第七章 B 能的转化和能量守恒定律

一. 能的形式 能以多种形式存在于自然界，每一种形式 的能对应于一种形式。 如： 机械运动 —— 机械能 物体分子的热运动 —— 内能 还有如电能、化学能、电磁 能、核能等。

二、能量之间的转化 在一定条件下，不同形式的能之间可以相互转化；做 功的过程是能的转化的过程。 1 、如机械能与内能转化 ：运动的汽车紧急刹车，汽车 最终停下来。这过程中汽车的动能（机械能）转化为 轮胎和路面的内能（假定这过程没有与周围物体有热 交换，即不散热也不吸热）。摩擦力做了多少功，内 能就增加多少。公式 W= △ E 表示了做功与内能变化的 关系，这公式也反映出做功过程中，机械能的减少的 数量恰好等于物体内能增加的数量。

2 、不仅机械能和内能可以相互转化，其他形式能也 可以和内能相互转化，又如： ①电炉取暖：电能 → 内能 ②煤燃烧：化学能 → 内能 ③炽热灯灯丝发光：内能 → 光能 3 、其他形式的能彼此之间都可以相互转化。

飞机飞行飞机飞行 闪电闪电 点燃的火柴点燃的火柴 火山喷发火山喷发

核电站 通讯卫星 太阳灶 石油开采

三、能量守恒定律 大量事实证明：各种形式的能都可以相互转化，并且 在转化过程中守恒。 内容： 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失， 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，在转化或转移的 过程中，总能量保持不变。 公式：△ E 增 = △ E 减 提问：能否将能量守恒定律表述为 “ 能量不变 ” ？ “ 守恒 ” 是变中的不变。能量守恒是指各种形式的能会相 互转化，即能的形式会发生变化，而各种形式的能的 总量不变。

能量守恒定律是人类认识自然的重要依据。 人类认识自然，就要根据种种自然现象，总结规律，能量 守恒定律就是人类总结出的规律之一，而且人类认识的其 他规律也必定符合能量守恒定律。 1933 年意大利科学家 费米，在研究 β 衰变的过程中发现，能量不守恒。于是他 根据能量守恒定律大胆预言了还有一种未发现的粒子，这 就是现在已被科学界公认的中微子。这一事例说明了能明 守恒定律，已成为人类认识自然的重要依据。 能量守恒定律是人类利用自然的重要武器。 纵观人类科学技术进步的历史，也是一部认识能量、利用 能量、实现能量转化的历史。从原始人钻木取火，到水能 利用；从蒸汽机发明，到电能的利用；从太阳能，到核能 的利用。人类总是在认识、利用能源，逐步实现能量的转 化。

我们能制造出不消耗能量的永动机吗？ 2 、永动机给我们的启示 人类利用和改造自然时， 必须遵循自然规律。 下面让我们来看看几种永动机模型 。见识一下人 们对永动机的研究情况： 能量守恒定律是认识自然、改造自然的有力武器， 这个定律将广泛的自然科学技术领域联系起来，使不 同领域的科学工作者有一系列的共同语言。 1 、 第一类永动机 概念：不消耗能量的机器。 结果：无一例外地归于失败。 原因：违背了能量守恒定律。 四、 永动机不可能制成 能的转化和守恒定律是 19 世纪自然科学中三大 发现之一，也庄严宣告了永动机幻想的彻底破灭。

著名科学家达 · 芬奇早在 15 世纪就提出过永动机不 可能的思想，他曾设计过一种转轮，如图 1 所示： 在转轮边沿安装一系列的容器，容器中充了一些 水银，他想水银在容器中移动有可能使转轮永远地转 动，但是经过仔细研究之后，得出了否定的结论。他 从许多类似的设计方案中认识到永动机的尝试是注定 要失败的。他写道： “ 永恒运动的幻想家们！你们的 探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！ ” 图 1 达 · 芬奇设想的永动机

滚球永动机 17 世纪，英国有一个被关在伦敦塔 下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的 “ 永动 机 ” ，如图 2 所示。 转轮直径达 4.3 米，有 40 个各重 23 千克的钢球沿转轮 辐翼外侧运动，使力矩加大，待转到高处时，钢球会自 动地滚向中心。据说，他曾向英国国王查理一世表演过 这一装置。国王看了很是高兴，就特赦了他。其实这台 机器是靠惯性来维持短时运动的。 图 2 滚球永动机

软臂永动机 19 世纪有人设计了一种特殊机构， 如图 3 所示。 它的臂可以弯曲。臂上有槽，小球沿凹槽滚 向伸长的臂端，使力矩增大。转到另一侧，软臂 开始弯曲，向轴心靠拢。设计者认为这样可以使 机器获得转矩。然而，他没有想到力臂虽然缩短 了，阻力却增大了，转轮只能停止在原地。 图 3 软臂永动机

阿基米德螺旋永动机 1681 年，英国有一位著名的 医生弗拉德提出一个建议，利用阿基米得螺旋（图 4 ） 把水池的水提到高处，再让升高的水推动水轮机， 水轮机除了带动水磨做功以外，还可使阿基米得螺旋 转不断提水，如此周而复始，不就可以无需担心天旱 水枯了吗？一时间，响应他的人大有人在，形形色色 的自动水轮机陆续提出，竟出 现了热潮。 1. 水沟 2. 阿基米得螺旋 3. 水轮 4. 水磨 图 4 阿基米德螺旋永动机

磁力永动机 大约在 1570 年，意大利有一位教 授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永 动机。他的设计如图 5 所示 A 是一个磁石，铁球 G 受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到 上端的 E 处，从小洞 B 落下，经曲面 BFC 返回，复又被磁石吸 引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。大概他那时还没 有建立库仑定律，不知道磁力大小是与距离的平方成反比变 化的，只要认真想一想，其荒谬处就一目了然了。 图 5 磁力永动机

如果说永动机的 “ 发明 ” 对人类有点益处的话，那就是 人们可以从中吸取教训：一切违背能量转化与守恒定律等 自然规律的 “ 创造 ” 都是注定要失败的 亲爱的读者，你们读了这些发明永动机的故事有什么感 想？科学规律不容违反，违反了就要碰壁，大家千万不要 做那种徒劳无功的事啊！ 就在一些人热衷于制造永动机的同时， 科学家们从力学基本理论的研究中逐步认 识到了自然界的客观规律性。继达 · 芬奇之 后，斯蒂文于 1568 年写了一本《静力学基 础》，其中讨论斜面上力的分解问题时， 明确地提出了永动机不可能实现的观点。 他所用的插图画在该书扉页上，见图 6 ，图的上方写着： “ 神奇其实并不神奇。 ” 将 14 个等重的小球均匀地用线穿起组 成首尾相连的球链，放在斜面上，他认为链的 “ 运动没有尽头 是荒谬的 ” ，所以两侧应平衡。 右图 6 为 “ 神奇其实并不神奇 ”

1. 在下列有关能的转化的几种说法中，不 正确的是 ： A 、用锯子锯木头，锯条会发热，是由于机械 能转化成内能 B 、当水壶中的水沸腾时壶盖会跳动，这是内 能转化为机械能 C 、给蓄电池充电的过程中，电能转化为化学 能 D 、在燃料燃烧的过程中，内能转化为光能 D 课堂练习

2. 下面是关于能量转化和转移的一些说法， 其中错误的是： A 、电动机工作时是将机械能转化成电能的过程 B 、冬天将手放到炉旁烤火感到暖和，是内能从 一个物体转移到另一个物体的过程 C 、木材燃烧是将化学能转化为内能的过程 D 、打桩机的重锤下落的过程，是将重力势能转 化为动能的过程 A

年 9 月 11 日，恐怖分子利用劫持的 2 架客机，装满燃油，先后水平撞击世贸大 楼的南北塔楼，使两大楼产生幅度近 1 米的 晃动和猛烈燃烧。一个多小时后两幢 110 层的高楼相继倒塌，造成数千人的伤亡。 使两幢大楼遭受重创的巨大能量是 ： A 、飞机的重力势能 B 、飞机的内能 C 、燃油燃烧产生的内能和飞机的动能 D 、以上都是 C

4. 下列说法中错误的是： A 、能的转化和守恒定律只适用于物体内能的变化 B 、只要有能的转化和转移，就一定遵从能量守恒定 律 C 、能的转化和守恒定律是人们认识自然和利用自然 的有力武器 D 、任何一种形式的能在转化为其它形式的能的过程 中，消耗多少某种形式的能量，就能得到多少其 它形式的能量，而能的总量保持不变 A

5. 俄罗斯 “ 和平号 ” 空间站完成了历史使命， 于 2001 年 3 月 23 日从太空进入大气层，最 后坠入南太平洋大海中。设空间站庞大的 结构不解体，它在坠落过程中： A 、势能减小，机械能不变 B 、动能与势能相互转化，且势能全部转化成动能 C 、内能增大，温度升高 D 、坠入海底越深，所受浮力越大 C

6. 如图所示容器， A 、 B 中各有一个可以自由移动 的活塞，活塞下面是水，上面为大气，大气压恒定。 A 、 B 间用带有阀门的管道相连，整个装置与外界隔 热． A 容器的横截面积大于 B 容器的横截面积，开 始时 A 的液面高于 B 的液面，开启阀门后， A 中的 水逐渐流向 B ，直至两边液面相平．在这个过程中 （ ） A 、大气压力对水做功，水的内能增加 B 、水克服大气压力做功，水的内能减 小 C 、大气压力对水不做功，水的内能不变 D 、大气压力对水不做功，水的内能增加 D

习题精选 1 、一定质量的理想气体，如果体积膨胀，同时吸 收热量，下列关于该气体内能变化的说法中正确的 是（ ） A 、如果气体对外做的功大于吸收的热量，气体内能 将减少 B 、如果气体对外做的功小于吸收的热量，气体内能 将减少 C 、如果气体对外做的功等于吸收的热量，气体内能 将不变 D 、如果气体对外做的功等于吸收的热量，气体内能 可能改变 A、CA、C

2 、关于能的转化与守恒定律的下列说法错误的是 （ ） A 、能量能从一种形式转化为另一种形式的能，但不 能从一个物体转移到另一物体 B 、能量的形式多种多样，它们之间可以相互转化 C 、一个物体能量增加了，必然伴随着别的物体能量 减少 D 、能的转化与守恒定律证明了第一类永动机是不可 能存在的 A

3. 下列四种现象中，只有能的转移而不发生能的 转化过程的是 （ ） A 冬天，用手 摸户外金属时感到冷 B 植物吸收太阳光 进行光合作用 C 水蒸汽会把壶盖顶起来 D 闭合开关，电灯会发光 4. 关于能量及转化。下列说法中错误的是（ ） A 电烤箱烤面包时，电能转化为内能 B 煤燃烧时，化学能主要转化为内能 C 植物的呼吸作用是贮存能量的过程 D 在电磁感应现象中，机械能转化为电能 A C