能量——自然科学中的共性问题，本文主要内容关键词为：共性论文,自然科学论文,能量论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
能量存在于各种物质中，物质的各种运动形式都伴随着能量变化，并遵守能量守恒定律。能源问题是当今社会、经济、文化、科技中的热点问题之一，自然界中能源的合理开发和利用需要多门学科间的协调和综合。能量问题在中学理、化、生、地等学科中均广泛涉及。在理科综合复习中若以“能量”为中心，进行学科知识之间渗透、交叉与综合，让学生多角度、多层面，运用多种能力去分析和解决有关的理论问题和实际问题，必将进一步激发学生学习的积极性、主动性和创造性。近几年各类综合能力测试卷中有很多以能量问题为背景的综合测试题，现举例如下：
一、太阳能
地球上的能量绝大部分来自太阳，太阳的能量是通过光的辐射传递过来的，然后转化成其它形式的能量，包括机械能、电能、热能和化学能等。
例1
美国《科学美国人》杂志刊登的“地球的能量资源”一文中就到达地球表面的太阳辐射能的几条主要途径提供如下数据：
直接反射52000×10[9]kJ/s
以热能方式离开地球 81000×10[9]kJ/s
水循环 40000×10[9]kJ/s
大气流动370×10[9]kJ/s
光合作用40×10[9]kJ/s
请根据表中数据计算：
（1）地球对太阳能的利用率为_____。
（2）通过光合作用，每年______kJ 的太阳能转化为化学能（每年按365天计）贮存在有机物中。
（3 ）设每年由绿色植物通过光合作用为我们生存的环境除去二氧化碳的质量为A。试写出光合作用总过程的反应式， 并根据其能量关系列出A的计算式（列式中缺少的数据用符号表示）。反应式___________。A的计算式：A＝__________kJ。所缺数据的化学含义为________。
答案 （1）23.3％；（2）1.26x10[18]；（3）
葡萄糖所需要吸收的能量（或每消耗6molCO[,2]所吸收的能量）。
例2 绿色植物每消耗1个CO[,2]分子要吸收8个波长为6.88x10[－7]m的光子。植物每消耗1molCO[,2]，同时储存469kJ的能量， 绿色植物能量转换效率为______。（普朗克常量值h＝6.63×10[－37]kJ·s，阿伏伽德罗常量为6.02×10[23]/mol）
A.34％B.29％C.37％D.40％
解析 根据能量公式E＝hv＝hv/λ，放出1molO[,2]的总能量为：
E[,总]＝6.63×10[－37]kJ·s×3×10[8]m·s[－1]÷6.88×10[－7]m×8×6.02×10[23]＝1392.3kJ
η＝469kJ÷1392.3kJ＝34％
二、电能、机械能、热能
电能是二次能源，可由光能（如太阳能电池）、核能（如核电池）、化学能（如燃料电池）和机械能（如水电、风电）等转变而成；同时，电能也可转变成光能（如电灯发光）、机械能（如电动机）和化学能等。机械能可由热能、化学能、电能、潮汐能等转化而来，机械能也可转化为热能、电能等。在各种形式的能量转化过程中，总有部分的能量转化成热能，并最终都以热能的形式散失。
三、化学能
相邻的两个或多个原子之间强烈的相互作用形成化学键。要拆开化学键就需要吸收相当的能量。化学反应的实质就是旧键的断裂和新键的形成，根据能量的变化可分为吸能反应和放能反应。
例3腺苷三磷酸又叫ATP ， 每摩尔高能磷酸键水解时可释放出30514kJ的能量，而每摩尔低能磷酸键水解时只能释放出14212kJ的能量。问
（1）如有50.7gATP完全发生水解，则能放出______kJ的能量；
（2）高能磷酸键的形成与断裂的反应过程即是“能量分子”传递能量的过程，转化关系为
，其中ATP与ADP、ADP与AMP的相对分子质量均相差80，则反应④是______。
A.释能反应B.吸能反应C.水解反应D.磷酸化反应
（3）写出由AMP形成“能量分子”ATP的化学反应方程式， 并标出能量的变化值。
答案 （1）7524； （2）B，D； （3）
四、生物体内的能量
生物作为一种特殊的物体，不断进行着生命运动。细胞和生物体在生命运动过程中要发生无数的化学反应。这些过程都伴随着能量的转化：
能量的转化发生部位
化学能转化为机械能 肌细胞、纤毛上皮细胞
化学能转化为光能萤火虫发光器官
化学能转化为电能神经、味觉及嗅觉感受器细胞
化学能转化为渗透能 肾
光能转化为电能 视网膜
光能转化为化学能叶绿体
例4 在水深超过200m的深海，光线极少，能见度极低， 有一种电鳗具有特殊的适应性，能通过自身发出生物电，获取食物，威胁敌害，保护自己。若电鳗的头尾相当于两个电极，一条身长50cm的电鳗，在放电时的瞬间在身边海水中产生的电场强度达到10[4]N/C， 可击昏敌害。则这条电鳗在放电瞬间头尾间电压可达_______。
A.50VB.500VC.5000VD.50000V
答案 C。
例5 有些动物在夜间几乎都看不到， 而猫头鹰在夜间有很好的视力。
（1）猫头鹰夜间视力好的原因是_______。
A.不需要光线，也能看到目标
B.自身眼睛发光，照亮搜索目标
C.可对红外线产生视觉
D.可对紫外线产生视觉
（2）根据热辐射理论，物体发出光的最大波长λ[,m]， 与物体的绝对温度T的关系满足：Tλ[,m]＝2.90×10[－3]m·K，若猫头鹰的猎物——蛇在夜间体温为27℃，则它发出的光最大波长为______，在电磁波谱中属于______。
答案 （1）C； （2）9.7×10[－6]m；红外线。
五、生物圈中能量的流动
在生物圈中，能量的传递是不可逆的，它最终转化为热能而散失。当太阳能的补充和热能的散失达到平衡时，气温可保持相对稳定。近年来由于大量化石燃料的燃烧，加上绿地面积减少，大气中CO[,2]的含量与日俱增。CO[,2]能强烈地吸收地面放出的红外线长波辐射，使大气温度增高，人们称之为“温室效应”，已引起世界各国的普遍关注。在生态系统中从能量的传递规律来看，生物群落是一个耗散结构，也需源源不断的能量的供应才能维持。
例6 某生态系统中生产者固定了4mol葡萄糖， 至次级消费者体内能被再利用的能量最多有_________kJ。
解析 次级消费者体内葡萄糖最多有：4mol×20％×20％＝0.16mol
根据1mol葡萄糖有氧氧化释放的能量有1255kJ转移到ATP中可被再利用得
E＝0.16×1255kJ＝200.8kJ
例7 跳绳是一种健身运动，某运动员的质量是50kg，他1分钟跳绳180次，假定每次跳跃的时间和高度相同且脚与地面的接触时间占跳跃一次时间的2/5，则
（1）该运动员平均每次跳跃要克服重力势能做多少功？（g ＝10m/s[2]）
（2）若跳绳过程中能量的利用效率为30％， 所消耗的能量全部来自葡萄糖的氧化分解，此时骨胳肌每分钟的耗氧量为2.2g。每分钟消耗葡萄糖多少？
答案 （1）25J；（2）3.86g。