三、 能量转化的基本规律（培优教学课件）物理新教材苏科版九年级下册

该初中物理课件聚焦“能量转化的基本规律”，核心涵盖能量守恒定律及能量转移转化的方向性。通过回忆能量概念与形式，结合钻木取火等实例提问，衔接已学能量知识，搭建从“能量是什么”到“转化规律”的学习支架。 其亮点在于融合科学探究（乒乓球自动“上滚”实验）、科学思维（永动机案例辨析）与科学态度（能量守恒定律建立史阅读），辅以《能量守恒定律》等视频资源。例题联系风能路灯、蒸汽船等实际，强化能量观念，助力学生深化理解，也为教师提供结构化教学素材。

江苏凤凰科学技术出版社 九年级物理 下册 义务教育教科书 第十八章 能源与可持续发展 从钻木取火到化石能源的利用，再到新能源开发， 能源的更迭推动着时代的进步。 伴随着蒸汽机、内燃机、电动机等的使用， 人类社会发生了日新月异的变化。 但大量非清洁能源的使用，也引发了严重的大气污染、水污染...... 节约能源、保护环境、呵护地球， 人类才能走上可持续发展的道路! 三、能量转化的基本规律 导入新课 第三节 能量转化的基本规律 ①能量：物体能够做功就具有能量。 ②自然界存在着各种形式的能量。例如：机械能、内能、电能、太阳能、化学能、核能等. 这些不同形式的能量可以相互发生转化吗？在转化的过程中有没有规律呢？这就是我们今天要研究的问题。 回忆能量的概念 想一想 1. 了解能量的转移与转化。 2. 知道能量守恒定律，会用能量守恒定律分析与计算相关问题。 3. 知道能量的转移与转化有一定的方向性。 学习目标 第三节 能量转化的基本规律 重点与难点 教学重点： 1. 能量的转移与转化。 2. 能量守恒定律。 教学难点： 能量的转移与转化具有方向性。 第三节 能量转化的基本规律 学习内容 1. 能量守恒定律 2. 能量转移和转化的方向性 3. 实践与练习 4. 综合提升训练 第三节 能量转化的基本规律 一、能量守恒定律 第三节 能量转化的基本规律 一、能量守恒定律 我们是在能量转化或转移过程中利用能量的。已经学过的能量形式主要有：机械能、内能、化学能、电能、核能及太阳能等。 1. 能量的转化——不同种形式的能量可以发生转化 ①钻木取火 ②水轮机带动发电机发电 ③LED灯发光 转化 机械能 内能 转化 机械能 电能 转化 电能 光能 一、能量守恒定律 ④电风扇通电转动 ⑤太阳能电池板 ⑥植物的光合作用 转化 电能 机械能 转化 太阳能 电能 转化 光能 化学能 一、能量守恒定律 同一种能量从一个物体转移到另一个物体，或者是从物体的一部分转移到另一部分，能量的形式并没有发生变化。 2. 能量的转移 流水推动水轮机旋转： 水的机械能➛水轮机的机械能 热传递时，内能转移： 水的内能 ➛人体内能 一、能量守恒定律 我们是在能量转化或转移过程中利用能量的。历史上曾有人设想，如果能够设计出不需要消耗能量却能自动运转的机器该有多好！那样的话，所有的能源危机就不会发生了。你有过这种想法吗？ 一、能量守恒定律 活动——探究乒乓球自动“上滚”的奥秘 议一议 用两支铅笔在水平桌面上搭成如图所示的斜坡，将乒乓球放在斜坡的低处，松手后会看到乒乓球向斜坡高处滚动。 此现象是否说明乒乓球可以自动从低处滚向高处? 乒乓球自动“上滚” 一、能量守恒定律 量一量：分别测量乒乓球在斜坡低处和高处时距离桌面的高度，你有什么发现? 试一试：将两支铅笔平行放置搭成斜坡，重做上述实验，乒乓球还会自动“上滚”吗? 结论：测量后你会发现，看似向上滚动的乒乓球，它的重心仍然是下降的，即它的重力势能减小，转化为乒乓球的动能，在这一过程中乒乓球的机械能并没有增加。 生活中大量事实表明，某一能量的增加必然伴随着其他能量的减少。 一、能量守恒定律 3. 能量守恒定律 能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一，也是自然界最普遍、最重要的基本规律之一，恩格斯把它称作“伟大的运动基本定律”。自然界的一切变化过程，小到微观粒子，大到宇宙天体，只要有能量的变化，都无一例外地遵循能量守恒定律。 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其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，在转化或转移的过程中，总量保持不变。 这就是能量守恒定律。 一、能量守恒定律 视频欣赏——《能量守恒定律》 一、能量守恒定律 4. 永动机 （1）永动机 永动机的想法起源于印度，公元1200年前后，这种思想从印度传到了伊斯兰教世界，并从这里传到了西方。在欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。 永动机是一种不需要外界输入能量或者只需要一个初始能量就可以永远做功的机器。 这种机器有可能制成吗？ 一、能量守恒定律 （2）永动机失败的原因 如图所示是一种永动机设计图，轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿顺时针方向转动下去，并且带动机器转动。 这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。 这种机械是不可能制造出来的，原因是违反了能量守恒定律。 视频欣赏——《永动机》 一、能量守恒定律 一、能量守恒定律 【例题1】如图是“风能——太阳能”路灯电路示意图，下列关于能量转化的说法正确的是（　　） A．太阳能电池供电：电能→太阳能 B．风力发电机发电：电能→机械能 C．蓄电池充电：电能→化学能 D．路灯工作：电能→化学能 C 一、能量守恒定律 【解析】A．太阳能电池吸收太阳能，获得电能，是将太阳能转化为电能，故A错误； B．风力发电机利用电磁感应将风的机械能转化为电能，故B错误； C．给蓄电池充电时，消耗电能，变成化学能储存在电池中，是电能转化为化学能，故C正确； D．路灯工作时，消耗电能，将电能转化为光能和部分内能，故D错误。 故选C. 一、能量守恒定律 【例题2】图是课外兴趣小组制作的“蒸汽船”模型，在铜制容器中盛有一定量的水之后安装在“船体”上，用蜡烛对铜质容器底部加热，一段时间后铜质容器内水温升高产生蒸汽，铜管会向右喷出蒸汽，“蒸汽船”就会向左行驶，下列说法正确的是（　　） B A．水变热是通过做功来改变内能的 B．“蒸汽船”运动时能量转化与热机做功冲程相同 C．水在沸腾时会有热量的散失，所以能量不守恒 D．“蒸汽船”在向左运动时主要将机械能转化为内能 【解析】A．蜡烛燃烧放出的热量被水吸收， 使水的内能增大，这是通过热传递的方式改变水的内能，故A错误； BD．当铜管向右喷蒸汽时，“船体”向左运动，这个过程的能量转化是内能转化为机械能。这与热机做功冲程的能量转化相同，故B正确，D错误； C．水在沸腾时，一部分水吸收热量变为水蒸气，剩余的水内能减小，但水和水蒸气总的能量不变，符合能量守恒定律，故C错误。 故选B。 一、能量守恒定律 一、能量守恒定律 5. 读一读 18世纪末到19世纪初，随着对动力学研究的深入，人们已经初步形成了机械能转化和守恒的思想。同时，各种自然现象之间的联系相继被发现。 摩擦生热实验把“热”和“功”，即物体内能的变化与机械运动联系起来； 伏打电池发明后不久，电流的热效应、磁效应相继被发现； 生物学领域证明了动物维持体温和生理活动的能量跟它所摄取食物的化学能有关。自然科学的这些成就，为建立能量守恒定律奠定了必要的基础。 能量守恒定律是如何建立的 一、能量守恒定律 19世纪中叶，德国医生迈尔从生理学的角度对能量进行了研究，最先阐述了能量转化和守恒的思想。英国物理学家焦耳在30多年的时间里，做了400多次实验，测定了热和功之间的当量关系，为能量守恒定律的确立奠定了坚实的实验基础。德国物理学家亥姆霍兹最早在论文里对能量守恒定律作出了清晰、全面的论述。 还有一批科学家，彼此独立地进行研究，从不同角度互相印证了这一伟大的定律。因此，能量守恒定律的建立是自然科学发展的必然结果，是对客观世界本质和规律的认识。 焦耳测量热功当量数据所用的实验装置 二、能量转移和 转化的方向性 第三节 能量转化的基本规律 二、能量转移和转化的方向性 这的确是个令人困惑的问题。 既然能量是守恒的，不会凭空消失，那么，为什么会发生能源危机呢？ 二、能量转移和转化的方向性 1. 能量转移的方向性 （1）观察以下日常生活中经常发生的一些现象，为什么？ 如图所示，瀑布飞流而下，这是因为： 如图所示，热水中的冰块逐渐熔化，这是因为： 自然状态下水总是从高处流向低处。 自然状态下热量总是从高温物体传递到低温物体。 二、能量转移和转化的方向性 （2）想一想，以下情况会发生吗? ①房间里充满空气。突然，这些空气自行聚拢到某一个角落，如图所示。 ②一杯水的内能自发集中到这杯水的上层，使上面的水剧烈地沸腾，而下面的水却结成了冰，如图所示。 这两幅图所示的情况并不违反能量守恒定律，但却不可能发生，这是为什么呢？ 结论：自然界中许多自发的过程都是有方向的，或者说： 能量的转移是有方向的。 房间的空气会自行聚拢吗 上面的水自发地沸腾、下面的水自发地结冰，可能吗 二、能量转移和转化的方向性 （1）电灯发光时，有一部分电能转化为内能散失到空气中，但这些内能却无法自动地转化为电能。 （2）在汽车制动过程中，它的动能转化为地面、轮胎、空气的内能，这些内能同样无法自动地转化为机械能再用来驱动汽车。 2. 能量转化的方向性 能量的转化是有方向的。 以上事例表明： 二、能量转移和转化的方向性 典例分析： 钟表上紧发条工作，但终会停下，机械能完全转化为内能，没有任何外界的影响或帮助，是一个“自发过程”。 “自发过程”是一个不可逆的过程. 但是若要钟表自动从周围环境吸热，使这部分内能转化为发条的弹性势能是不可能做到的。 内能并非不可能转化为其他形式的能量，而是必须满足一定的条件，例如，热机就可以实现这样的转化，但这种转化必须满足一定的条件。 结论：能量的转移和转化是有方向性的。 二、能量转移和转化的方向性 由于我们是在能量转化或转移过程中利用能量的，而在这个过程中，总会有一部分能量转化成内能散失到周围的环境中，这些能量虽然还在自然界中，但却无法自动转化为其他形式的能量，因而很难或无法再利用，也就是说，经转化后，可利用的能量只会减少，因此节约能源和更有效地利用能源是人类需要解决的重要问题. 能量守恒定律以及能量转移和转化的方向性原理将我们对自然界各种现象和各个学科（物理科学、化学科学、地球科学、空间与宇宙科学、生命科学等）的认识联系起来，是人类从事生产活动和社会活动所必须遵守的基本准则之一。 3. 节约能源和更有效利用能源的原因 【例题3】如图甲所示，盛水的容器中有A、B两个完全相同的玻璃杯，A中装有适量的水，B 倒扣着放入盛水的容器中。用酒精灯给容器加热，A中的水______（选填“能”或“不能”）达到沸点；B中的水_____（选填“能”或“不能” ）沸腾，原因是加热过程中，杯中封闭气体的压强变大，B杯中水的沸点______ 。 不能 能 升高 有人设想：是否可以玻璃杯里水的内能自发集中到水的上层，如图乙所示，使得上层水沸腾，下层水结冰。因为能量的转化和转移有_______，因而不可能发生。 二、能量转移和转化的方向性 方向性 【解析】水沸腾的条件有二个，一是达到沸点，二是持续吸热。图甲中，烧杯中的水可达到沸点并持续吸热，可以沸腾，水沸腾后温度不再升高；A杯中的水也可达到沸点，但达到沸点后，A杯内外的水温度相同，杯内的水无法继续吸收热量，不能沸腾。加热过程中，B杯中封闭气体的压强增大，B杯中水的沸点升高，水温不能达到沸点，所以不能沸腾。 能量的转化和转移具有方向性，热量不能自发的从低温物体传递到高温物体。 二、能量转移和转化的方向性 三、课堂总结 第三节 能量转化的基本规律 课堂总结 能量守恒 定律 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其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，在转化或转移的过程中，总量保持不变。 不同形式的能量可以发生转化；同种形式的能量可以发生转移。 能量的转 移和转化 能量转化的 基本规律 能量的转移和转化是有方向性的。经转化或转移后，可利用的能量只会减少，因此节约能源和更有效地利用能源是人类需要解决的重要问题。 能量转移和 转化的方向性 四、实践与练习 第三节 能量转化的基本规律 实践与练习 1. 人类发明和制造的一些机械设备可以看作是一种能量转换器。按照这种观点，分别说出蒸汽机、发电机和电动机的能量转化过程。 【解析】蒸汽机：把燃料的内能转化为机械能； 发电机：把机械能转化为电能； 电动机：把电能转化为动能和部分内能。 实践与练习 2. 小华在做如图所示的滚摆实验时，发现滚摆每次上升的高度逐渐减小。小华想：“这是否说明在动能与重力势能相互转化的过程中，整个装置的能量不守恒呢?这不是与能量守恒定律相矛盾吗？”请你帮小华解决她的困惑。 【解析】本题所描述的现象只能说明，在动能和势能相互转化的过程中，滚摆的机械能不守恒。因为有一部分机械能克服绳子和空气阻力做功，转化为内能。但机械能和内能的总和是不变的。即并不与能量守恒定律相矛盾。 实践与练习 3. 有人设计了如图所示的“永动机”：在距地面一定高度处架设一个水槽，水从槽底的管中流出冲击水轮机，水轮机的轴上安装有一个抽水机和一个砂轮。他希望抽水机把下面水槽里的水抽上去，这样循环不已，机器不停地转动，就可以永久地用砂轮磨制工件了。 请分析高处水槽中水的势能转化成了哪几种形式的能量？这个机器是否能永远运转下去? 实践与练习 【解析】 高处水槽中水的势能在下落时转变成水的动能、水轮机和砂轮的动能，而动能又在克服摩擦力做功的过程中转化为内能以及在抽水机向上抽水的过程中再次转化为水的势能。 从能量守恒的观点来看，启动之后，外界不再对机械提供能量，而机械却既要不断克服摩擦阻力做功，还要使水的势能增加，因此初始时水的势能一会儿就消耗掉了，故这个机器不可能永远运动下去。 五、综合提升训练 第三节 能量转化的基本规律 综合提升训练 1. 如图是一种新型的风光互补景观照明灯，它头顶小风扇，肩扛太阳能电池板，腰挎照明灯，脚踏蓄电池，下列解释正确的是（　　） A．蓄电池夜晚放电时将电能转化为化学能 B．照明灯工作时， 灯是将机械能转化为光能 C．太阳能电池板将电能转化为太阳能 D．利用风力发电时，“小风扇”将机械能转化为电能 D 【解析】A．蓄电池在放电时，由自身的化学能转化为电能，故A错误； B．LED灯工作时，是将电能转化为光能，故B错误； C．太阳能电池板是将太阳能（光能）转化为电能，故C错误； D．风力发电机工作时，通过风带动“小风扇”旋转，将机械能转化为电能，故D正确。故选D。 综合提升训练 2．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（　　） D 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 【解析】A．水流冲击叶片转动，是水的机械能转化为砂轮的机械能，故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。 综合提升训练 3．将热水倒进玻璃杯中，玻璃杯会变热，下列说法正确的是（　　） A．水将温度传给了玻璃杯 B．水含有的热量减少 C．玻璃杯增加的内能大于水减少的内能 D．能的总量保持不变 D 【解析】A．温度是指物体冷热程度，温度不能传递；将热水倒进玻璃杯中，玻璃杯会变热，是水将热量传给玻璃杯，故A错误； B．热量是过程量，只能用“吸收”和“放出”描述，不能用“含有”描述，故B错误； C．将热水倒进玻璃杯中，温度高的热水放出热量，温度低的玻璃杯吸收热量，水的内能减少，玻璃杯的内能增大；此过程中，热水放出的热量会有一部分被空气吸收，玻璃杯不能完全吸收热水放出的热量，所以玻璃杯增加的内能小于水减少的内能，故C错误； D．根据能量守恒定律可知，某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，能的总量保持不变，故D正确。故选D。 综合提升训练 综合提升训练 4. 如图所示，粗糙的弧形轨道竖直固定于水平面上，小球由A点以速度v沿轨道滚下，经过右侧等高点B后到达最高点C，下列分析不正确的是（　　） A．整个过程只有重力对小球做功 B．小球在A、B、C三点的速度大小关系是vC＜vB＜vA C．小球在运动过程中能量是守恒的 D．小球在A、B两点的动能之差等于小球从A点到B点克服摩擦力做的功 A 【解析】A．小球受到竖直向下的重力的作用， 下落中，竖直方向移动了距离，小球的重力是 做功的，因为是粗糙的弧形轨道，所以要克服摩擦力做功，故A错误； B．小球运动过程中，要克服摩擦力做功，机械能减小，小球质量不变，小球在A、B两点时等高，故重力势能相等，但机械能减小，故B点动能较小，速度较小，小球在C点时的高度最高，即重力势能最大，但机械能减小，故C点时动能最小，速度最小，故小球在A、B、C三点的速度大小关系是vC＜vB＜vA，故B正确； C．据能量守恒定律可知，小球在运动过程中能量是守恒的，故C正确； D．小球下落过程中，减小的动能全部用来克服摩擦力做功，所以小球在A、B两点的动能之差等于小球从A点到B点克服摩擦力做的功，故D正确。 综合提升训练 【解析】A．能量转化效率可以提高，但是不可能达到100%，故A正确； B．根据能量守恒定律可知，不能制造出永动机，故B错误； C．我国物产丰富，但是能源不足，存在能源危机，故C错误； D．根据新能源的特点可知，新能源的开发和利用比较安全、污染较小，故D错误。故选A。 综合提升训练 5．能源是人类一切物质生活、社会经济发展的基础，从古至今，人类对能量与能源的研究从未停止。下列对能量和能源的说法正确的是（　　） A．能量转化效率可以提高，但不能达到100% B．根据能量守恒定律，人们应该大力研制永动机 C．我国物产丰富，能源充足，不存在“能源危机” D．新能源的开发和利用绝对安全且没有任何污染 A 综合提升训练 6. 将小球水平抛出，其部分运动轨迹如图甲所示，小球在运动过程中经过A、B两点，在这两点的动能和重力势能的关系如图乙所示，若A 、B 两点为图甲中“①、②、③”点中的某两点，则B点可能是其中的____（选填“①”、“②”或“③”）点；整个能量  转化的过程中，能的总量 （选填“守恒”或“不守恒”）。 ① 守恒 【解析】B点的动能300J，占总能量的60%，总的机械能 B点重力势能为500J×40%=200J A点重力势能200J，占总能量的60%，那么A点的总机械能 A、B两点的重力势能，则它们高度相同，B点的机械能比A点的机械能更大，故B点可能是①点。 自然界的能量不会变多，也不会变少，能量总是从一个物体转移到另一个物体，或者从一种能量转换成另一种能量，在能量转移和转化的过程中能量总是守恒的，故题中情形能量转化过程中，能量总是守恒的。 综合提升训练 Lavf58.45.100 Lavf59.27.100 $