．利用风力发电时，“小风扇”将机械能转化为电能，故C正确。故选A. 3. 如图所示是一种新型照明灯，它“头顶”小风扇，“肩扛”太阳能电池板，“腰挎”照明灯，“脚踩”蓄电池。下列说法中不正确的是（　　） A．蓄电池白天是将化学能转化为电能 B．照明灯晚上工作时将电能主要转化为光能 C．小风扇利用风力发电时，是将机械能转化为电能 D．太阳能电池板工作时是将太阳能转化为电能 A 六、提升训练 4. 如图所示，是设想中的“永动机”，它通过高处的水从A口流出时，水流冲击叶片转动，叶片的转动带动B处的砂轮转动，打磨刀片，同时带动C处的抽水器工作，将低处的水抽到高处从D口流出，从而循环工作。该“永动机”工作过程中，下列说法正确的是（　　） A．水流冲击叶片转动，把机械能转化为内能 B．砂轮打磨刀片时，刀片和砂轮的温度都升高， 说明“永动机”工作时制造了能量 C．相同时间内，A、D两口流出水的质量相等 D．这款“永动机”违背了能量守恒定律 D 六、提升训练 【解析】 A．水流冲击叶片转动，水的机械能转化为砂轮的机械能，A错误； B．砂轮打磨刀片时，刀片和砂轮的温度都升高，这是机械能转化为内能，不是“永动机”工作时制造了能量，故B错误； C．水在冲击叶片的过程中，一部分水流失掉了，所以相同时间内，A、D两口流出水的质量不相等，故C错误； D．设想中的永动机不能一直工作下去，因为抽水器在工作过程中，有部分机械能会转化为内能，即机械能会逐渐减少，根据能量守恒定律，最后会停止工作；永动机违背了能量守恒定律，故D正确。 故选D. 六、提升训练 【解析】 由图可知，加热器不存在发电的功能，但可以将电能转化为内能，因此圆圈内A的能量形式是内能，B是电能。 序号⑩是机械能转化为内能。生活中的实例，如摩擦生热；刹车时，车轮胎与地面的摩擦等。 5. 如图所示是不同形式的能量的相互转化图，圆圈内B的能量形式是______，请举一个序号⑩的实例_________。 见解析 电能 六、提升训练 6. 如图是小球在地面弹跳过程的频闪图片，其中A处和B处等高。此过程中，以下判断正确的是（　　） A．小球从左向右运动 B．小球的机械能不断增大 C．说明能量是不守恒的 D．小球在A处时的机械能小于在B处时的机械能 D 【解析】 在小球的运动中，与空气摩擦做功或与地面撞击做功，有一部分机械能转化成了内能；小球的机械能逐渐减小，机械能等于动能和势能的总和，小球的重力势能和动能减小，小球质量不变，运动过程中弹起的高度越来越小，说明重力势能越来越小；小球速度越来越慢，说明动能越来越小；小球从右向左运动，小球在A处时的机械能小于在B处时的机械能，机械能减少的原因是克服与空气摩擦做功，与地面撞击做功，能量的总量是不变的，守恒的。故选D. 六、提升训练 Lavf59.27.100 $$