【培优导学案】浙教版科学九年级全册：17、能源、核能和能量的转化与守恒 学案（含解析）

 能源、核能和能量的转化与守恒

【回顾】

1．核能

获得核能的途径：裂变和聚变。

(1)重核裂变： 质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核，并释放出能量的过程。

(2)轻核聚变：在超高温度下，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。聚变需要很高的温度，所以也叫热核反应，氢弹就是根据轻核聚变的原理制成的。

2．能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，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。而在转化和转移的过程中，能的总量保持不变。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，是人们认识自然和改造自然的重要科学依据。

3．各种形式的能都可以相互转化。做功的过程就是能的转化的过程，如运动物体克服摩擦做功就是机械能转化为内能的过程。另外，有时能量不是从一种形式转化为另一种形式，只是从一个物体转移到另一个物体或从物体的某一部分转移到另一部分，这叫能的转移，例如热传递就是内能在物体间的转移过程。

4．内能与机械能对比

例　能量的形式多种多样且可以相互转化。如图17－1所示事例中，属于内能转化为机械能的是(　　)

图17－1

[答案] D

 运动员奔跑时，将生物能转化为机械能；电风扇工作时，将电能主要转化为机械能；氢弹爆炸时，将核能转化为内能；内燃机做功冲程是利用高温、高压燃气做功，将内能转化为机械能。

[方法点拨] 本题考查了能量的转化形式，要结合对应的现象进行分析解答。

1．如图17－2所示的实验或装置均改变了物体的内能，其中与另外三个改变内能方式不同的是(　　)

图17－2

2．下列有关能源和信息的说法中正确的是(　　)

A．火箭发射利用的燃料是液态氢，是因为它含有的热量多

B．核电站是利用核裂变的能量来发电的

C．手机是利用超声波来通信的

D．因为能量在转化过程中是守恒的，所以能源是“取之不尽、用之不竭”的

3．核电站发电流程如图17－3所示，在核电站的发电过程中，下列所述能量转化顺序正确的是(　　)

图17－3

A.核能→化学能→内能→电能

B．核能→化学能→机械能→电能

C．核能→内能→机械能→电能

D．核能→机械能→内能→电能

4．如图17－4所示，铜质圆环从条形磁体的正上方由静止开始下落。在此过程中，下列分析不正确的是(　　)

图17－4

A．铜环在下落过程中机械能总量减少

B．磁体对桌面的压力大小始终等于其自身的重力大小

C．铜环落到桌面停止时其温度可能升高

D．铜环在下落过程中部分机械能转化为电能

5．两个完全相同的正方体均匀物块，分别沿各自虚线切割掉一半，将剩余部分a和b按照如图17－5所示位置摆放在同一水平面上，比较两物块的重力势能(　　)

图17－5

A．a比较大       B．b比较大

C．一样大        D．无法判断

6．我国已兴建抽水蓄能水电站，它可调剂电力供应。深夜时，用过剩的电能通过水泵把下蓄水库的水抽到高处的上蓄水库内，白天则通过闸门放水发电，以补充电能不足，如图17－6所示。若上蓄水库长150 m，宽30 m，从深夜11时至清晨4时抽水，使上蓄水库的水位升高20 m，而下蓄水库的水位下降5 m，开始抽水时，上、下蓄水库的水位高度差为400 m。已知：抽水机的效率为80%，发电机的效率为60%，g取10 N/kg。则白天通过闸门放水发电将夜晚抽水蓄的能转化成电能，给电网补充的电能为________J，抽水机的平均功率为________kW。

图17－6

7．小红看到运动员拉弓射箭时，弓拉得越弯，箭射得越远。小红猜想：弹性势能的大小可能与物体的弹性形变程度有关。

(1)为验证其猜想是否正确，她设计了如图17－7所示的实验，将小球置于弹簧的右端，将同一个弹簧每次压缩________的长度(弹簧被压缩后未超过其弹性限度)，松手后小球弹开钻入同一位置的相同纸盒，并留在其中，分析比较纸盒__________________，从而比较同一弹簧在形变量不同时弹性势能的大小。

图17－7

(2)假若水平面绝对光滑，本实验将________(填“能”或“不能”)达到探究目的。

(3)小红根据实验现象认为：小球推动纸盒一起移动一段距离后都要停下来，所以弹簧、小球和纸盒所具有的能量最终都彻底消失了，你认为小红的观点是______________(填“正确”或“错误”)的。

8．市场上出现了一种“自发热内衣”，小黄同学对市场上热卖的自发热内衣的宣传产生了质疑。他认为，能量不能凭空产生，如果内衣发热，其内能一定是通过其他形式的能转移或转化而来的。接着在查阅资料时发现：发热内衣的原料是一种特殊纤维材料，当它吸收人体散发的水分时，纤维分子中的亲水基团与水分子结合，水分子的动能降低，同时转化为内能释放出来。为此小黄设计实验进行验证：将三件相同的标有发热字样的内衣样品烘干后放到室内，并将三个测温探头放进三件样品的相同位置，室内温度保持20 ℃不变。由于室内空气湿度较大，内衣开始吸湿。经过半小时的数据记录发现，三件内衣样品的升温幅度最高不超过4 ℃，半小时平均升温值小于3 ℃。

请问：

(1)小黄选用三件相同的内衣样品做实验，其目的是____________________。

(2)样品内衣增加的内能是由______________能转化而来的。

(3)为了进一步探究不同的纤维吸湿发热性能的高低，本实验将如何改进？

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

9．淋浴用水的流量约为10 L/min，合适的水温约为50 ℃，用水时间约为4 min。电热淋浴器有两种设计，一种是淋浴时电流直接对流动的水加热，另一种则备有水箱，待水箱中的水加热至合适的温度后再淋浴(加热前的水温为20 ℃)。

(1)请根据上面提供的数据论证，第一种设计不适合大多数家庭的供电电路。

(2)如果水箱中的水恰好够一个人淋浴用，供电电路允许的电流最大为10 A，电加热的效率为80%，这种条件下把水箱中的水加热需要多长时间？

10．潍坊中考阅读以下材料，回答问题。

混合动力型汽车

利用两种或两种以上能源的汽车称为混合动力型汽车，通常指的是利用汽油和电池的汽车，该类型汽车，一般有一台质量较小且较为经济的汽油发动机与一台电动机，汽油发动机可以满足大多数情况下行驶的需要，当需要更多的动力时，可以再由电动机提供，电动机由能重复充电的蓄电池供电。

有一种类型的混合动力型汽车，称为“并联混合动力型汽车”。该车的汽油发动机和电动机通过同一个变速器与车轮相连。何时使用汽油发动机、何时使用电动机、何时两者同时使用，均由内置电脑控制，这类汽车除了油箱里的汽油之外，不再需要外界其他能源。与电动汽车不同，你不需要将混合动力型汽车的蓄电池接到电源插座上去充电；普通汽车在制动时，汽车的动能全部转化为内能，而混合动力型汽车在制动时，电动机作为发电机使用，把汽车的一部分动能转化为电能，实现了对电池的充电。

(1)混合动力型汽车与普通汽车相比，具有哪些优点？(写出两点)_______________________

________________________________________________________________________________。

(2)混合动力型汽车在水平路面上制动时，汽车的动能转化为________和________。

(3)混合动力型汽车以速度v行驶，若汽油发动机与电动机同时提供动力，其功率分别为P1、P2，此时该车的牵引力F＝________。

(4)某新型混合动力型汽车启动时，内燃机不工作，蓄电池向车轮输送能量，当需要高速行驶或蓄电池电能过低时，内燃机启动，既可以向车轮输送能量，又可以给蓄电池充电。车速与所受阻力的关系如图17－8所示。在某次测试中，蓄电池储存的电能为5.12×108 J，由内燃机提供能量，汽车以50 km/h的速度匀速行驶了0.5 h，同时蓄电池的电能增加了10%。求：

①汽车牵引力做的功。

②若所用燃料的热值为4.5×107 J/kg，测试过程中消耗8 kg燃料(假设燃料完全燃烧)，则放出的总热量是多少。

③内燃机的效率。

图17－8

答案

1．A　 图A中，观察水的沸腾，利用酒精灯加热，是通过热传递改变物体内能的；图B中，空气膨胀做功，推动塞子，空气的内能减少，是通过做功改变物体内能的；图C中，用力将活塞迅速压下，压缩空气做功，是将机械能转化为内能的过程；图D是内燃机压缩冲程，活塞压缩工作物质做功，将机械能转化为内能。

2．B　 运载火箭采用液态氢为火箭的燃料，原因是液态氢具有较高的热值，完全燃烧相同质量的氢和其他燃料时，氢可以释放出更多的热量；核电站是利用铀原子核裂变时放出的核能来发电的；手机能发出电磁波，也能接收电磁波，故手机通信是利用电磁波来传递信息的；能量在转移、转化过程中是守恒的，但是能量的转化和转移具有方向性，所以能源并非“取之不尽、用之不竭”，我们要节约能源。

3．C　 在核反应堆中，核能转化为内能；在汽轮机中，蒸汽的内能转化为汽轮机的机械能；在发电机中，机械能转化为电能，最终输送到电网上。

4．B　 在整个下落过程中，穿过铜圈的磁通量一直在变化，所以一直有感应电流产生，也就产生了一部分电热，总能量就等于电热加铜环的机械能，总能量守恒，所以铜环的机械能总量减少。

①铜环从磁体的正上方下落至磁体的中间部位过程中，穿过铜环的磁通量一直在增加，根据“来拒去留”，二者之间表现为斥力，也就是说该过程中铜环对磁体有向下的力。②当铜环从磁体中间部位向磁体底端运动过程中，穿过磁体的磁通量一直在减少，根据“来拒去留”，二者之间表现为引力，也就是说该过程中铜环对磁体有向下的力；③当铜环运动至磁体正中间部位时，铜环的运动方向与磁感线平行，不切割磁感线，该时刻铜环中没有感应电流，二者之间没有力的作用，也就是说该时刻磁体的重力大小等于磁体对桌面的压力大小。当铜环从静止下落过程中，由于磁通量变大，导致铜环中出现感应电流，受到安培阻力，则除了重力做功外，还有安培力做功，导致下落过程中减小的重力势能，部分用来增加动能，还有部分用来产生内能。

5．A　 两个完全相同的正方体均匀物块，分别沿各自虚线切割掉一半，将剩余部分a和b按照如图所示位置摆放在同一水平面上，a的重心高度为边长的，利用等腰直角三角形重心的特点知道b的重心高度小于边长的。二者的质量相同，a的重心位置高，因此a的重力势能大。

6．2.2275×1011　2.58×104

 (1)抽水机在工作时间内，抽水的重力：G＝mg＝ρVg＝1×103 kg/m3×150 m×30 m×     20 m×10 N/kg＝9×108 N，被抽的水从下蓄水库到上蓄水库，重心升高的高度：h＝－＝412.5 m。对水做功：W＝Gh＝9×108 N×412.5 m＝3.7125×1011 J；

抽水机工作时间：t＝5 h＝5×3600 s＝1.8×104 s，

抽水机的平均功率：P＝＝≈2.58×107 W＝2.58×104 kW。

(2)发电机的效率为60%，所以给电网补充的电能：W电＝W×60%＝3.7125×1011 J×60%＝2.2275×1011 J。

7．(1)不同　被推动的距离　(2)不能　(3)错误

 (1)由于该实验的目的是探究弹性势能的大小与物体弹性形变程度的关系，故我们需要改变物体弹性形变量的大小，然后观察其弹性势能的大小，所以应该将同一个弹簧压缩不同的长度，改变弹簧的形变量，通过观察纸盒被推动距离的长短来判断弹性势能的大小。(2)如果水平面绝对光滑，则小球碰撞纸盒后，纸盒将一直做匀速直线运动，无法通过纸盒滑行距离的长短来确定弹性势能的大小，故不能达到探究目的。(3)虽然小球推动纸盒最终都会停下来，但是它已经把机械能转化成了内能，能量最终并没有消失，所以小红的观点是错误的。

8．(1)得出普遍结论

(2)水分子的动

(3)保持其他条件相同，选取不同的纤维样品进行探究

 (1)只选一件样品进行实验不具有普遍性，选用多件样品进行实验可以避免结论的偶然性，从而得出更可靠的结论。(2)从该内衣的工作原理可以看出，它吸水后水分子动能降低，转换成了内能，即样品内衣增加的内能是由水分子的动能转化而来的。(3)为了进一步探究不同的纤维吸湿发热性能的高低，要选取不同纤维，采用控制变量法进行探究。

9．解：(1)淋浴器每分钟出水的体积：V＝10 L/min×1 min＝10 L＝10－2 m3，

每分钟出水的质量：

m1＝ρV＝1.0×103 kg/m3×10－2 m3＝10 kg，

4 min出水的质量：m＝4m1＝4×10 kg＝40 kg，

一次淋浴需要4 min，水从20 ℃升高到50 ℃需要吸收的热量：

Q吸＝cm(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×40 kg×(50 ℃－20 ℃)＝5.04×106 J；

至少消耗的电能：W电＝Q吸＝5.04×106 J，

电路提供的电功率：P＝＝＝2.1×104 W，

此时电路中的电流：I＝＝≈95.5 A，　

一般家庭电路不可能达到95.5 A的电流，所以第一种设计不适合大多数家庭的供电电路。

(2)由(1)知道水箱中水加热到50 ℃吸收的热量：Q吸＝5.04×106 J，

由题知，W电′×80%＝Q吸，消耗的电能：W电′＝＝＝6.3×106 J，

根据W＝UIt，即：6.3×106 J＝220 V×10 A×t，解得t≈2864 s。

答：(1)第一种设计需要的电流约为95.5 A，这是一般家庭电路所不能达到的；(2)把水箱中的水加热需要2864 s。

10．(1)节约汽油、行驶费用低、尾气排放少、噪声小等

(2)电能　内能

(3)

(4)解：①由公式v＝得，s＝vt＝50 km/h×0.5 h＝25 km＝2.5×104 m，由图像可知，汽车速度为50 km/h时，所受阻力为4000 N，由于汽车匀速行驶，牵引力等于阻力，汽车牵引力做的功：W牵＝Fs＝4000 N×2.5×104 m＝1×108 J。

②燃料完全燃烧放出的总热量：Q＝mq＝8 kg×4.5×107 J/kg＝3.6×108 J。

③增加的电能：W电＝5.12×108 J×10%＝5.12×107 J。内燃机的效率：η＝×100%＝×100%＝42%。　

答：①汽车牵引力做的功为1×108 J；②燃料完全燃烧放出的总热量为3.6×108 J；③内燃机的效率为42%。