内容正文:
第3章 能量的转化与守恒(知识清单)
课题1 能量及其形成
1.认识能量
所有的自然现象都涉及能量,人类的一切活动每时每刻都离不开能量。
2.能量的形式
机械能(动能和势能)、内能、太阳能、电能、化学能、地热能、核能、潮汐能、电磁能等。
课题2 机械能
1.动能
(1)概念: 叫做动能。一切做机械运动的物体都具有动能。
(2)影响动能的因素
物体的 和 :质量相同的物体,运动的速度越大,它的动能 。运动速度相同的物体,质量越大,它的动能也 。
(3)实验探究方法: 、 (通过木块被碰撞后的滑动距离来反映钢球的动能大小)
2.势能
(1)重力势能
①概念:物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能。
②影响因素
和 :物体的质量越大,被举得越高,具有的重力势能就越 。
③实验探究方法:控制变量法、转换法
(2)弹性势能
①概念: 叫做弹性势能。
②影响因素
:物体的弹性形变越大,弹性势能越 。
3.动能和势能的转化
(1)机械能:动能和势能之和称为机械能。
(2)机械能守恒:如果只有动能和势能的相互转化,机械能的总量就 ,或者说,机械能 。
(3)机械能守恒的条件:
(4)分析动能与势能相互转化的方法:确定研究对象和过程;确定物体在起始位置所具有的动能、势能;分析在运动过程中,物体的高度、速度、弹性形变等是否变化以及如何变化,进而分析物体的重力势能、动能、弹性势能是否变化以及如何变化。
课题3 能量转化的量度
1.功
(1)概念:在科学上,如果物体受到力的作用,并且在这个力的方向上通过了一段距离,我们就说这个力对物体做了功。
(2)做功的两个必要因素:① ;② 。两因素必须同时具备,力才对物体做功。
(3)不做功的情况:① ② ③
(4)当物体运动方向与受力方向相反时,我们常说克服该力做功。
2.功的计算
(1)功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积。公式:
单位是焦耳,简称为焦,单位符号为J。
1焦=1牛·米,含义:1牛的力使物体在力的方向上通过1米的距离时所做的功为1焦。
(2)做功的实质
物体具有做功的本领,是因为它具有能量。做功的过程实质上就是 的过程,力对物体做多少功,就有多少能量发生了转化。因此,可以用功来量度能量转化的多少,能量的单位与功的单位一样,也是焦耳。
(3)公式应用注意事项
①确定哪个力对哪个物体做功;
②移动的距离必须是物体在力的方向上移动的距离;
③F与s保持同时、同体、同向。
3.功率
(1)概念: 叫做功率。
(2)物理意义:
(3)公式及单位
①公式: 、公式:
②单位:国际单位制中,功率的单位是瓦特,简称瓦,单位符号是W。1瓦=1焦/秒。
实际应用中还常用千瓦、兆瓦作为功率的单位。1千瓦=1000瓦, 1兆瓦=1×106瓦。
③变式:当物体在力F的作用下,以速度v做匀速直线运动时,由W=Fs,,可得P= 。该公式适用于 。
(4)比较做功的快慢有三种方法:
若做功相同,比较做功的时间;
若做功时间相同,比较做功的多少;
若做功的多少和所用时间都不相同的情况下,计算功和时间的比值。
课题4 简单机械
1.杠杆
(1)概念:如果一根硬棒在力的作用下能够绕着固定点转动,这根硬棒就叫做杠杆。
(注意:杠杆形状各异,可以是直的,也可以是弯的)
(2)杠杆五要素
支点O: 叫做支点;
动力F1: 叫做动力;
阻力F2: 叫做阻力;
动力臂l1: 叫做动力臂;
阻力臂l2: 叫做阻力臂。
注意:支点在两力的作用点之间时,两力的方向指向杠杆同一边,当支点在两力作用点之外,两力方向指向杠杆两边。
(3)力臂画法
①定支点;②画力的作用线;③从支点画力的作用线的垂线;④标注力臂名称。
2.杠杆的平衡条件及应用
(1)概念:杠杆在动力和阻力的作用下 或 时,我们称该现象为杠杆平衡。
(2)杠杆平衡的条件: ,即
实验要点:
①选杠杆中心作为支点的目的:
②实验时使杠杆在水平位置平衡的目的:
③实验前调节杠杆两端的平衡螺母使杠杆在水平位置平衡,但在实验过程中不可再调平衡螺母;
④实验中改变力或力臂的大小,多次实验,避免结论的偶然性,找出普遍规律。
(3)杠杆平衡条件的应用:F1l1=F2l2,,动力、阻力、动力臂和阻力臂知道其中任意三个量就可以求出第四个量。
(4)杠杆的分类
杠杆类型
省力杠杆
费力杠杆
等臂杠杆
力臂
力
优缺点
实例
3.滑轮
(1)概念及分类
①滑轮概念:周边有槽、可以绕着中心轴转动的轮子。
②滑轮分类:使用滑轮工作时,根据滑轮轴的位置是否移动,可将滑轮分成定滑轮和动滑轮两类。
定滑轮:滑轮轴固定不动;动滑轮:滑轮轴随钩码一起移动。
(2)滑轮实质
①定滑轮:实质是一个 ,只能改变 ,不能改变 。不省力也不省距离。
②动滑轮:实质是一个 。省力费距离,不能改变 。若力的方向不与动滑轮直径垂直,则省的力小于一半,不是最省力的方法。使用动滑
轮时,虽然能省一半的力,但要费一倍的距离,即绳端移动的距离s等于物体上升高度h的2倍。
(3)滑轮组
①将定滑轮和动滑轮组合成滑轮组。滑轮组既可以 ,又可以 。
②使用滑轮组时,重物和动滑轮的总重由几股(n)绳子承担,提起重物所用的力就是总重的几分之一()。
竖直拉物体:自由端拉力和总重力的关系是
绳子自由端移动的距离s与物体上升的高度h的关系是s= 。
移动速度的关系v自=
水平拉物体:自由端拉力和摩擦力的关系是
绳子自由端移动的距离s与物体移动距离s物的关系是s=
移动速度的关系v自=
注意:n为围绕动滑轮上绳子的股数。
(4)滑轮组绕绳方式的判断———“奇动偶定法”
承重绳的股数n是偶数时,绳的起始端拴在定滑轮的挂钩上;承重绳的股数n是奇数时,绳的起始端拴在动滑轮的挂钩上。
4.机械效率
(1)有用功、额外功、总功
①有用功: ,用W有表示;
②额外功: ,用W额表示;
③总功: ,用W总表示。W总= (总功必定大于有用功)
(2)机械效率
①概念:科学上把 叫做机械效率。
②计算公式:
(3)机械效率的理解
①机械效率表示的是有用功占总功的比例,不能反映有用功或总功的多少;
②机械效率总是小于1;
③机械效率是表征机械性能的重要指标,机械效率越高,机械的性能越好。
(4)提高机械效率的方法
增加 ,如在机械能承受的范围内增加每次提起重物的重力;
减小 ,如改进结构使机械更合理、更轻巧,尽量减小摩擦力等。
(5)斜面的机械效率
①斜面是一种简单机械,使用它省力但费距离。
②机械效率为:
③影响斜面机械效率的因素: 、 。
(粗糙程度相同的斜面,斜面倾斜程度越大,斜面的机械效率越高。)
④斜面的额外功一般是克服斜面摩擦做的功,若斜面光滑无摩擦,则无额外功,有用功等于总功。
课题5 物体的内能
1.内能
(1)概念: 叫做物体的内能。俗称热能,单位为焦耳。
(2)特点
①一切物体在任何情况下均具有内能。
②物体内能的大小与温度有关。
物体温度升高,分子热运动加快,内能增大,反之,物体内能减少。
③物体内能的大小与质量有关。
相同状况下的同种物质,质量越大,内能越大。
2.物体内能的改变
(1)物体内能改变的途径:
(2)热传递
发生条件:
过程:高温物体 热量,温度 ,内能 ;
低温物体 热量,温度 ,内能 。
最终结果:
实质:
方式:热传导、热对流、热辐射。
热量:热量是热传递过程中,物体内能的改变量,因此热量是个过程量。只有在热传递过程中,才能谈论热量,离开热传递过程谈热量是毫无意义的。只能说 “吸收热量”“放出热量”等。
(3)做功
①外界对物体做功,物体内能 。
如压缩气体、摩擦生热、锻打物体、弯折物体。
②物体对外做功,物体内能 。
如气体膨胀。
③实质
做功改变物体内能的实质是 。外界对物体做了多少功,就有多少其他形式的能量转化为内能;物体对外做了多少功,就有多少内能转化为其他形式的能量。功可以用来量度物体内能改变的多少。
3.比热容
(1)比热容概念:单位质量的某种物质,温度升高1℃所吸收的热量叫做这种物质的比热容。比热容用符号c表示,它的单位是焦/(千克·℃),读作焦每千克摄氏度。
(2)比热容是物质的一种特性,同种物质在相同状态下的比热容是一定的,但在不同的状态下,比热容不相同。
(3)热量的计算
热量的公式:
4.热机
(1)热机:通过做功把内能转化为机械能的机器。
(2)内燃机:燃料在机器汽缸内燃烧的热机。主要类型:汽油机和柴油机
(3)汽油机四冲程
过程
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
图示
气门
活塞
作用
吸入汽油和空气的混合物
压缩汽油和空气的混合物
在压缩冲程末,火花塞产生电火花点燃燃料,产生的高温高压的气体推动活塞向下运动,带动曲轴转动,对外做功
把废气排出汽缸
能量转化
总结
一个工作循环中有 个冲程,活塞往复运动 次,曲轴和飞轮转动
周,对外做功 次。汽油机在工作时只有做功冲程使机车获得动力,其他三个冲程均为辅助冲程,依靠安装在曲轴上的飞轮的 来完成。
(4)热机效率:热机工作时,用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比,就是热机的效率。汽油机的效率一般为20%~30%,柴油机的效率可达45%。提高热机效率,减少能源消耗,是人类不懈的追求。
5.燃料的热值
(1)概念: 叫做这种燃料的热值,用符号q表示。
注意:燃料很难完全燃烧,燃料燃烧放出的热量也不可能完全得到利用。故注意热值是燃料完全燃烧放出的热量。
(2)单位:固体或液体燃料的热值单位是焦/千克,气体燃料的热值单位是焦/米3。
(3)热量计算公式:
(4)提高燃料利用率的措施
一是
二是
课题6 电能
1.电能与电功
(1)电功
①概念: 叫电功。
②实质: 。电流做了多少功,就有多少电能转化为其他形式的能。
③单位:焦——J、千瓦时(度)——kw·h。1度=1千瓦时=3.6×106焦。
(2)电能测量仪器——电能表
①读数:某段时间电能表上先后两次读数之差,就是这段时间电路消耗的电能。
②参数及意义:
③计算:电能W=(n为一段时间电表转盘转数,N为电表上的转数)
2.电器的电功率
(1)电功率
①概念: 叫做电功率。
②计算公式:
③单位:瓦(W)、千瓦(kW)。1W=1J/s
④物理意义:
(2)额定电压、额定功率
额定电压:用电器铭牌上标有的电压值叫做额定电压;额定电压是用电器正常工作时的电压。
额定功率:标有的电功率值叫做额定功率。额定功率是用电器在额定电压下消耗的电功率。
(3)实际电压、实际功率
实际电压:将用电器接入某一电路中时,用电器两端实际分得的电压;
实际功率:用电器在电路中工作时实际消耗的功率。
(4)实际值与额定值的关系
当实际电压=额定电压时,实际功率 额定功率,实际电流 额定电流,用电器正常工作;
当实际电压<额定电压时,实际功率 额定功率,实际电流 额定电流,不能正常工作;
当实际电压>额定电压时,实际功率 额定功率,实际电流 额定电流,容易损坏;
(5)灯泡量度与实际功率的关系:接在同一电路上的灯泡,消耗电功率越大,灯泡就越 。实际功率反应灯泡的亮度。
3.电功率和电功的计算
(1)电功率的计算
①用电器的电功率等于用电器两端电压与通过用电器电流的乘积。
公式: (1瓦=1伏·安)
②变式:根据欧姆定律, 或 。适用于纯电阻电路。
(2)电功的计算
①电流在某段电路上做的功,等于这段电路两端的电压与通过这段电路的电流,以及通电时间的乘积。公式 ,(1焦=1伏·安·秒)
②变式:推导公式 或 ,适用于纯电阻电路。
(3)测定小灯泡的功率实验
实验原理:
方法:利用电压表和电流表分别测出小灯泡两端的电压和通过小灯泡的电流就可以求出小灯泡的电功率。在额定电压下测出来的电功率就是额定功率。
4.常用电热器
(1)原理:利用 工作。
(2)主要元件:发热体,它由电阻 、熔点 的电阻丝绕在绝缘体上制成。
(3)焦耳定律
电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。
公式:
(4)辨析
对于纯电阻用电器,电能全部转化为热能,W Q;
对于非纯电阻用电器,电能部分转化为内能,W Q。
如电动机,电能一部分转化为机械能,一部分转化为内能,故W=
课题7 核能
1.裂变和聚变
(1)核能:原子核是可以转变的,原子核在转变过程中所释放出的能量,称为核能。
(2)获得核能的两条途径:
(3)核裂变
①概念:质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核,并释放出巨大能量的现象。
②应用: 是根据裂变的原理制造的。
③链式反应:连锁式的铀核裂变反应称为链式反应。
原子弹原理:不加控制的链式反应。
核电站原理:可控制的链式反应。
(3)核聚变
①概念:2个质量较小的原子核结合成质量较大的新原子核,同时释放出能量的现象。
②热核反应:核聚变需要极高的温度,所以也叫做热核反应。
③应用: 是根据核聚变的原理制造的,它的威力比原子弹大得多;
的内部在不停地发生这种核聚变,从而向外释放出巨大的能量。
2.核能的和平利用——核电站
(1)核反应堆:对原子核裂变的链式反应加以控制,使核能缓慢、平稳地释放出来的装置称为核反应堆,简称反应堆,核反应堆是核电站的核心部分。
(2)原理:利用核反应堆提供的能量,使水变成蒸汽,再利用高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电的。
其能量转化情况是:核能→内能→机械能→电能。
3.放射性
各种放射性元素放出的射线中包括α、β和γ三种射线。
①α射线是带正电的高速运动的氦原子核流;α射线穿透能力最弱,在空气中只能前进几厘米。
②β射线是带负电的高速运动的电子流;β射线穿透能力较强,能穿透几厘米厚的铝板。
③γ射线是能量很高的电磁波;γ射线穿透能力最强,能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。
课题8 能量的转化与守恒
1.能量的互相转化
能量可以在两个物体之间转移,能量形式也可以转化。
能量转化:能量从一种形式转化为另一种形式,如钻木取火时机械能转化为内能。
能量转移:能量从一个物体转移到另一个物体(或从物体的一部分转移到另一部分),如
热传递过程中内能的转移。
2.能量的转化与守恒定律
①概念: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。这就是能量转化和守恒定律。
②意义:能量转化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。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。
3.能量的转移和转化的方向性
①能量的转化和转移有一定的方向性。
如内能总是自发地从高温物体转移到低温物体,而不能自发地从低温物体转移到高温物体;机械能可以自发地转化为内能,而内能不能自发地转化为机械能。
②“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。
易错点辨析
易错点1:是否做功的判断
易错点描述:学生无法分辨或忽视是否做功的判断
辨析与正确观点:不做功的情况
力与距离垂直(如提水桶水平走路,提力不做功)
有距离无力(如踢出去的足球在空中飞行,脚对球已无力)
有力无距离(如推石头没推动)。
易错点2:功率公式P = Fv的应用
易错点描述:直接使用公式,但忽视公式的适用条件。
辨析与正确观点:当物体在力F作用下做匀速直线运动时,可用P = Fv计算瞬时功率。此公式常出现在牵引力、骑车等情境中。
易错点3:机械能守恒的条件
易错点描述:分析能量转化时,常常忽视机械能是否守恒的判断。
辨析与正确观点:“只有动能和势能相互转化”并不等同于机械能一定守恒。
守恒条件:必须只有重力或弹力做功。
典型不守恒情景:存在摩擦力、空气阻力、人力做功等(如滑滑梯、跳绳、滚动的球慢慢停下)。
易错点4:探究动能大小影响因素实验
易错点描述:误认为实验中斜面的高度或长度是变量,其实高度决定了小球到达水平面的初速度。
辨析与正确观点:探究“动能大小与哪些因素有关”的实验中,控制变量法是关键。
如何比较动能大小:看木块被撞后移动的距离(转换法)。
易错点5:力臂作图
易错点描述:把支点到力作用点的距离当作力臂。
辨析与正确观点:力臂是支点到力的作用线的垂直距离。务必先用虚线延长力的作用线,再作垂线段。
易错点6:滑轮组的受力分析
易错点描述:忽略动滑轮自身的重力。
辨析与正确观点: 省力情况取决于承担物重的绳子段数n。F = (G物 + G动)/n,
如何找n:与动滑轮直接接触的绳子段数。(口诀:“奇动偶定”)。
易错点7:温度、热量、内能的关系
易错点描述:混淆热量和内能的概念,不了解温度与两者的关系。
辨析与正确观点:温度:是状态量,表示物体冷热程度。
热量:是过程量,只存在于热传递中,用“吸收”或“放出”来描述。
内能:是状态量,所有物体在任何温度下都有内能。
正确关系:物体吸收热量,内能一定增加,但温度不一定升高(如晶体熔化、液体沸腾时)。
易错点8:电功 (W) 和电热 (Q) 的关系
易错点描述:分不清纯电阻电路和非纯电阻电路的区别。
辨析与正确观点:纯电阻电路(如电炉、白炽灯):W = Q (电能全部转化为内能),可用 W = Q = UIt = I²Rt = U²t/R
非纯电阻电路(如电动机、充电器):W>Q (电能转化为内能和其他能),只能用W= UIt算总功,用Q = I²Rt 算产生的热量。
易错点9:实际功率与额定功率
易错点描述:误认为接入电路后用电器的功率就一定是额定功率。
辨析与正确观点:额定值:用电器正常工作时的电压和功率。
实际功率随实际电压变化:P实 = (U实/U额)²·P额。
方法提炼
1. 功和功率的理解与计算
考法:①判断力是否做功(物体是否在力的方向上移动距离)。
②结合运动学公式进行功和功率的计算。
③P = Fv在汽车牵引力问题中的应用。
解题方法:
做功判断:紧扣做功的两个必要因素,缺一不可。特别是“力的方向”与“运动方向”的夹角。
计算题:先进行受力分析,找出要计算的力 F,再确定在这个力方向上移动的距离 s,最后代入 W = Fs计算。功率通常用 P = W/t或 P = Fv计算。
易错点:计算总功时,F和 s要对应。例如,用滑轮组提升重物时,拉力 F做的功是总功,对应的 s是绳子自由端移动的距离,s = nh(n为绳子股数)。
2. 机械能及其转化
考法:①识别物体具有哪种形式的机械能。
②分析物体在运动过程中动能、重力势能和弹性势能的相互转化情况。
③判断机械能是否守恒(通常只有动能和势能的转化,且不考虑摩擦阻力时,机械
能守恒)。
解题方法:
判断能量:运动物体具有动能;被举高或发生弹性形变的物体具有势能。
分析转化:质量不变时,高度减小 → 重力势能减小 → 动能增大(速度增大);速度减小 → 动能减小 → 重力势能增大(高度增加)。
守恒判断:如果有摩擦、空气阻力等,则机械能不守恒,部分机械能会转化为内能。
3. 简单机械与机械效率
考法:①识别生活中的杠杆,并画出力臂。
②利用杠杆平衡条件(F₁L₁ = F₂L₂)进行计算。
③滑轮组的绕线、省力判断和计算。
④计算各种机械的有用功、总功和机械效率。
解题方法:
画力臂:先找支点O,再画力的作用线,最后从支点向力的作用线作垂线段。
杠杆平衡:通常根据平衡条件列方程求解。注意动力和阻力的方向。
滑轮组:省力公式 F = (G物 + G动)/n,距离关系s绳 = n h物。
机械效率:η = W有用 / W总 × 100%
竖直滑轮组:W有用 = G物 h,W总 = F s = F × n h
斜面:W有用 = G h,W总 = F L(L为斜面长)
提高效率的方法:减小摩擦、减轻机械自重(动滑轮重)、增加物重。
热机效率的计算(η = W有用 / Q放)。
4. 内能、比热容与热量的计算
考法:①理解内能、温度、热量的区别与联系。
②用比热容解释现象(如沿海地区温差小)。
③利用 Q = cmΔt进行热量计算。
解题方法:
概念辨析:内能是状态量;热量是过程量,是内能变化的量度;温度是分子平均动能的标志。
热量计算:分清是“升高到”还是“升高了”(Δt)。注意公式中质量 m的单位是kg。
热机效率:Q放是燃料完全燃烧放出的热量(Q放 = mq或 Q放 = Vq),W有用是转化为机械能的那部分。
5. 电功和电功率的综合计算
考法:①电能表读数和电能计算。
②区分额定电压、额定功率和实际电压、实际功率。
③结合串并联电路特点,进行电功、电功率的计算。
④焦耳定律(Q = I²Rt)的应用和计算。
解题方法:
电能计算:W = Pt或 W = UIt。注意单位换算(1kW·h = 3.6×10⁶J)。
灯泡问题:电阻R = U额²/P额,通常不变,是连接额定状态和实际状态的桥梁。已知额定值,求实际功率:先求 R,再用 P实 = U实²/R计算。
焦耳定律:对于纯电阻电路(如电热器),Q = W = UIt = Pt = U²t/R。对于非纯电阻电路(如电动机),Q<W,只能用 Q = I²Rt计算电热。
6. 能量转化与守恒定律
考法:①识别各种现象中的能量转化形式。
②用能量守恒定律判断过程能否发生(如第一类永动机不可能实现)。
③进行简单的能量转移和转化的定量分析。
解题方法:这是定性和半定量的考点。回答时描述清楚“什么能”转化为“什么能”即可。能量守恒则用于判断题干描述的过程是否违背科学原理。
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第3章 能量的转化与守恒(知识清单)
课题1 能量及其形成
1.认识能量
所有的自然现象都涉及能量,人类的一切活动每时每刻都离不开能量。
2.能量的形式
机械能(动能和势能)、内能、太阳能、电能、化学能、地热能、核能、潮汐能、电磁能等。
课题2 机械能
1.动能
(1)概念:物体由于运动而具有的能量叫做动能。一切做机械运动的物体都具有动能。
(2)影响动能的因素
物体的质量和速度:质量相同的物体,运动的速度越大,它的动能越大。运动速度相同的物体,质量越大,它的动能也越大。
(3)实验探究方法:控制变量法、转换法(通过木块被碰撞后的滑动距离来反映钢球的动能大小)
2.势能
(1)重力势能
①概念:物体由于被举高而具有的能量叫做重力势能。
②影响因素
质量和被举高的高度:物体的质量越大,被举得越高,具有的重力势能就越大。
③实验探究方法:控制变量法、转换法
(2)弹性势能
①概念:物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能。
②影响因素
形变量:物体的弹性形变越大,弹性势能越大。
3.动能和势能的转化
(1)机械能:动能和势能之和称为机械能。
(2)机械能守恒:如果只有动能和势能的相互转化,机械能的总量就保持不变,或者说,机械能守恒。
(3)机械能守恒的条件:不受空气阻力和摩擦,只有重力和弹力做功。
(4)分析动能与势能相互转化的方法:确定研究对象和过程;确定物体在起始位置所具有的动能、势能;分析在运动过程中,物体的高度、速度、弹性形变等是否变化以及如何变化,进而分析物体的重力势能、动能、弹性势能是否变化以及如何变化。
课题3 能量转化的量度
1.功
(1)概念:在科学上,如果物体受到力的作用,并且在这个力的方向上通过了一段距离,我们就说这个力对物体做了功。
(2)做功的两个必要因素:①作用在物体上的力F;②物体在力的方向上通过的距离s。两因素必须同时具备,力才对物体做功。
(3)不做功的情况:①有力无距离②有距离无力③力的方向与距离的方向垂直
(4)当物体运动方向与受力方向相反时,我们常说克服该力做功。
2.功的计算
(1)功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积。公式:W=Fs,
单位是焦耳,简称为焦,单位符号为J。
1焦=1牛·米,含义:1牛的力使物体在力的方向上通过1米的距离时所做的功为1焦。
(2)做功的实质
物体具有做功的本领,是因为它具有能量。做功的过程实质上就是能量转化的过程,力对物体做多少功,就有多少能量发生了转化。因此,可以用功来量度能量转化的多少,能量的单位与功的单位一样,也是焦耳。
(3)公式应用注意事项
①确定哪个力对哪个物体做功;
②移动的距离必须是物体在力的方向上移动的距离;
③F与s保持同时、同体、同向。
3.功率
(1)概念:单位时间里完成的功叫做功率。
(2)物理意义:物体做功的快慢。
(3)公式及单位
①公式: 、公式:
②单位:国际单位制中,功率的单位是瓦特,简称瓦,单位符号是W。1瓦=1焦/秒。
实际应用中还常用千瓦、兆瓦作为功率的单位。1千瓦=1000瓦, 1兆瓦=1×106瓦。
③变式:当物体在力F的作用下,以速度v做匀速直线运动时,由W=Fs,,可得P=Fv。该公式适用于匀速直线运动。
(4)比较做功的快慢有三种方法:
若做功相同,比较做功的时间;
若做功时间相同,比较做功的多少;
若做功的多少和所用时间都不相同的情况下,计算功和时间的比值。
课题4 简单机械
1.杠杆
(1)概念:如果一根硬棒在力的作用下能够绕着固定点转动,这根硬棒就叫做杠杆。
(注意:杠杆形状各异,可以是直的,也可以是弯的)
(2)杠杆五要素
支点O:杠杆绕着转动的固定点O叫做支点;
动力F1:能够使杠杆转动的力F1叫做动力;
阻力F2:阻碍杠杆转动的力F2叫做阻力;
动力臂l1:从支点到动力作用线的距离l1叫做动力臂;
阻力臂l2:从支点到阻力作用线的距离l2叫做阻力臂。
注意:支点在两力的作用点之间时,两力的方向指向杠杆同一边,当支点在两力作用点之外,两力方向指向杠杆两边。
(3)力臂画法
①定支点;②画力的作用线;③从支点画力的作用线的垂线;④标注力臂名称。
2.杠杆的平衡条件及应用
(1)概念:杠杆在动力和阻力的作用下静止或匀速转动时,我们称该现象为杠杆平衡。
(2)杠杆平衡的条件:动力×动力臂=阻力×阻力臂,即F1l1=F2l2
实验要点:
①选杠杆中心作为支点的目的:避免杠杆自身重力对实验产生影响;
②实验时使杠杆在水平位置平衡的目的:便于读出力臂的大小。
③实验前调节杠杆两端的平衡螺母使杠杆在水平位置平衡,但在实验过程中不可再调平衡螺母;
④实验中改变力或力臂的大小,多次实验,避免结论的偶然性,找出普遍规律。
(3)杠杆平衡条件的应用:F1l1=F2l2,,动力、阻力、动力臂和阻力臂知道其中任意三个量就可以求出第四个量。
(4)杠杆的分类
杠杆类型
省力杠杆
费力杠杆
等臂杠杆
力臂
l1>l2
l1<l2
l1=l2
力
F1<F2
F1>F2
F1=F2
优缺点
省力但费距离
省距离费力
既不省力也不省距离
实例
撬棒、瓶盖起子、羊角锤等
镊子、钓鱼竿、理发剪刀等
天平等
3.滑轮
(1)概念及分类
①滑轮概念:周边有槽、可以绕着中心轴转动的轮子。
②滑轮分类:使用滑轮工作时,根据滑轮轴的位置是否移动,可将滑轮分成定滑轮和动滑轮两类。
定滑轮:滑轮轴固定不动;动滑轮:滑轮轴随钩码一起移动。
(2)滑轮实质
①定滑轮:实质是一个等臂杠杆,只能改变力的方向,不能改变力的大小。不省力也不省距离。
②动滑轮:实质是一个动力臂为阻力臂2倍的省力杠杆。省力费距离,不能改变力的方向。若力的方向不与动滑轮直径垂直,则省的力小于一半,不是最省力的方法。使用动滑
轮时,虽然能省一半的力,但要费一倍的距离,即绳端移动的距离s等于物体上升高度h的2倍。
(3)滑轮组
①将定滑轮和动滑轮组合成滑轮组。滑轮组既可以省力,又可以改变力的方向。
②使用滑轮组时,重物和动滑轮的总重由几股(n)绳子承担,提起重物所用的力就是总重的几分之一()。
竖直拉物体:自由端拉力和总重力的关系是
绳子自由端移动的距离s与物体上升的高度h的关系是s=nh。
移动速度的关系v自=nv物
水平拉物体:自由端拉力和摩擦力的关系是
绳子自由端移动的距离s与物体移动距离s物的关系是s=ns物。
移动速度的关系v自=nv物
注意:n为围绕动滑轮上绳子的股数。
(4)滑轮组绕绳方式的判断———“奇动偶定法”
承重绳的股数n是偶数时,绳的起始端拴在定滑轮的挂钩上;承重绳的股数n是奇数时,绳的起始端拴在动滑轮的挂钩上。
4.机械效率
(1)有用功、额外功、总功
①有用功:为了达到某一目的必须要做的功,用W有表示;
②额外功:利用机械时,人们不得不额外做的功,用W额表示;
③总功:有用功与额外功的和,用W总表示。W总=W有+W额(总功必定大于有用功)
(2)机械效率
①概念:科学上把有用功跟总功的比值叫做机械效率。
②计算公式:
(3)机械效率的理解
①机械效率表示的是有用功占总功的比例,不能反映有用功或总功的多少;
②机械效率总是小于1;
③机械效率是表征机械性能的重要指标,机械效率越高,机械的性能越好。
(4)提高机械效率的方法
增加有用功,如在机械能承受的范围内增加每次提起重物的重力;
减小额外功,如改进结构使机械更合理、更轻巧,尽量减小摩擦力等。
(5)斜面的机械效率
①斜面是一种简单机械,使用它省力但费距离。
②机械效率为:
③影响斜面机械效率的因素:斜面倾斜程度、斜面粗糙程度。
(粗糙程度相同的斜面,斜面倾斜程度越大,斜面的机械效率越高。)
④斜面的额外功一般是克服斜面摩擦做的功,若斜面光滑无摩擦,则无额外功,有用功等于总功。
课题5 物体的内能
1.内能
(1)概念:物体内部所有分子热运动的动能和势能的总和叫做物体的内能。俗称热能,单位为焦耳。
(2)特点
①一切物体在任何情况下均具有内能。
②物体内能的大小与温度有关。
物体温度升高,分子热运动加快,内能增大,反之,物体内能减少。
③物体内能的大小与质量有关。
相同状况下的同种物质,质量越大,内能越大。
2.物体内能的改变
(1)物体内能改变的途径:热传递和做功。
(2)热传递
发生条件:存在温度差。
过程:高温物体放出热量,温度降低,内能减少;
低温物体吸收热量,温度升高,内能增加。
最终结果:温度相同。
实质:内能的转移,能量形式不变。
方式:热传导、热对流、热辐射。
热量:热量是热传递过程中,物体内能的改变量,因此热量是个过程量。只有在热传递过程中,才能谈论热量,离开热传递过程谈热量是毫无意义的。只能说 “吸收热量”“放出热量”等。
(3)做功
①外界对物体做功,物体内能增加。
如压缩气体、摩擦生热、锻打物体、弯折物体。
②物体对外做功,物体内能减少。
如气体膨胀。
③实质
做功改变物体内能的实质是其他形式的能量与物体内能相互转化。外界对物体做了多少功,就有多少其他形式的能量转化为内能;物体对外做了多少功,就有多少内能转化为其他形式的能量。功可以用来量度物体内能改变的多少。
3.比热容
(1)比热容概念:单位质量的某种物质,温度升高1℃所吸收的热量叫做这种物质的比热容。比热容用符号c表示,它的单位是焦/(千克·℃),读作焦每千克摄氏度。
(2)比热容是物质的一种特性,同种物质在相同状态下的比热容是一定的,但在不同的状态下,比热容不相同。
(3)热量的计算
热量的公式:Q吸=cmΔt=cm(t-t0)或cm(t0-t)
4.热机
(1)热机:通过做功把内能转化为机械能的机器。
(2)内燃机:燃料在机器汽缸内燃烧的热机。主要类型:汽油机和柴油机
(3)汽油机四冲程
过程
吸气冲程
压缩冲程
做功冲程
排气冲程
图示
气门
进气门打开,排气门关闭
进气门排气门都关闭
进气门排气门均关闭
进气门关闭,排气门打开
活塞
活塞向下运动
活塞向上运动
活塞向下运动
活塞向上运动
作用
吸入汽油和空气的混合物
压缩汽油和空气的混合物
在压缩冲程末,火花塞产生电火花点燃燃料,产生的高温高压的气体推动活塞向下运动,带动曲轴转动,对外做功
把废气排出汽缸
能量转化
无
机械能转化为内能
内能转化为机械能
无
总结
一个工作循环中有四个冲程,活塞往复运动两次,曲轴和飞轮转动两周,对外做功一次。汽油机在工作时只有做功冲程使机车获得动力,其他三个冲程均为辅助冲程,依靠安装在曲轴上的飞轮的惯性来完成。
(4)热机效率:热机工作时,用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比,就是热机的效率。汽油机的效率一般为20%~30%,柴油机的效率可达45%。提高热机效率,减少能源消耗,是人类不懈的追求。
5.燃料的热值
(1)概念:1千克某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值,用符号q表示。
注意:燃料很难完全燃烧,燃料燃烧放出的热量也不可能完全得到利用。故注意热值是燃料完全燃烧放出的热量。
(2)单位:固体或液体燃料的热值单位是焦/千克,气体燃料的热值单位是焦/米3。
(3)热量计算公式:Q=mq
(4)提高燃料利用率的措施
一是改善燃烧条件,让燃料尽可能完全燃烧,如将煤炭磨成粉末等;
二是尽可能减少热量损失,如加大受热面积等。
课题6 电能
1.电能与电功
(1)电功
①概念:电流所做的功叫电功。
②实质:电能转化为其他形式的能的过程。电流做了多少功,就有多少电能转化为其他形式的能。
③单位:焦——J、千瓦时(度)——kw·h。1度=1千瓦时=3.6×106焦。
(2)电能测量仪器——电能表
①读数:某段时间电能表上先后两次读数之差,就是这段时间电路消耗的电能。
②参数及意义:
③计算:电能W=(n为一段时间电表转盘转数,N为电表上的转数)
2.电器的电功率
(1)电功率
①概念:电流在单位时间内做的功叫做电功率。
②计算公式:
③单位:瓦(W)、千瓦(kW)。1W=1J/s
④物理意义:电流做功的快慢
(2)额定电压、额定功率
额定电压:用电器铭牌上标有的电压值叫做额定电压;额定电压是用电器正常工作时的电压。
额定功率:标有的电功率值叫做额定功率。额定功率是用电器在额定电压下消耗的电功率。
(3)实际电压、实际功率
实际电压:将用电器接入某一电路中时,用电器两端实际分得的电压;
实际功率:用电器在电路中工作时实际消耗的功率。
(4)实际值与额定值的关系
当实际电压=额定电压时,实际功率=额定功率,实际电流=额定电流,用电器正常工作;
当实际电压<额定电压时,实际功率<额定功率,实际电流<额定电流,不能正常工作;
当实际电压>额定电压时,实际功率>额定功率,实际电流>额定电流,容易损坏;
(5)灯泡量度与实际功率的关系:接在同一电路上的灯泡,消耗电功率越大,灯泡就越亮。实际功率反应灯泡的亮度。
3.电功率和电功的计算
(1)电功率的计算
①用电器的电功率等于用电器两端电压与通过用电器电流的乘积。
公式:(1瓦=1伏·安)
②变式:根据欧姆定律,或。适用于纯电阻电路。
(2)电功的计算
①电流在某段电路上做的功,等于这段电路两端的电压与通过这段电路的电流,以及通电时间的乘积。公式W=UIt,(1焦=1伏·安·秒)
②变式:推导公式或,适用于纯电阻电路。
(3)测定小灯泡的功率实验
实验原理:P=UI。
方法:利用电压表和电流表分别测出小灯泡两端的电压和通过小灯泡的电流就可以求出小灯泡的电功率。在额定电压下测出来的电功率就是额定功率。
4.常用电热器
(1)原理:利用电流的热效应工作。
(2)主要元件:发热体,它由电阻大、熔点高的电阻丝绕在绝缘体上制成。
(3)焦耳定律
电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律。
公式:
(4)辨析
对于纯电阻用电器,电能全部转化为热能,W=Q;
对于非纯电阻用电器,电能部分转化为内能,W>Q。
如电动机,电能一部分转化为机械能,一部分转化为内能,故W=Q+W机械
课题7 核能
1.裂变和聚变
(1)核能:原子核是可以转变的,原子核在转变过程中所释放出的能量,称为核能。
(2)获得核能的两条途径:原子核的裂变和原子核的聚变。
(3)核裂变
①概念:质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核,并释放出巨大能量的现象。
②应用:原子弹、核电站、核潜艇是根据裂变的原理制造的。
③链式反应:连锁式的铀核裂变反应称为链式反应。
原子弹原理:不加控制的链式反应。
核电站原理:可控制的链式反应。
(3)核聚变
①概念:2个质量较小的原子核结合成质量较大的新原子核,同时释放出能量的现象。
②热核反应:核聚变需要极高的温度,所以也叫做热核反应。
③应用:氢弹是根据核聚变的原理制造的,它的威力比原子弹大得多;
太阳的内部在不停地发生这种核聚变,从而向外释放出巨大的能量。
2.核能的和平利用——核电站
(1)核反应堆:对原子核裂变的链式反应加以控制,使核能缓慢、平稳地释放出来的装置称为核反应堆,简称反应堆,核反应堆是核电站的核心部分。
(2)原理:利用核反应堆提供的能量,使水变成蒸汽,再利用高温高压的蒸汽推动汽轮发电机发电的。
其能量转化情况是:核能→内能→机械能→电能。
3.放射性
各种放射性元素放出的射线中包括α、β和γ三种射线。
①α射线是带正电的高速运动的氦原子核流;α射线穿透能力最弱,在空气中只能前进几厘米。
②β射线是带负电的高速运动的电子流;β射线穿透能力较强,能穿透几厘米厚的铝板。
③γ射线是能量很高的电磁波;γ射线穿透能力最强,能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。
课题8 能量的转化与守恒
1.能量的互相转化
能量可以在两个物体之间转移,能量形式也可以转化。
能量转化:能量从一种形式转化为另一种形式,如钻木取火时机械能转化为内能。
能量转移:能量从一个物体转移到另一个物体(或从物体的一部分转移到另一部分),如
热传递过程中内能的转移。
2.能量的转化与守恒定律
①概念: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。这就是能量转化和守恒定律。
②意义:能量转化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。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。
3.能量的转移和转化的方向性
①能量的转化和转移有一定的方向性。
如内能总是自发地从高温物体转移到低温物体,而不能自发地从低温物体转移到高温物体;机械能可以自发地转化为内能,而内能不能自发地转化为机械能。
②“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。
易错点辨析
易错点1:是否做功的判断
易错点描述:学生无法分辨或忽视是否做功的判断
辨析与正确观点:不做功的情况
力与距离垂直(如提水桶水平走路,提力不做功)
有距离无力(如踢出去的足球在空中飞行,脚对球已无力)
有力无距离(如推石头没推动)。
易错点2:功率公式P = Fv的应用
易错点描述:直接使用公式,但忽视公式的适用条件。
辨析与正确观点:当物体在力F作用下做匀速直线运动时,可用P = Fv计算瞬时功率。此公式常出现在牵引力、骑车等情境中。
易错点3:机械能守恒的条件
易错点描述:分析能量转化时,常常忽视机械能是否守恒的判断。
辨析与正确观点:“只有动能和势能相互转化”并不等同于机械能一定守恒。
守恒条件:必须只有重力或弹力做功。
典型不守恒情景:存在摩擦力、空气阻力、人力做功等(如滑滑梯、跳绳、滚动的球慢慢停下)。
易错点4:探究动能大小影响因素实验
易错点描述:误认为实验中斜面的高度或长度是变量,其实高度决定了小球到达水平面的初速度。
辨析与正确观点:探究“动能大小与哪些因素有关”的实验中,控制变量法是关键。
如何比较动能大小:看木块被撞后移动的距离(转换法)。
易错点5:力臂作图
易错点描述:把支点到力作用点的距离当作力臂。
辨析与正确观点:力臂是支点到力的作用线的垂直距离。务必先用虚线延长力的作用线,再作垂线段。
易错点6:滑轮组的受力分析
易错点描述:忽略动滑轮自身的重力。
辨析与正确观点: 省力情况取决于承担物重的绳子段数n。F = (G物 + G动)/n,
如何找n:与动滑轮直接接触的绳子段数。(口诀:“奇动偶定”)。
易错点7:温度、热量、内能的关系
易错点描述:混淆热量和内能的概念,不了解温度与两者的关系。
辨析与正确观点:温度:是状态量,表示物体冷热程度。
热量:是过程量,只存在于热传递中,用“吸收”或“放出”来描述。
内能:是状态量,所有物体在任何温度下都有内能。
正确关系:物体吸收热量,内能一定增加,但温度不一定升高(如晶体熔化、液体沸腾时)。
易错点8:电功 (W) 和电热 (Q) 的关系
易错点描述:分不清纯电阻电路和非纯电阻电路的区别。
辨析与正确观点:纯电阻电路(如电炉、白炽灯):W = Q (电能全部转化为内能),可用 W = Q = UIt = I²Rt = U²t/R
非纯电阻电路(如电动机、充电器):W>Q (电能转化为内能和其他能),只能用W= UIt算总功,用Q = I²Rt 算产生的热量。
易错点9:实际功率与额定功率
易错点描述:误认为接入电路后用电器的功率就一定是额定功率。
辨析与正确观点:额定值:用电器正常工作时的电压和功率。
实际功率随实际电压变化:P实 = (U实/U额)²·P额。
方法提炼
1. 功和功率的理解与计算
考法:①判断力是否做功(物体是否在力的方向上移动距离)。
②结合运动学公式进行功和功率的计算。
③P = Fv在汽车牵引力问题中的应用。
解题方法:
做功判断:紧扣做功的两个必要因素,缺一不可。特别是“力的方向”与“运动方向”的夹角。
计算题:先进行受力分析,找出要计算的力 F,再确定在这个力方向上移动的距离 s,最后代入 W = Fs计算。功率通常用 P = W/t或 P = Fv计算。
易错点:计算总功时,F和 s要对应。例如,用滑轮组提升重物时,拉力 F做的功是总功,对应的 s是绳子自由端移动的距离,s = nh(n为绳子股数)。
2. 机械能及其转化
考法:①识别物体具有哪种形式的机械能。
②分析物体在运动过程中动能、重力势能和弹性势能的相互转化情况。
③判断机械能是否守恒(通常只有动能和势能的转化,且不考虑摩擦阻力时,机械
能守恒)。
解题方法:
判断能量:运动物体具有动能;被举高或发生弹性形变的物体具有势能。
分析转化:质量不变时,高度减小 → 重力势能减小 → 动能增大(速度增大);速度减小 → 动能减小 → 重力势能增大(高度增加)。
守恒判断:如果有摩擦、空气阻力等,则机械能不守恒,部分机械能会转化为内能。
3. 简单机械与机械效率
考法:①识别生活中的杠杆,并画出力臂。
②利用杠杆平衡条件(F₁L₁ = F₂L₂)进行计算。
③滑轮组的绕线、省力判断和计算。
④计算各种机械的有用功、总功和机械效率。
解题方法:
画力臂:先找支点O,再画力的作用线,最后从支点向力的作用线作垂线段。
杠杆平衡:通常根据平衡条件列方程求解。注意动力和阻力的方向。
滑轮组:省力公式 F = (G物 + G动)/n,距离关系s绳 = n h物。
机械效率:η = W有用 / W总 × 100%
竖直滑轮组:W有用 = G物 h,W总 = F s = F × n h
斜面:W有用 = G h,W总 = F L(L为斜面长)
提高效率的方法:减小摩擦、减轻机械自重(动滑轮重)、增加物重。
热机效率的计算(η = W有用 / Q放)。
4. 内能、比热容与热量的计算
考法:①理解内能、温度、热量的区别与联系。
②用比热容解释现象(如沿海地区温差小)。
③利用 Q = cmΔt进行热量计算。
解题方法:
概念辨析:内能是状态量;热量是过程量,是内能变化的量度;温度是分子平均动能的标志。
热量计算:分清是“升高到”还是“升高了”(Δt)。注意公式中质量 m的单位是kg。
热机效率:Q放是燃料完全燃烧放出的热量(Q放 = mq或 Q放 = Vq),W有用是转化为机械能的那部分。
5. 电功和电功率的综合计算
考法:①电能表读数和电能计算。
②区分额定电压、额定功率和实际电压、实际功率。
③结合串并联电路特点,进行电功、电功率的计算。
④焦耳定律(Q = I²Rt)的应用和计算。
解题方法:
电能计算:W = Pt或 W = UIt。注意单位换算(1kW·h = 3.6×10⁶J)。
灯泡问题:电阻R = U额²/P额,通常不变,是连接额定状态和实际状态的桥梁。已知额定值,求实际功率:先求 R,再用 P实 = U实²/R计算。
焦耳定律:对于纯电阻电路(如电热器),Q = W = UIt = Pt = U²t/R。对于非纯电阻电路(如电动机),Q<W,只能用 Q = I²Rt计算电热。
6. 能量转化与守恒定律
考法:①识别各种现象中的能量转化形式。
②用能量守恒定律判断过程能否发生(如第一类永动机不可能实现)。
③进行简单的能量转移和转化的定量分析。
解题方法:这是定性和半定量的考点。回答时描述清楚“什么能”转化为“什么能”即可。能量守恒则用于判断题干描述的过程是否违背科学原理。
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