能量的转化与转移

能量的转化与转移

达・芬奇是意大利著名的画家，他曾经设计了一个“永动机”，如图所示．他设计时认为右边的钢球比左边的钢球离轮心更远些，在两边不均衡的作用力下，轮子会沿箭头方向不停地转动，但实验的结果却是否定的．达・芬奇的“永动机”为什么不能“永动”呢?

一、各种各样的能量

能量的形式有机械能、内能、电能、光能、声能、磁能、化学能、核能等.

（1）机械能：机械能又包括动能和势能．例如：绷紧的橡皮筋、山上的石头、水库中蓄积的水等，都具有势能．当松开绷紧的橡皮筋时，它会动；山崩时，石头会向下移动；水库泄洪时，水流急下等，这些物质的移动表现出动能；

（2）内能：燃烧木柴，就是氧化分解木柴中的碳氢化学键，释放出能量，使周围的温度升高，这就是热能，又称内能；

（3）电能：电流具有的能量．电能可以使电器用品产生作用，如电锅将电能转变为热能；电灯将电能转化为光能；电风扇将电能转化为机械能；

（4）光能：燃料燃烧时，部分的能量会以光的形式来表现；阳光也有光能，可以使我们温暖，另外可以供植物进行光合作用；

（5）声能：声音也有能量，例如声音可以震动耳膜，巨大的声响可以震破玻璃；

（6）磁能：磁铁在吸引铁时所表现出的能就是磁能；

（7）化学能：由于物质之间发生化学反应，物质的分子结构变化而产生的能量．例如：木材的燃烧是一种化学反应，燃烧时产生的光和热，就来源于木材里储存的化学能；

（8）核能：是由于核反应，物质的原子核结构发生变化而产生的能量．例如：原子弹、氢弹爆炸时释放的能量就来源于原子核的反应；

练习：自行车、电动自行车、普通汽车消耗的能量类型分别是（ ）

①生物能 ②核能 ③电能 ④太阳能 ⑤化学能

A．①④⑤ B．①③⑤ C．①②③ D．①③④

二、能量的转化和转移

探究：在生活中，我们经常能见到如下现象：

（1）来回迅速摩擦双手，手感到发热；

（2）流动的水可以带动水轮机发电；

（3）给小灯泡通电，它就会发光；

（4）火柴头达到着火点以后，产生火焰；

（5）冬季，手捧冒着热气的热水，一会儿就变凉了；

（6）运动的小球去碰静止小球，静止的小球运动起来；

（7）手握冰块，冰块很快溶化成水。

分析：上面的实例中：

实例①是机械能转化为内能；②是机械能转化为电能；③是电能转化为内能和光能；④是化学能转化为内能．这前四个实例表明：能量可以从一种形式转化为另一种形式。

实例⑤是热水的内能转移到周围的空气中去了；⑥是运动小球的机械能转移给了原来静止的小球；⑦是手的内能转移给了冰块，这后三个实例表明：能量可以从一个物体转移到另一个物体。

总结：

（1）能的转化：各种形式的能在一定条件下可以发生转化：

①动能和势能的转化：在滚摆实验中，若无阻力，滚摆的重力势能和动能可以相互转化，且滚摆在最高点的重力势能等于最低点的动能，也等于滚摆在滚动过程中的动能与重力势能的和，即机械能的总量保持不变。

②内能和机械能的相互转化：在摩擦生热现象中，机械能转化为内能，克服摩擦做了多少功，就有多少机械能转化为等量的内能；同样在气体膨胀做功现象中，内能转化为机械能，气体膨胀做了多少功，就有多少内能转化为等量的机械能。

③其他形式能之间的转化：燃料燃烧时放出热量，化学能转化为内能．植物吸收太阳光进行光合作用，光能转化为化学能。

（2）能的转移：在热传递中，能量从一个物体转移到另一物体上，或从物体的一部分转移到另一部分，能量的总量保持不变。

练习：说出下列过程中能量转化或转移的情况．

（1）火箭点燃后腾空而起____________；

（2）飞驰的流星拖着一条发光的尾巴___________；

（3）电饭煲通电煮饭_____________；

（4）晒太阳感到暖和___________；

（5）植物的光合作用_________。

例：小明为了探究物体的动能和势能的互相转化情况，他拿了一只皮球并让皮球从手中落到地上。发现皮球落地后又弹跳起来，到达某一高度时又下落到地上，然后又弹跳起来……，但皮球每次弹起上升的高度一次比一次小。在整个过程中：

（1）说明皮球机械能的转化情况。

（2）指出皮球在哪些位置时的动能为零。

（3）分析皮球“每次弹起上升的高度一次比一次小”的原因。

分析：（1）“皮球从手中落到地上”，说明皮球是从手中由静止下落的。皮球在下落、弹起的整个过程中，先后发生运动状态的变化是：皮球在手中静止→加速下落→落地发生形变→恢复形变反弹→减速上升→静止，再开始加速下落→落地发生形变→恢复形变反弹→减速上升→静止……。可见，皮球具有的机械能形式是：重力势能、动能、弹性势能。各个过程中能量的转化情况是：

皮球在手中时：皮球静止，无动能，有重力势能。

加速下落的过程中：高度减小，重力势能减少；运动速度增大，动能增加。在此过程中，重力势能转化为动能。

落地发生形变的过程中：当皮球开始与地面接触时，由于皮球的速度最大，动能也最大，因而皮球不能马上停止运动；皮球与地面接触后，地面使皮球发生形变，动能减少，弹性势能从无到有。不断增大；当皮球的动能减少到零时，形变结束，弹性势能最大。在此过程中，动能转化为弹性势能。

恢复形变反弹的过程中：弹性势能转化为动能。

减速上升过程中：运动速度减小，动能减少；高度增大，重力势能增加，在此过程中，动能转化为重力势能。

（2）动能为零时，皮球静止，由上述分析可知，皮球在手中、皮球形变最大时、皮球反弹上升到最大高度时，动能力零。

（3）假如皮球只有动能和势能相互转化，则机械能守恒，此时弹起上升的高度与下落的高度相等，而皮球每次弹起上升的高度一次比一次小，说明皮球在整个过程中机械能不守恒，肯定有机械能转化为其它形式能量，使机械能损失。

造成机械能损失的原因有二：

一是皮球在下落、上升过程中受到空气阻力的作用，使得机械能减少；

二是皮球在落地压缩恢复形变的过程中，也有机械能损失。如果在其他条件相同时，让皮球分别落在沙地、土地、玻璃上，你会发现皮球落在玻璃上弹起上升的高度最大，说明皮球落在玻璃上机械能损失较小。

三、能量转化与效率

探究：（1）白炽灯在工作时，电能全部转化为光能吗？（2）小轿车在行驶过程中，汽油的化学能全部转化为机械能吗？

分析：白炽灯发光时会发热，总有一部分电能转化为内能；小轿车在行驶过程中部分化学能转化成了内能和声能．也就是说，它们在工作时都有一部分能量浪费了．为了表示它们工作时产生的有用的能量与总能量的关系，我们引入了“效率”这一物理量。

总结：通常，能量转换装置的效率可用下式表示：

对于热机来说，转化为有用功的能量与燃料完全燃烧后所释放的能量之比叫做热机的效率。为了合理地利用能源，人们一直在努力地提高热机的效率，其主要途径是减少热机工作过程中各种能量的损失．从蒸汽机到内燃机，能源利用率从6%提高到30%以上，可见，能源转换装置效率的提高离不开科技的进步。

练习：关于热机的效率，以下说法中正确的是（ ）

A．热机做的有用功越多，效率就一定越高 B．热机的功率大，效率就一定高

C．热机单位时间里耗费的燃料少，热机的效率就一定高 D．以上说法都不对

四、能量守恒定律

实验1：将一个乒乓球从一定高度放手后，落在地板上又弹起；

现象（结果）：乒乓球弹起的高度越来越低；

实验2：将一个铁块放在热水中，用温度计分别测铁块和水的温度；

现象（结果）：铁块温度升高，水的温度降低。

分析：乒乓球在不断跳起过程中，重力势能、动能、弹性势能之间不断发生转化，而跳起的高度降低，说明总的机械能减少，而这个过程中乒乓球与地面碰撞及克服空气阻力做功，使内能增加．可见小球的机械能减少了，并不是能量丢失了，而是转化成了另一种形式的能――内能。乒乓球跳起次数越多，做的功越多，内能增加越多，而跳起高度越低，机械能减少越多。

铁块温度升高，内能增加，热水温度降低，内能减少，内能从热水转移给铁块，在这个过程中，如果没有和其他物体发生热传递，则热水减少的内能等于铁块增加的内能，铁块和热水总的内能并没有减少。而实际上，这个过程中铁块和水总的内能要减少一些，并不是内能丢失了，因为有部分能量散失到空气中，被空气吸收，如果把空气增加的内能也算进去，总的内能是不变的。

由上面的探究，我们可以得出结论：一个物体能量减少，并不是能量消失了，一定转移给了其他物体，或转化成了其他形式的能．一个物体能量增加，并不是凭空产生了能量，而是从其他物体获得，或从其他形式的能转化而来。

总结：能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一个物体转移到另一个物体，或从一种形式转化成另一种形式，而能的总量保持不变。

练习：如图所示，从斜面上滚下的小球能推动平面上的木块前进一段距离，最后小球和木块都静止．对此现象，下列说法中正确的是（ ）

A．小球和木块的机械能都消失了

B．小球的机械能转移到木块上，但机械能的总量保持不变

C．小球和木块的机械能转化成其他形式的能量（如内能等），但能的总量保持不变

D．以上说法都不对

练习：如图所示的是运动员在铅球比赛中的场景。铅球离手后，在空中飞行过程中动能EK随时间t变化的曲线最接近的是（ ）

练习：2010年5月，全国蹦床锦标赛在温州举行。比赛中，当运动员从蹦床上起跳后，在空中上升的过程中（ ）

 A．动能变大，重力势能变小    B．动能变小，重力势能变小

 C．动能变大，重力势能变大    D．动能变小，重力势能变大

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/314221a0c77da26925c5b0a0.html