教科版九年级物理下册第十一章物理学与能源技术

第十一章 物理学与能源技术 1.能量守恒定律 能量是对一切宏观微观物质运动的描述。相应于不同 形式的运动，对应不同能量，能量亦简称能。 你知道什么 是能量吗？ 导入新课 1.了解各种不同形式的能，知道能量是一个重要的物理量。 2.理解能量守恒定律，知道能源和能量耗散。 3.能用能量守恒的观点分析、解释实际问题。 学习目标 1.常见的能量：机械能、内能、电能、光能，电磁能、化 学能、原子能、生物能、太阳能等。 你能说出下图中各物质具有什么能量吗？ 从八年级上册第二章就开始接触能量，你能说出常见的 能量有哪些吗？ 讲授新课 一、形形色色的能 2.讨论交流：物体具有的能量 在空中运动的皮球 一缕阳光 在空中运动的皮球具有机械能，一缕阳光具有太阳能， 太阳能是由太阳内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产 生的能，来自太阳的辐射能量。 烫手的暖气片 电池 暖气片内的水中，大量水分子在做无规的热运动具 有内能。电池一旦接入闭合回路，它内部的化学成分将 持续发生反应，它具有化学能。 自然界中，能量不仅可以从一个物体转移到另一个 物体，不同形式能量之间还可以相互转化。 化学能转化为内能 电能转化为机械能 二、不同形式能量的相互转化 皮球从空中落向地面时，皮球的势能转化为它的动能； 将电池接人电路中，电池储存的化学能便转化为了电能。同时 电灯发出光和热，电能转化为光能和内能。 动能与势能（包括重力势能和弹 性势能）不断相互转化 电能转化为光能和内能 1.观察你能说出下面能量之间的转化吗？ 小 球 上 下 运 动 由a点出发，以速度v运动的木块在摩擦力作用下到b点停 止，木头的动能全部转化为内能。 小球左右摆动，动能、势能不断相互转化，在最高点 时势能最大在最低点时动能最大。 v a b 2.电能 发电机发电，把机械能转 化成电能 电动机工作，把电能转化 成机械能 使用电熨斗，把电能转化成内能；给电池充电，把电能 转化为化学能……我们在生产、生活、工作中不断地将一种能 量转化为另一种能量。 洗衣、除 尘、健身 通信 餐饮 交通 电能 照明 娱乐 空调、冷藏 从能量利用和转化角度来讲，现代化的生活就是以电能 为中心的能量转化和利用的过程。 辐射到地球的太阳总功率1.7×1017W 发电机 水力 太阳能热水器 风的形成 水循环 动植物生长 燃饶 食品 化工原料 燃气灶 机床 汽车照明 笔记本电脑 电熨斗 电车家庭影院 风力 煤石油 3.观察下图说出能量来源 通过上图可以发现，我们生产、生活中利用的能量追 根溯源，大都来自太阳。太阳的辐射，向地球传递了巨大 的能量。 我们在力学部分已知道，在只有重力或弹力 对物 体做功的条件下 (或者不受其他外力的作用下），物体 的动能和势能（包括重力势能和弹性势能）发生相互转 化，机械能守恒。 三、能量守恒定律 思考：为什么小球摆动过程中达到的最高点越来越低？为 什么机械钟要定时上发条？ 这是因为小球或钟摆在摆动过程中受到了空气的 阻力，不断产生热量所以机械能不守恒。但是如果把 小球或钟摆和空气分子的内能加上，总能量仍然不变。 能量守恒定律 大量事实表明，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。 所有能量转化和转移过程，都遵守能量守恒定律。 1.永动机 不消耗能量，就可以永远地运动下去，并连续不断地 做功的机器。 有些永动机，看上去制作得十分巧妙，但由于违背科学规 律，都失败了。永动机的失败，从反面证明了能量守恒定律 的正确性。 四、永动机是不可能实现的 一种失败的永动机 2.如图所示是达·芬奇设想的永动机，你认为能实现吗？ ________，请说明理由 。 水银的流动能不能 使这个轮子不停地 转下去呢？ 不能 违背能量守恒定律 【分析】虽然自然界中的能量是守恒的，它既不会消灭， 也不会创生，但由于自然界里无论什么运动都会产生热， 热向四周扩散，成为无用的能量。如不补给能量，任何运 动着的机器都会停下来。 【解答】给永动机一个动力后，由于水银的流动，永 动机在一定时间内能够保持转动，但由于摩擦力的存在， 将有一部分能量以热量的形式散失掉，如果不补充能量， 则机器不能永远运动，所以自然界中不可能存在永动机， 它违背了能量守恒定律。故答案为：不能；违背能量守 恒定律。 3.讨论交流：分析一种永动机 一位“发明家”设计的一种永动机。他的设想是：利用上水 池的水向下的冲力使水轮发电机发电，然后，利用发电机发 出的电能驱动抽水机把下水池的水再抽回上水池。这样不断 循环下去，就可以制成一个永动机。在此过程中，水轮发电 机还可以抽出一部分电能供用电器使用。真是一种美妙的设 想！遗憾的是，这个永动机不能持续运转。你能分析一下这 种永动机失败的原因吗？ 上水池 下水池 抽 水 机 用电器 水轮 发电 机 一种永动机的示意图 【分析】在能量转化的过程中，总会有一部分能量以热 的形式向四周扩散，成为无用的能量，所以抽水机的机械 能会逐渐减小。 【解答】永动机不可能实现，因为抽水机在此过程中， 有部分机械能会转化为内能，即机械能会逐渐减少，所以 机械能总量不守恒，永动机装置不能实现。 能 量 守 恒 定 律 形形色色的能量 不同形式能量的转化 能量守恒定律 永动机是不可能实现的 课堂小结 1. 下列说法中正确的是（ ） A.冬天对着手哈气，手变暖是机械能转化为内能 B.用酒精灯给水加热，是机械能转化为内能 C.高速行驶的汽车爆胎是很危险的，从能量角度来看，是机械 能与内能的相互转化 D.滑冰时冰刀与冰之间相互摩擦，出现一道痕迹，是内能转化 为机械能 C 随堂训练 2．生活中能量转化的实例很多。下列描述中，错误的是（   ） A.摩擦生热是把机械能转化为内能 B.摩擦起电是把电能转化为机械能 C.电动机带动水泵把水送到高处是把电能转化为机械能 D.燃料燃烧放热是把化学能转化为内能 B 3．美国哈弗大学的学生设计制作了一种发电足球，球在被 踢的过程中，其内部装置能够发电，并将产生的电能储存在 蓄电池中，用来点亮LED灯，该过程中的能量转化形式是（   ） A.动能→电能→化学能→光能 B.电能→动能→化学能→光能 C.动能→电能→光能→化学能 D.电能→动能→光能→化学能 A 4．下列关于能量转化的实例，你认为说法正确的是（  ） A.水轮机带动发电机发电：电能转化为机械能 B.电动机工作：机械能转化为电能 C.燃料燃烧：化学能转化为内能 D.汽油机的压缩冲程：内能转化为机械能 C 第十一章 物理学与能源技术 2.能量转化的方向性和效率 能量的转化和转移无处不在。然而，许多情况虽 然并不违背能量守恒定律，但在实际情形中却不会发 生，这是为什么呢？ 这是因为能量的转化具有方向性。 导入新课 1.认识到能量转移具有方向性。 2.认识能量转化效率。 学习目标 思考：水能从低处往高处流吗？水能自发地从低处往高处 流吗？ 用抽机就能实现水从低处往 高处流。 如果水是自发地流只能 从高处往低处流，同样能量 的自发流向也不是随意的， 即能量的转化具有方向性。 讲授新课 一、能量转化的方向性 1.讨论交流：这些情形可能吗？ 试看分析以下过程能否实现，以及实现过程中的能量转 化情况。 （1）一杯水静置一段时间后， 其中的一部分水自行从另一部 分水中吸取热量，沸腾成水蒸 气?另一部分水则内能减少，凝 结成冰? 热传递的过程是有方向性的，这个过程可以向一 个方向自发地进行，但是向相反的方向却不能自发地进 行。 注意：内能总是自发地从高温物体向低温物体转移 而不会自发地由低温物体向高温物体转移。 （2）枯萎的花儿，自发从空气中吸取能量和水分，重焕青 春？ 枯萎的花儿，也不可能 自发从空气中吸取能量 和水分。 （3）坡底的巨石从周围环境中获取能量，滚向坡顶？ 机械能可以全部转 化为内能，而内能不可 全部转化为机械能而不 引起其他变化！ （4）汽车从北京开到天津，掉转车头，可以不再消耗新的燃 料，从空气、尾气中吸取能量，返回北京？ 返程不再 耗油……. 这是不可能的。因为被其他物质吸收后变为周围 环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用， 这种现象叫作能量的耗散。能量的耗散从能量转化的 角度反映出自然界中宏观过程的方向性。 通过以上的分析很明显这些过程都是不可能实现 的，我们在现实生活中也从未看到这样的现象发生过。 自然界中许多自发的过程都是有方向的，或者说能量 的转化和转移也是有方向的。 2.能量流动具有方向性 （1）转移的方向性 热量只能自发地从高温物体转移到低温物体，反之要想 使热量自发地从低温物体流入高温物体是不可能的。但如果有 外界适当的干预，或满足一定的条件，热量可以从低温物体转 移至高温物体。 例如，空调可以将热量从低温的室内移至高温的室外，但 外界必须做功，这种转移才是可能的，空调不开不做电功，这 种转移就是不可能的。 （2）转化的方向性 指内能和其他形式的的能量（如电能、机械能等） 的相互转化具有方向性。其他形式的能量可以自发地转化 为内能，而内能不可无条件地转化为其他形式的能量。 例如，钟表在再次上紧发条之前,终会停下,机械能终 会完全转变为内能，内能不可自发地转化为机械能。 总之如果某个过程涉及了热量，能量的转化（和 转移）就将是“覆水难收”，无法自发地沿反方向发生， 除非我们耗费额外的能量提供帮助。 思考：因为能量是守恒的，所以我们不需要节约能源， 这种说法对吗？并说明原因。 现实的宏观世界中，物体间一旦存在温差，就会有热 量的传递；摩擦无处不在，机械能会不断转化为内能。我们 对能量的利用，无法避免涉及热量的生成与转移。于是，每 一次能量的利用。都会减少这个世界上可利用、便于利用的 能量的总量。 这种说法不正确，因为能量转化具有方向性。 这就是为什么虽然能量是守恒的，我们仍然要节约能源 的原因。 在实际工作和生活中，人们把一种能量转化为另一种 能量总是为了某种目的。 用燃气灶烧水，目的是为了把水烧热或烧开；并希望 烧水时将天燃气燃烧产生的热量完全传递给水壶中的水。 使用电梯是为了把人或物体提高到一定的高度；并 希望每消耗1千瓦时的电能完全转化成人或物体的势能。 二、能量转化中的效率 生活经验告诉我们，这些理想都不可能发生在所有的能 量利用过程中，能量损耗不可避免 。 以天燃气烧一壶水为例： 1.输入能量 我们把天然气完全燃烧释放出 的化学能称为输入能量。 3.输出无效能量 把散发到大气、壶体中的那部分能量称为输出无 效能量。 2.输出有效能量 壶水水吸收的那部分能量称为输出有效能量。 输入能量=输出有效能量+输出无效能量 4.输入能量、输出有效能量和输出无效能量的关系 根据能量守恒定律： 为了进一步描述这些过程，人们定义了能量的转 化效率。 5.能量转化效率 即η= ，任何情况下，η