九年级自然科学机械和机械能与电能、能的转化与守恒浙江版

用心 爱心 专心 九年级自然科学机械和机械能与电能 能的转化与守恒九年级自然科学机械和机械能与电能 能的转化与守恒浙江版浙江版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 1 识别动能 重力势能和弹性势能 知道它们的影响因素 2 理解动能和势能的转化 机械能守恒定律 并能用它解释现象 3 理解功的概念 能进行功的计算 4 理解功率的概念并能够进行计算 5 掌握简单机械的基本知识 6 理解改变内能的方法和规律 7 掌握电功和电功率的基本知识 会进行实际的计算和应用 8 了解核能的基本知识 9 知道各种能的形式 理解能的转化和守恒定律 掌握能量的传递和转化规律 并能解 释实际现象 10 了解能源的使用情况和合理利用能源的方法 二 教学重点 难点 1 机械和机械能 2 电能 能的转化与守恒 三 教学过程 1 机械能类别和转化规律 1 机械能 动能和势能统称为机械能 动能 物体由于运动而具有的能 重力势能 物体由于被举高而具有的能 弹性势能 物体由于发生弹性形变而具有的能 2 动能和势能的影响因素 影响动能的因素是物体的质量和速度 质量相同时 速度大的物体具有的动能大 速度相同时 质量大的物体具有的动能大 影响重力势能的因素是物体的质量和高度 质量相同时 高度大的物体重力势能 大 高度相同时 质量大的物体重力势能大 同一物体的弹性形变越大 其弹性势能越大 3 动能和势能的相互转化 动能转化为重力势能时 物体的速度不断减小 高度不断增加 重力势能转化为 动能时 高度降低 速度增大 动能转化为弹性势能时 速度减小 弹性形变增大 弹性势能转化为动能时 弹 性形变减小 速度增大 4 机械能守恒定律 物体通常既具有动能 又具有势能 当物体只受重力和弹性力时 不受阻力时 机械能总量保持不变 即动能减小了 多少 势能就增加多少 势能减小了多少 动能就增加多少 2 功的概念和计算 1 功 物体受到力的作用 并且在这个力的方向上通过一段距离 我们就说这个力 对该物体做了功 注意 功的两个必要因素 一个是作用在物体上的力 另一个是物体在 用心 爱心 专心 力的方向上移动的距离 讨论 塔式起重机下挂着重物 当重物处于 静止不动 匀速向上运动 沿水平 方向匀速运动三种不同情况时 钢索的拉力是否都对它做了功 分析 静止不动和水平方向运动都没对重物做功 匀速向上运动对物体做了功 注意 在下列三种情况下 力对物体没有做功 物体没有受到力的作用 但因为惯性通过一段距离 物体受到力的作用 但没有移动距离 物体受到了力的作用 同时也运动了一段路程 但在力的方向上没有通过距离 2 功的计算 公式 功 力 距离 功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积 W Fs 单位 焦 J 或 牛 米 N m 计算时需注意的问题 1 分清是哪个力对物体做的功 计算功时的 F 就是这个力 2 公式中的 s 一定是在力的方向上通过的距离 强调对应 3 功的单位 功的单位是焦耳 简称 焦 例 例 一辆汽车在高速公路上以 30 米 秒的速度匀速行驶 受到的阻力是 2000 牛 这辆 汽车在 1 分钟内做的功是多少 解 解 s 30 米 秒 60 秒 1800 米 F 2000 牛 W FS 3600000 焦 答 答 1 分钟做的功是 3600000 焦 3 做功伴随能量的转化 做功的过程实质上就是能量转化的过程 力对物体做多少功 就有多少能量发生了转 化所以可以用功来量度能量转化的多少 能量单位与功的单位一样 也是焦耳 3 功率的概念和计算 功率 单位时间里完成的功 反映该物体做功的快慢 计算公式 功率 功 时间 P W t 单位 瓦特 W 焦 秒 J s 牛 米 秒 N m s 说明物理量的单位可以通过推导的公式来获得 例 例 有两台功率大小不同的起重机 已知它们的功率之比是 1 3 若让它们完成相同 的功 则所用的时间之比是 3 1 若它们的工作时间相同 则完成的功之比是 1 3 4 简单机械知识 1 杠杆 在力的作用下能绕固定点转动的硬棒叫做杠杆 2 杠杆的五要素 支点 使杠杆绕着转动的固定点 动力 使杠杆转动的力 阻力 阻碍杠杆转动的力 动力臂 L1 从支点到动力作用线的垂直距离 阻力臂 L2 从支点到阻力作用线的垂直距离 3 平衡 指杠杆保持静止状态或匀速转动状态 4 杠杆平衡原理 动力 动力臂 阻力 阻力臂 即 F1 L1 F2 L2 用心 爱心 专心 5 杠杆的分类 L1 L2时 叫省力杠杆 其特点是省了力但费了距离 如开瓶盖的起子 铡刀 老虎钳 道钉撬等 L1 L2时 叫费力杠杆 其特点是费了力但省了距离 如钓鱼杆 筷子 镊子 缝纫机脚踏板等 L1 L2时 叫等臂杠杆 其特点是不省力也不费力 不省距离也不费距离 如天 平 定滑轮等 例题 例题 如图所示 杠杆 AOB 的 A 端挂重为 GA的物体 B 端挂重为 GB的物体时 杠 杆处于平衡状态 若 AO BO 杠杆自身重力不计 则 A GA GB B GAGB D 无法判断 解析 解析 答案 B 要找对动力臂和阻力臂的长度 6 滑轮 定滑轮是等臂杠杆 不省力 但可以改变力的方向 动滑轮是动力臂等于阻力臂二倍的杠杆 使用动滑轮可以省一半的力 F G 2 滑轮组既能省力又能改变力的方向 重物和动滑轮的总重力由几段绳子承担 提 起重物所用的力就是总重力的几分之一 F 1 nG 拉力所通过的距离为物体上升距离的 几倍 5 机械效率 1 有用功 我们把必须要做的这部分功叫做有用功 2 额外功或无用功 不需要 但又不得不做的那部分功 3 总功 有用功与额外功的总和 4 机械效率 有用功跟总功的比值 W有用 W Gh FL 100 5 W总 W有用 W额外 W有用 W总 1 测量斜面的机械效率 1 光滑斜面 FL Gh W额外 0 100 2 有摩擦的斜面 W总 FL W有用 Gh W额外 FL Gh FL 3 斜面的机械效率与斜面的粗糙程度和倾角有关 6 内能 1 热运动 物体内部大量微粒的无规则运动 温度越高 微粒的无规则运动越剧 烈 2 内能 物体内部大量微粒作无规则运动时具有的能 任何物体都具有内能 内能的单位 焦耳 物体的温度升高时 内能增大 物体的温度降低时 内能就减小 但是物体的内 能增大时 温度不一定升高 3 热传递 热量从高温物体向低温物体或者从同一物体的高温部分向低温部分传递 的现象 用心 爱心 专心 热传递的三种方式 传导 对流 辐射 热传递总是由高温物体指向低温物体 高温物体放出热量温度降低 低温物体吸 收热量温度升高 直到两物体温度相等为止 4 热量 在热传递中 传递的能量的多少 5 改变物体内能的方法 做功和热传递 这两中方法对改变物体的内能是等效的 做功改变物体的内能 对物体做功 可以使物体的内能增加 物体对外做功 本 身的内能会减小 热传递改变物体的内能 物体从外界吸收热量 内能就增加 物体向外界放出热 量 内能就会减小 6 热量的计算 Q cm t Q 表示热量 c 表示物体的比热 m 表示物体的质量 t 表示变化的温度 c水 4 2 103焦 千克 摄氏度 表示每千克水的温度升高 1 摄氏度 所吸收的热量 为 4 2 103焦 7 燃烧的热值 1 千克某种燃料完全燃烧时放出的热量叫做这种燃料的热值 热值的单位 焦 千克 燃料完全燃烧时放出的热量 燃料的热值 燃料的质量 即 Q mq 例题 例题 关于热量 温度 内能之间的关系 下列说法正确的是 A 物体温度升高 内能一定增加 B 物体吸收热量 温度一定升高 C 物体温度不变 一定没有吸热 D 物体温度升高 一定吸收热量 关于内能的改变 以下说法中正确的是 A 只有做功才能改变物体的内能 B 只有热传递才能改变物体的内能 C 做功和热传递都能改变物体的内能 D 做功和热传递对改变物体的内能的效果是不同的 下列实例中 属于用热传递的方法改变物体内能的是 A 地球外的石块 坠入地球的大气层 成为流星 B 凉鸡蛋泡在热水中 温度升高 C 两手相互摩擦 手心发热 D 锯木头时 锯条变得烫手 关于温度 热量和内能的说法中 正确的是 A 物体温度升高 内能增加 B 物体温度升高 内能减小 C 晶体在熔化过程中 吸收热量但内能保持不变 D 温度高的物体含有的热量一定比温度低的物体含有的热量多 答案 答案 A C B A 以上四题是对内能的综合运用 7 能的多种形式 1 自然界中各种形式的能量不是孤立的 不同形式的能量会发生相互转化 能量也 会在不同的物体间相互转移 2 能量转化是个普遍现象 自然界中物质运动形式的变化总伴随着能量的相互转化 雪崩时的能量转化 势能转化为动能 用心 爱心 专心 人造卫星 太阳能转化为电能 青蛙跃起扑食的过程 化学能转化为动能和势能 胶片感光成像 光能转化为化学能 特技跳伞 势能转化为动能和热能 森林火灾 化学能转化为热能 植物生长 光能转化为化学能 水电站 工作时 机械能转化为电能 8 电功和电功率 电功 1 概念 电流所做的功 叫电功 电流做功的过程实质是电能转化为其他形式能的过程 电流做了多少功 就有多 少电能转化为其他形式的能 电功的单位 焦 千瓦时 度 1 度 1 千瓦时 3 6 106焦 电功的计算公式 W UIt U2 R t I2Rt Pt 电功率 定义 电流在单位时间内所做的功叫电功率 电功率是表示电流做功快慢的物理 量 电功率的单位 瓦 千瓦 1 千瓦 1000 瓦 电灯的亮度由实际功率的大小决定 额定电压 用电器正常工作时的电压 额定功率 用电器在额定电压下消耗的功率 实际功率 用电器在实际电压下工作时所消耗的功率 输入功率 用电器消耗的总电功率 问 灯泡的额定功率 60 瓦表示什么意义 表示电流通过白炽灯 1 秒内做的功为 60 焦 电功率的计算公式 P W T UI U2 R I2R 当电功率的单位 千瓦 t 的单位 小时 则 W 的单位是 千瓦时 度 测定小灯泡的功率 实验原理 伏安法测电功率的原理是 P UI 利用电压表和电流表分别测出小灯泡 两端的电压和通过小灯泡的电流就可求出小灯泡的电功率 在额定电压下测出的电功率 就是额定功率 实验器材 电源 电压表 电流表 开关 小灯泡 滑动变阻器 导线 实验中注意事项 在连接电路时 开关始终要断开 滑动变阻器的滑片应放在最大阻 值处 电流做功消耗电能 电能表常识 1 电能表是测量电功或者说是测量用户的用电器在一段时间内消耗电能的多少 2 读数 窗口两次之差就是这段时间内使用的千瓦时数 最后一位是小数 3 铭牌如图所示的物理意义 用心 爱心 专心 220V 表示电能表的额定电压是 220V 20A 表示允许通过这只电能表的最大电流是 20A kWh 表示电能表测量电功所用的单位是 kWh 即 度 2500R kWh 表示每消耗 1 度电 电能表的表盘旋转 2500 转 电流的热效应 1 电流的热效应 电流通过各种导体时 会使导体的温度升高 这种现象叫电流的 热效应 2 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 3 电热器 电热器是利用电流的热效应制成的加热设备 电热器的主要组成部分是发热体 发热体是由电阻率大 熔点高的电阻丝绕在绝 缘材料上制成的 4 电流热效应的利与弊 优点 无污染 热效率高 方便控制和调节温度 缺点 在家庭电路中 由于长期的电流热效应 导线外的绝缘层会加速老化 甚至会烧毁绝缘层而引发火灾 同时 由于电流热效应 会影响家电的使用性能和寿命 5 焦耳定律 文字叙述 电流通过导体产生的热量跟电流的平方成正比 跟导体的电阻成正比 跟通电的时间成正比 这个规律叫做焦耳定律 数学表达式 Q I2Rt 电流产生热量的计算方法 Q I2Rt 是焦耳通过实验总结出来的 任何导体有电 流通过时 产生的热量都可以由此公式来计算 对于纯电阻电路 即电能全部转化为内 能的用电器 像电炉 电烙铁 电饭锅等 电流产生的热量还可以由 Q U2 R t Q UIt 推导公式来结算 例题 例题 小强同学为了探究 通电导体产生的热量与电阻的关系 设计了如图所示的 实验 甲 乙两个相同的烧瓶里装满煤油 玻璃管内液面相同 1 电阻丝甲与乙采用串联的连接方式 其目的是 2 已知电阻丝的阻值 R甲 R乙 通电一段时间后 烧瓶中的玻璃管液面上 升较高 3 已知甲烧瓶中盛放的煤油质量是 200 克 若煤油的温度从 10 升高到 60 需 要吸收的热量是 焦 煤油的比热是 2 1 103焦 千克 4 保持电源电压不变 利用该实验装置 还可以探究通电导体产生的热量与 的关系 写出一种即可 5 上述实验中 用到的科学方法主要是 控制变量法 请你另举一个平时学习过 程中用到这种方法的实验名称 解析 解析 1 使通过甲 乙两电阻丝的电流相等 2 甲 3 21000 4 电 流的关系或通电导体产生的热量与通电时间的关系 5 导体的电阻与导体的长度 横 截面积和材料有关 答案合理即可 用心 爱心 专心 本题是对电路知识 电流热效应以及探究实验思路的综合应用 9 核能的基础知识 原子结构 原子包括 原子核 质子 带正电 中子 不带电 和核外电子 带负电 核能 原子核在发生改变的过程中 释放出巨大的能量 称为核能 也叫原子核能或 原子能 获得核能的两条途径 裂变和聚变 1 裂变 是质量较大的原子核在中子轰击下分裂成 2 个新原子核 并释放能量的过 程 发生的是链氏反应 2 聚变 是使 2 个质量较小的原子核结合成质量较大的新核 同时释放出能量的过 程 聚变又叫热核反应 原子弹及核潜艇是根据裂变的原理制造的 氢弹是根据聚变的原理制造的 核电站 1 核电站利用核能发电 它的核心设备是核反应堆 核反应堆是通过可以控制的裂 变反应释放核能的设备 2 核电站中发生的能量转化是 核能 内能 机械能 电能 3 原子核的裂变和聚变都会产生一些发射性物质 如 射线 射线 射线 10 能量的转化与守恒 1 能的转化和守恒定律 能量既不会消失 也不会创生 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另一个物体 而在转化和转移的过程中 能的总量保持 不变 2 能的转化和守恒定律 是自然界最普遍 最重要的基本定律之一 无论是机械运 动 还是生命运动 无论是宇宙天体 还是微观粒子 都遵循这个定律 3 能量的转移和转化有一定的方向性 永动机 不可能成功是因为它违背了能的转化的守恒定律 自然界的事物的运动和变化都必须遵循能量转化和守恒定律 但符合能量和守恒 定律的事件却不一定能够发生 11 能源的利用和可持续发展 能源概况 1 能源 能为人类提供某种形式能量的物质或物质的运动叫能源 衣食住行都离不开能源 能源已经成为人类生存和发展不可缺少的物质基础之一 人 类的生活离不开能源 2 能源的分类 一次能源和二次能源 按照是否可以从自然界中直接获取可以把能源分为一次能 源和二次能源两大类 即看能源的形式是否发生改变 可以从自然界中直接获取的能源 统称为一次能源 如 泥煤 褐煤 烟煤 无烟煤 石油 天然气等 汽油 煤油 柴油 电能 激光 酒精 蒸汽 热水等都是二次能源 可再生能源和不可再生能源 按能否再生 能源可分为可再生能源和不可再生能 源 在能源中能够重复产生的天然能源称为可再生能源 如太阳能 生物能 水能 风能 用心 爱心 专心 海洋能 潮汐能 地热能等 在短期内不能重复产生的天然能源称为不可再生能源 如 煤 石油 天然气 一旦 使用殆尽 就永远地从地球上消失了 一般 一次能源可分为可再生能源和不可再生能源 而二次能源为不可再生能源 常规能源和非常规能源 按能源的利用情况 可分为常规能源和非常规能源 日 常生活 生产中主要的能源被称为常规能源 较少被利用的能源则被称为非常规能源 常规能源和非常规能源具有相对意义 如核能目前在我国属于非常规能源 而在发达 国家已经成为常规能源 此外 按形成来源 能源可分为 来自太阳的能源 如太阳辐射能 生物质能 化石能源 煤 石油 天然气 水能 风能 海洋能等 来自地球自身的能源 核能 地热能 地球 太阳 月球共同作用的能源 如潮汐能 3 世界能源消费变化的特点 随着人类社会的进步 人们对能源的需求在不断 的增加 说明能源和人类社会的发展之间有密切的关系 人类社会发展的不同阶段 各类能源在能源消费总量中所占的比例也不同 煤 石油由于污染和不可再生 在消费总 量中逐渐减少 而太阳能 核能由于能量大 污染少 在消费总量中逐渐增多 人们 随着环保意识的加强 渴求干净的能源 4 导致世界能源消费变化的原因 能源与人类社会发展密切关联 社会越发展 能源需求越多 环保意识增强 污染多的能源逐渐被污染少的能源代替 一些不可再生性能源 由于大力开采和使用 已面临枯竭 5 能源问题 如煤 石油等不可再生能源相对于人类不断增长的需求而相对缺乏 大量使用能源造成环境污染等 6 解决途径 改进现有能源的使用方式 如 20 世纪 70 年代世界石油危机后 煤碳开采 运输 和利用技术获得重大突破 使得煤炭又作为重要能源 重居世界能源的重要地位 世界各 国提出 摆脱石油 转向煤炭 的口号 提高能源利用率 公众层面的能源节约 从我们个体来说 应该如何应对能源危机 多走路或骑自 行车 尽量使用公交车 搭车上学及时关灯 不要让家用电器处于待机状态 调节空调的 温度 回收废品如玻璃瓶 铝罐等 开发新能源 太阳能 核能等 12 实现可持续发展 1 可持续发展的含义 在不减少未来供应的前提下 定期获取一定数量的可再生资 源 可持续发展的实质是人类与环境协调发展 要把控制人口数量 节约资源 保护环境 放到重要位置 以保持人与自然的和谐统一 2 一些可再生资源出现的问题 森林与草原掠夺性的破坏与危害 海洋资源的破坏与危害 淡水资源的匮乏 土地资源的匮乏 3 对策 森林的可持续发展 砍伐的方式 完全砍伐 边砍边种 选择砍伐 森林管理 把森林分割成许多小的区域 每年在不同的区域砍伐 如松树区每 用心 爱心 专心 20 30 年砍伐一次 而一些硬木森林只能每 40 100 年才砍伐一次 鉴定树木 鼓励公众选择经鉴定为可持续发展管理模式下培育出的木材 少用一次性筷子或纸盒 纸制品的重复使用 海洋 渔场 的可持续发展 1 限量捕捞 2 建立禁渔期 3 改变捕鱼方 式 网格大小 炸鱼 毒鱼违法 4 水产养殖 5 新资源 科学家和厨师共同向 人们推荐其他的美味鱼等 淡水资源与土地资源的可持续发展 如南水北调 海水淡化 回收水利用 节约用水 等 农业的可持续发展 珠三角的桑基鱼塘 北京的城交生态农业等 典型例题典型例题 1 图中的铡刀 瓶盖起子 手推车 铁锨都属于杠杆 其中费力杠杆是 解析 解析 根据杠杆平衡原理 动力 动力臂 阻力 阻力臂 即 F1 L1 F2 L2 比较 动力臂和阻力臂长短即可得出力的大小 正确答案为 D 2 下面的例子中 属于物体的内能转化为机械能的是 A 流星与空气摩擦生热发光 B 用火炉加热壶中的水 C 两手相摩擦手心变热 D 气体膨胀做功 把管口的软木塞推出 解析 解析 答案为 D 此题考查能的形式和转化 3 学习了 能量守恒 后 同学们提出了下面的一些关于利用和开发我国能源的建议 其中不正确的是 A 我国煤炭资源丰富 应研究并采用如何让燃料充分燃烧 以减少热量损失的措施 B 我国电力部门应加快进行将内能直接转化为电能的研究 以减少内能在多次转化过 程中的损失 C 我国应进一步开发利用江河水力资源 D 随着资源的不断消耗 我国应研究出一种既可以不消耗或少消耗能量 又能不断对 外多做功的机器 解析 解析 本题要求理解能量的转化规律和我国能源利用的现状 答案为 D 4 按图所示电路对额定电压为 3 8V 的小灯泡进行实验时 测得 5 组实验数据 并记录 在表中 同时记录了小灯泡亮度变化的情况 用心 爱心 专心 请你仔细分析实验数据和实验现象 回答下列问题 次数12345 U V3 03 53 84 04 5 I A0 280 300 310 320 34 亮度增加 1 灯泡的额定功率是 2 小灯泡的亮度变化规律是 3 除了表格中列出的数据和现象外 你还能发现的问题是 解析 解析 答案为 1 178W 随着灯泡两端电压的增大 灯泡的实际功率变大 灯泡越来越 亮 灯泡的阻值与温度有关 此题考查了电功率的基本应用 模拟试题模拟试题 答题时间 30 分钟 1 在如图所示推 拉重物的实例中 没有做功的是 A 叉车举起货物 B 直升机吊起架电线的铁塔 C 马拉动木头 D 小科用力但没有推动大石头 2 下面的现象中属于做功使物体内能增加的是 A 水蒸气将水壶盖顶起 B 用火炉给水加热 C 钢锯条在水泥地上摩擦变热 D 用太阳能热水器对水加热 3 已知烟煤的热值是 2 9 107J kg 那么 A 2 千克烟煤完全燃烧时一定放出 5 8 107焦耳的热量 B 1 千克烟煤燃烧时一定能放出 2 9 107焦耳的热量 C 1 千克烟煤温度降低 1 释放出 2 9 107焦耳的热量 D 10 千克烟煤的热值为 2 9 108焦 千克 4 额定电压相同的甲乙两灯 并联接在某电路中都正常发光 但甲比乙暗 下列说法正 确的是 A 甲灯的额定功率和实际功率都大 B 乙灯的额定功率和实际功率都大 C 甲灯的额定功率小 实际功率大 D 乙灯的额定功率小 实际功率大 5 单位质量的下列反应中 释放能量最大的是 A 裂变 B 聚变 C 液氢燃烧 D 差不多 6 标有 220V 40W 和 36V 40W