第三章 能量的转化与守恒

1 / 12 第三章 能量的转化与守恒 莲 山课件 m 第三章能量的转化与守恒 一、能量的相互转化 1各种形式的能量有：电能、热能、化学能、生物能，机械能（包括动能和势能）、光能、太阳能、水能、风能，原子核能、地热能、潮汐能等。 2能量的相互转化实质上是能量的转移和转化过程，包括 “ 消耗能量 ” 、 “ 利用能量 ” 和 “ 获得能量 ” 。能量的转化普遍存在，如动能转化为势能，化学能转化为电能，生物能转化为势能，电能转化为光能和热能等。 二、能量转化的 量度（ 1） 1做功是表示能量转化的多少。 2做功的两个必要出素：一是：作用在物体上的力； 二是：物体在力的方向上通过了一段距离。 3功的定义：功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积。 4功的公式：W=FS （功 =力 距离）， F：作用在物体上的力； S：物体在 F 方向上通过的距离。 5功的单位：焦耳，简称为 “ 焦 ” ，符号为 “j” ， 1 焦耳 =1 牛 米 重要提示： 1物体做功的多少，只与 F 和 S 有关，而与物体的质量、物体具体的运动状态（是而 匀速、变速）无关，与是否受摩2 / 12 擦（即物体表面是否粗糙）等因素也无关。 2 F 和 S 必须是同时作用在同一物体上（同一时间内所作用的力和移动的距离）。 3讨论：塔式起重机下挂重物，当重物静止不动，匀速向上运动、沿水平方向匀速移动三种情形中，钢索的拉力是否做功。说明：做功时两个必要因素缺一不可。 三、能量转化的量度（ 2） 1功率是表示物体做功快慢的量。（能量转化的快慢） 2功率的定义：物体在单位时间里完成的功叫功率。 W t3功率的 公式： P=， P=F 。 4功率的单位：瓦特，简称 “ 瓦 ” ，符号 “W” 单位之间的换算关系： 1 瓦 =1焦秒， 1 千瓦 =1000 瓦； 1 兆瓦 =106 瓦 - 重要提示： 1功率大小是由 W 与 t 共同决定的，做功多的物体不一定功率大。利用其变形公式 P=F 可以用来解释为什么汽车上坡时要减速而加大油门，其解释为：当 P 一定时， F 与 成反比，汽车上坡时，由于发动机的功率一定，司机采用降低速度的方法来获得较大的牵引力的缘故。 四、认识简单的机械（ 1） 1杠杆：一 根硬棒，在力的作用下如果能绕固定点转动。这根硬棒就叫杠杆，杠杆可以是直的，也可以是弯的。如： 2杠杆的五个要素： （ 1）支点：使杠杆绕着转动的固定点（常用 o 表示）。 （ 2）动力：使杠杆转动的力（用 F1表示）。 （ 3）阻力：阻碍杠杆转动的力（用3 / 12 F2表示）。 （ 4）动力臂：从支点到动力作用线的垂直距离（用表示）。 （ 5）阻力臂：从支点到阻力作用线的垂直距离（用表示）。 重要提示： 1杠杆可以是直的也可以是弯的。 2力臂是支点到力的作用线的垂直距离而 不是支点到力的作用点的距离， 3作力臂的步骤：（ 1）找支点；（ 2）作力的作用线；（ 3）从支点向力的作用线画垂线；（ 4）标出力臂。 实验探究：杠杆的平衡条件 1器材检查：杠杆和它的支架，钩码、尺、线。 2实验操作步骤。 （ 1）如图 3-13，将杠杆的支点支在支架上，调节杠杆两端的螺母，使杠杆在水平位置处于平衡状态。 思考：为什么杠杆要处于水平位置平衡 ? （ 2）在杠杆的两边分别挂上不同数量的钩码，在杠杆上左右移动悬挂的位置，直到杠杆再次达到水平位置处于平衡状态。 思考并回答：杠杆两边受到的力等于钩码受到的重力。把左边钩码对杠杆的作用力叫动力 Fl，右边钩码对杠杆的作用力叫阻力F2，填人表格。 （ 3）用直尺量出动力臂、阻力臂，填入表内。 （ 4）改变力和力臂的大小，重复上述实验 4次，将有关数据填人表内。 序号 动力 F1/牛 动力臂 /厘米 阻力 F2/牛 阻力臂 /厘米 4 / 12 1 2 3 4 分析综合上述各组数据，得出结论： 动力与动力臂的乘积等于阻力与阻力臂的乘积，即动力 动力臂 =阻力 5 / 12 阻力臂。 若用符号表示可写成：或 五、认识简单的机械（ 2） 1杠杆在动力和阻力的作用下，保持静止状态或匀速转动状态，这根杠杆就平衡。 2杠杆平衡条件的表达式：或 3杠杆的类型： （ 1）省力杠杆 ：，省力、但多移动距离。如拔钉子用的车角锤、剪铁皮用的剪子等。 （ 2）费力杠杆：，费力、但可以少移动距离（省距离），如钓鱼竿、镊子等。 （ 3）等臂杠杆：，既不省力也不费力，又不多移动距离，如天平、定滑轮等。 重要提示：若，则杠杆的平衡被破坏，原来静止的杠杆就发生转动，若，则杠杆向 F1 的方向转动，反之则向 F2的方向转动。 4怎样使用杠杆最省力 根据杠杆的平衡条件：！可以看出：当作用在杠杆上的阻力和阻力臂一定时，动力臂越长，使杠杆平衡所用动力越小，也就是说当动力 臂最长时用的动力就最小。 为了使动力臂最长，施加的动力必须具备两个条件： （ 1）动力的作用点在杠杆上距支点最远处；（ 2）动力方向应垂直于支点和动力作用点的连线。如图 3 15和图 3 16所示时作用在杠杆上的动力是最小的。 六、认识简单的机械（ 3） 1滑轮：周边有槽，可以绕着中心轴转动的轮子。 2定滑轮：使用时滑轮的位置固定不变；定滑轮实质是动6 / 12 力臂等于阻力臂的等臂杠杆；使用定滑轮时不能省力，但可以改变力的方向。 3动滑轮：使用时滑 轮随重物一起移动；动滑轮实质是动力臂是阻力臂两倍的杠杆；使用动滑轮可以少一半力，但不能改变力的方向。 4滑轮组：定滑轮和滑轮组的组合，使用滑轮组既可以省力，又可以改变力的方向。 5使用滑轮组时，重物和动滑轮的总重由几段绳子承担，提起重物所用的力就是总重的几分之 。 重要提示： 1滑轮是一种变形的杠杆。 2使用定滑轮时，绳子自由端移动的距离与重物上升的距离相等，绳子自由端移动的速度与物体移动的速度相等； 使用动滑轮时，绳子自由端移动的距离是物体移动距离两倍，绳子自由 端移动的速度是物体移动速度的两倍。 七、认识简单的机械（ 4） 1有用功：利用机械时，需要做的这部分功，叫有用功，常用 W 有表示。 2额外功：使用机械时，不需要但又不得不做的那部分功叫额外功，常用 W 额外表示。 3总功：有用功与额外功的总和，叫总功。常用 W 总表示。即 W 有 +W额外 =W 总。 4机械效率：有用功跟总功的比值。叫机械效率，常用 表示。 5机械效率的公式： 重要提示： 1机械效率反映了有用功在总功中占的比例大小，它没有单位。 2 提高机械效率的力法：减少机械自身重（动滑轮重）；减少机械的摩擦等来减小额外功。 7 / 12 3由于有用功总小于总功，机械效率总小于 1。 八、动能和势能（ 1） 1能量：一个物体能够做功，这个物体就具有能（量），能量的单位是焦耳。 2动能：物体由于运动而具有的能。动能的大小与物体的质量和速度有关，物体质量越大运动速度越快，其动能也就越大。 3势能可分为重力势能和弹性势能。 （ 1）重力势能是指物体由于被举高而具有的势能它与物体的质量和物体被举高的高度有关，质量越大被举得越高，势发生形变能越大。 （ 2）弹性势能：物体由于而具有的势能，弹性形变越大，物体的势能就越大。 重要提示： 1一切运动的物体都具有动能。 2物体只要被举高，就具有重力势能；物体发生弹性形变，就具有弹性势能。 九、动能和势能（ 2） 1机械能：动能和势能的总和，叫机械能。 2机械能守恒定律：动能和重力势能可以相互转化，而且在转化过程中，如果不 受阻力。机械能的总量保持不变。 3物体的动能和弹性势能也可以相互转化。 重要提示：在动能和势能的相互转化时，若有 “ 物体匀速下落 ” 或 “ 物体在运动过程中有发热 ” 或 “ 物体表面粗糙 ” 或不提 “ 物体表面光滑 ” 等字样时，均有部分机械能转化为内能，从而使机械能不守恒。 科学探究： 8 / 12 1摆锤实验：用细绳把摆锤悬挂起来，将摆锤拉到某一高度后放手，在摆锤向下摆动过程中，重力势能变小，速度变大，摆锤的动能增大。当摆锤向上摆动过程中速度变小，摆锤的动能减小， 重力势能增大。 2滚摆实验：滚摆下降过程中，重力势能减小，转速增大，动能变大。当滚摆上升过程中，转速变小，动能变大，重力势能增大。 实验表明：（ 1）物体的动能和重力势能可以相互转化。 （ 2）物体的动能和弹性势能也可以相互转化。 思考：若没有摩擦阻力摆锤和滚摆将怎样运动？ 十、物体的内能 1热运动：物体内部大量微粒的无规则运动 2内能：物体内部大量微粒做热运动具有的能，也叫热能。 3做功和热传递都可以改变物体的内能，且是等效的。做功改变内能的实质是热能与其他形式的能之间的转化。热传递实质上是内能从高温物体传递到低温物体，或者从同一物体的高温部分传递到低温部分。 4燃料燃烧是一种化学变化，是物质剧烈氧化的过程。从能量的转化看，燃料燃烧释放热量的过程是将贮存在燃料中的化学能转化为内能的过程。 5燃料热值： 1 千克某种燃料完全燃烧时放出的热量。其单位是焦 /千克（ j/kg）。 重要提示： 1微粒的无规则运动与温度有关，温度越高，微粒的无规则运动9 / 12 越剧烈。 2 热运动是指大量微粒的无规则运动，单个微粒无热运动可言。可见，单个微粒也无内能可言。 3内能的大小跟物体的质量也有关，例如一壶沸水的内能比一杯沸水的内能就要大得多。 十一、电能的利用（ 1） 1电流做功的过程，就是把电能转化为其他形式的能的过程电流对电器做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。 2电功率：表示电流做功的快慢，也即表示电能转化为其他形式的能的快慢电功率的定义式： 3电功率的单位：瓦特，简称 “ 瓦 ” ，符号 “W” ，还有千瓦（ kW）。 4额定电压：用电器正常工作时的电压。用U 额表示；额定功率：是用电器在额定电压下消耗的功率，用 P 额表示。 重要提示： 1实际功率是指用电器在实际电压下工作时的功率，用 P 实表示。 2电灯的亮度是由电灯的功率来决定的，当电灯正常发光时，由额定功率来决定，若电灯不正常发光则由它的实际功率来决定。 十二、电能的利用（ 2） 1电功率大小等于通过这个电器的电流与这个电器两端电压的乘积。 2电功率的公式： P=UI。 3电功：电流在 某段电路上做的功，公式为： W=UIt。单位：焦耳， 1焦 =1 伏 安 秒 4电能表上的计量单位：千瓦时，俗称度。电功的单位。 1 千瓦时 =1000 瓦 3600 秒 =10610 / 12 焦 重要提示： 1电流做功的实质：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。 2电功的单位与机械功的单位一样，都是焦耳。 测量小灯泡的功率 1根据小灯泡的额定电压来确定电源电压及电压表的量程，然后估测小灯泡正常工作时的电流，再确定电流表的量程。 2连接电路时，开关应一直处于断开状态，闭合开关前，应将滑动变阻器的滑片调至阻值最大的位置。 3实验时，应观察灯泡的亮暗，观察灯泡的亮度随灯泡两端电压变化的情况。只有当灯泡两端电压等于灯泡的额定电压时，灯才能正常发光。 4调节滑动变阻器，使小灯泡两端的电压恰好等于灯泡的额定电压。读出此时两只电表的读数，并记录在实验数据表内 5调节滑动变阻器，使小灯泡两端电压为额定电压的倍，观察小灯泡亮度，相对于额定电压时亮度要亮，读出此时两只电表读数并填入表内。 6调节滑动变阻器，使小 灯泡两端电压为额定电压的倍，观察小灯泡亮度，相对于额定电压时亮度要暗。 重用提示：在测量小灯泡的功率的实验中，小灯泡不发光或电流表没有示数，或电压表没有示数，表明电路被短路或断路；若电流表没有示数，电压表有示数，表明电灯处断路 (灯丝断了或接线处接触不良 )；若电流表有示数，而电压表无示数，表明电灯处被短路。而实验时，要测定小灯泡的功率，11 / 12 只有当电压表的示数等于小灯泡的额定电压时，测出的功率才是小灯泡的额定功率。 十三、电能的利用（ 3） 1电能表：测量用电器消耗的电能大小的仪器，符号“kWh” ，千瓦时俗称 “ 度 ” 。 2电能的单位之间的换算关系： 1 千瓦时 =1000瓦 3600 秒 =106 焦 重要提示： 1电能表的规格 “220V10A” 表示电能表的额定电压是220 伏，允许通过的额定电流是 10 安。 3某电能表面标有 “1800R/kWh” ，它表示电路每消耗 1 千瓦时的电能，该电能表的转盘转过 1800转。 十四、电热器 l常见的电热器：电饭煲、电热水壶、电熨斗、电吹风机 、电烙铁等。 2电流的热效应：电流通过各种导体时会使导体的温度升高的现象。 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。用公式表示为： Q=I2Rt。 重要提示： l各种电热器都是利用电流的热效应来工作的。电流通过导体发热的过程实质上是电能转化为内能的过程。 2电热器的优点：清洁、无污染、热效率高、便于控制和调节等。 3 W=UIt 和 Q=I2Rt 是有区别的，12 / 12 只有当电能全部转化为内能时，电热正好等于电功时， W=Q才能 成立。 十五、核能的利用 1核能：原子核发生变化时要释放出核能，或称原子能。 2获得核能的两种途径：重核裂变（原子弹 )和氢核聚变（氢弹）。 3核电站中的能量转化：核能一 内能一 机械