能及其应用 初三物理 主讲教师：胡展翅

一、能的性质 一道炫目的闪电划过漆黑的夜空，伴着呼啸的狂风和震耳欲聋的雷声，大雨倾盆而下。随后传来了一个像火车驶近时的声音，随着声音的不断增大，小镇面临的是一场破坏力巨大的龙卷凤。风速高达250千米/时的龙卷凤吹过小镇，镇上房子的屋顶被掀掉，汽车就像玩具一样被到处乱抛。几分钟后，龙卷风远去了。

第二天早上，营救人员开始评估龙卷凤造成的损失。此时，一阵微风拂过，带起废墟上的几片落叶。奇怪的是，同样是风，在前一天的晚上以雷霆万钧之 第二天早上，营救人员开始评估龙卷凤造成的损失。此时，一阵微风拂过，带起废墟上的几片落叶。奇怪的是，同样是风，在前一天的晚上以雷霆万钧之 势摧毁所有的房屋，第二天早 上却温柔得只能带起几张落 叶。风其实就是流动的空气， 但是它具有能。 龙卷风所具有的能能够在数分钟内摧毁一个镇子。

什么是能 当风吹动落叶乃至刮倒一座房子时，变化就发生了。这里的变化指的是物体位置的改变。回想一下以前学过的内容，当物体在一个力的作用下发生了一段位移，就说做功了。对物体做功或使物体位置发生变化的本领就叫做能(energy)。因此，我们说风具有能。 一个物体(或生物)对另一物体做功后，前者的一部分能就转移到了后者上。因此，你可以把功看作是能的转递。当能发生传递后，做功的对象就获得了 能。能的单位是焦，与功的单位相同。

动 能 机械能有两种基本形式：动能和势能。判断到底是动能还是势能要看这种能是处于转移过程中还是储存过程中。 到目前为止你看到的几个例子中的物体都是处于运动状态的。运动的物体与另一物体相撞并把它撞出一段距离，运动物体就做了功。例如，保龄球顺着球道往前滚，最后把瓶子给撞倒了。

由于运动物体能做功，所以它一定具有能，这种能叫做动能(kinetic energy)。“kinetic”一词来自希腊语中的“kinetos”，意思是“运动”。 质量与速度 物体所具有的动能取决于物体的质量和它的运动速度。想一想，要使一个高尔夫球与一个保龄 球滚动的速度相同，哪 个球 更费力?显然，在保龄球上所 用的力大,因为它的质量比高 尔夫球大。 保龄球能够做功，因为它在运动。

由于在做功过程中同时发生能的转移，因此你做的功越多，球获得的能就越多。因此，以相同速度运动的保龄球具有的能比高尔夫球要大，动能随着物体质量的增大而增大。 要想保龄球运动得更快，你得怎么做?你在扔球时应该再加把劲，也就是说，你得用更大的力。换句话 说，你若想让保龄球获得更 大的速度，你就得对它做更 多的功，动能随着速度的增 大而增大。 动能随着物体质量和运动速度的增大而增大。

势 能 有时，当你把能转移给一个物体时，物体的高度位置或形状会发生变化。例如，你把书拣起来放到桌子上或者给玩具上发条，书和发条或高度位置改变，或形状改变。由于势能是储存中的能，这些储存的能或许以后会用到，比如说，书掉到地上或者发条重新松开。这些储存着备用的能就叫做势能(potential energy)，这种能有做功的潜力。

弹性势能与你把一个物体举起来而给予它的势能是不同的， 与物体所处位置的高度有关的势能叫做 弓箭手把弦往后拉的时候，弓就获得了势能，这些能储存起来，释放时则可以让箭射向目标。与物体的形变有关的势能叫做弹性势能(elastic potential energy)。 弹性势能与你把一个物体举起来而给予它的势能是不同的， 与物体所处位置的高度有关的势能叫做 重力势能(gravitational potential energy) 一块即将坠落的岩石具有势能。

各种各样的能 到目前为止，你所学到的有关能的例子中，物体要么处于运动状态，要么发生了物理变化。但是，事实上，除了动能、势能以外，能还有许多不同的存在形式。能的主要存在形式包括：机械能、热能、化学能、电能、电磁能和原子能。

机械能 你乘坐的校车、往前跳跃的青蛙，甚至是你听到的声音都具有机械能。机械能(mechanical energy)是指与物体的运动或位置高度、形变相关的能。机械能可以表现为动能，也可以表现为势能。 你的周围存在着不同形式能。跳跃的青蛙向你展示的是机械能，融化的冰表明存在热能。

内能 所有的物体都是由叫做原子和分子的微小粒子组成的。由于粒子的运动形式和排列结构方面的原因，所有这些粒子既有动能又有势能。内能(thermal energy)是指组成物体的粒子所具有的能的总和。当物体的内能增加时，它所含的粒子的运动速度就会增大，从而使得物体摸上去感觉是热的。随着内能的增加，冰淇淋开始熔化。

化学能 化合物，如巧克力、木头和蜡，都储存有化学能(chemical energy)。化学能是指储存在化合物化学键里的势能。你吃的食物，用来点蜡烛的火柴都储存有化学能，甚至你身体的细胞里都储存有化学能 电能 当门的金属球形握把上的静电击中你的时候，你就能感受到电能。运动的电荷形成电流，或者说产生了电能(electrical energy)。电器设备，如收音机、电灯以及电脑等，用的都是来自电池或电厂的电能。

电磁能 你每天看到的光就是一种电磁能(electromagnetic energy)。电磁能以各种各样的波的形式传播，这些波同时具备某些电的属性和磁的属性。除了可见光外，紫外线、微波和红外线都是电磁能的表现形式。 CT机使用的正是电磁能。

原子能 还有一种能叫做原子能(nuclear energy)，属于一种势能，储存在原子核中。原子核发生核反应(裂变或聚变)时，就会释放山巨大的能量。目前，核电厂是利用核裂变来发电的，自然核聚变则发生在太阳和其他恒星上。

二、能量转化与守恒 是什么力使得卡片跳起来 1. 将一卡片对折。 2. 在折缝两边开两条相距2厘 米约2厘米宽的口子。 3. 把卡片稍许打开一点，拿一根橡皮筋扣在四道口子上。然后如图中所示；折褶向上把卡片摊平。 4. 预测一下，如果你把两手放开，卡片会怎么样?检验你的预测 定义 描述所发生的现象。根据实验中观察到的卡片 与橡皮筋的有关现象，给动能和势能下一定义。

巨大的水帘劈空而下，水花溅在你的雨衣上，除了水声你几乎听不见其他任何声音。你双手紧紧抓住栏杆，任凭汹涌的巨浪把你摇来晃去。你性命难保了吗 巨大的水帘劈空而下，水花溅在你的雨衣上，除了水声你几乎听不见其他任何声音。你双手紧紧抓住栏杆，任凭汹涌的巨浪把你摇来晃去。你性命难保了吗?不用担心，你正乘坐着观光船，行驶在位于美国和加拿大之间的尼亚加拉大瀑布下面呢。尼亚加拉大瀑布发源自雨水充足的大湖区，数百年来，其壮观的景象吸引了世界各地无数的游客。 尼亚加拉大瀑布的落差高达50多米。

然而，游客们并不知道尼亚加拉大瀑布的功能决不只限于观光旅游，它还是一个电力网的中心。倾泻而下的瀑布被用来发电，给周围的大部分地区供应电力。

不同形式的能之间的转化 水和电力之间有什么联系呢?你或许已经知道流动的水所具有的机械能可以转化成电能。能从一种形式转化成另一种形式叫做能的转化(energy conversion)或能的转变。任何形式的能都可以从一种形式转变成另一种形式。 你经常会碰到能量转化方面的例子。如烤箱能把电能转化成热能；电动机把电能转化成机械能，以驱动机器。

你体内的器官可以把你吃进去的食物中的化学能一部分转化成人体活动时肌肉所需的机械能，也有一部分被转变成热能以保持正常的体温，还有一部分甚至转变成电能以供你脑子思考所需。 通常要实现一系列的能量转化你需要做点工作。比如说，你得划一下火柴，先把机械能转换成热能，然后再由热能帮助火柴释放出储存其中的化学能，最后化学能又转变成热能和光能，这就是你看到的光。

汽车引擎中发生的则是另一种能量转化。先是电能产生火花，火花的热能使得燃油释放出储存的化学能，化学能又转化成热能，热能再转化成驱动汽车前进的机械能和电能，其中的电能可产生更多的火花。 早晨起来的短短几分 钟内，这位同学就经 历了许多能量转化方 面的例子。想一想，一天当中还有哪些场合是与能量转化有关的。

动能和势能 最常见的一种能量转化是势能转化为动能。当你拉长橡皮筋的时候，你就给了橡皮筋弹性势能。如果你放开手，橡皮筋就会飞到房间的另一头去。橡皮筋动起来之后就具有了动能，也就是说，绷紧的橡皮筋的势能被转化成了运动着的橡皮筋的动能。

杂耍中的能量转化 任何物体的升降过程都涉及动能与势能的相互转化。请看图中被抛入空中的橘子。橘子运动时，它就获得了动能，随着高度的增加，上升的速度也开始减小，橘子动能减少；但是由于高度增加了，它的势能也就增加了。橘子在达到最高点时速度为零，此时，橘子不再具有动能，但具有了势能。当橘子往下掉的时候，一个逆向的能量转化过程就开始 了：橘子的动能不断地增加，而势能则 不断减少。 当一个物体抛入空中时，能量转化也就发生了。

瀑布的能量转化 前面提到的尼亚加拉大瀑布，动能与势能之间的转化规模则要大得多。由于瀑布存在一个落差，所以瀑布顶端的水具有重力势能。随着水往下落，其高度不断降低，势能也随之减少；但是，与此同时，随着水下落速度的增大，它的动能也相应增加，势能逐渐转化成了动能。

撑杆跳高运动能量的转化 当运动员开始起跳前的助跑时，他就获得了动能。而当他把杆子拄在地上跳起时，撑杆变弯了，同时他的动能转化成了杆子的弹性势能。当杆子伸展开，并把运动员送入空中的时候，杆子的弹性势能又被转化成撑杆运动员的重力势能。 当运动员越过横杆开始往地面上的 垫子落下时，他的重力势能又被转 化成动能。 正是能量的相互转化，才使得图中的撑杆跳高运动员越过6米多高的横杆。

摆锤中能量的转化 动能和势能之间的连续转化也发生在摆锤中。如图所示，摆锤运动到最高点时，它只有重力势能。随着摆锤往下摆，运动的速度逐渐增大，它的重力势能转化成了动能。摆锤运动到了最低点时，它所具有的能都是动能。然后，摆锤开始向另一边上摆，速度渐渐地慢下来，于是它重新获得了重力势能，同时它也不断地失去动能。当摆锤到达最高点后，就只有重力 势能了。接着又开始下一个能量 转化循环。 发生在摆锤中的动能和势能的相互转化。摆锤在哪两点时，重力势能最大？

能量守恒 摆锤开始摆动后会一直摆下去吗?不是的，那么，是不是随着时间的推移，能量消失了呢?也不是的，根据能量守恒定律(1aw of energy conservation)，当一种形式的能转化成另一种形式的能的过程中，能量既不会自动凭空消失，也不能凭空创造出来。所以，不管经过什么过程，过程前后总能量保持不变，所有能量的来源与去处都可以解释清楚。

能量与摩擦力 既然如此，那么锤摆的动能跑到哪儿去了呢 能量与摩擦力 既然如此，那么锤摆的动能跑到哪儿去了呢?事实上，摆锤摆动过程巾受到两个摩擦力的作用。一个是空气摩擦力，另一个是线的悬挂处的摩擦力。一个物体遇到摩擦力时，它所含的分子和原子的运动速度(相应的动能)就会加快，这就意味着热能在增加。因此，摆锤的机械能被逐渐转化成热能，摆动速度就渐渐地慢下来，但是能量并没有消失。 摩擦力把机械能转变成了热能，我想对此你不会感到很奇怪。你肯定有搓手取暖的经验，摩擦力会把能量转化成热能，这也正是没有一台机器的效率能达到100％的原因。

能量与物质 你或许已经听说过爱因斯坦的相对论，相对论对能量守恒定律作了一个小的修正。爱因斯坦认为能量有时可以通过减小物体质量的方式来创造 能量与物质 你或许已经听说过爱因斯坦的相对论，相对论对能量守恒定律作了一个小的修正。爱因斯坦认为能量有时可以通过减小物体质量的方式来创造!不过这种情况对本章中提及的大部分能量守恒现象并不重要。但是，对核反应却意义重大，因为核反应正是通过减小物体质量来产生大量能量的，这一发现意味着，在有些情 况下，能量并不总是守恒的。科学家说， 质量和能量加在一块总是守恒的。就像能 量的不同形式之间可以相互转化一样，质 量和能量之间也可以相互转化。 阿尔伯特·爱因斯坦于1905年发表了狭义相对论。

节 能 当你听到或读到节能的时候，千万别与能量守恒混淆起来了。节能的意思是节约能源，与浪费能源相对。换句话说，节能是要我们不要浪费燃料，比如汽油等，否则我们的资源很快就会用完。物理上的能量守恒定律指的是能量总量上保持不变。从科学意义上讲，能量总是守恒的，因为能的总量保持不变。

内能（下面开始中详细学习有关内能方面的知识） 物质中所有粒子所含能量的总和就是物质的热能，有时也称之为内能。即使两个物体的温度相同，它们的热能也不一定相等。 在一定温度下，物质所含的粒子越多，它具有的热能也就越大。例如，温度为75℃的2升热可可饮料具有的热能就比相同温度的0.15升的热可可饮料的热能多。因此，温度是衡量组成物质的单个粒子的平均动能的标志，而热能是所有粒子具有的能量的总和。

热能不仅仅取决于物质的温度以及所含粒子的数量，它还受粒子排列方式的影响。 大罐子里装的热可可温度与小杯中的可可温度相同。对比　这两个容器中的热能相等吗？

增进技能 推论 衣服已经烘干了，于是你把它们从烘干机里拿出来。先拿出来的是衬衫，没什么问题。接下来你抓到的是一条牛仔裤，可你这次却恨自己扔得太慢，因为牛仔裤上的金属拉链太烫手!推测一下牛仔裤上什么东西的导热性能好?为什么?

请注意科学中热的定义与我们日常生活中所说的热是不一样的。或许你听人说过物体中含有热量。事实上，物体中含有的不是热量，而是内能。热量实际上指的内能转移的多少，即热量是由高温物体向低温物体传递的内能的多少。功也包含机械能的转移。因此，功和热量都涉及能量的转移，它们的单位都是焦。

三、热量的性质 铁匠的活很热。铁匠把一块铁放进了火炉，随着火把内能不断地传递给铁块，铁块变得越来越热，并开始发红。铁匠也感到火炉里升起的热气，灼人的热气映红了他的脸和双臂。所有这些都是热传递的不同方式。热传递(heat transfer)是指内能从温度较高的物体转移到 温度较低的物体的过程。 在用铁锤将一块铁打制成铁器之前，铁匠先要用热来软化它。

冰 箱 通过能量的转化可以实现食物低温保鲜，这听起来是不是有些奇怪?不管怎么说，热量总是从温度高的物体向温度低的物体单向流动。那么，怎样冷藏食物呢?冰箱能把内部低温空间的内能带到外部的高温空间去。或许你已经。从冰箱低部排出的热风中感受到这种能量的传递了。 冰箱是一种利用外部能源把内能从低温区转移到高温区的装置。在你的冰箱中，这种能量是由一台电动机提供的

此外，冰箱还需要一种制冷剂。气态的制冷剂受压缩后，压力与温度升高。这样，制冷气体就开始放出热量，这些内能随即被传递到冰箱外面的空气中。随着内能放出，制冷剂由气态转变成液态，液体于是开始汽化。汽化时，制冷剂温度逐渐降低。冷气体被泵入冰箱的散热管中吸收冰箱里的热量，于是冰箱内部的内能就被传递到散热管的冷气体中。这部分气体又回到冰箱的压缩机中，开始新一轮的循环。

空调的工作原理与上面叙述的一样，只不过它是把室内的内能转移到室外去，从而降低室内的温度罢了。 这幅图显示了电冰箱的基本构造。图解　冰箱是如何利用物态变化来冷却食物的？

比 热 想像一下，你正在穿越炽热的沙滩奔向大海。然而刚跑到水边，你就不再往前跑了，因为海水太凉了。为什么在同样的太阳辐射下，沙滩上的沙子这么烫，而海水又这么凉呢? 答案是提高相同的温度，水所需的热量要比沙石多。 在艳阳高照的夏天，沙滩上烫得让人受不了。但几米之外的海水却仍然很凉爽。

物体受热后温度随之升高，但不同的物体温度升高的速率是不一样的。物体升高一定温度所需的热量取决于它的化学组成，不同的物质升高相同的温度所需的热量是不一样的。 科学家们定义了一个物理量来表示物体的温度变化与热量之间的关系。质量为l千克的某种物质升高1℃所需的热量，叫做该种物质的比热(specific heat)。比热的单位是焦/(千克·℃)。下图中给出了一些常见物质的比热值。你肯定注意到了，水的比热特别大，要使1千克水的温度升高1℃所需的热量居然高达4180焦。比热大的物质能够。吸收大量的热量，自身的温度却变化不大。

几种常见物质的比热 物质 比热焦/(千克℃) 铝 903 黄铜 376 铜 385 玻璃 664 冰 2060 铁 450 沙 670 银 235 水 4180

一个物体热能的变化与它的质量、温度变化及比热有关，你可以用下面的公式来计算物体热能的变化： 热能变化比热质量温度变化 使5千克水的温度升高10℃所需的热量是多少? 吸收的热量4180焦／(千克·℃) 5千克10℃ 209000焦 因此你得往这些水里传递209000焦的热量，才能使它的温度升高10℃。

热量的利用 100多年以来，蒸汽机车一直是力量与速度的象征。它最早在19世纪30年代投入使用。不久之后，它就拖着数百上千吨的货物跑起来了，而且跑得比骏马还要快。然而到了今天，火车已经 使用更加高效快速的柴油机车 了，那些燃煤的蒸汽机车今后 只能作为观光旅游的展品了。

四、热机 为了驱动蒸汽机车，工人得不停地往锅炉里一锹锹地送煤炭，热从火中传递到锅炉里的水。那么热是怎样驱动火车的呢? 煤炭中的热能被转化成为火车的机械能，即火车前进的动能。你已经知道与此相反的过程，即机械能转化为热能，如你搓手取暖的过程。

要实现热能到机械能的转化需要一种叫做热机(heat engine)的装置。蒸汽机通常利用燃烧产生的能量，燃烧(combustion)是指煤或汽油等燃料燃烧的过程。在燃烧过程中，储存在燃料中的化学能被转化为热能，热机又把热能转化为机械能。热机按照燃料燃烧发生场所的不同而分为内燃机和外燃机。

外燃机 在外燃机(external combustion engine)中，燃料在发动机之外的锅炉内燃烧。蒸汽机便是一种外燃机，它通过燃烧木材、煤炭和石油，把锅炉内的水加热。随着热能的增加，水转化为蒸汽。水蒸汽通过进汽阀进入发动机，在那里蒸汽推动金属活塞。这样，活塞就在一个被称为汽缸的筒内来回移动。

图中显示的是蒸汽如何驱动机车。蒸汽从汽缸右侧进入汽缸，将活塞推至左端。接着蒸汽又进入到汽缸左端，将活塞推回。这种类型的外燃机心能驱动蒸汽船的螺旋桨。现代的蒸汽机比老式的活塞蒸汽机效率要高得多，不过它们的原理相同，都是把热能转化成了机械能。 这是蒸汽机的结构示意图。每个活塞运动到冲程的终点时，滑阀便反向运动。

内燃机 在内燃机(internal combustion engine)中，燃料在发动机汽缸内燃烧。给大多数汽车提供动力的柴油机和汽油机都是内燃机。汽缸内活塞的上下运动，带动曲轴运动，曲轴的运动又带动了车轮的运动。

活塞每上(下)运动一次就称为一个冲程。大多数的柴油机和汽油机是四个冲程的发动机，如“探索四冲程发动机”中所示。汽车发动机经常有四个、六个或八个汽缸，每只汽缸都经历着“四冲程过程”，而且每秒重复多次。 内燃机

吸气冲程 随着活塞向下运动，燃料和空气的混合气体被吸入汽缸。 压缩冲程 随着活塞向上运动，混合气体被压缩到一个较小的空间。 点火 当活塞快要到达汽缸的顶端时，火花塞点燃了混合气体。化学能被转化为热能，从而把气体加热。 做功冲程 气体受热膨胀，使活塞往下运动，带动了曲轴，从而把热能转化成了机械能。

这辆赛车的内燃机有8个汽缸，它比左图中4缸的内燃机功率大。它们都属于四冲程内燃机