理化综合第9章

力势能。大量的事实告诉我们： 功能原理：能量的转化是通过做功来实现的。功是能量转化的 量度。
第三节
一、水力发电
水力发电和风力发电
1.水力发电原理
水力发电是利用河川、湖泊等位于高处具有重力势能的水流至低处，将其重 力势能转换成水轮机的动能，再以水轮机为原动机，推动发电机产生电能。利用 水力推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另 一种机械(发电机)随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。水 力发电在某种意义上讲是水的重力势能变成动能，又变成电能的转换过程。
物体由于运动而具有的能叫做动能，物体的动能等于它的质量
跟它的速度的二次方乘积的一半，即
动能只有大小，没有方向，是一个标量。动能的单位由质量和
速度的单位来确定。在国际单位制中，动能的单位是焦耳(J)。
第二节 势能
一、势能
机械能守恒定律
动能是和物体运动相联系的，静止的物体没有动能，但不能 说它没有能量。除了动能，我们在初中还学过势能。举到高处的 重锤具有能量，一旦让它从高处下落，就能够做功。拦河筑坝把 水位提高，高处的水下落也能够做功(如水力发电)。物体由于被 举高而具有的能叫做重力势能。举到高处的重锤、储存在高处的
研究和分析都证明，如果没有摩擦和介质阻力，物体只发生动 能和势能的相互转化时，机械能的总量保持不变。即在只有重力做 功的情况下，物体的动能和重力势能可以相互转化，在转化的过程 中，动能和重力势能的总和保持不变。这个结论叫做机械能守恒定 律。 从以上的例子可以看出，重力做多少正功，就会有多少重力势
能转化为动能，反之，重力做多少负功，就会有多少动能转化为重
相互作用就既有引力又有斥力，而且引力斥力都随着分子距离的增 大而变小，随着分子距离的减小而变大，只不过斥力要比引力变化 得快。这样引力和斥力在某一个位置恰好达到相等，分子力的合力 为零。这时分子间的距离叫做平衡距离r0，r0的数量级是10-10m。 当r＞r0时，分子间的引力大于斥力，分子力表现为引力；当r<r0时， 分子间的斥力大于引力，分子力表现为斥力；当分子间距离大于10r
小(水分子的质量约3.0×10-24kg，直径约为4×10-10m，因而即使仅
仅一滴水或1ml气体就由几万亿乃至几十万亿个分子组成，可见任何 物体都是由大量分子组成的。
在物体内部分子的排列并非密不透风，而是分子间存Байду номын сангаас着距离
(或空隙)，不同物体中分子间的距离是不同的，气体分子间距离最
大，液体分子间距离较小，固体分子间距离最小。就是在同一物体 中分子间距离也不一定相等。 分子间存在距离，可以用两种液体(如酒精和水)混合后体积减 小，固体紧密结合后由于扩散相互渗透，气体可以压缩等现象来证 明。半导体器件制作中的掺杂技术也正是以分子间存在距离为理论 依据的。
向上却没有发生位移。在物理学中，力和在力的方向上发生的位移，
是做功的两个不可缺少的因素。
做功多少是由力的大小和在力的方向上发生的位移的大小确定 的。力越大，位移越大，做的功就越多。我们在初中学过，如果力 的方向跟物体运动的方向相同，力所做的功就等于力的大小和位移 大小的乘积。用F表示力的大小，用s表示位移的大小，用W表示力 所做的功，那么
二、分子做不间断的无规则的热运动 实验事实说明，气体、液体和固体都有扩散现象，它说明组成 这些物体的分子都在不停地运动着。 1827年英国植物学家布朗把
极小的花粉微粒放入不能溶解它
的液体(如水)中制成悬浊液，取 一滴这样的悬浊液放在显微镜下 观察，就可以看到这些极小的微 粒不断地做无规则运动(见图9-7)， 温度越高，颗粒越小，运动越剧 烈。这种运动后来人们称为布朗
二、风力发电 图9-6 风力发电风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋 转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电(见图9-6)。 依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度(微风的程度)， 便可以开始发电。简单点说，风力发电就是把风的动能转变成机械 能，再把机械能转化为电能。 风力发电正在世界上
运动的分子同样具有动能，这种动能叫做分子动能。分子动能是大 量分子做无规则热运动的动能，跟物体作为整体所做的机械运动无 关。 组成物质的分子是大量的，在同一温度下，每个分子运动的速 率并不相同，因而动能也不相同，大量分子动能的平均值，叫做分 子的平均动能。物体的温度高，分子的热运动就剧烈，分子的平均 动能就大。反之，物体的温度低，其中的分子运动就缓慢，分子的 平均动能就小。在一定的温度下，物质分子热运动的平均动能也是 一定的。因此，温度是物质分子热运动平均动能的标志。
向相同，cosα ＝1，W=Fs；当α ＜90°时，力对物体做正功；当
α ＝90°时，力的方向与位移方向垂直，cosα ＝0，W＝0，力不 做功；如果力的方向与位移的方向相反，即α ＝180°时，cosα ＝-1，W＜0，这时，力对物体做负功。一般说来，当力与位移方 向的夹角大于90°，即90°<α ≤180°时，都有cosα <0，力对物 体所做的功都是负功。
一个力对物体做了负功，是因为这个力阻碍物体的运动，成为 物体运动的阻力。在这种情况下，我们也常常说成是物体克服这个 力做了功(取绝对值)。所以，摩擦力对前进中的机车做负功，也可 以说成是机车克服摩擦力做了功；向上抛出的物体在向上运动时， 重力对物体做负功，也可以说成是物体克服重力做了功。
二、动能
物体内所有分子的分子动能和分子势能的总和叫做物体的内能。
物体的内能是和物体聚集形态和温度、体积有关的能量，本质上它 是由大量分子无规则热运动状态决定的。一个做机械运动的物体， 内部的分子同时做无规则的热运动，因而它同时具有机械能和内能。 物体内分子无规则的热运动永不停止，因而物体的内能永不为零。 然而因为气体分子间作用力为零，通常认为气体内能只有分子动能， 而分子势能为零。
4.我国的水资源
水资源主要指的是淡水资源。从太空所看到的地球是一个大部分被水体覆盖
的蓝色“水球”。这些水中，其中97.2％以上是海洋咸水，是无法直接利用的； 淡水只有2.8％，且2.2％以上的淡水被固定在南极洲和格陵兰岛的冰盖中，人类 也难以利用；其余的分布在江河、湖泊、地下、土壤和大气中，可直接利用的只 有0.03％。因此，水资源是人类十分珍贵的资源。随着社会发展和人口剧增，水 资源已出现了严重的短缺。
0时，引力和斥力都变得很小，分子力表现为零。
分子力的上述特点，说明了物体受到拉伸时，分子间距离增大，
分子力表现为引力，阻碍拉伸；当物体受到压缩时，分子距离变小，
分子力表现为斥力，阻碍物体被压缩。 任何物体都由大量分子组成，分子间存在着距离，分子做不间 断地无规则的热运动，分子间存在着相互作用——分子力，这就是 分子运动理论的基本内容。 物体三态的分子运动理论解释：分子间作用力和分子的无规则 热运动是影响物质状态的两种对立因素，正是这两种对立因素在物
2.潮汐发电站
潮汐是指海水有规律的涨落现象。海水在涨落运动中具有的动能和重力势能称
为潮汐能。潮汐能可以直接用来推动水磨、水车，但主要是用来发电。把潮汐能转 化为电能的发电设备叫做潮汐发电站。我国海岸线长约18000km，所以，沿海潮汐 资源丰富，若用于发电，发电机的总功率可达3100万～3500万kW。目前我国最大的 潮汐发电站是浙江省温岭县江厦潮汐发电站，它是目前世界上规模较大的潮汐发电 站。潮汐发电站建成后还能促进海产养殖业的发展。图9-4所示为潮汐发电站示意 图，在海湾建起堤坝，装上水轮发电机就可以发电。
运动，图9-8就是三个小颗粒每隔
30s记录一个点的运动情况。
布朗实验中温度越高，微粒运动越剧烈，这一事实也说明温度
越高，分子无规则运动越剧烈，因此，把大量分子的无规则运动就
叫做分子热运动。显然分子热运动是不同于机械运动的物质的另一 种运动形式，它就是各种热现象的内在实质。
三、分子动能
温度
运动的物体具有动能。组成物质的分子不停地做无规则运动，
形成一股热潮，因为风力
发电没有燃料问题，也不 会产生辐射或空气污染。
第四节
分子动理论
内能
一、物质是由分子组成的 我们生活的世界绚丽多彩，组成这个美丽世界的是千差万别的 物质。各种物质都是由分子组成的，物质中的分子非常多，分子是 能够保持某种物质化学性质的最小微粒。 分子的质量和体积尽管很小，但是，在10亿倍电子显微镜下水 的分子排列及其结构能达到清晰可辨。由于分子的质量和体积都很
3.水力发电站
把水能转化为电能的发电设备叫做水力发电站，如图9-5所示。掌握了电的知识 后，19世纪人类就用水轮机带动发电机发电，再把电送到工厂去，这样，工厂就可以 建在更合适的地方，不一定建在河边了。 要想让水轮机产生很大的功率，单位时间 内流入水轮机的水要具有图9-5 水力发电站 示意图较大的能量。因此，可以修筑拦河坝来 提高坝前的上游水位，在下游一侧坝的下方安 装水轮机。水位提得越高，水的重力势能越大， 单位时间内流入水轮机的水具有的能量就越大， 转化成水轮机的动能就越大，即水轮机的功率 越大。
摄氏温度的一度的大小是相等的，所以它们之间的换算关系是
四、分子间存在相互作用力——分子力 压缩液体和固体时需要施加压力，拉伸物体时也需要用力，这 表明分子间存在着相互作用力，既有引力又有斥力，分子间的这种 作用力叫做分子力。 分子间的相互作用力是引力和斥力同时并存的，这是因为每个
分子都是一个既有正电荷又有负电荷的带电微粒集团，它们之间的
功是由力的大小和位移的大小确定的，它没有方向，是一个标
量。在国际单位制中，功的单位是焦耳，简称焦，符号是J，1J就
是1N的力使物体在力的方向上发生1m位移所做的功。
但是，物体运动的方向并不总是跟力的方向相同。当力的方向
跟运动方向成某一角度α 时，可用下式计算功：
这个公式是计算功的一般公式。当α ＝0°时，力与位移的方
温度的度量标准和表示方法称为温标，国际单位制中使用热力