第2章 能的转化与能量守恒 知识点2026-2027学年浙教版科学九年级上册

第二章 能的转化与能量守恒 第1节 功和机械能 一、科学中的功 1.定义：如果一个力作用在物体上，且物体在这个力的方向移动了一段距离，就说力对物体做功。 2.做功两个必要因素，二者缺一不可 ① 作用在物体上的力F； ② 物体在力的方向移动距离s 3.三种不做功情况 ①有力无距离（俗称劳而无功），如：推物体未推动，举着物体不动等。 ②有距离无力，如：踢出去的足球，离脚之后依靠惯性运动，不受推力拉力，人对球做功W=0，但是在脚与球接触的过程中，F和S都是有的，只是S比较小，所以整个过程中，脚对球还是做功的。 ③力的方向和物体运动方向垂直，如：某人提着篮子，水平移动 4.符号：W 5.克服力做功：物体运动方向与受力方向相反，称为克服该力做功；如：竖直上升时克服重力做功。 二、功的计算 1.计算公式：功=力×距离，即W=Fs；竖直提升物体克服重力做功W=Gh。 2.单位：焦耳（J），1J=1N·m；含义：1 牛的力使物体移动1米，做功1焦。 3.对功的计算公式的理解： (1)要明确是哪个力对哪个物体做功，或者是哪个施力物体对哪个受力物体做功。 (2)公式中的F是作用在物体上的力，公式中的s是物体在力F作用下，在力的方向上通过的距离。 (3)W=Fs中的F，在使物体沿着F方向移动s距离的过程中，始终作用在物体上，其大小和方向是不变的。 三、功率 1.定义：物体做的功与做功所用时间之比叫做功率。数值上等于物体单位时间所做的功。 2.意义：表示物体做功快慢的物理量，也可以说是能量转化快慢的物理量。 3.符号：P 4.计算功率的公式：功率= ，即：。可得W=Pt 5.功率的单位：瓦特，简称瓦，用符号“”表示（1=1J/s=N·m/s表示物体1s做了1J的功）。 1 k=103 1M=106 说明： (1)功率越大，反映了完成功的“速度”越快，但并不代表做功一定越多。 (2)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。 (3)功率是机器的主要技术指标之一。工作时，根据需要选择功率合适的机器。若概率选择不当，可能毁坏机器。 四、功与能 1.物体具有做功的本领，科学上就说这个物体具有能。 2.对物体做功使物体获得相应的能，而具有能的物体也可以对外做功。 3.做功的实质 物体具有做功的本领，是因为它具有能。做功的实质是能的转化过程，力对物体做了多少功，就有多少能发生转化。因此，可以用做功的多少来量度能的转化的多少。能的单位和功的单位一样，也是焦耳。 五、动能、势能 课本上研究动能实验的注意事项： ①使质量不同的小钢球从同一高度静止释放的目的：使小钢球到达水平面时的初速度相同； ②如何改变小钢球的速度：使小钢球从不同高度滚下； ③斜面的作用：使小钢球具有速度并改变小钢球速度的大小； ④当水平面绝对光滑，小钢球将做匀速直线运动，不能达到探究目的； ⑤用小钢球做实验的不足之处：不能保证小钢球在水平面上沿直线运动。改进：改用圆柱体或斜面上做轨道。 区别 类型 概念 特点 影响其大小的因素 动能 物体由于运动而具有的能量 凡是运动的物体都具有动能 质量、速度 势能 重力势能 物体由于被举高而具有的能且有的能重 凡是被举高的物体都具有重力势能 质量、被举高度 弹性势能 物体由于发生弹性形变而具有的能量 凡是发生弹性形变的物体都具有弹性势能 发生弹性形变的程度、材料 六、动能与势能的转化 1.动能和重力势能之间可以相互转化，一般发生在仅有重力作用下的运动过程中。 (1) 摆锤的摆动：在摆锤向下摆动的过程中，高度越来越低，速度越来越大，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能；在摆锤摆过中点向上摆动的过程中，反之。 （1） （2） （3） (2) 滚摆的运动：在滚摆下降的过程中，高度越来越低，速度越来越大，重力势能减小，动能增大，重力势能转化为动能；在滚摆上升的过程中，高度越来越高，速度越来越小，重力势能增大，动能减小，动能转化为重力势能。 (3) 光滑轨道上从高处滚下的小球：小球在A点速度是零，不具有动能，只具有重力势能；B点是最低点，只具有动能；C、D两点既有动能又有重力势能。小球在滚动过程中，从A点到B点，重力势能转化为动能；从B点到C点，动能转化为重力势能；从C点到B点，重力势能转化为动能；从B点到D点，动能转化为重力势能。 2. 动能和弹性势能的相互转化 当压缩弹簧时，弹簧就储存了弹性势能，放手后弹簧的弹性势能转化为木块运动的动能。弹簧被压缩得越短，即弹性形变越大，弹簧的弹性势能越大，放手后木块运动距离越远。 3.机械能守恒 如(1)、(2)两实验中，若没有空气阻力，摆锤和滚摆每次都会上升到原来的高度。即无阻力时，动能会完全转化为重力势能（或重力势能完全转化为动能）。 动能和势能统称为机械能。物体的动能和势能可以相互转化，而且在转化过程中，如果只有动能和势能的相互转化，即没有阻力等原因造成的机械能损失，机械能的总量就保持不变，即机械能守恒。 4.伽利略斜面实验 在不存在摩擦、阻力的理想条件下，小球只有动能和重力势能相互转 化，动能与重力势能总和（机械能）保持不变，即机械能守恒。 5.动能与是势能相互转化的几种模型 （1）撑杆跳高 撑杆跳高运动员在起跳前助跑：动能增大；起跳初：动能转化为运动员的重力势能和撑杆的弹性势能；撑杆释放弹性势能：撑杆的弹性势能转化为运动员的机械能；越过横杆后：运动员的重力势能转化为动能。 （2）常见的动能势能转化情况 示例 动能 势能 机械能（计阻力） 自由落体的物体（速度会越来越大） 增 减 减 匀速下落的物体 不变 减 减 匀速水平飞行（或行驶）的物体 不变 不变 不变 飞机一定高度匀速飞行，给地面空投救灾物质 减 减 减 （3）蹦床模型（不计空气阻力）：（4）蹦极模型（不计空气阻力）：类似蹦床模型 整个过程可以归纳为：人先匀加速（重力势能转化为动能），再变加速（重力势能转化为动能和弹性势能），直到速度达到最大（重力等于弹力），然后变减速（机械能转化为弹性势能），直到速度为零。在空中阶段人机械能守恒，其余阶段不守恒。人在最低点受力不平衡。整个过程中，动能先增大后减小，重力势能减小，弹性势能增大（接触蹦床后）。 （5）卫星在远地点和近地点之间的能量变化情况：总机械能不变，从远地点到近地点，动能变大，重力势能变小 第2节 物体的内能 一、内能 1.热运动：物体内部大量粒子的无规则运动； 2.扩散现象：温度越高，粒子的无规则运动越剧烈 3.内能：物体内部大量做热运动的粒子所具有的能，俗称“热能”是微粒热运动的动能和分子势能的总和。 （1）单位：焦耳； （2）内能包括分子动能（分子等微粒无规则运动而具有的能）和分子势能（分子等微粒间的相互作用而具有的能） （3）内能的特点： ① 一切物体，无论温度高低都具有的内能，无论高温钢水、低温冰雪都有内能； ② 影响内能的因素 a.内能大小与温度有关，温度越高，微粒的无规则运动越剧烈，内能越大；【内能增大，温度却不一定升高，如物体熔化时或沸腾时，内能增大，但温度却不变】 b.内能大小与质量（微粒的个数多少）有关 c .内能大小与物质的状态有关,同种物质，质量相同、温度相同时,处于气态时的内能大于液态时的内能，处于液态时的内能大于固态时的内能。 ③ 内能≠机械能：内能是微观分子能量总和，永远不为零；机械能是物体宏观运动或形变能量，可以为零，二者可相互转化。 二、物体内能的改变 1.热传递 （1）规律：内能由高温物体（或高温部分）传递到低温物体（或低温部分），直至温度相等时结束； （2）实质：能的转移过程，且温差越大能的传递越快； （3）条件：物体之间或物体的不同部位存在温度差，温度差越大，热传递越快； （4）热量：在热传递中，传递能量的多少，是过程量。只能说吸收或放出热量，不能说物体 “含有热量”。 用Q表示，单位：焦（J） （5）物体从外界吸收多少热量，内能就增加多少；物体向外界放出多少热量，内能就减少多少。所以可以用热量来度量内能的变化。 2.做功改变物体的内能 （1）外界对物体做功，物体的内能增加；【实质：其他形式的能转化为物体的内能】 四种方法：① 压缩体积；② 摩擦生热；③ 锻打物体；④ 拧弯物体； （2）物体对外做功，物体的内能减少；如：气体体积膨胀、气球喷气等；【实质：物体的内能转化为其他形式的能】 （3）能量变化：机械能和内能相互转化，做功多少等于内能改变量。 3.二者关系：做功、热传递改变内能效果完全等效，无法根据结果来判断内能的改变方式，但它们也有本质上不同，做功实质上能的转化，热传递实质上能的转移。 4.温度、内能、热量辨析 （1）温度（状态量）：是一个状态量，只能说：“是”多少，而不能“传递”或“转移”的； （2）内能（状态量）：是能量的一种形式，也是一个状态量，通常用“具有”等词来修饰； （3）热量（过程量）：要用“吸收”或“放出”来表述，而不能用“具有”或“含有”来表述，只存在热传递过程，无传递则无热量。 三、比热容 1.定义：一定质量物质升温吸收热量与它的质量、升温乘积的比值，符号c。 2.单位：焦每千克摄氏度，符号是J/(kg·℃)；水的比热容4.2×103 J/(kg·℃)。 3.物理意义：1kg 水升高或降低 1℃，吸收或放出4.2×103 J热量。 4.特性： （1）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。 （2）比热容与物质的种类、状态有关，与物质的质量、温度、吸收或放出的热量无关。 5.水的比热容大，所以同一海边，水的温度变化比砂石小的多；同样阳光照射条件下，一天之内内陆地区气温变化比沿海大。水也因比热容大，常被用作制冷剂和用来取暖。 四、热量的计算 1.升温吸热：Q吸=cm(t-t0) t0初温，t末温，t=t- t0升高温度 2.降温放热：Q放=cm (t0 - t)，t = t0 - t降低温度 3.通用公式：Q=cm∆t，∆t表示温度变化量。仅适用于物态不变的升温、降温过程。 4.热平衡方程：无热量损耗时，高温放出热量 = 低温吸收热量，Q吸=Q放。 五、燃料的热值 1. 燃料：木柴、煤、石油、天然气、沼气等都是燃料，燃料燃烧放出热量，将贮存在燃料中的化学能转化为内能。 2.热值定义：一定质量的某种燃料完全燃烧放出的热量与它的质量的比，叫作这种燃料的热值，用符号q表示。1kg某种燃料完全燃烧放出的热量。 3.单位：焦每千克（J/kg）。 4.计算公式 Q放=mq Q放：燃料完全燃烧放出的热量，单位： J； q：燃料热值，单位： J/kg； m：燃料的质量，单位： kg。 5.特性：热值是燃料固有属性，只和燃料种类有关，与质量、燃烧是否完全无关。 6.燃料利用率提升途径：充分燃烧、减少散热损失；燃料很难完全燃烧，燃料燃烧放出的热量也不大可能完全得到利用，所以热效率：η=×100%。 六、化学反应中的能量变化 1.放热反应：反应过程向外释放热量，体系温度升高。 如：燃烧、镁和稀盐酸、生石灰加水。 2.吸热反应：反应吸收外界热量，体系温度降低。 如：氢氧化钡和氯化铵、碳酸钙高温分解、碳还原二氧化碳。 3.本质：化学能与内能之间相互转化。 第3节 电能 一、电能与电功 1.电能 （1）来源：水能、风能、太阳能等转化而来；用电器可将电能转化为光能、声能、机械能、内能、化学能。 （2）单位：国际单位J；常用单位：度（kW·h），换算1kW·h=3.6×106J 2．电功 （1）定义：电流做的功，符号W； （2）实质：电能转化为其他形式的能，消耗多少电能，就说电流就做多少功，即电功是多少。 3．电能表 （1）作用：测量用电器在一段时间里消耗的电能； （2）计量单位：千瓦时（kW·h）俗称“度”。1kW·h的意义：功率为1千瓦的用电器正常工作1小时所消耗的电能为1kW·h即3.6×106J。 （3）电能表的参数及意义 该电能表每转1转消耗多少电能？ 转60转呢？转1200转呢？ 某用电器60s转1200装，求该用电器的功率。 （4）电能表测量电能的方法： （1）测量较大电能时用刻度盘读数：电能表前后两次读数之差，就是这段时间内消耗的电能； （2）测量较小电能时，用转盘读数：通过记录某段时间内电能表指示灯闪烁次数（转盘转数），结合电能表转盘每转表示的电能，计算出该段时间内消耗的电能，即：W=转数×每闪烁一次消耗的电能； 二、电器的电功率 1.电功率 （1）物理意义：表示电流做功的快慢 （2）定义：电流所做的功与完成这些功所用时间之比叫作电功率，数值上等于电流1s内做的功，符号P。 （3）公式：P= （4）单位：瓦（W）、千瓦（kW），1kW=1000W； 2.额定电压和额定功率 （1）额定电压U额：用电器正常工作时的电压 （2）额定功率P额：用电器额定电压下工作时的电功率 （3）注意：额定电压、额定功率是定值，不随实际工作电压改变。 （4）灯泡上标有“36V 60w”，表示额定电压是36V，额定功率是60w。 3.实际电压和实际功率 （1）实际电压U实：用电器实际工作时的电压 （2）实际功率P实：用电器实际电压下工作时的电功率。 （3）功率和电压的关系:灯泡亮度只由实际功率决定。若干灯泡的电压不管是否不同，只要实际功率相同，亮度就相同。例：灯L1“36V 60w”和灯L2“220V 60w”正常发光时，两灯亮度相同。 （4）实际电压和实际功率与额定电压和额定功率的关系 用电器两端的电压 电功率 用电器工作情况 U实=U额 P实==P额 正常工作 U实＞U额 P实＞P额 容易损坏 U实＜U额 P实＜P额 不能正常工作 三、电功率和电功的计算公式 1.影响电功率大小的因素 按图a和图b研究可知：电功率与电流大小和电压大小有关。 2.电功率的计算 （1）用电器的电功率等于用电器两端的电压与通过用电器的电流大小的乘积； （2）公式：P=UI （3）根据欧姆定律I=，纯电阻电路推导公式：P= P=I2R P= 则：U=IR U= I= I= R= R=（在计算时，电阻常通过U额和P额计算出） （4）单位：瓦(w) 1w=1V·A 注意： ①P=常被应用于并联电路，因为并联电路各分支两端的电压都相等； 故：并联电路中：P1:P2=I1:I2=R2:R1 P=I2R常被应用于串联电路，因为串联电路中的电流是处处相等的； 故：串联电路中：P1:P2=U1:U2=R1:R2 例：灯L1“220V 20w”和灯L2“220V 40w”并联在220V的电路中时，两灯的功率之比？（1:2） 串联在220V的电路中时，两灯的功率之比？（2:1） ②无论用电器串联还是并联关系，电路的总功率等于各用电器实际电功率之和； 表达式：P总==P1+P2+P3+…… 3.电功的计算 （1）W =Pt =UIt = t = I2Rt （2）1J = 1V·A·s 4.伏安法测小灯泡电功率 1.实验原理： P=UI 2.器材：电源、开关、导线、小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器（一上一下接线） 3.实验步骤（见教材） 注：①实验时，在移动活动变阻器的滑动触头时，眼睛要看着电压表，看它的示数是不是等于小灯泡的额定电压；先测额定功率再测实际功率。 ②测电阻的三次测量是为了求平均值减小误差；而测功率的三次测量是为了测不同电压下的实际功率并比较灯泡的亮度，故不能取平均值。 4.实验结论：实际电压越高，实际功率越大，灯泡越亮； 5.常见电路故障 （一）接线错误 （1）现象：若灯泡很亮，电压表和电流表的指针偏转较大，移动滑动变阻器，灯泡亮度和电压值、电流值不变； 原因：滑动变阻器同时接在上面两个接线柱或滑动变阻器短路； （2）现象：若灯泡很暗，电压表和电流表的指针偏转较小，移动滑动变阻器，灯泡亮度和电压值、电流值不变； 原因：滑动变阻器同时接在下面两个接线柱； （3）现象：电压表（并联连接）和电流表（串联连接）的指针反向偏转； 原因：电压表或电流表的接线柱接反了； （二）实验操作错误： （4）现象：灯不亮，电压表无示数，电流表有示数； 原因：灯泡短路； （5）现象：灯不亮，电压表有示数，电流表无示数； 原因：灯泡断路； 四、常用电热器 1.电流热效应：电流通过导体发热，电能转化为内能，导体温度升高，称为电流热效应。 2. 实质：电能→内能。 3.应用：电热器发热体选用电阻率大、熔点高的合金丝。 4.实验：电热的影响因素探究 （1）猜想：电热与电阻、电流、通电时间有关。 （2）实验设计（控制变量 + 转换法）：用煤油液面上升高度（或温度计示数）反映产生热量多少。 图2 图1 图1和图2中电阻串联的目的：便于控制电流和通电时间相同 。研究电热与电流的关系， 左右两侧电阻的电流不同。 左侧电流是右侧的两倍。 （3）实验结论 ① I、t相同时，R越大，电热越多； ② R、t相同时，I越大，电热越多； ③ I、R相同时，t越长，电热越多。 5.焦耳定律 （1）内容：电流通过导体产生热量与电流平方、电阻、通电时间成正比； （2）公式（所有电路通用）：Q=I2Rt。 6.纯电阻与非纯电阻区分 项目 电热Q 电功W 定义 电流发热产生的内能 电流做的功，电能可转多种能 适用 全部电路，Q=I2Rt 全部电路W=UIt；纯电阻W= Q 联系 纯电阻：Q=W；非纯电阻（电动机）：W电=W机+Q 7.用电器的高低温档 （1）原理：用电器“档位的变化”主要是由“总电阻”的变化引起的，根据P总 = U总2/R总可以得出：（注：对于家用电器而言U总是不变的，恒为220V） 当R总最大时P总最小，即为低温档。 当R总最小时P总最大，即为高温档。 （2）常见模型 ①串联电路高低温档实现方式： S断开，R总= R1 + R2 S闭合，R总= R1 P高 = ②并联电路高低温档实现方式： S断开，R总= R1 S闭合，R1和R2并联一起工作 P低 = P高 = + ③单刀双掷开关模型 a. S1断开，S2接b，R1 、R2 串联， b.只闭合S1,断开S2 ，只有R1接入电路， P中 = c.闭合S1 ,S2接a ，R1和R2并联， P高 = + 第4节 核能 一、放射性 1.定义：物质发出射线的性质 2.放射性元素：铀、镭、钍等具备放射性的元素。 3.天然放射现象：原子核自发释放射线的现象。 4.特性：元素无论单质、化合物形态均有放射性，放射强弱不受温度、压强影响。 5.三种射线这些射线来自放射性元素的原子核，佐证了原子核内部是有结构的。 α射线：带正电的高速运动的氦电子核流， β射线：带负电的高速运动的电子流， γ射线：高能的电磁波。 5.放射性的利弊 （1）有利应用：工业金属探伤、测板材厚度；辐射育种、食品杀菌；射线放疗治癌。 （2）危害：大剂量辐射破坏动植物、人体细胞组织，损伤器官。 补充：核裂变、聚变均会产生放射性废弃物，分天然、人工两类放射物质。 二、裂变与聚变 1、核能：质量较大的原子核发生分裂或质量较小的原子核相互结合，可能释放出能，这就是核能； 2、核能获得的2种途径： （1）核裂变：质量较大的原子核在中子的轰击下分裂成2个新原子核，并释放出能量的过程； 举例：原子弹（不加控制的核裂变）、核电站（可控制的核裂变） （2）核聚变：使2个质量较小的原子核结合成质量较大的新原子核，同时释放出能量的过程；又叫热核反应。 例：氢弹、太阳 三、核电站 1.装置：核反应堆，实现可控核裂变。 2.能量转化：核能 → 内能（加热水）→ 机械能（汽轮机转动）→ 电能 3.核废料处理:短期存放于厂区专用仓库，长期运送至人烟稀少、地质稳定、远离水源的地下处置场永久深埋。 4.核电站的特点： （1）消耗燃料少，产生的能量巨大，可以大大减少燃料的运输量； （2）特别适用于缺少能源的区域； （3）核电站需防止放射性物质泄漏造成的放射性污染； 第5节 能的转化与能量守恒 一、能的相互转化 1. 能的转移和转化 (1) 能的转移：同一形式的能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。 (2) 能的转化：不同形式的能从一种形式转化为另一种形式。 ① 太阳能的转化 照射植物叶片：光能 → 植物化学能（光合作用） 照射大气层：光能 → 空气动能 太阳能热水器：光能 → 水的内能 太阳能电池板：光能 → 电能 ② 人体能量来源转化 食物中的化学能，经消化吸收转化为人体的内能、机械能、电能等。 ③ 火力发电厂能量转化 燃料燃烧加热水生成水蒸气：化学能→内能 水蒸气推动涡轮：内能→机械能 发电机：机械能→电能 ④ 化学反应中的能量转化 原电池（锌、稀硫酸）：化学能 → 电能 烟花燃放：化学能 → 光能 + 内能 蓄电池放电：化学能 → 电能 2. 能的转化和转移的普遍性 (1) 自然界各种形式的能不是孤立的，不同形式的能可在一定条件下相互转化，同种形式的能可在物体间相互转移。 (2) 平常我们常说“消耗能、利用能、获得能” ，实质都是能量的转移或转化。 二、能量守恒定律 1.定律内容：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；在转化和转移过程中，能量的总量保持不变，这就是能量守恒定律。 2.意义：自然界最普遍、最重要基本定律，宏观机械运动、生命活动、天体、微观粒子全部遵守该规律。 3.机械能守恒 vs 能量守恒 （1）机械能守恒：有条件，只有重力、弹力做功，仅动能、势能相互转化，无其他形式能参与； （2）能量守恒：无条件，所有能量转化、转移过程总量均不变。 三、能量的转移和转化的方向性 1. 转移的方向性：内能只能自发从高温物体转移到低温物体；反向不能自发发生，必须额外消耗电能做功（冰箱、空调压缩机）。 2. 转化的方向性：机械能、电能等其他形式能，可自发全部转化为内能；但内能不能自发变回机械能、电能。 实例：汽车刹车摩擦，机械能变成轮胎、地面内能，这部分内能无法自动变回汽车动能。 3.结论：能量转移、转化有固定方向，能自发单向进行，反向无法自发发生。 —　1　— 学科网（北京）股份有限公司 $