部 审 定
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前 言
少年时代的你，脑袋里可能时常会冒出许许多多的问题 ：天空为什么是蓝色 的？我们脚下的地球是怎么形成的？最早的人是从哪来的？那些巨大的恐龙为什 么会灭绝？ ……你的这些问题都是科学所关心的问题。事实上，科学就是起因于 人类的好奇心和对自然界无尽的追问。学习了《科学》，你将获得很多问题的答 案，同时也会萌生出更多新的问题。
学习《科学》时，我们将会接触到大量科学概念、规律和各种科学符号，由 此，我们将从纷繁复杂的生活世界走进简单有序的科学世界，对周围的世界也 将会有一个全新的认识。就拿树来说，你会认为树是由树干、树枝、树叶，以 及藏在地下的树根构成。但在学习科学之后，你将惊异地发现树的构成材料居 然主要是水和空气中的二氧化碳！你把树焚烧了，树就会变回原来的水和二氧 化碳释放到空气中。在火焰中散发出来的，则是原先用来把水和二氧化碳转化 为树并贮藏在树里的太阳的光和热。对自然奥秘的这种理性认识，将会使你获 得无比的愉悦感和充实感。
科学并不是简单地对自然规律加以揭示，更重要的是找到研究自然规律的方 法。例如，意大利科学家伽利略（1564~1642）正是被一盏从教堂穹顶上悬挂下 来吊灯的来回摆动所吸引，通过仔细观察和反复实验，从而得出了“摆的等时性 原理”。后来人们利用这一原理发明了机械摆钟。学习《科学》不能只是记住书本 中的结论，学习《科学》的中心环节是学会科学的研究方法。
当你进入科学殿堂并领略科学的辉煌成果时，你就会感受到科学的美妙和神 奇；当你学会了科学研究的方法时，你就得到了一把开启科学之门的金钥匙。
我们正生活在一个科学技术突飞猛进的时代。科学的未来就在你们身上。让 我们站在科学巨人的肩膀上，揭开更多的科学之谜，创造更加灿烂的科技文明！
中 国 科 学 院 院 士
第 1 章 物质及其变化
物 质 及 其 变 化
我们依靠吃进去的食物构建自己的身体，木炭燃
烧后会生成二氧化碳……自然界的物质不但种类繁多， 而且在不断地发生着变化。其中有的变化较为剧烈，如 燃烧；有的变化则较为温和缓慢，如铁生锈。
我们根据什么来判断物质间发生了化学变化，又如 何认识它们变化的规律呢？
科 学
九年级上册
KEXUE JIUNIANJISHANGCE
第 1节
如果你在篝火上烧烤食物，你能看到燃烧使坚硬的干柴变为松脆的木 炭，甚至变为灰烬；你能听到火焰发出的嘶嘶声；你能闻到烟味；你能感受到 燃烧放出的热量；你甚至还能品尝到烧烤后的熟食。这个过程中许多物质发 生了变化，而你能感知到的只是这些物质发生变化时所伴随的现象。
物质是在不断变化着的
自然界的物质会发生变化：云中的水汽有时会凝结变成雨水落下；小树 苗会长成参天大树……
自然界中的物质在不断地发生着变化，其中有些变化不会产生新的物 质，属于物理变化；有些变化会产生新的物质，属于化学变化。
化学变化的实质是构成物质分子的原子重新进行组合，形成了新的分子。
探究物质变化的方法
物质发生物理变化或化学变化，尽管现象各不相同，但许多变化都伴 随有以下一个或几个现象：
乙 树叶变黄
（颜色改变）
甲 无色透明的 硝酸铅与碘化钾 反应，生成黄色
沉淀（颜色变化 和有沉淀生成）
图1-4 物质变化的现象
有些物质混合时会产生沉淀，如无色透明的硝酸铅和碘化钾溶液混合 时，会生成黄色的沉淀（如图 1-4 甲）。有些物质的变化常伴随着颜色的变 化，如落叶的黄色就是叶绿素被
破坏后形成的（如图 1-4 乙）。有 些物质变化时伴有气体产生，如 水电解时产生氢气和氧气。有些 物质在一定条件下状态会发生变 化，如在高温下钢成为“钢水”（如 图 1-4 丙）。而有些物体发生的变
化仅仅是形状的变化，如铁丝被 绕成各种形状（如图 1-5）。
活动
1. 如图 1-6 所示，取 2 支试管，在其中 1 支中加 入 5 毫升澄清石灰水，在另 1 支中加入等量的蒸馏水。
2. 分别向 2 支试管中加入 5 毫升碳酸钠溶液。
3. 观察 2 支试管，你认为哪支试管里可能发生了 化学反应？哪些证据支持你的推断？
澄清石灰水
化学反应
根据这个性质，我们可以用硫氰化钾溶液检验三价铁离子的存在。
我们如果想知道一种物质的性质，以及它在什么状况下会发生怎样的 变化，可以通过观察、实验等方法，从物质的状态、颜色、温度（吸热或放热）、 有无沉淀或气体生成等方面寻找证据，对各种证据进行分析，从而认识物 质的变化和变化的规律，推测它们的性质，并利用物质变化的规律造福人 类。 我们将用这种研究方法对一些常见的、重要的物质（如酸、碱、盐等） 进行研究，初步探索物质变化的规律。
练习
1. 怎样判断物质是否发生了化学变化？
2. 下面所列的是硫酸铜表现出来的性质，其中哪些是物理性质？哪些是化学性质？
（1）能溶于水。
（2）水溶液中滴加氢氧化钠溶液产生沉淀。
（3）晶体呈蓝色。
3. 通过观察，找出厨房里相关食物发生化学反应的证据，举例说出有气体产生、 颜色改变和沉淀生成的化学变化。
第 2节
我们经常接触的物质中，有的具有酸性，有的具有碱性，如人的胃液 就具有酸性，它能杀灭细菌和帮助消化。工农业生产中，也常要用到许多 酸性或碱性的物质，如硫酸、烧碱等。
酸性物质和碱性物质
食醋是一种酸溶液，它有酸味，具有酸性。盐酸、硫酸和硝酸等都是酸， 如图 1-9 所示。还有橘子汁、番茄酱、苹果汁、柠檬汁等， 如图 1-10 所示， 也都含有某些酸，具有一定的酸性。
硝酸
HNO3
醋、胃液等是不同的物质，为什么都呈酸性？科学家研究 证明，这些溶液会呈酸性是由于其中含有一类特殊的物质— 酸（acid）。食醋里含有醋酸，人的胃液里含有盐酸，柠檬、柑
橘等水果中含有柠檬酸。这些酸在水中电离时，生成的阳离子都是相同的 一种粒子，这种粒子就是氢离子（H+）。
HCl ＝ H+＋Cl- H2SO4 ＝ 2H+＋SO- HNO3 ＝ H+＋NO3-
图1-11 常见的酸
我们把某种酸电离产生的阴离子叫做这种酸的酸根离子，如 SO- 是
H2SO4 的酸根。
生活中我们还经常接触另一类物 质—碱性物质，如石灰水、氨水等， 它们都含有碱（base）。例如，石灰水 中含有碱 —氢氧化钙，氨水（NH3 的水溶液）也是碱。与酸相类似，许 多碱在水中电离时，生成的阴离子都 是相同的一种粒子，所不同的是这种粒 子是氢氧根离子（OH-）。
实验室和工农业生产中，常用具有碱性的物质有烧碱（氢氧化钠）、熟 石灰（氢氧化钙）、氢氧化钾、氢氧化钡、氨水等。
酸碱指示剂
酸性和碱性的物质并不一定都具有特殊的气味或颜色，我们应如何判 断物质的酸碱性呢？
有一类物质，在酸性和碱性溶液里能呈现出不同的颜色，因此能成为 我们判断酸碱性的依据。
在酸性或碱性溶液里能显示出不同颜色的物质， 叫做酸碱指示剂 （acid-base indicator），通常简称指示剂。下面是常见的指示剂和它们在酸 性或碱性溶液中的颜色。
表 1-1 常用指示剂及其在酸性、碱性溶液中的颜色
指示剂 酸性溶液 碱性溶液
石蕊试液（紫色） 红色 蓝色
酚酞试液（无色） 无色 红色
蓝色石蕊试纸 红色 不变色
红色石蕊试纸 不变色 蓝色
溶液酸碱性的强弱程度
石蕊试液虽然能够测定物质的酸碱性，但不能反映酸碱性的强弱，而 物质酸碱性的强弱却与我们的生活密切相关。例如，土地的盐碱化使土壤
碱性增强，如图 1-14 所示；一般的雨水具有微弱的酸性，但有些地方由于 工业废气的过量排放，雨水酸性过强，形成
酸雨，造成公害，如图 1-15 所示。为了了解 和控制物质的酸碱性，我们需要测定物质酸 碱性的强弱。
图1-14 盐碱地 图1-15 被酸雨伤害的树木
pH 是反映物质酸碱性强弱的指标，它的范围通常在 0~14 之间。pH 越低，酸性越强；pH 越高，碱性越强；pH 等于 7 的物质呈中性，如图 1-16 所示。
图1-16 pH和酸碱性
测定物质酸碱性强弱 最常用、最简单的方法是 使用 pH 试纸，如图 1-17 所示。这种试纸在酸碱性 强弱不同的溶液里会显示 出不同的颜色。测定的方
法是：用洁净的玻璃棒蘸取被测试的溶液， 滴在 pH 试纸上，将试纸显示的颜色与标 准比色卡对照，看与哪种颜色最接近，从 而确定被测溶液的 pH。根据 pH 便可判断 溶液的酸碱性强弱。
活动
1．用玻璃棒分别蘸取少许水、柠檬汁、白醋、盐酸、肥皂水、洗涤剂、 4% 氢氧化钠溶液，滴在 pH 试纸中部，观察试纸的颜色变化。
2．在白色点滴板的空穴（或小试管）里分别滴入几滴上述样品，再滴加 2~3滴紫色石蕊试液，观察其颜色的变化，并将上述实验结果都填入表 1-3 中。
表 1-3 实验过程中物质的颜色变化
试液 pH 试纸 紫色石蕊试液
水
柠檬汁
白醋
盐酸
肥皂水
洗涤剂
4% 氢氧化钠溶液
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我们身边物质的pH
pH 是定量反映物质酸碱性强弱的重要指标，它与我们的生活密切相关。
人体血液的 pH 为 7.35 ~ 7.45。当血液的 pH 降到 7.0 以下或升到 7.8 以上时，人就有生命危险。人处在通风不良的环境中时间过长，吸入的二氧 化碳过多，血液中二氧化碳的含量增大，酸性就会增强，从而引起恶心、头 晕等症状。
人的汗液的pH 大约为5.5 ~ 6.6。洗衣皂、香皂、药皂的pH 也有所不同。 洗衣皂的pH 高，碱性强，适用于洗衣物；香皂、药皂的pH 低，适用于洗脸、 洗澡。
牛奶的 pH 通常小于 7，酱油的 pH 为 4.8 左右，番茄的 pH ≤ 4.5。生 鲜肉的 pH 为 7.0 ~ 7.4 之间，生肉久放后，由于微生物作用产生酸性物质， pH 变为 5.4 ~ 5.5。食醋的pH 为3 左右，因为酸性环境可抑制细菌的繁殖， 所以人们喜欢在一些食物中加入少许食醋，这样既能使食品不易变质，又 可增加风味。
土壤的酸碱性的强弱对农作物生长有很大的影响，各种农作物对 pH 有一定的适应性。一般来说，中性土壤最适宜于微生物生长繁殖，有利于 土壤中有机质向有效养分转化，促进农作物生长。pH 为4 ~ 6 的土壤会使 农作物根系发黑；pH 为 8 以上的土壤会腐蚀农作物并板结成块。盐碱地的 pH多在 9 以上，草木难生。
练习
1. 试举出几种呈酸性或碱性的物质。
2. 用 pH 试纸测试物质酸碱性的强弱，测得的 pH 越高，________ 越强；pH 越低， ________ 越强。当 pH=7 时，物质呈 ________ 性。
3. 取周围的若干种液体物质，用 pH 试纸测试它们的酸碱度。
4. 制作红色卷心菜汁指示剂，并用它测试下列几种家用液体，找出该指示剂在不 同溶液中颜色变化的规律。
滴眼液 柠檬汁 食醋 食盐 肥皂 发酵粉 洗净剂
第 3节 常见的酸
我们把各种各样的物质，按照它们的组成和性质的相似性或不同点， 分成几个大类，酸就是常见的一大类物质。
人的胃液里含有一种酸—盐酸，汽车常用的电瓶（蓄电池）里含有硫 酸溶液，食醋里含有3%~5% 的醋酸，酸雨中含有极少量的硫酸和硝酸。盐酸、 硫酸、硝酸和醋酸是几种重要的酸。
盐 酸
盐酸（hydrochloric acid）是工业上常用的酸，它的化学式是 HCl。
从上述几个实验看出：盐酸能与许多物质发生化学反应，如与酸碱指示 剂反应，与某些金属氧化物反应等。
探究
在盐酸除铁锈的实验中，气体是由什么反应生成的
在盐酸除铁锈的实验中，我们可以看到铁钉表面有气泡生成，而盐酸与 氧化铁反应时是没有气体生成的，这是否意味着盐酸能继续与金属铁反应生 成气体呢？
1．建立假设：
你的假设是：_______________________________________________。
2．设计实验：
应该用怎样的实验来验证你的假设？你设计的实验需要对照实验吗？
用简图表示实验设计
3．实验结果分析：
你的实验支持你的假设吗？为什么？
_____________________________________________________________。
4．交流与探讨：
与同学讨论对照实验的设计思路和作用。
其他的酸是否也具有盐酸的这些性质呢？
硫 酸
硫酸（sulfuric acid）也是一种常见的酸，它的化学式是 H2SO4。
从盐酸、稀硫酸的反应实验看，它们均能与某些 金属、金属氧化物发生反应，也能与一些碱发生反应。 稀盐酸、稀硫酸以及其他的酸溶液中都含有氢离子 （H+），所以它们具有相似的化学性质，这就是酸的通性。
浓硫酸有很强的腐蚀性，做实验时必须小心操作。
浓硫酸还具有脱水性，植物纤维（如棉花、麻、造纸的木纤维）、人的 皮肤等含有碳、氢、氧 3 种元素，浓硫酸能把其中的氢元素和氧元素“脱出” 结合成水。
浓硫酸还能直接吸收空气中的水分，具有吸水性。因此，实验室常用 浓硫酸做干燥剂，用来干燥氧气、氢气、二氧化碳等气体。
盐酸和硫酸的用途很广。例如：
表 1-4 盐酸与硫酸的用途比较
酸 用 途
盐酸
（HCl）
重要化工产品，用于金属表面除锈、制造药物（如盐酸麻黄素、 氯化锌）等 ；人体胃液中含有盐酸，可帮助消化。
硫酸
（H2SO4） 重要化工原料，用于生产化肥、农药、火药、染料以及冶炼金属、 精炼石油和金属除锈等。
浓硫酸有吸水性，在实验室中常用它做干燥剂。
硝酸（nitric acid）也是一种在工业上有着广泛用途的 强酸，它的化学式是 HNO3。
练习
1. 盐酸在生产和生活中的用途很广。下列各项用途是利用盐酸的哪些性质？试写 出有关反应的化学方程式。
（1）电镀前用盐酸清洗钢铁表面的铁锈。
（2）用稀盐酸清除锅炉内表面的水垢［主要成分为 CaCO3 和 Mg(OH)2 ］。
2. 怎样鉴别 3 瓶分别盛有水、稀盐酸、稀硫酸的无色液体？
3. 用 pH 试纸测定一下，刚刚蒸馏出来的蒸馏水的 pH 是多少？在敞开的干净容 器里放置 2 天后，蒸馏水的 pH 将发生怎样的变化？你认为引起蒸馏水 pH 改 变的原因是什么？如果我们的环境没有任何污染，雨水的 pH 应该是多少？
4. 铅蓄电池中含有硫酸，如果不慎将硫酸漏到大理石地面上，会发出嘶嘶声，并 有气体产生。这种气体是（ ）。
A. 二氧化硫 B. 二氧化碳 C. 氢气 D. 氧气
5． 某工厂利用废铁屑与废硫酸起反应来制取硫酸亚铁。现有废硫酸 9.8 吨（H2SO4
的质量分数为 20%），与足量的废铁屑起反应，可生产 FeSO4 多少吨？
第 4节 常见的碱
在具有碱性的物质中，碱是重要的一类。碱有哪些性质呢？
具有碱性的物质能使酸碱指示剂呈一定的颜色。
在研究了酸的性质后，我们知道认识物质有一定的方法。例如，对一 类物质中的典型物质进行分析，用对比实验的方法寻找物质的特性，从物 质的变化中归纳其性质，从物质的性质推测其用途……在研究碱的性质时， 也可以采用类似的方法。
生产硫酸的工厂排放的废气里含有污染环境的二氧化硫，如果将废气 通过氢氧化钠溶液，可大大减少二氧化硫的含量。其反应的化学方程式为：
SO2 ＋ 2NaOH=Na2SO3 ＋ H2O
（亚硫酸钠）
工业上常用碱溶液来吸收酸性气体。
氢氧化钠和氢氧化钙
与酸一样，不同的碱由于组成不同，往往会显示出不同的性质。 氢氧 化钠（sodium hydroxide）俗称烧碱或苛性钠，化学式为 NaOH。你可能很少接
触氢氧化钠，但是一些生活用品的生产却离不开它， 如每生产 1 吨肥皂要消耗氢氧化钠 100 千克；纸张 的生产过程中同样需要使用氢氧化钠。
暴露在空气中的某些固态物质容易吸收空气 里的水分，表面潮湿而逐步溶解，这种现象叫潮解 （deliquescence）。
氢氧化钙（calcium hydroxide）俗称熟石灰或消石灰，化学式为 Ca(OH)2，水 溶液是石灰水，腐蚀性与氢氧化钠相似。
氢氧化钠、氢氧化钙及其他可溶性碱， 因为都含有氢氧根离子（OH-）， 所以具有相似的性质：碱的水溶液能使紫色石蕊试液变蓝、无色酚酞试液 变红；某些碱能和某些非金属氧化物反应；碱能和酸反应；等等。
练习
1. 盛石灰水的试剂瓶存放的时间久了，内壁常附有一层白膜，要洗去这层白膜最 好的方法是（ ）。
A．用水洗 B．用氢氧化钠溶液洗
C．用盐酸洗 D．先用盐酸，再用水洗
2. 用一种试剂就能区分盐酸、食盐溶液、澄清石灰水，这种试剂是（ ）。
A．酚酞 B．石蕊试液
C．氯化铁溶液 D．氢氧化钠溶液
3. 氨水是一种碱，它的化学式为 NH3 ·H2O（NH4OH），它能与二氧化碳反应生成 碳酸氢铵，请写出该反应的化学方程式。有人称它为“气肥”，你知道这是为 什么吗？
4. 某环保小组监测到一小型造纸厂向河中非法排放碱性废液。根据你所学的知识， 试设计两种检测碱性废液的方法。
第 5节 酸和碱之间发生的反应
我们已经研究了一些酸和碱的性质。你知道把酸和碱放在一起，会发 生什么吗？
酸 碱 反 应
氢氧化钠与盐酸反应生成氯化钠和水，与硫酸反应生成硫酸钠和水。 氯化钠和硫酸钠都属于盐，所以碱跟酸之间发生反应能生成盐和水。
NaOH ＋ HCl=NaCl ＋ H2O
2NaOH ＋ H2SO4 =Na2SO4 ＋ 2H2O
酸碱反应的应用
酸和碱之间的反应在工农业生产、生活和科学实验中应用很广。例如， 农业上用施加熟石灰［主要含 Ca(OH)2 ］的方法来降低土壤的酸性，或处理 酸性的工业废水；精制石油时，用氢氧化钠来中和过量的酸等。
实验
土壤酸碱性测定
1．初步学会土壤取样测试的方法。
2．学会用 pH 试纸测定土壤酸碱度。
3．了解保护土壤资源的重要性，提出改良土壤酸碱性的建议。
木棍，废报纸，玻璃棒，试管，蒸馏水，pH 试纸（精密 pH 试纸及比色 卡），窗纱（或金属筛），布袋。
1．选取当地有代表性的地块，如山坡、农田、森林、海洋、菜地等， 确定 3~4 个地块取样。
2．在取样地块上按一定间隔确定取样点位置 , 一般确定 5~6 个，如图 1-27 所示。注意不要在路边、沟边、堆放肥料的地点取样。
图1-27 取样图示
每个取样点要去掉表面的石块和动植物残体，取 0~20 厘米范围内的土 壤各 20 克左右。同一地块上取来的土样放在同一个布袋中，进行编号，并记 录下采集地点和日期。
将从不同地点采集到的土样分别摊铺在废报纸上，在阴凉通风处晾干， 除去残根和杂物，用木棍压成粉状，用金属筛或窗纱筛过后待用。
3. 按照编号，取 1 克左右土样放入试管中，加入 5 毫升蒸馏水，振荡
30 秒钟后静置。待土壤微粒下沉后，用玻璃棒蘸取上层清液，滴在精密 pH 试纸上，将试纸上呈现的颜色与标准比色卡比色，记录下相应的 pH，填入 表 1-6 中：
表 1-6 土壤样品采集表
土样编号 采集日期 采集地点 pH 土壤酸碱性
表 1-7土壤酸碱性的分级表
pH <4.5 4.5~5.5 5.5~6.5 6.5~7.5 7.5~8.5 8.5~9.5 >9.5
土壤酸碱性 强酸性 酸性 弱酸性 中性 弱碱性 碱性 强碱性
1． 当地主要农作物和常见乔木生长的土壤酸碱性如何？查阅资料，了 解这样的酸碱性是否适宜这类植物的生长。
2．提出改良当地土壤酸碱性的建议。
练习
1. 实验室中有两瓶没有标签的无色溶液，已知其中一瓶是盐酸溶液，另一瓶是氢 氧化钠溶液，你能用哪些方法将二者区分开？
2. 将一定量的某盐酸加水充分稀释，所得溶液的 pH（ ）。
A. 一定等于 7 B. 一定大于 7 C. 一定小于 7 D. 一定等于 0
3. 一般中和酸性土壤可以用 ________________，其化学式为 ______________。
4. 完全中和 25 克氢氧化钠溶液，用去质量分数为 20% 的稀硫酸 24.5 克，求氢氧 化钠溶液中溶质的质量分数。
5. 一些国家正在试用碳酸水浇灌某些植物，其作用是（ ）。
A. 调节土壤的 pH，改良酸性土壤
B. 调节土壤的 pH，改良碱性土壤
C. 促进植物的光合作用
D. 在植物上方形成温室
第 6节 几种重要的盐
盐是酸跟碱反应的产物。例如：在盐酸和氢氧化钠的反应中，盐酸的组 成是 HCl，氢氧化钠的组成是 NaOH，它们相互反应，在生成 H2O 的同时， 溶液里剩下酸根离子 Cl- 和金属离子 Na+ 。如果蒸发溶液，这两种离子就会 结合，形成食盐晶体。
什 么 是 盐
有人会认为盐就是指食盐。然而，科学上说的盐不仅仅指食盐，凡酸 与碱反应，生成的物质（除水外）都可叫做盐，它是数量庞大的一类物质。
自然界中有很多盐是晶体，有些盐晶体非常美丽，如图 1-28 所示。
重铬酸钾晶体
硫酸亚铁晶体
图1-28 一些常见的盐晶体
几种盐的性质
纯碱又称苏打，是碳酸钠（sodium carbonate）（如 图 1-29）的俗名。它从溶液中结晶析出时， 晶体里结 合了一定数量的水分子，化学式为 Na2CO3 · 10H2O。 像这样的结晶水合物中，所含的水称为结晶水。在 常温下干燥的空气里，Na2CO3 · 10H2O 会逐渐失去结 晶水而成为碳酸钠粉末。
图1-29 碳酸钠
碳酸钙（calcium carbonate）形成的岩石是重要的建筑材料。洁白纯净 的碳酸钙岩石叫做汉白玉，可直接用来做装饰性的石柱或工艺品（如图 1-31）；因含杂质而有美丽花纹的碳酸钙叫做大理石，用来做建筑物外墙和 内壁的贴面或铺设地面；质地致密的碳酸钙岩石（石灰石）也可直接用于建
房，但石灰石的主要用途是生产石灰和水泥。
图1-30 螺壳中含有碳酸钙
图1-31 汉白玉华表
碳酸钙是一种难溶的盐，化学式是 CaCO3 ，它是碳酸（H2CO3）和氢氧 化钙发生中和反应的产物：
Ca(OH)2 ＋ H2CO3 =CaCO3 ↓+ 2H2O
食盐（table salt）的化学式是 NaCl，有的来自海水，内陆有的地方也用 井水制盐，有的地方还有含盐丰富的盐湖。
我国有极为丰富的食盐资源。食盐不仅是人 类不可缺少的食物佐料，而且是重要的化工 原料。
我们每人每天都要摄取一定量的食盐来 维持体内氯化钠的正常浓度。人体内多余的 氯化钠通过汗液、尿液和粪便等排出体外。 如果人体由于腹泻、呕吐或大量出汗而失盐 过多，就要注射生理盐水或服用盐开水，以 维持体内的盐分。摄入过多的食盐，容易引 起高血压等疾病。
过去有用食盐水清洗伤口的做法，你知
道这是为什么吗？因为浓的食盐溶液会使细
胞内的水渗出，使蛋白质凝固，具有杀菌作用。 图1-32 明朝《天工开物》中用
天然气制井盐的图
盐 的 制 取
盐可分为可溶性盐和不溶性盐，各种盐的溶解性可在溶解性表（参见 附录 2）中查询。常见的可溶性盐有 K+ 、Na+ 、NH4+ 等离子与酸根离子组成 的盐。常见的不溶性盐有硫酸盐中的 BaSO4 、盐酸盐中的 AgCl 和大部分的 碳酸盐。人们常利用一些盐的溶解性来实现物质的制取、提纯和鉴别。
Na2CO3 溶液和 CaCl2 溶液反应，生成两种新的盐：NaCl 和 CaCO3。
在上述反应中，CaCO3 溶解度小，从溶液中析出，两种盐反应生成了 两种新盐。这种由于化合物互相交换成分生成新化合物的反应称为复分解 反应（double decomposition reaction）。
有些盐（如纯碱）是天然存在的（从内陆盐湖中通过物理方法提取）， 也有些盐是用化学方法制取的。我国化学家侯德榜对制碱工业有重大贡献， 他发明的制碱方法被誉为“侯氏制碱法”，广泛应用于工业生产中。
盐 与 化 肥
农作物正常的生长发育和开花结果，除了需要一定的光照、水分、空 气和温度条件外，还需要从外界吸收各种养料。这些养料，有些是来自于 自然界的一些物质，例如土壤中的矿物质、动物的粪便、草木灰等；有些则 是一些人工合成的盐，它们能为农作物的生长提供养料，被称为化学肥料。 化学肥料（chemical fertilizer）简称化肥，是用矿物、空气、水等做原料，经 过化学加工精制而成的肥料。化肥主要包括含有氮元素的氮肥、含有磷元 素的磷肥、含有钾元素的钾肥、含两种或两种以上主要营养元素的复合肥 料等。
氮肥含有组成叶绿素的重要元素，能促使农作物 的茎叶生长茂盛。工业上常用酸与氨气（NH3）反应制 氮肥（铵盐）：
NH3 ＋ H2O ＋ CO2 =NH4HCO3（碳铵） 2NH3 ＋ H2SO4 =(NH4)2SO4（硫铵）
人的尿液里有从体内排出的含氮有机物，如尿素［CO(NH2)2 ］，它们在 微生物的作用下会转变为铵盐或氨气。
磷肥能促进农作物根系发达，增强 吸收养分和抗寒抗旱能力，促进作物穗数 增多、籽粒饱满。常见的磷肥有过磷酸钙 ［CaSO4 和 Ca(H2PO4)2 的混合物］。
钾肥能促使农作物生长旺盛，茎秆粗 壮，增强抗病虫害能力，促进糖和淀粉的 生成。常见的钾肥有硫酸钾（K2SO4）、氯化 钾（KCl）和草木灰（主要成分为 K2CO3）。
虽然化肥有助于植物生长，但长期使
用化肥往往会使土壤板结，破坏土壤结构，因此通常需要施一些农家肥料 （有机肥）。农家肥料中含有大量有机物和多种营养元素（如微量元素硼、 锌、铜、锰、钼等），有利于改良土壤结构，提高土壤肥力。
实验
碱和盐的性质
1．用已学的碱的一些共性知识，指导对氢氧化钙化学性质的探究。
2．通过实验认识常见盐的一些性质。
3．学习含 SO- 或含 Cl- 化合物的检验方法。
4．巩固试管和滴管的操作方法。
试管，胶头滴管，玻璃棒，多孔瓷板，澄清石灰水，石蕊试液，酚酞试液， 稀硫酸，稀盐酸，稀硝酸，硫酸铜溶液，氯化铁溶液，氯化钠溶液，氯化钡溶液， 硝酸银溶液，碳酸钠溶液，蒸馏水，CO2 发生装置，导管，橡皮管。
1．根据已学的碱的一些共性知识，设计探究氢氧化钙化学性质的实验 方案（用操作示意图表示），并进行操作，填写相应的实验报告。
2．认识盐的一些性质。
（1）取 3 支试管，分别倒入稀硫酸、硫酸铜溶液、碳酸钠溶液。在这 3 支试管中分别滴加少量氯化钡溶液，观察到的现象是 _________________。 再往这 3 支试管里各滴入几滴稀硝酸，振荡后观察到的现象是 ____________
______________________。
（2）取 3 支试管，分别倒入稀盐酸、氯化钠溶液、碳酸钠溶液，在这
3 支试管中分别滴加几滴硝酸银溶液，观察到的现象是 _______________。
再往这 3 支试管中各滴入几滴稀硝酸，振荡后观察到的现象是 ____________
________________________。
1．检验一种溶液是否呈碱性，可以用哪些方法？你认为哪种方法最简便？
2．我们知道可用氯化钡溶液检验稀硫酸，可用硝酸银溶液检验稀盐酸，
为什么在本实验中，还可用这两种溶液分别检验含 SO- 和 Cl- 的化合物？
练习
1. 硝酸钾是重要的盐，化学式为 KNO3 。硝酸钾是我国古代劳动人民发明的黑火 药的重要组成成分（“一硝二硫三木炭”的硝就是指硝酸钾）。硝酸钾还是一种 重要的肥料，既是钾肥，又是氮肥。你知道硝酸钾是由哪种酸与哪种碱发生反 应后获得的？
2. 有 3 瓶无色溶液：硝酸银溶液、碳酸钠溶液和氯化钙溶液，
试用一种试剂把它们区别开来，设计实验方案并完成实验。 用 嘴 尝 任 何化
3. 以下各类盐中，除钾盐、钠盐、铵盐能溶于水外，其余大都 学药品。 不溶于水的盐是（ ）。
①磷酸盐 ②碳酸盐 ③硝酸盐 ④硫酸盐 ⑤盐酸盐
A．①② B．②④ C．①③ D．①⑤
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4. 因为缺乏科学知识，有人误把被称为“工业用盐”的亚硝酸钠（化学式为 NaNO2）当做食盐放进食物。亚硝酸钠对人来说是剧毒的，食用后易造成严重 的中毒事件。根据亚硝酸钠的化学式，你能否确定它的什么组成成分（用化学 式表示）是有毒的？试设计一个实验鉴别食盐和亚硝酸钠。
1. 人们可以通过观察、实验等方法认识物质的变化和变化的规律，并 利用物质变化的规律造福人类。
2. 酸碱指示剂能显示溶液的酸碱性，如紫色石蕊试液在酸性溶液中呈 红色，在碱性溶液中呈蓝色。pH 是反映物质酸碱性强弱的指标。
3. 酸有一些共性，如能使指示剂变色、能与某些金属氧化物反应、能 与碱反应、能与一些盐反应、能与一些金属反应等。浓硫酸除具有酸的共 性外，还有吸水、脱水等特性。浓盐酸、浓硝酸均具有挥发性。
4. 碱也有一些共性，如能使指示剂变色、能与某些非金属氧化物反应、 能与酸反应、能与某些盐反应等。
5. 常用的酸和碱中，浓硫酸、浓硝酸、氢氧化钠、氢氧化钙等都具有 很强的腐蚀性，使用时要注意安全。
6. 两种化合物（反应物）相互反应，分子中的阴阳离子互相交换，生成 新化合物（生成物）的反应叫复分解反应。酸与碱之间发生的反应，是复分 解反应的一种，通过指示剂能显示这类反应是否完全。
7. 盐是由金属阳离子（包括铵根）和酸根阴离子构成的。含有营养元素 氮、磷、钾等元素的盐称为化学肥料。
8. 本章知识结构图：
能使指示剂变色
+ 某些金属氧化物
+ 某些盐
+ 碱
能使指示剂变色
+ 某些非金属氧化物
+ 某些盐
+ 酸
+ 酸
+ 某些碱
复分解反应
物质转化与材料利用
材料是人类生产和生活的重要物质基础。
随着人们对物质及其转化规律的认识不断加深， 各种物质的用途和新型材料不断被发现。金属材 料、有机合成材料以及新型材料的应用和发展， 极大地促进了人类文明的进步。
你知道科学家是如何研制新材料的吗？各类 物质的转化规律对材料的发现和利用有什么指导 作用？
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第 1节
金属具有多种性质，根据这些性质，我们可以制造出各种材料。金属材 料在日常生活用品、房屋建筑、交通工具以及工农业生产中都有广泛的用途。
金属与非金属
金属可以拉成细丝，做成导线用于导电；金属很容易根据外观来辨认。 金属还具有哪些不同于其他物质的性质呢？
金属都有特殊的光泽。大多数金属的颜色为银白色或灰色，但金（Au）呈 金黄色，铜（Cu）为紫红色。除汞（俗称水银）外，所有金属在室温下都是固体。
大多数非金属没有光泽，外表暗淡。在常温下，大多数非金属元素所 组成的单质是气体，也有一些是固体，溴（Br2）是唯一的在常温下呈液态的 非金属单质。固体非金属较脆，用锤子敲击时，它们中的大多数很容易碎 裂甚至变成粉末。
金属具有良好的导电性、导热性和延展性，而非金属的导电、导热性 能和延展性均较差。
金属的用途非常广泛，不同的金属有不同的用途。人们常根据金属的 一般属性和每种金属的独特性质来选择使用金属。为了研究金属的性质， 推测某些金属的用途，或根据应用的需要去寻找具有某种特性的金属，我 们常常需要建立常见金属的性质和用途的关系。
常见金属材料
图2-2 合金钢 图2-3 金和铜的合金—18K金
把一种金属跟其他一种或几种金属（或非金属） 一起熔合而成的具有金属特性的物质，就称为合金 （alloy）。合金往往比纯金属具有更好的性能。
钢是一种由铁与少量碳等物质形成的合金，质地坚 硬，有弹性和延展性，机械性能好，可用来制作坚硬的 汽车车身及刀具、量具和模具等，是最常见、应用较广 的一种合金材料。
38
金属的污染和回收利用
你知道每年被废弃的金属有多少吗？当看到人们随意抛弃盛饮料的铝 罐时，你有何感想？
图2-5 大量的工业垃圾
目前，我国大多数垃圾均运到填 埋区处理。像铅、镉等有毒的金属被 腐蚀后会溶于水中形成金属离子，污 染土壤和地下水源。在潮湿的空气中， 金属的氧化和锈蚀也会污染土壤，危 害生态环境。
图2-7 垃圾发电厂在处理固体
科学 ·技术 ·
重金属污染
重金属污染是指由重金属或其化合物造成的环境污染，主要由采矿、 废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。
重金属污染主要来源于工业污染，其次是交通污染和生活垃圾污染。 工业污染大多通过废渣、废水、废气排入环境，并在人体和动植物体内富集， 从而对环境和人的健康造成很大的危害。例如，当汞进入人体后，会直接 沉入肝脏，对大脑、神经、视力的破坏极大；镉可在人体的肾脏中积蓄，引
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工业越发达，金属废弃量就 越大。废金属堆存，不仅浪费资源， 侵占土地，而且污染环境，因此 世界各国都很重视它的循环再生。 基本上所有金属都可循环再生，
而普遍回收的金属包括：铝、铅、 铁、铜、锡、锌、银和金等。
图2-8 分类收集垃圾
我们可用巨型的电磁铁把废铁从垃圾中分离出来（如图 2-10），也可以 从工业金属废料中回收其他金属。例如，铝的循环再造技术较简单，只需 把铝罐加热熔化后，便可以制成新的用品。
图2-9 从废置车辆的车身回收铁
练习
图2-10 巨型电磁铁可把铁从
垃圾中分离出来
1. 以铜、铁、铝等常见金属为例，总结金属的物理性质。把你总结的结果与班上 的同学交流，看一看你们有哪些相同或不同。
2. 收集有关“弃置金属所带来的环境问题”的资料，撰写一篇约 300 字的简短报告。
金属的化学性质
在利用某种金属材料时，人们往往要考虑这种材料的化学性质。那么， 我们常用的金属有哪些重要的化学性质？这些性质是怎样为人类所利用的？
金属与氧气的反应
在元素周期表中，除汞外，金属元素的中文名称都带有金字旁。
金属与其他物质发生反应时，会生成新的物质，表现出金属的化学性质。
41
有些金属能在氧气中燃烧，有些金属不能燃烧，但能生成氧化物。
2Mg ＋ O2 =2MgO
金属铁在潮湿的空气中会被氧气所氧化而生锈（铁锈的主要成分是 Fe2O3）。
金属铝的表面易生成一层致密的氧化铝保护膜，它能阻止金属铝继续 被空气氧化。在我们的身边有许多的铝制品，如饮料罐、铝锅、餐具等， 如图 2-13 所示。
图2-13 铝制容器
金属与酸的反应
铝制容器不能盛放酸性或碱性物质，因为酸性或碱性物质会破坏铝的 氧化膜，进而腐蚀金属铝。
思考与讨论
是否所有的金属都会被酸腐蚀？
像这类由一种单质跟一种化合物发生反应生成另一种单质和另一种化 合物的反应叫做置换反应（displacement reaction）。
金属的活动性顺序
有些金属化学性质稳定，而有些金属化学性质活泼，我们可以用金属 的化学活动性顺序来表示。
探究
比较铁与铜、铜与银的化学活动性
我们知道，有些金属能与酸反应，有些金属不能与酸反应。如果把一种 金属浸入另一种金属的盐的溶液中，相互之间能发生反应吗？让我们一起探 寻它们的反应规律。
提供的实验药品：铜丝、铁丝、FeSO4 溶液、CuSO4 溶液、AgNO3 溶液。
1．提出问题，建立假设：
根据研究的内容及已有的知识，我们假设：一种活动性较强的金属能把 另一种活动性较弱的金属从它的盐的水溶液中置换出来。
2．设计实验方案：
（1）铁和铜的活动性比较：在盛有硫酸铜溶液的试管里浸入一段洁净的 （经过除油、除锈处理）铁丝，过一会儿取出，如图 2-14 所示。你也可以有 其他的实验方案，与同学进行交流。
（2）铜和银的活动性比较：根据实验室 提供的药品设计可行的方案，与同学进行 交流。
3．实验过程：
根据你设计的方案进行实验，画出装 置图，记录观察到的现象，写出发生反应 的化学方程式。
实验现象：
（1）__________________。 -
相应的化学方程式：______________。
（2）__________________。
相应的化学方程式：______________。
4．得出结论并交流：
根据以上实验事实，铁与铜、铜与银的化学活动性是 ______________。
经过许多实验，人们总结出一些常见金属的金属活动性顺序（metal activity series）如下：
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb（H） Cu Hg Ag Pt Au
金属活动性由强逐渐减弱
我把金属2赶走了，因为 我比它的活动性更强。
金属1 金属2 酸根 金属2 金属1 酸根
图2-15 置换反应示意图
按金属活动性顺序，一种活动性较强的金属能把另一种活动性较弱的 金属从它的盐的水溶液中置换出来，排在氢前面的金属可以把酸里的氢置
换出来。这些反应都是置换反应。
湿法炼铜技术是我国古代劳动人民发明的，我国是世界上最早使用湿 法炼铜的国家。其原理是：先用硫酸将铜矿中的铜转变成可溶性的硫酸铜， 再将铁放入硫酸铜溶液中把铜置换出来，如图 2-16 所示。
图2-16 湿法炼铜
45
防止金属腐蚀的常用方法
金属材料，特别是钢铁，日久之后表面往往会失去光泽，产生锈蚀现象， 以致强度降低，不能继续使用。据统计，每年由于锈蚀而直接损失的钢铁 材料约占年产钢铁量的四分之一。
金属为什么会锈蚀？产生锈蚀的条件有哪些？
46
练习
1. 设计实验除去杂质：①铜粉中含有的少量铁粉；② FeCl2 溶液中含有的少量 CuCl2。
2. 调查化工颜料商店出售的涂料添加剂“银粉”是什么金属，通过实验做出初步 分析和判断，并提交调查分析报告。
3. 已知排在金属活动性顺序表最前几位的活泼金属能与水反应生成碱和氢气。请
写出下列反应的化学方程式，并推测可能产生的实验现象。
（1）把 1 块绿豆大的金属钠放入 1 小杯滴有酚酞的水中。
（2）把 1 块绿豆大的金属钾放入 1 小杯硫酸铜溶液中。
第 3节
自然界中的物质有数千万种，这些物质都是由 100 多种元素的原子以 不同的方式排列组合形成的。除了我们前面研究的无机物以外，还有一个 化合物的大家族—有机物。有机物有什么特点？常用的有机合成材料又有 哪些呢？
简单的有机物
自然界中的一些无机物，如氢气、水、二氧化碳、一氧化碳、氮气等， 在一定条件下，经过阳光的照射和雷电作用，会合成简单的有机物，如甲 烷（CH4）、甲胺（CH3NH2）、尿素［CO(NH2)2 ］等。
从物质组成看，有机物是一类含碳化合物（碳的氧化物、碳酸、碳酸 盐等除外），大多含有 C、H、O、N 等元素。有了有机物才有生命。
我们经常看到池塘里冒出小气泡，这些从池塘底部冒出的小气泡俗称 沼气，其主要成分就是有机物甲烷。稻草及动物粪便经过发酵也会产生大 量的沼气，农村里常用作燃料供热。一些城市家庭中使用的管道天然气， 其主要成分也是甲烷。甲烷分子是由 1 个碳原子和 4 个氢原子构成的，如
-18 所示。
图2-18 甲烷的正四面体模型
图2-19 天然气的开采
除了甲烷气体外，打火机内液体的主要成分丁烷也是一种简单的有机 物，其化学式为 C4H10（家用液化气的主要成分是丁烷，气态的丁烷经压缩 后变成液态，灌装在容器中贮存，使用时经减压，使液态丁烷汽化）。
乙炔气体 C2H2 也是一种简单的有机物。它在氧气中燃烧可产生 3000℃ 以上的高温，生产中可利用这个反应进行金属的焊接和切割，如图2-21所示。
图2-21 用氧炔焰焊接和切割金属
有机物有许多特性，这些特性常被人们应用到日常生活和生产之中。
生物体中的有机物
有机物是生物体各组织的主要成分。人体的生长发育和体内各组织的 新陈代谢，都需要各种有机物的参与。糖类、蛋白质、脂肪等都是人体内 基本的有机物。
一些食物 , 如面条、面包、米饭等主要含有糖类物质，这些糖类在人体 内水解后会生成葡萄糖。葡萄糖是生命活动中不可缺少的重要物质，也是 生命活动所需能量的主要来源。
蛋白质是构成生命体的基本物质。为什么鸡肉、大豆、鱼肉富有营养？ 因为它们的主要成分都是蛋白质。蛋白质是细胞结构里最复杂多变的一类 大分子。
脂肪不溶于水，但可溶于有机溶剂。脂肪是生命体重要的营养物质， 主要起到贮存能量的作用。
人每天摄取的食物，大部分都是有机物。这些有机物在生命活动中经 过消化吸收、贮存、转化、消耗等过程不断地变化着，实现各种物质的转 化和能量的转移。
自然界物质循环的基本途径是：自然界中各种无机物通过被植物吸收， 从自然环境进入生物圈，变成有机物；各种有机物再通过生物之间的食物关 系进行转移；生物体通过呼吸作用将有机物转化为无机物，通过生物的排泄 和尸体的分解使有机物变成无机物回到自然环境中去。
自然界中的有机物和无机物就是这样通过生物的生命活动不断地变化 和相互转化着的。
有机合成材料
有机合成材料的主要成分是用人工合成的方法制得的高分子化合物， 通常有合成塑料、合成纤维和合成橡胶等。
最早的塑料叫赛璐珞，是在 100 多年前出现的，它是由硝化纤维、酒精、 樟脑等原料制成的。随着塑料工业的发展，聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等 材料相继出现，各种塑料制品也应运而生。现在，丰富多彩的塑料制品已 遍布在工农业生产和日常生活的各个方面，我们的生活已离不开塑料制品。
塑料具有可塑性，如果把它加热到一定的温度，就能熔化成黏稠状的 液体，趁热把它注入不同的模具里，冷却后就会形成各种形状的制品。
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塑料制品一般具有良好的性能，容易加工，轻便实用，有的还有特殊 的功能，因此逐渐取代了其他材料（如金属、玻璃和纸等），用途非常广泛， 如图 2-25 所示。
柔韧度较高
容易塑造成各种形状
不易与化学物质发生反应
图2-25 塑料的良好性能
合成纤维是以石油化工产品等为主要原料人工合成制得的。不同品 种的合成纤维具有各自独特的性能，例如：聚酰胺纤维（锦纶）的耐磨 性， 聚酯纤维（涤纶）（如图 2-26）的挺括耐摺性， 聚丙烯腈纤维（腈纶） （如图 2-27）的保暖性和良好手感。
图2-26 聚酯纤维（涤纶）
图2-27 聚丙烯腈纤维（腈纶）
合成纤维因其具有特殊性能，被广泛用于制造航天器、飞机、火箭、 导弹的绝缘材料、特殊防护材料、增强材料以及人造心脏瓣膜（如图 2-28）、 外科缝线等。
图2-28 人造心脏瓣膜与人体的结合部由合成纤维制成
合成橡胶是以煤、石油、天然气为主要原料人工合成的高弹性聚合物， 具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能，因而广泛应 用于工农业、国防、交通及日常生活中，如图 2-29 和图 2-30 所示。
图2-30 合成橡胶轮胎
有机合成材料在给人们的生产、生活带来便利的同时，也对环境造成 了影响。例如，有些塑料的结构稳定，不易分解，因此这些废弃塑料制品 会带来严重的环境污染问题。
科 学
填埋区内的各种塑料垃圾
海中漂浮的塑料垃圾
塑料燃烧时产生的黑烟
图2-31 塑料垃圾造成的污染
练习
1．下列哪些物质的主要成分是有机物？
木炭 酒精 氯仿 醋酸 碳酸钠 蛋白质 汽油 蛋清 橡胶 塑料袋 头发 2．请你查一查家里的哪些物质是由有机物组成的。
3．氯仿、水、酒精、汽油、盐水中，哪些物质能溶解脂肪？
4．调查当地常见的塑料废弃物的种类和危害，提出合理的治理建议。
5．将沸水直接灌入空矿泉水瓶中，其结果会如何？为什么？
第 4节
自然界中物质的种类繁多，性质各异，为了更好地研究和识别它们， 人们常要对它们分门别类。
物质分类的方法
物质分类的方法很多，但不管你采用什么方法来给物质分类，都需要 仔细观察和研究，了解这些物质的基本性质。
物质的性质、用途与其组成有密切的联系，科学家常常根据组成来给 物质分类。纯净物可分为单质和化合物，单质按照性质不同又可分为金属 和非金属。
图2-34 火山喷口处的硫黄—非金属
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一般把由两种元素组成，其中一种是氧元素的化合物称为氧化物 （oxide）。根据组成元素的不同，氧化物又分为金属氧化物和非金属氧化物。
化合物根据组成元素的不同又可分为无机化合物和有机化合物。无机 化合物（inorganic compound）一般是指由碳除外的其他元素组成的化合物， 如水、食盐等，也包括少数的含碳化合物，如一氧化碳、碳酸盐等。有机 化合物（organic compound）主要是指含碳的化合物（碳的氧化物、碳酸和碳 酸盐除外）。有机化合物有许多种类，它们都具有相似的化学特性，如在空 气中燃烧生成水和二氧化碳，不完全燃烧时会有黑色的炭产生。
根据已知物质和未知物质的特性，如状态、颜色、气味、溶解性、可 燃性等，运用实验的方法，通过对比也可以对物质分门别类。
常见物质的分类
根据物质的不同组成，可将常见的物质进行科学分类。
学习物质的分类，有助于我们进一步研究不同种类的物质在一定条件 下的相互转化。
练习
1．在横线上写出物质（主要成分）的化学式，在括号里标明物质的类别（金属、非 金属、金属氧化物、非金属氧化物、酸、碱、盐）。
氯气 _______________ ( )
硫酸铝 _____________ ( )
干冰 _______________ ( )
磷酸 _______________ ( )
碳酸钙 _____________ ( )
生石灰 _______________ ( )
钡 ___________________ ( )
熟石灰 _______________ ( )
烧碱 _________________ ( )
氧化钠 _______________ ( )
2．归纳总结物质分类的几种方法。
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第 5节
科学家常利用物质与物质之间的反应，制造出许多新的物质，使物质 世界更加丰富多彩。那么，哪些种类的物质之间可以发生化学反应？物质 之间的反应遵循怎样的规律呢？
非金属及其化合物之间的转化
以上实验表明：有的非金属可以转化为非金属氧化物，非金属氧化物又 可以转化生成酸，不稳定的酸受热分解后又重新生成非金属氧化物。
金属及其化合物之间的转化
以上实验表明：有的金属与非金属可以发生反应，转化成化合物。
以上实验表明：某些金属氧化物可以与水反应生成碱。
思考与讨论
怎样用化学方程式表示下列物质间的转化？ Ca → CaO → Ca(OH)2
金属的冶炼
在自然界中，仅有少数金属是以游离态（即单质）的形式存在的，而大 多数金属是以化合态的形式存在的。
孔雀石
方铅矿
图2-40 几种矿石
金属冶炼就是要把金属从化合态变成游离态。
为了得到金属单质，常用的金属冶炼方法是让碳与金属氧化物在高温 下反应，碳能夺取金属氧化物中的氧，从而得到金属单质。例如，碳与氧 化铜反应后可以得到单质铜，其反应的化学方程式为：
C ＋ 2CuO 2Cu ＋ CO2 ↑
炽热的炭能在高温条件下与二氧化碳反应，生成一氧化碳。一氧化碳 也会夺取金属氧化物中的氧，产生游离态的金属单质。仍以碳与氧化铜反 应为例，该过程的化学方程式为：
C ＋ CO2 2CO
氢气也能将金属氧化物变成游离态金属。
铁的使用非常广泛。由于铁的化学性质比较活泼，地壳中的铁都是以 化合物（铁矿石）的形式存在的。
怎样从铁矿石中提炼铁呢？
在高温条件下，碳、氢等会夺取金属氧化物中的氧，使金属氧化物 还原成金属单质，这种含氧化合物里的氧被夺取的反应，叫做还原反应 （reduction reaction）。碳、氢和一氧化碳等能从氧化铜、氧化铁中夺取氧的 性质叫做还原性，具有还原性的物质可做还原剂。
把铁矿石冶炼成铁是一个复杂的过程，但是它的主要反应原理就是在 高温下，用还原剂（主要是一氧化碳）从铁矿石里把铁还原出来。
［例题］ 100 吨含 Fe2O3 的质量分数为 85% 的铁矿石中，可提炼出含铁 的质量分数为 96% 的生铁多少吨？
解：设可提炼出含铁的质量分数为 96% 的生铁的质量为 x。
3CO ＋ Fe2O3 =2Fe ＋ 3CO2
160 112
100 吨 ×85% x ×96%
160 :112 ＝（100 吨 ×85%）:（x×96%）
答：提炼出的生铁质量约为 62 吨。
以上解法是根据化学方程式进行计算。本题还可以根据化学式直接 求解。
解：铁矿石中含 Fe2O3 的质量 mFe2O3 ＝ 100 吨 ×85% ＝ 85 吨
因为 Fe2O3 中含有 Fe 的质量为 mFe，可得
2Fe : Fe2O3 ＝ mFe :85 吨
所以 mFe ＝ 85 吨 × Fe2O3 ＝ 85 吨 × 160 ＝ 59.5 吨
m 生铁＝ 59.5 吨 ÷96% ≈ 62 吨
答：提炼出的生铁质量约为 62 吨。
化合物之间的相互转化
在自然界中不断发生着各种物质间的相互转化。石灰岩岩洞里的钟乳 石和石笋，就是岩石中的碳酸钙经过复杂的化学反应转化而成的。这些悬 挂的钟乳石（如图 2-42）、挺拔矗立的石笋（如图 2-43）和石柱（如图 2-44）， 争奇斗艳，景象万千。
图2-42 钟乳石
图2-43 石笋 图2-44 石柱
研究表明：酸、碱、盐、氧化物在一定条件下能发生相互转化。
通过以上分析，我们知道：制取一种盐类物质具有多种途径，我们可以 选择合适的方法进行实验。
实验
物质的鉴别
1．进一步了解酸、碱、盐和氧化物的化学性质及相互间的关系。
2．能根据物质的特征反应进行物质的鉴别。
3．进一步体验科学家通过实验研究物质性质的方法。
氯化钡溶液，硝酸银溶液，稀硝酸，碳酸钠溶液，紫色石蕊试液，酚酞 试液，蒸馏水，试管 6 支。
1．鉴别下表中的各对物质。
表 2-3 记录表
被检物质 所用试剂 现象与结论 有关化学方程式
稀硫酸与稀盐酸
食盐水与稀盐酸
烧碱溶液与石灰水
2．现有 4 包白色粉末，编号为 A、B、C、D，它们是硫酸铜、氯化钠、 硝酸钾、氢氧化钠，请通过实验，一一加以区别。
（1）设计实验方案：依据物质的性质特征，设计相应的实验方案，区别 物质。
（2）按实验方案进行实验，并记录实验现象。
（3）根据实验现象，得出结论。
A 是 _________，B 是 _________，C 是 _________，D 是 _________。
（4）写出实验过程中所发生反应的化学方程式。
1．以上物质的鉴别方法是否只有一种？还可以用其他方法加以鉴别吗？
2．你的实验结果是否与其他组的同学不同？请找出原因。
练习
1. 写出下列各步反应的化学方程式。
石灰石→生石灰→熟石灰→ 碳酸钙
2. 有 5 瓶失去标签的溶液，分别为 HCl、H2SO4、BaCl2、NaOH、CuSO4 。可用任 何试剂（包括酸碱试纸），请采用最简便的方法确定它们各是哪种物质，写出 操作步骤、现象和结论。
3. 氢氧化镁和碳酸钙乳液可用于治疗胃酸过多症，请写出相关反应的化学方 程式。
4. 说出 5 种制备氯化镁的方法。
5. 写出用空气、铜、蒸馏水、三氧化硫 4 种物质制取硫酸铜的化学方程式。
6. 用 2000 吨含 Fe2O3 75% 的铁矿石，最多可以提炼出多少吨纯铁？
材料的利用与发展
新型材料的出现，大大推动了生产力的发展，促进了人类社会文明的 进步。
材料与人类社会发展
人类历史上不同时代所使用的生产工具或战争中使用的武器，都记录 了材料的发展过程。
图2-46 原始人打制的石器
图2-48 青铜制品
图2-47 石斧和石箭头
原始人利用石头制成了石斧、石刀、箭头、刮器（如图 2-46 和图 2-47）， 又用兽骨和鱼骨制成了骨针，这使他们捕获了更多的野生动物，并利用它 们的毛皮保暖。随着火的使用，古代人开始创造和使用陶器，使人类文明 得到了较大的发展。约四千年前，人类进入了青铜器时代，制造出了种类
繁多的青铜器（如图 2-48）和锐利无比的青铜武器。
随着对炼铁技术的掌握，人 们制造了犁，从而使农业生 产得到了飞速的发展。人们 利用黏土烧制砖瓦，又将石 材用作房屋的柱子和台阶， 使住宅变得富丽堂皇。大量 合成材料的诞生，更使人们 的生活变得越来越精彩。
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随着科学技术的发展，人们有目的地改进材料的性能，使半导体材料、 光纤材料（如图 2-50）、碳纤维复合材料等新型材料不断涌现， 促进了通讯、 计算机、航空、航天等行业迅速发展。人类社会进入了信息时代。
新 型 材 料
新型材料是指那些新出现或正在发展中的、具有优异特性和功能并能 满足技术进步所需的材料。当前，最引人注目的新型材料有：光电子信息材 料、先进复合材料、超级陶瓷材料、新型金属材料、新型高分子材料、超
导材料等。
图2-51 以超级塑料制成的头盔
防弹、抗压、撞不破
现代科技发展，促使新型材料研究日益向微观层次深入，产生了纳米 材料。纳米材料是指其基本颗粒在 1~100 纳米范围内的材料。纳米材料与 普通材料相比，在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的不同。例如， 一般的陶瓷材料脆性较大，可是用纳米陶瓷粉末烧成的陶瓷却有很好的韧 性，即使被撞倒也不破裂；新型纳米油墨的色调更浓，书写的字迹色泽更好； 将纳米铅粉末加入到固体燃料中，就会使火箭推进器的前进速度加快好几 倍。纳米材料在各个领域有着广阔的应用前景。
材料制造与环境保护
人们在制造材料的过程中会产生许多污染。为了减少或消除材料制造 过程中的污染，人们需要探寻无污染或低污染的“绿色”新工艺，需要探索 污染物的防治、转化和综合利用的途径。
探究
怎样以铜为主要原料制备硫酸铜
根据物质相互转化的规律，以金属为主要原料制备相应的盐有多种途径， 让我们一起来探究如何选择最优的途径（如：原料利用率高，产生的污染少）， 走绿色工艺之路。
1．提出问题：以铜为主要原料制备硫酸铜的绿色工艺的可行性如何？
2．设计制备方法：
（1）铜能与浓硫酸在加热条件下反应，生成硫酸铜、二氧化硫和水。
化学工业给社会带来巨大财富和众多产品的同时，也向周围环境排放 了大量的“三废”（废水、废渣、废气），使自然界的生态平衡遭受破坏。
在化学工业中，除了要及时处理好“三废”，还要努力提高原料的利用 率，增加产品的产量，从根本上降低生产对环境造成的污染。
练习
1. 某市有一家工厂处理含铜垃圾的生产流程如下：
含铜垃圾
灼烧
>
A
黑色固体及残留物
加稀H2SO4
>
B 加热
蓝色溶液及不溶物
过滤
>
滤液
浸入铁屑
>
C
浅绿色溶液、红色沉淀物
过滤
>
红色粉末
图2-54 回收金属铜的生产流程图
写出上述生产流程中与提取铜直接有关的 A、B、C 三步反应的化学方程式。
A. _______________________________________________________________。
B. _______________________________________________________________。
C. _______________________________________________________________。
2. 某大型高炉年产生铁 4×106 吨（设生铁的含铁质量分数为 96%，在冶炼过程 中铁的损耗不计），则需要含铁的质量分数为 50% 的赤铁矿石多少万吨？
3. 查阅并收集有关“材料技术发展对社会进步的贡献”的资料，并在班里进行交流。
1. 金属的普遍特性：有金属光泽，是良好的导电、导热体，有延展性， 密度和熔点高，具有广泛的用途。
2. 合金材料是指把一种金属跟其他一种或几种金属（或非金属）一起熔 合而成的具有金属特性的物质。
3. 一种单质与一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的反应 称为置换反应。根据各种金属得失电子能力的强弱，可排列出金属活动性 顺序表。
4. 金属的锈蚀与其在周围环境中接触的物质有关，如：金属与空气中 的氧气、水蒸气接触易生锈。同时也与金属的内在结构有关，不同的金属， 生锈的难易程度不同。根据金属锈蚀的条件，人们采取了一系列措施以防 止金属生锈。
5. 废弃金属对环境造成严重污染，要尽可能地使金属循环再生。
6. 含碳元素的化合物（碳的氧化物、碳酸、碳酸盐等除外）称为有机物。 有机物具有易挥发、易燃烧、难溶于水等特性。常见的有机合成材料有合 成塑料、合成纤维、合成橡胶等。
7. 物质按其组成可以进行简单分类：
金属
单质
纯净物 金属氧化物
物质 有机化合物 氧化物 非金属氧化物
碱
盐
8. 金属的冶炼就是把金属从化合态变成游离态。
9. 单质、氧化物、酸、碱、盐等各类物质之间存在相互联系，并在一 定条件下可以互相转化：金属可以转化成金属氧化物，金属氧化物可以转化 成碱；非金属可以转化成非金属氧化物，非金属氧化物可以转化成酸。
10. 随着科技的发展，出现了各种新型材料：如纳米材料、碳纤维等。
11. 在材料的制造过程中，为了减少或消除对环境的污染，需要设计绿 色工艺，以提高原料的利用率，增加产品的产量，同时降低生产对环境的 污染。
12. 本章知识结构图：
识别金属和非金属
金属材料 金属的主要物理性质和用途
合 金
常见金属材料
金属污染和回收利用
金属活动性顺序
金属的化学性质 置换反应
金属防腐与除锈的常用方法
无机物和有机物的区别
生物体中的有机物
有机物及有机合成材料
塑料、橡胶、纤维等有机合成材料的特点 “白色污染”的危害及治理措施
根据物质的组成对常见物质进行分类 相同类别的物质具有相似的性质
金属与其化合物的转化 非金属与其化合物的转化
物质的转化
金属的冶炼
化合物之间的相互转化
新型材料
材料的利用和发展
材料制造与环境保护
能量的转化与守恒
宇宙间的一切物质的运动和变化都需要能
量。没有能量，我们就无法呼吸和行走，也无法 思考。没有能量，一切生命将不复存在。没有能量， 空气将不再流动，大海将不再有起伏的波浪，太 阳也将失去灿烂的光辉。
什么是能量？不同形式的能量能否发生相互转 化？能量是如何转化的？能量转化时会遵循什么 规律？
第 1节 能量及其形式
我们需要能量来保证日常生活和工作，即使在睡觉的时候也需要消耗 能量。我们的生活离不开能量。能量无所不在，能量的形式多种多样。
认 识 能 量
尽管能量对我们的生活影响巨大，但要用一句话说清楚什么是能量却 并不容易。为此，我们先来分析伽利略的一个理想实验。如图 3-2 所示， 伽利略曾经用这个理想实验论证了物体的惯性，为牛顿提出惯性定律奠定 了基础。从这个简单的实验出发，我们来认识能量的概念。
在图 3-2 的实验中，小球一旦从斜面滚下，它将会继续滚上另一个斜 面。在这里我们会发现一个富有启发性的事实：如果没有摩擦力，不管斜面 乙、丙比斜面甲陡些还是缓些，小球总是会滚到斜面乙上的 B 处或斜面丙 上的 C 处，而 B 处或 C 处离桌面的高度与小球出发点 A 处的高度相同。这 样看起来，小球好像“ 记住 ”了其起始高度。事实上小球“ 记住 ”的是与
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起始高度相联系的能量（energy）。当我们把小球提高到 A 处时，就给予了 小球一种与升高高度相联系的能量。能量也简称为能。
能量的形式
物体的运动有多种多样的形式。跟物体的运动一样，能量也有多种形式。
天体的运行、河水的流淌、候鸟的飞翔、人类的行走、蒲公英种子的 飞行等，都属于机械运动。这些做机械运动的物体都具有机械能。
奔跑的豹
图3-3 做机械运动的物体
人和动物的运动要消耗能量，人和动物消耗的能量可以从食物中得到 补充。可见，食物中储存着能量。储存在食物中的能量属于化学能（chemical energy）。
人的食物
牛吃草
汽车加油
图3-4 食物和燃料中储存着化学能
汽车行驶时需要消耗燃料（如汽油）。燃料 燃烧时，将储存在其中的能量释放出来，供给汽 车运动。汽油、木材、天然气、沼气、煤炭等燃 料都储存着能量，这种能量也属于化学能。
人耳能听到声音，超过一定强度的声音会使 人耳产生痛感，使听力受到损伤。强度很大的声 音（如爆炸声）还能将玻璃震碎。可见，声音具 有能量，这种能量称为声能（sound energy），如 图 3-5 所示。
家用电器通电后才能工作，电力机车通电后 才能行驶（如图 3-6），机器人通电后
才能执行指令，这表明电具有能量，
即电能（electric energy）。各种发电站 能够提供大量的电能，各种电池也能 提供方便使用的电能。电能是我们最 常用的一种能量。
用遥控器遥控机器时，遥控器将
发出电磁辐射，电磁辐射具有能量， 这种能量叫做电磁能（electromagnetic energy）。我们每天看到的光就是一种 电磁能。除了可见光外，红外线、紫 外线、微波和 X 射线等都是电磁能的 表现形式。电磁能以波的形式传播。
图3-7 雷达天线能接收、
发射电磁能
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所有的自然现象都涉及能量，人类的生命活动每时每刻都离不开能量。 流动的水具有机械能，现代生活离不开电能，现代交通离不开汽油燃烧释 放出的化学能，原子核发生变化时释放出核能，各种植物的生长都要依赖 太阳能……
练习
1．列举日常生活中需要能量的 5 种活动。
2．有一种手摇手电筒，使用时只要将它来回摇晃几下，手电筒的小灯泡就能发光。 来回摇晃手电筒时，手电筒具有什么形式的能量？
第 2节
游乐园中的过山车从高处滑下时 , 如图 3-9 所示，它的运动速度不断增大， 然后它又冲上另一个斜坡，速度就减小 下来。过山车运动的速度为什么会发生 这样的变化？
图3-9 过山车
动 能
在轨道上运动的过山车具有能量。物体由于运 动而具有的能量叫做动能（kinetic energy）。飞翔的小 鸟、行走的人、行驶的汽车、掷出的铅球等物体， 都 具有动能。
流动的水、空气都能够推动发电机的叶轮转动。 可见，流水、风也具有动能。
一切做机械运动的物体都具有动能。那么，物 体的动能大小跟哪些因素有关呢？
质量相同的物体，运动的速度越大，它的动能越大。运动速度相同的 物体，质量越大，它的动能也越大。
势 能
过山车能够从轨道的最高处飞驰而下，这是因为其他机械装置把过山 车拉到轨道最高处的过程中，给过山车储存了能量。物体由于被举高而具 有的能量叫做重力势能（gravitational potential energy）。
举高的书也储存了一定的重力势能，当它下落时会将重力势能释放出 来。那么，重力势能的大小跟哪些因素有关呢？
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大量事实表明，物体的质量越大，被举得越高，具有的重力势能就越大。
射箭运动员把弓拉弯的过程中，给弓储存了能量，如图 3-14 所示。网 球拍击打网球时，网球拍发生变形，从而储存了能量，如图 3-15 所示。当 这些物体恢复原状时也会释放出能量。
物体由于发生弹性形变而具有的能量叫做弹性势能（elastic potential energy）。
图3-14 运动员射箭
显然，射箭时手拉弓弦使弓的形变越大，箭就射得越远；球拍击打网球 越用力，网球拍形变就越大，网球就会飞得越远。由此可见，弹性势能的 大小跟物体形变的大小有关，物体的弹性形变越大，弹性势能就越大。
动能和势能的转化
被拉到高处的过山车具有重力势能，当它沿轨道飞驰而下时，将储存 的重力势能释放出来，转化为动能，从而让人产生惊心动魄的感觉。那么，
实验表明：物体的动能和重力势能可以相互转化。
在图 3-16 和图 3-17 所示的实验中，如果没有空气摩擦阻力，摆锤和 滚摆每次都会上升到原来的高度。
物体的动能和弹性势能也可以相互转化。当拉长橡皮筋时，橡皮筋就 储存了弹性势能。放手后橡皮筋就会飞出去，橡皮筋的动能就是由绷紧的 橡皮筋的弹性势能转化而来的。
动能和势能之和称为机械能。大量事实表明，动能和势能可以相互转化。 如果只有动能和势能的相互转化，机械能的总量就保持不变，或者说，机 械能守恒。
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动能和势能的相互转化有着 广泛的应用。撑杆跳高运动员在 起跳前进行一段助跑，获得大量 的动能。起跳后，他的身体不断 上升，撑杆剧烈弯曲，动能转化 为运动员的重力势能和撑杆的弹 性势能。当上升到一定高度时， 动能减小到最小值。此后，弹性 势能不断释放，促使运动员不断 上升，同时重力势能不断增加， 如图 3-19 所示。当运动员越过横 杆下落的过程中，他的重力势能 又被转化为动能。
在水力发电站，被大坝拦住 的上游水积蓄了大量的势能。当这些水通过坝中的水管向低处流动时，势 能转化为动能。而流动的水冲击水轮机的叶轮，又将动能传递给水轮机， 进而带动发电机发电，再转化为电能，如图 3-20 所示。
图3-20 水轮机的叶轮
思考与讨论
如图 3-21 为人造卫星沿椭圆轨道绕地球 运动的示意图。卫星离地球中心最近的点叫做 近地点，离地球中心最远的点叫做远地点。卫 星在近地点的速度较大，在远地点的速度较小， 那么，卫星从近地点运动到远地点的过程中， 它的动能和势能如何变化？
卫星
远地点
图3-21 人造地球卫星
练习
1． 如图 3-22 是立定跳远时的动作分解 图。从机械能的角度来分析，运动 员起跳后仍能继续向前运动，是因 为 运 动 员 ______________ ；运 动员 在空中运动过程中，能量转化过程为
___________________________。
2． 弹簧门在被推开以后能自动关闭，如图 3-23 所示。试从能量转化的角度来说明这一现象。
3． 自行车下坡时，不踩踏脚板，速度却越来越大， 为什么？
图3-23 弹簧门
第 3节 能量转化的量度
举重运动员举起杠铃时，将体内储存的化学能转化为杠铃的势能；起重 机提升重物时，将电能转化为重物的动能和势能。为了量度能量转化的多少，
描述能量转化的快慢，我们需要学习功和功率的相关 知识。
功
从科学的角度来看，当运动员举着杠铃不动时， 虽然要用很大的力，但此时运动员并没有对杠铃做功。 那么，怎样理解做功的含义？
图3-24 运动员举起杠铃
在图 3-25 和图 3-26 中，叉车提升货物和人推小车虽然是不同的现象， 但有共同的特点，即货物和小车都受到了力的作用，并且都在力的方向上 运动了一段距离。在科学上，如果物体受到力的作用，并且在这个力的方 向上通过了一段距离，我们就说这个力对物体做了功（work）。力做功也常 说成物体做功，如人的推力对小车做功，也可以说成人对小车做功。
在图 3-27 中，石头虽然受到人对它向上力的作用，但没有在这个力的 方向上通过一段距离，因此这个力没有做功。在图 3-28 中，书包受到人的 提力的方向是竖直向上的，而书包是在水平方向通过一段距离，在提力方 向上没有通过一段距离，因此提力也没有做功。
因此，科学上，做功必须包含两个必要因素：一是作用在物体上的力， 二是物体在力的方向上通过一段距离。
功 的 计 算
功有大小。叉车抬起的货物越重，作用的力越大，它做的功就越多；叉 车把货物从地面上抬升的高度越高，它做的功也越多。
科学上规定：功等于力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积。即：
功＝力 × 距离
如果用 F 表示力，s 表示物体在力的方向上通过的距离，W 表示功，则 功的计算公式可表示为：
W ＝ Fs
在国际单位制中，功的单位是焦耳，简称为焦，单位符号为 J。它是为
图3-30 两个过程各做多少功？
解：匀速提升物体所用的向上的力： F1 ＝ G ＝ 100 牛
物体在力的方向上通过的距离：
s1 ＝ 1 米
所以，力 F1 所做的功为：
W1 ＝ F1s1 ＝ 100 牛 ×1 米＝ 100 焦 拖动物体所用的水平拉力：
F2 ＝ 30 牛
物体在力的方向上通过的距离：
s2 ＝ 10 米
所以，力 F2 所做的功为：
W2 ＝ F2s2 ＝ 30 牛 ×10 米＝ 300 焦
答：举高物体做功 100 焦；拖动物体做功 300 焦。
举重运动员具有能量才能对杠铃做功，做功时消耗的能量转化为杠铃 的势能；推车的人有能量才能对车做功，做功时消耗的能量转化为车的动 能以及由于摩擦而产生的热能。物体具有做功的本领，是因为它具有能量。 做功的过程实质上就是能量转化的过程，力对物体做多少功，就有多少能 量发生了转化。因此，可以用功来量度能量转化的多少，能量的单位与功 的单位一样，也是焦耳。
84
功 率
在建筑工地上需要把一块水泥板搬运到某一楼层， 如果用起重机来提升只需要几十秒钟，如果让工人搬运 上去可能需要几十分钟。这说明做相同的功，所需要的 时间是不同的，也就是说做功的快慢是不同的。
无论是人做功，还是利用机械装置来做功，都存在
做功快与慢之分。要比较不同物体做功的快慢，必须同时考虑两个因素：一 个是物体做功的大小；另一个是物体做功所用去的时间。因此，我们可以用 单位时间内所完成的功的多少来表示做功的快慢。
单位时间里完成的功叫做功率（power）。功率反映了物体做功的快慢。 根据功率的定义，可以得到功率的公式为：
功率 =
用 P 表示功率，W 表示功，t 表示时间，则功率的公式可写成：
国际单位制中，功率的单位是瓦特，简称瓦，单位符号是 W。它是为 了纪念英国发明家瓦特（James Watt）而命名的。
1瓦=1焦／秒
实际应用中还常用千瓦、兆瓦作为功率的单位。1 千瓦＝ 1000 瓦， 1 兆瓦＝ 1×106 瓦。
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人步行：数十瓦
短时间快速运动：可达1千瓦
和谐号动车组：7200千瓦
小汽车：50~100千瓦
喷气式客机：约11万千瓦
图3-32 人和部分交通工具的功率
功率是机器的主要技术指标之一，要根据实际需要选择功率合适的机 器。功率选择不当，会造成机器的浪费，或毁坏机器。
［例题］ 起重机将质量为750千克的货物，在0.5分钟内匀速吊起6米高， 起重机的功率有多大？
解：货物的重：G ＝ mg ＝ 750 千克 ×9.8 牛 / 千克＝ 7350 牛
起重机对货物做的功：W ＝ Gh ＝ 7350 牛 ×6 米＝ 44100 焦
起重机的功率 瓦＝ 1.47 千瓦 答：起重机的功率为 1.47 千瓦。
练习
1． 如果一个物体在光滑的水平平面上匀速滑行，那么有哪些力作用在这个物体 上？每个力做的功又是多大？
2． 某人用 500 牛的力将足球踢出，使足球在地面上运动了 20 米，你能否根据这 些条件计算出人踢足球时对足球所做的功？为什么？
3． 两个质量相同的人走上同一幢楼的三楼，第一个人上楼用时 25 秒，第二个人
上楼用时 35 秒，哪个人做功多？哪个人的功率大些？为什么？
4． 一位攀岩者背着质量为 7.5 千克的背包，用了 2 分钟登上一峭壁，此时攀岩者 与起始点高度相差 10 米。试回答下列问题：
（1）攀岩者对背包做了多少功？
（2）如果攀岩者的体重是 60 千克，则他克服自身重力做了多少功？
（3）在这个过程中，攀岩者做功的功率是多大？
第 4节
我们每天都在使用机械。我们用筷子吃饭、用剪刀剪纸，都在使用简 单机械。自行车、汽车、飞机等都是由许多运动部件组成的，每个部件都 是一种简单机械。实际上 , 任何复杂的机械都是由一些简单机械组合而成的。 机械的发明和使用，是人类文明进步的动力。使用机械可以使我们做功更 加容易，极大地减轻人们的劳动强度，提高工作效率。
杠 杆
你有没有使用过开瓶器？利用它你只要 用较小的力就可以将瓶盖打开。开瓶器就是 一种被称为杠杆的简单机械。那么，杠杆有 什么特征呢？
如果一根硬棒在力的作用下能够绕着固定点转动，这根硬棒就叫做杠 杆（lever）。杠杆是生产和生活中普遍使用的一种简单机械。杠杆形状各异， 可以是直的，也可以是弯的。为了了解杠杆的作用，我们先来观察杠杆使 用的两个事例。
l2
O
l1
F2
图3-35 跷跷板
F1
O l2
——
l1
F2
图3-36 用硬棒撬动石头
如图 3-35 和图 3-36 所示，杠杆绕着转动的固定点 O 叫做支点；能够 使杠杆转动的力 F1 叫做动力；阻碍杠杆转动的力 F2 叫做阻力；从支点到动 力作用线的距离 l1 叫做动力臂；从支点到阻力作用线的距离 l2 叫做阻力臂。
人体中有不少骨也构成了杠杆，正是这些杠杆系统给予人类完成各种 动作的能力。分析人体的杠杆系统，都有四个基本组成部分：骨—一根硬 棒；肌肉收缩—动力的来源；两根骨之间可以活动的关节—支点；移动 肢体或物体—阻力的来源。
探究
研究杠杆的平衡
杠杆在动力和阻力的作用下，保持静止状态或匀速转动状态，我们就说 杠杆处于平衡。那么杠杆平衡时，应满足什么条件？
1．提出问题：
杠杆平衡时，作用在杠杆上的动力 F1、阻力 F2 和动力臂 l1、阻力臂 l2 之间存在着怎样的关系呢？
2．建立假设：
在图 3-35 中，两个同学在玩跷跷板的时候，结合自己玩跷跷板的体会， 怎样才能保持跷跷板平衡？若要把自己这一端往下压，需要把自己的身体往 外移动，也就是说，增大力臂。从中我们可以得到启发：杠杆的平衡跟动力、 动力臂与阻力、阻力臂有关。
你还能提出什么假设？ __________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
_________________________________________________________________。
3．设计实验：
利用小组合作的方式设计实验方案。我们可以对跷跷板进行简化，如图 3-39 所示，用一根带有刻度的均质木尺作为杠杆，用钩码的拉力来代替人的 作用力，进行实验研究。
4．进行实验：
（1）把杠杆的中央支在支架上，调节杠杆两端的螺母，使杠杆在水平位
杠杆的应用
通过实验，我们可以得到杠杆平衡的条件为：动力乘以动力臂等于阻力 乘以阻力臂。用公式表示，即：
F1l1 ＝ F2l2
这个公式可以用来解决有关杠杆平衡的问题。
由杠杆的平衡条件可知：
若 l1 ＞ l2，则 F1 ＜ F2，使用杠杆可省力；
若 l1 ＜ l2，则 F1 ＞ F2，使用杠杆要费力；
若 l1 ＝ l2，则 F1 ＝ F2，使用杠杆既不省力，也不费力。 因此，我们可以把杠杆分成三类：省力杠杆、费力
杠杆和等臂杠杆。在生活和生产中，常可以找到这三类 不同的杠杆。
思考与讨论
你还能举出一些生活和生产中省力、费力和等臂 杠杆的实例吗？如图 3-41 所示，赛艇上的桨属于哪 类杠杆？
图3-41 赛艇运动
通过对省力杠杆和费力杠杆的进一步分析，可以发现：使用省力杠杆虽 然省力，但是动力移动的距离比阻力移动的距离大。而使用费力杠杆虽然 费力，但是动力移动的距离比阻力移动的距离小。
［例题］ 如图 3-42 是铁道检修工用的道钉撬，有关尺寸见图。若在 A 点竖直向下作用 200 牛的力，道钉撬对道钉会产生多大的力？如果还不能 将道钉撬出，在保持手的作用力大小和作用点不变的情况下，采用什么方
法可增大道钉撬对道钉的作用力？
解：据杠杆平衡条件 F1l1 ＝ F2l2，
可得： 牛 =4000 牛
在 l2、F1 都保持不变时，要增大 F2 ，只有 增大 l1 。具体做法是：使 F1 的方向与撬棒垂直， 这样 l1 取值最大。
答：道钉撬对道钉能产生 4000 牛的力。使
6厘米
图3-42 道钉撬
F1 的方向与撬棒垂直，可增大撬棒对道钉的作用力。
定滑轮和动滑轮
起重机上安装着一种叫做滑轮的简单机械。滑轮（pulley）是一种周边 有槽、可以绕着中心轴转动的轮子。为了认识滑轮的作用，我们先来学习 最简单的两种滑轮。
活动
1．观察滑轮，并指出它的结构特点。
2．请用滑轮、细线、铁架台等设计两种 方案，要求利用滑轮把钩码提升起来，在图 3-45 中画出实验装置示意图。
3．利用设计的方案，组装好装置，提升钩码。
使用滑轮工作时，根据滑轮轴的位置是否移动，可将滑轮分成定滑轮 （fixed pulley）和动滑轮（moving pulley）两类。定滑轮的轴固定不变， 动滑轮 的轴随钩码一起移动。
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使用定滑轮不能省力，但能够改变力的作用方向。使 用动滑轮可以省一半力，但不能改变力的作用方向，而且 动力移动的距离大于钩码上升的距离。
滑轮实质上是杠杆。上述实验中得出的结论，我们可 以用杠杆的平衡条件来分析论证。
定滑轮在使用时，相当于一个等臂杠杆，动力臂和阻力臂都等于滑轮 的半径。
动滑轮在使用时，O 点为杠杆支点，滑轮的轴为阻力作用点，提升重 物时，若不改变拉力的方向，则动滑轮相当于动力臂是阻力臂 2 倍的省力 杠杆。
滑 轮 组
实际应用时，常常将定滑轮和动滑轮组合成滑轮组（pulley system）。滑 轮组不但可以省力，而且可以改变力的方向。那么，使用滑轮组时，拉力 的大小究竟跟什么因素有关呢？
分析实验数据可得：使用滑轮组时，重物和动滑轮的总重由几股绳子承 担，提起重物所用的力就是总重的几分之一。
［例题］ 缠绕滑轮的绳子能承受的最大拉力为 300 牛，用 它连接成如图 3-49所示的滑轮组，能否提升 600 牛的重物？（已 知动滑轮重 20 牛，摩擦及绳的质量不计）
解：在图 3-49 所示的滑轮组中，重物和动滑轮的总重 G = 600 牛＋ 20 牛＝ 620 牛。因为总重是由 2 股绳子承担，所以， 所用的拉力为 牛
可见，拉力大于绳子所能承受的最大拉力，所以不能用来 提升 600 牛的重物。
答：该滑轮组不能用来提升 600 牛的重物。
机 械 效 率
机械的使用给人们的工作带来许多方便。如果 从功和能的角度进行分析，却会发现在使用机械时， 我们做了一些并不希望做的功。
如图 3-50 所示，利用动滑轮把重为 G1 的物体 提升 h 高度的过程中所做的功为：W ＝ G1h，这是人 们提升重物过程中必须要做的功，这部分功叫做有 用功。
在提升重物的过程中，由于动滑轮本身也受到 重力作用，以及动滑轮的转轴上存在摩擦力，因此， 必须克服动滑轮自身的重力和动滑轮上的摩擦力做 一定量的功，这部分功并非我们需要但又不得不额 外做的功。利用机械时，人们不得不额外做的功叫 做额外功。
图3-50 研究做功情况
人的拉力 F（动力）对动滑轮（机械）所做的功，叫做总功。 在实际使用机械做功时，总功等于有用功和额外功之和，即：
W总 = W有用 + W额外
由于存在额外功，因此，总功必定大于有用功。
使用机械做功时，有用功在总功中所占的比例越大，说明利用机械工 作的效率就越高，或者说机械工作时能量的利用率越高。科学上把有用功
若用 W总表示总功，W有用表示有用功，η 表示机械效 率，那么：
机械效率是表示机械性能的一项重要指标。一般的滑轮组的机械效 率为 50%~70%，起重机的机械效率是 40%~50%，抽水机的机械效率为 60%~80%。在使用机械时，总是尽可能减小额外功以提高机械效率。提高 机械设备的机械效率有着重要的现实意义。
思考与讨论
机械功率与机械效率有什么区别？
你是否看到过如 图 3-51 所示 的搬运货物的情景？斜放的平板构 成了一个斜面（inclined plane）， 斜 面也是一种简单机械，利用它可以 更省力地将货物从低处搬运到高处。 斜面作为一种简单机械，使用时也 同样存在着一个效率高低的问题。
图3-51 斜面是一种简单机械
对光滑程度相同的斜面，斜面的倾斜程度越大，斜面的机械效率越高。
练习
1．台风是一种破坏力很大的灾害性天气。某次台风把市民公园的一棵大树吹倒了， 需要两个工人把它扶起，工人们想到了下列图示的四种方案，每个人所需拉力 最小的方案是（ ）。
A
B
C
D
图3-53 不同的扶树方案
2．试分别在图 3-54、3-55 中画出起重臂 OB、独轮车受到的动力和阻力（分别用
F1、F2 表示），并画出动力臂和阻力臂（分别用 l1、l2 表示）。
图3-54 液压检修车
图3-55 独轮车
3． 一位质量为 50 千克的同学在做俯卧撑时， 他所受的重力可视为集中在 A 点，如图 3-56 所示。请计算地面对双手的支持力至 少多大。
4．用铁锤拔钉的情景如图 3-57 所示，由图 中所提供的数据，求出钉子对铁锤的阻力。
5． 要使图 3-58 中的重物和动滑轮的总重由 3 段绳子承担，应当怎样绕制滑轮组？请画 在图 3-58 上。
2厘米
图3-57 用铁锤拔钉 图3-58 绕制滑轮组
6． 用滑轮组把 720 牛重的货物提高 10 米，若滑轮组的机械效率是 60%，求有用功、 总功和额外功。
第 5节
装有水的铁锅放在点燃的煤气灶上，锅中的水会被加热，这时水具有 的能量—内能增加了。那么，内能究竟是怎样的一种能量呢？如何改变 物体的内能？
内 能
我们知道，构成物质的分子永不停息地做无规则的热运动。温度越高， 分子无规则热运动就越剧烈。
图3-59 运动着的子弹具有动能
图3-60 运动着的分子也具有动能
同一切运动着的物体一样，运动着的分子也具有动能。物体的温度越高， 分子运动得越快，它们具有的动能就越大。
图3-62 相互作用的分子具有势能
由于分子之间存在相互作用力，因此分子之间也具有势能。
物体内部所有分子热运动的动能和势能的总和，叫做物体的内能 （internal energy）。
一切物体，不论温度高低，都具有内能。炽热的钢水（如图 3-63）具 有内能，寒冷的冰雪（如图 3-64）也具有内能。对同一个物体，温度升高， 分子热运动加快，内能增大。物体温度降低，分子热运动减慢，内能减少。 由于物体的内能与温度有关，因此内能也俗称为热能。
图3-63 炽热的钢水具有内能
图3-64 寒冷的冰雪也具有内能
物体内能的改变
物体的温度发生变化，它的内能也发生变化。那么，要改变一个物体 的内能，有哪些方法？
温度不同的两个物体之间会发生热传递。在热传递过程中，温度高的 物体放出热，温度降低，内能就减少；温度低的物体吸收热，温度升高，内 能就增加。因此，热传递可以改变物体的内能。
在热传递过程中，传递内能的多少就是物体吸收或放出的热量。因此， 可以用热量来量度内能的变化。物体从外界吸收多少热量，内能就增加多少； 物体向外界放出多少热量，内能就减少多少。
从能量的转化看，热传递的过程实质上是内能从高温物体传递到低温 物体，或者内能从同一物体的高温部分传递到低温部分的过程。
大量实验表明：外界对物体做功，可以使物体的内能增加。
双手相互摩擦，手会发热；用锯子锯木头，锯条会发烫；进入大气层的 天外来物，发出明亮的光，形成流星。这些摩擦生热的事实，就是克服摩 擦力做功使物体内能增加的证据。
科 学
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活动
如图 3-67 所示，在吸滤瓶内装入少量 的水，并滴入几滴酒精。用气筒往瓶里打气， 当塞子跳出时，观察瓶内变化。
图3-67 气体对外做功实验
大量实验表明，物体对外做功，物体的内能会减少。
做功可以改变物体的内能。从能量的转化看，通过做功改变物体的内能， 实质上是其他形式的能量与物体内能相互转化的过程。外界对物体做了多 少功，就有多少其他形式的能量转化为内能；物体对外做了多少功，就有多 少内能转化为其他形式的能量。因此，功可以用来量度内能改变的多少。
改变物体内能的方法有两种：做功和热传递。这两种方法对改变物体的 内能是等效的，人们无法根据结果来判断内能是通过哪种方法改变的。
内能的单位与功、热量的单位一样，都是焦耳。
比 热 容
我们知道，不同的物质，在质量相等、升高的温度相同时，吸收的热 量是不同的。
单位质量的某种物质，温度升高 1℃所吸收的热量叫做这种物质的比热 容（specific heat capacity）。比热容用符号c 表示，它的单位是焦/（千克 ·℃), 读作焦每千克摄氏度。
单位质量的某种物质，温度降低 1℃所放出的热量，与它温度升高 1℃ 所吸收的热量相等，数值上也等于它的比热容。
比热容是物质的一种特性，不同物质的比热容是不同的。下表列出了
一些物质的比热容。
表 3-4 一些物质的比热容
物质 比热容 c/ 焦·（千克 ·℃) -1 物质 比热容 c/ 焦·（千克 ·℃) -1
水 4.2×103 铝 0.88×103
酒精 2.4×103 干泥土 0.84×103
煤油 2.1×103 钢、铁 0.46×103
冰 2.1×103 铜 0.39×103
蓖麻油 1.8×103 汞 0.14×103
砂石 0.92×103 铅 0.13×103
从表中可见，水的比热容比砂石大得多。在质量和吸收或放出的热量 相同的条件下，水的温度的变化比砂石要小得多。因此，在同样的阳光照 射的条件下，一天之内内陆地区的气温变化比沿海地区大。
热量的计算
在热传递过程中，如何计算物体所吸收的热量的多少呢？我们可以利 用物质的比热容来计算某种物质在热传递过程中吸收的热量。例如，已知 水的比热容是 4.2×103 焦 /（千克 · ℃),这表示质量为 1 千克的水温度升 高 1℃时吸收的热量是 4.2×103 焦。那么，质量为 2 千克的水温度升高 1℃ 时吸收的热量是 8.4×103 焦；质量为 2 千克的水温度升高 10℃（如从 20℃ 升高到 30℃)时吸收的热量是 8.4×104 焦。可见，水吸收热量的多少等于 水的比热容、质量和升高的温度的乘积。
如果以 Q 表示物体吸收的热量，c 表示物质的比热容，m 表示物体质量， t0 表示物体加热前的温度，t 表示物体加热后的温度，则我们可以得到一个 由比热容来计算热量的公式：
Q吸=cm（ t-t0 ）
［例 1］ 一块质量为 5 千克、温度为 10℃的铁块加热到 200℃,铁块吸 收了多少热量？
解：铁块质量 m ＝ 5 千克，铁块加热前的温度 t0 ＝ 10℃,铁块加热后 的温度 t ＝ 200℃,查表得铁的比热容 c ＝ 0.46×103 焦 /（千克 ·℃)。
铁块吸收的热量：
Q ＝ cm（t - t0）＝ 0.46×103 焦 /（千克 ·℃)×5 千克 ×（200℃ - 10℃) = 4.37×105 焦
答：铁块吸收的热量是 4.37×105 焦。
［例 2］ 质量为 2 千克的砂石和水，它们都吸收了 7.36×104 焦的热量， 升高的温度各是多少？
解：从表中查出砂石的比热容 c 砂石 ＝ 0.92×103 焦 /（千克 · ℃), c 水 = 4. 2×103 焦 /（千克 ·℃)
根据公式：Q 吸＝ cm = cm Δt ，可得
Q 吸 7.36×104 焦
Δt砂石 = c 砂石 m 砂石 = 0.92×103 焦 /（千克 ·℃)×2 千克 =40℃
答：砂石升高 40℃, 水升高约 8.8℃。
热 机
热机在人类生活中发挥着重要的作用。许多现代交通运输工具靠它来 提供动力。热机的应用和发展推动了社会的快速发展，使人类步入工业化
时代。
热机有多种类型。蒸汽机、内燃 机、燃气轮机、喷气发动机等都属于 热机。尽管不同种类的热机有不同的 结构，但热机有个共同特点：通过做功 把内能转化为机械能。
汽车是我们最熟悉的交通工具之 一。在汽车上用的动力装置绝大多数 属于内燃机。内燃机就是燃料在机器 气缸内燃烧的热机。以汽油为燃料的 内燃机叫做汽油机，以柴油为燃料的 内燃机叫做柴油机。
活塞
汽缸
连接飞 轮的杆
曲轴
图3-69 内燃机剖面图
图 3-70 是汽油机的工作示意图。汽油在汽油机的汽缸内燃烧，生成高 温高压的燃气，推动活塞做功，把内能转化为机械能。活塞在汽缸内往复 运动，通过连杆带动曲轴转动。活塞从汽缸的一端运动到汽缸的另一端的 过程，叫做一个冲程。大多数的汽油机都是由吸气、压缩、做功、排气四 个冲程的循环往复来保证机器正常工作。在一辆汽车的发动机中有多只汽 缸，如四只、六只或八只汽缸， 每一只汽缸都循环往复地重复“ 四个冲程 ”。
火花塞点火
进气门 排气门
甲 吸气 丁 排气
乙 压缩 丙 做功
图3-70 汽油机的工作原理示意图
在图 3-70 甲中，进气门打开，排气门关闭，活塞从上向下运动，汽油 和空气的混合物被吸入汽缸，这就是吸气冲程。
在图 3-70 乙中，进气门和排气门都关闭，活塞从下向上运动，压缩已 吸入的燃料混合物，这就是压缩冲程。
在图 3-70 丙中，在压缩冲程末，火花塞产生电火花，点燃压缩后的燃料， 使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气。高温高压的燃气推动活塞向下运动， 通过连杆带动曲轴转动，对外做功，实现把内能转化为机械能，这就是做 功冲程。
在图 3-70 丁中，进气门关闭，排气门打开，活塞从下向上运动，把废 气排出汽缸。
热机工作时，用来做有用功的能量与燃料完全燃烧放出的能量之比， 就是热机的效率。汽油机的效率一般为 20%~30%，柴油机的效率可达 45%。提高热机效率，减少能源消耗，是人类不懈的追求。
热机的广泛使用，极大地改变了人类的生活和工作方式。但是，热机 在使用过程中都要排出废气，这些废气中含有 SO2 、NO2 、CO2 、CO 等对人 类有害的气体，严重污染了空气，影响着人类和动植物的生存。减少热机 中有害物质的排放量，已成为人类保护环境的重要举措。
科学 ·技术 ·
喷气发动机
喷气发动机也是一种内燃机，燃料在燃烧室中燃烧，燃气向后高速喷出，
从而获得向前的动力。喷气发动机有 空气喷气发动机（如图3-71）和火箭 喷气发动机（如图3-72）两种。
空气喷气发动机工作时，需要 利用大气中的氧气来助燃，这种发动 机常使用在飞机上。
火箭喷气发动机自带燃料和氧 化剂，它工作时不需要外界的空气， 既可以在大气层外的宇宙空间工作，
还可以在水下工作。火箭喷气发动机常用来发射人造卫星和宇宙飞船。火 箭喷气发动机的主要部分是燃烧室和喷口，燃料和氧化剂混合后在燃烧室 中燃烧，燃气以极高的速度从发动机底部的喷口向后喷出，从而产生极大的
汽轮机
液体燃料
液氧
液氮
点火器
向前推力。火箭喷气发动机按 使用的燃料不同，分为固体燃 料火箭喷气发动机和液体燃 料火箭喷气发动机。
在广大科技工作者的努 力下，我国的航空、航天技术 得到了飞速发展，火箭及卫星 技术已达到世界先进水平。
图3-72 火箭喷气发动机
燃料的热值
燃料种类很多，木柴、煤、石油、天然气、沼气等都是燃料。燃料燃烧时， 能够放出热量。灶具、汽车、轮船、火力发电厂和各种火箭等，都是利用 燃料燃烧所产生的热量工作的。
灶具使用液化石 油气或天然气
火箭使用液态或固态氢
图3-73 燃料的使用
燃料燃烧是物质剧烈氧化的过程。从能量转化的角度来看，燃料燃烧 释放热量的过程，就是将贮存在燃料中的化学能转化为内能的过程。
由于燃料的成分不同，相同质量的不同燃料燃烧时放出的热量也不相 同。我们把 1 千克某种燃料完全燃烧时放出的热量，叫做这种燃料的热值。 热值的单位为焦 / 千克。
表 3-5 常用燃料的热值（焦 / 千克）
燃料 热值 燃料 热值 燃料 热值
干木柴
烟煤
无烟煤
焦炭 （约）1.2×107
（约）2.9×107
（约）3.4×107
3.0×107 木炭
酒精
柴油
煤油 3.4×107
3.0×107
3.3×107
4.6×107 汽油
煤气（焦 / 米3）
天然气（焦/ 米 3）
氢 4.6×107
3.9×107
（7.1~8.8）×107
1.4×108
燃料很难完全燃烧，燃料燃烧放出的热量也不可能完全得到利用。例如， 用天然气烧水时，天然气燃烧放出的热量只有一部分传递给水，另一部分 传递给盛水容器、炉子以及散失到空气中。因此，改善燃烧条件，使燃料 尽可能完全燃烧，同时应尽可能减少各种热损失，既可以节约燃料、提高 效率，又可以减少污染、保护环境。
练习
1．下列各情况物体的内能是增加还是减少？改变内能的方法是什么？
（1）用打气筒给自行车打气时，气筒壁发烫。
（2）用砂轮磨刀时，刀具发烫。
（3）贮气罐里的气体向外喷泻时，气罐壁的温度变低。
2．太阳能热水器内盛有 100 千克、温度为 20℃的水，受阳光的照射水温升高到 60℃,则这些水吸收了多少热量？
3．汽车发动机的冷却系统里装有 20 千克 20℃的水，若发动机工作时放出 1.26×106 焦的热量并被水吸收，则水的温度会升高多少？
4．汽油的热值是 4.6×107 焦 / 千克，它表示 _________1 千克汽油，将有 ________ 焦的 ______ 能转化为 ______ 能。
5．向父母了解你家烧饭曾经用过什么燃料，现在又用什么燃料，燃料的改善带来了 什么好处。
第 6节 电 能
电能是现代生活和生产中最常用的一种能量。生活中每户家庭都要向 电力公司缴纳电费，那么，电费是怎样计算的？怎样量度所消耗的电能？
电能与电功
电灯照明、电冰箱冷藏食物、电饭锅烧饭、电脑上网等， 都在使用电能。
人们广泛利用电能，不仅是因为电能容易传输，而且是因为它很容易 转化为人们所需要的各种能量。
电能转化为其他形式能量的过程就是电流做功的过程。电流所做的功 叫做电功（electric work）。电能转化为其他形式能量的多少可以用电功来度 量。电流通过电动机，把电能转化为机械能，说明电流对电动机做了功。 电流通过电灯、电视机和电冰箱等用电器时，也会对这些用电器做功。
电能、电功的单位与机械能的单位一样，也是焦耳。电能的单位还有 千瓦时（kW ·h），俗称“ 度 ”。1 千瓦时比 1 焦耳大得多：
1 千瓦时 =3.6×106 焦耳
用电器在一段时间里消耗的电能的多少，可以用电能表来测量。电能 表也叫电度表。如图 3-76 所示，电能表上标有一些符号或数字，它们表示 什么意思呢？
图3-76 电能表
用电时，电能表的铝质转盘便转动起来，计数器就将电路中所消耗的 电能记录下来。某段时间电能表上先后两次读数之差，就是这段时间电路 消耗的电能。
目前，一些城市使用电子式多费率电能表（如图 3-78），这种电能表没有转动的铝盘，它靠内部的电子 电路计算消耗的电能，读数由液晶板显示出来。其特点 是可以根据不同时间段用户的用电情况分别计算费用。 供电部门利用专用设备读取电能表上的信息，并计算出 电费。
图3-78 电子式多费率电能表
电器的电功率
观察用电器的铭牌，我们往往会发现铭牌上标有 11W、1200W 等数字，如图 3-79 所示，这些数字表示 什么意思？
在相同的时间内，不同的用电器消耗的电能并 不相同，也就是说，电流做功的快慢不同。电流做 功的快慢用电功率描述。用电器铭牌上标有的 11W、 1200W 等数字表示了电器的电功率。
图3-79 节能灯
电流在单位时间内做的功，叫做电功率（electric
power）。如果用字母 P 表示电功率，W 表示电功，t 表示时间，那么：
P=
跟机械功率一样，电功率的单位也是瓦或千瓦。
各种用电器铭牌上都标有电压、电功率的大小，它是我们选用电器的 一个重要参数。
用电器铭牌上标有的电压值叫做额定电压，标有的电功率值叫做额定 功率。额定电压（rated voltage）是用电器正常工作时的电压，额定功率（rated power）是用电器在额定电压下消耗的电功率。
表 3-6 一些电器设备的功率
电器 功率（瓦） 电器 功率（瓦） 电器 功率（瓦）
电子表 0.001 普通照明灯泡 15~100 电熨斗 100~1500
半导体
收音机 0.06~0.4 家用电冰箱 100~200 电饭煲 300~1500
21吋彩色 电视机 90 台式电脑 100~300 家用空调 950~2300
日光灯 3~40 吸尘器 800 家用电烤炉 450~1500
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接在同一电路上的灯泡，消耗电功率越大，灯泡就越亮。
电功率和电功的计算
电功率是描述电流做功的快慢，但电器工作时消耗的电功率究竟跟哪 些因素有关呢？
探究
小灯泡的电功率跟哪些因素有关
把灯泡接到电路中时，不同功率的灯泡发光的亮度是不同的。灯泡越亮， 灯泡的电功率就越大。那么，灯泡的电功率跟哪些因素有关？下面让我们以 小灯泡为例，探究小灯泡电功率跟哪些因素有关。
1．提出问题：
小灯泡的电功率跟哪些因素有关？
2．建立假设：
（1）小灯泡的电功率跟电压有关，电压越高，电功率就越大。
（2）小灯泡的电功率跟电流有关，电流越大，电功率就越大。
你还能提出什么假设？
3．设计实验方案：
若要研究小灯泡的电功率跟电流和电压的关系，需要运用控制变量的方
法进行实验研究。
L1
（1）研究小灯泡的电功率跟电流的关系， 就要控制小灯泡两端电压不变。为此，我们 可以把 2 只不同的小灯泡按图 3-81 所示方式 并联在电路上，从而控制它们两端电压相等， 用电流表分别测量通过小灯泡的电流。通过 观察小灯泡的亮度来判断小灯泡电功率大小， 看看电功率大小跟电流有什么关系。
（2）研究小灯泡的电功率跟电压的关系， 就要控制通过小灯泡的电流不变。为此，我 们可以把 2 只不同的小灯泡按图 3-82 所示方 式串联在电路上，从而控制通过它们的电流 相等，用电压表分别测量小灯泡两端的电压。 通过观察小灯泡的亮度来判断小灯泡电功率 大小，看看电功率大小跟电压有什么关系。
4．进行实验，收集证据：
请按照上面设计的方案进行实验， 并把 收集到的数据和观察到的现象分别记录在 表 3-7 和表 3-8 中。
表 3-7 研究小灯泡的电功率跟电流的关系表
灯 L1 灯 L2
条件控制（电压关系）
亮度（亮、暗）
电流（安）
表 3-8 研究小灯泡的电功率跟电压的关系表
灯 L1 灯 L2
条件控制（电流关系）
亮度（亮、暗）
电压（伏）
5．分析与论证：
小灯泡的电功率大小跟小灯泡两端的电压、通过小灯泡的电流有关。在 电压相等的情况下，通过小灯泡的电流越大，小灯泡的电功率越大；在电流 相等的情况下，小灯泡两端的电压越高，小灯泡的电功率越大。
进一步实验表明，用电器的电功率等于用电器两端电压与通过用电器 电流的乘积。
用 P 表示电功率，U 表示电压，I 表示电流，则电功率的公式可表示为：
P ＝ UI
使用公式时，若 U 的单位为伏，I 单位为安，则 P 的单位为瓦。因此， 电功率的单位瓦特也可表示为：
1 瓦＝ 1 伏·安
根据功率和功的关系：，可以得到电功的计算式，即：
W ＝ UIt
这就是说，电流在某段电路上做的功，等于这段电路两端的电压与通 过这段电路的电流，以及通电时间的乘积。
根据公式 W ＝ UIt，电功单位焦耳也可表示为：
1 焦＝ 1 伏·安·秒
［例题］ 将图 3-79 所示的节能灯接在 220 伏的电路 如 果电 路 电
中，通过灯泡的电流有多大？这只节能灯正常工作 2 小 压与 用 电 器 的 额 时消耗多少电能？ 定电压相差 过多，
用 电 器 可能 根 本
解：灯泡的额定电压为 220 伏，额定功率为 11 瓦。 不 能 工 作， 或 者 当灯泡接在 220 伏的电路中时， 被烧坏。
电流 安
消耗电能：W ＝ Pt = 11 瓦 ×2×3600 秒 = 79200 焦
答：当节能灯接在 220 伏的电路中时，通过灯泡的电流为 0.05 安，节能 灯消耗的电能为 79200 焦。
实验
测定小灯泡的功率
1．学习使用电流表和电压表测用电器功率的方法。
2． 了解用电器的功率跟用电器两端的电压有关，加深对额定电压和额
常用的小灯泡 1 只（标明额定电压，未标明额定功率），电流表、电压 表各 1 只，滑动变阻器 1 只，开关 1 只，电池组（总电压高于灯泡的额定电压） 1 只，导线若干。
1．在右边的方框内画出实验电路图。
2．按正确的电路图连接电路。
3．调节滑动变阻器，使小灯泡两端的电压恰 好等于灯泡的额定电压。读出此时两只电表的读 数，并记录在表 3-9 中。
4．调节滑动变阻器，使小灯泡两端的电压约
为小灯泡额定电压的 1.2 倍。观察小灯泡的亮度变化（相对于额定电压下的 亮度），读出两只电表的读数，并记录在表 3-9 中。
5．调节滑动变阻器，使小灯泡两端的电压约为小灯泡额定电压的 0.8。 观察小灯泡的亮度变化（相对于额定电压下的亮度），读出两只电表的读数， 并记录在表 3-9 中。
6．计算出三种情况下小灯泡的功率。
表 3-9 记录表
序号 电压（伏） 电流（安） 功率（瓦） 灯泡亮度变化
1
2
3
1．小灯泡在哪种情况下属于正常发光？
2．如果一再降低或一再提高小灯泡两端的电压，将会出现什么情形？
常用电热器
夏天，你使用电驱蚊器吗？冬天，你使用电取暖器吗？这些用电器工 作时都会发热，你知道它们的工作原理吗？
原来，电流通过各种导体时，会使导体的温度升高，这种现象叫做电 流的热效应。从能量的转化看，电流通过导体发热的过程实质上是电能转 化为内能的过程。各种各样的电热器都是利用电流的热效应工作的，如图 3-83 所示。
电饭煲
图3-83 家用电热器
那么，电流通过导体产生的热的多少跟哪些因素有关呢？
116
显然，通电的时间越长，电流产生的热量就越多。
进一步的实验可以得出：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成 正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。这个规律叫做焦耳定律 （Joule's laws），它是由英国科学家焦耳最先发现的。
焦耳定律可以用以下的公式表示：
Q ＝ I 2Rt
电流通过导体时，如果电能全部转化为内能，而没有转化为其他形式 的能，那么，电热就正好等于电功。这种情况下，焦耳定律也可以利用电 功公式和欧姆定律推出。请你自己推导一下。
［例题］ 如图 3-85 是电饭锅的电路图。电饭锅工作时有两种状态：当 自动开关 S 接通时，电饭锅处于加热状态，将锅内的水加热直到烧开；当自 动开关 S 断开时，电饭锅处于保温状态。图中 R2 是加热用的电热丝，阻值
为 55 欧；R1 是电阻，阻值为 145 欧。试求 :
（1）在加热状态下，电饭锅正常工作 30 分钟产生多少热量？
（2）在保温状态下，电饭锅消耗的功率 多大？
解：（1）在加 热状 态 下， 开 关 S 接通， 电路中只接入电热丝R2，因此通过R2 的电流：
安
根据焦耳定律，R2 上产生的热量：
A S
220V R2
图3-85 电饭锅的电路图
Q=I 2R2t=（4 安）2 ×55 欧 ×30×60 秒 =1.584×106 焦
（2）在保温状态下，开关 S 断开，电阻 R1 与电热丝 R2 相串联，假设此
时电路中的电流为 I′，根据串联电路的电压特点：U=U1+U2=I′R1+I′R2
电饭锅消耗的功率：
P′=UI′=220 伏 ×1.1 安 =242 瓦
答：（1）电饭锅正常工作 30 分钟产生的热量为 1.584×106 焦。（2）在保温 状态下，电饭锅消耗的功率为 242 瓦。
思考与讨论
上面这个问题还可以用什么方法来求解？
练习
1．图 3-86 中的各种用电器在工作时，电能分别转化为哪种形式的能？
洗衣机 MP3 电灯
图3-86 家用电器
2．“PZ220-40”的灯泡接在 220 伏的电路中，通过灯丝的电流为 ___________ 安， 它在 1 小时内消耗的电能为 ___________ 焦。
3．某 LED 灯用电压为 6 伏的电源供电，正常工作电流为 300 毫安。那么，此 LED 灯正常工作时的功率为多少？
4．“风光互补发电”装置能够利用太阳能电池板和风力发电机发电。某“风光互补 发电”装置的发电功率为 500 瓦，正常工作 1 小时可产生多少电能？
5．1 千瓦时的电可供“PZ220-40”的灯泡用多少小时？
6．某教室里安装了 8 盏 40 瓦的日光灯，若这些灯每天照明 3 小时，则这个教室每 天消耗多少电能？
7．一台“220V 1000W”的电热水器，正常工作 10 分钟消耗多少焦耳的电能？
8．在图 3-84 所示的实验中，两个相同的烧瓶中均装入相同质量的煤油，烧瓶甲 中电阻丝的阻值为 5 欧。闭合开关，电流表读数为 0.8 安，经过 200 秒的时间， 烧瓶甲中的煤油温度由 20℃升高到 25℃,烧瓶乙中的煤油温度由 20℃升高到 23℃。假设电阻丝产生的热量全部被煤油吸收，电阻丝的阻值不随温度变化， 电源电压保持不变，已知煤油的比热容 c=2.1×103 焦 /（千克 · ℃)。求：
（1）在此过程中烧瓶甲中煤油吸收的热量。
（2）烧瓶甲中煤油的质量。
第 1节 核 能
人类所利用的能源绝大多数是由核能转化而来的，因为从太阳射向地 球的电磁能就是由太阳内部进行着的核聚变反应而产生的。那么，核能是 怎样产生的？人类是如何有效地控制和利用核能的？
裂变和聚变
原子核是可以转变的。原子核在转变过程中所释放出的能量，称为核 能（nuclear energy）。 核能是
从原子核内部释放出来的， 它比物质在化学反应中所释 放出的化学能要大得多。例 如，1 千克铀核全部转变为 氪核和钡核时释放出的核能， 超过了 2000 吨煤完全燃烧时 释放出的化学能。那么，如 何使原子核发生转变而释放 出核能呢？
原子核的裂变和原子核 的聚变是获得核能的两条途径。
核裂变（fission）是质量较大的原子核在中子轰击下分裂成 2 个新原子 核，并释放出巨大能量的现象。例如，用中子轰击铀 -235 原子核，可以使 铀核裂变为氪核和钡核，同时向外释放能量，并产生 2~3 个新的中子。如 果产生的中子继续轰击其他铀核，引起铀核裂变，就会导致越来越多的铀 核不断地发生裂变，放出越来越多的能量。这种连锁式的铀核裂变反应称 为链式反应（chain reaction）（如图 3-88）。
如果原子核裂变的链式反应不加以控制，在短时间内形成雪崩式的裂 变反应，就会放出巨大能量而产生猛烈的核爆炸，原子弹就是运用这个原 理制造的。
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图3-88 链式裂变反应示意图，中子就像“点燃”核燃料的火柴
核聚变（fusion）是 2 个质量较小的原子核结合成质量较大的新原子核， 同时释放出能量的现象。例如，氘核（核内有 1 个质子、1 个中子的氢核） 和氚核（核内有 1 个质子、2 个中子的氢核）在超高温下聚合成氦核，并向 外放出能量，如图 3-89 所示。在消耗质量相同的核材料时，核聚变比核裂 变释放出更多的核能。核聚变需要极高的温度，所以也叫做热核反应。热 核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，依靠自身产生的热就会使核 反应继续下去。氢弹就是根据核聚变的原理制造的，它的威力比原子弹大
得多（如图 3-90）。
氘核
氚核
一个中子
（伴随能量释放）
氦核
图3-89 聚变反应示意图
图3-90 氢弹爆炸时的情景
核能的和平利用—核电站
如果能够按需要控制链式反应的速度，使原子核的裂变反应持续而缓 慢地进行，核能有控制地平稳释放，这样的核能就可以为人类和平建设服务。 可控制地进行核反应的装置称为核反应堆。核电站（如图 3-91）就是利用核 反应堆提供的能量，使水变成蒸汽，再利用高温高压的蒸汽推动汽轮发电
机发电的。
保护结构
汽轮机
发电机
蒸汽 蒸汽 发生器 热交换器
水泵
反应堆
水泵
大容量水体
图3-91 核电站
太阳的巨大能量就是内部核聚变产生的。在太阳的内部，氢原子核在 超高温下发生核聚变，释放出巨大的核能。这些能量再从太阳核心向外扩 散到太阳表面，然后，大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射出去，其
人们虽然能够控制裂变反应的速度，但还 没有找到实用的控制核聚变反应的方式，所以， 直到现在人类还不能和平利用核聚变的能量。科 学家一直致力于探索核聚变的控制途径。近几 年来，我国核聚变事业取得了一系列重要成就 和突破。2017 年，我国启动了中国聚变工程实 验堆（CFETR）的工程设计。中国聚变工程实验 堆（CFETR）按照太阳内部热核聚变的原理，设
计建造可控的“ 人造太阳 ”，造福人类社会。受控核聚变能够为人类提供几 乎取之不尽的理想洁净的能量，人类一旦能够稳定地获取核聚变能，将不 再有“ 能源危机 ”。
放 射 性
早在 100 多年前，科学家贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel）、居里夫
（Marie Curie）把元素具有的这种辐 射能力叫做放射性（radioactivity）。 进一步研究发现，许多天然存在的 元素也具有放射性。
原子核的裂变也会产生一些放 射性物质。
放 射 性物 质既 有 天 然 放 射性物质， 也 有人 工放 射 性 物质。
图3-93 放射性物质的标志
放射性物质放出的射线到底是什么呢？ 科学家发现，各种放射性元素放出的射线中 包括 α、β 和 γ 三种射线。α 射线是带 正电的高速运动的氦原子核流。β 射线是 带负电的高速运动的电子流。γ 射线是能 量很高的电磁波。这三种射线穿透物质的能 力也不同， α 射线穿透能力最弱，在空气 中只能前进几厘米。β 射线穿透能力较强，
能穿透几厘米厚的铝板。γ 射线穿透能力
最强，能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。
放射性现象在工业、农业、医疗等领域都有广泛应用。工业上利用放 射线来测量物体厚度。农业上利用放射线照射种子，使种子发生变异，培 育新的优良品种；利用放射线还可以杀菌。医疗上利用 γ 射线治疗癌症， 因为人体组织对射线的耐受能力是不同的，细胞分裂越快的组织，它对射 线的耐受能力就越弱。
人类一直生活在有放射线的环境中。我们日常生活中的一些用品含有 放射性物质，周围的一些岩石中也有放射性物质，地球上的每个角落都有 不断的来自宇宙的射线，等等。由于这些辐射都在安全剂量范围之内，对 我们人体没有伤害。
然而，过量的辐射对人体和动物的组织都有破坏的作用。因此，在使 用放射性物质时，必须注意安全，也要防止放射性物质对空气、水、生活 用品等的污染。
练习
1． 核 能是蕴藏在 ______________________ 的 能量。获得核 能 的 主要途径有 ____________ 和 ____________。
2．在核电站中，所发生的核反应（ ）。
A．是聚变反应
B．是裂变反应
C．有的是聚变反应，有的是裂变反应
D．既不是聚变反应，也不是裂变反应
第 8节
我们知道，动能和势能之间可以相互转化。那么，其他形式的能量是 否也会发生相互转化呢？能量在转化过程中遵循什么规律？
能量的相互转化
能量有机械能、内能、化学能、电能、核能等多种形式，各种形式的 能量不是孤立的，而是相互联系的。
能量可以在两个物体之间转移，能量形式也可以转化。
能量转化的现象在我们周围经常发生。如图 3-97 所示，太阳光照射到 绿色植物的叶片上，叶片通过光合作用把水和 CO2 合成为淀粉等有机物质， 将电磁能（光能）转变为化学能储存在植物里；太阳光照射到大气层中，使 大气产生对流，将电磁能转变为空气的动能；太阳光照射到太阳能热水器上， 使水的温度升高，将电磁能转变为水的内能；太阳光照射到电池板上，将电 磁能转化为电能。
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图3-97 太阳能的转化
人的生命活动和人体完成的各种动作，都需要能量。所有这些能量都来 自于食物。人吃进各种食物，食物消化后被吸收的营养物质由血液输送到人 体各处，食物的化学能转化为人体的内能、电能、机械能等，如图 3-98 所示。
图3-98 人体能量的来源及转化
我们每天都在使用电能，电能由发电厂提供。在火力发电厂中，燃烧 煤或者天然气来加热水，水沸腾后产生的蒸汽驱动涡轮机转动，涡轮机带 动发电机，发电机发出的电通过输电线传输到各地的用户，如图 3-99 所示。 对于燃煤发电厂，电能是由化学能经过一系列能量转化后得到的。
大量事实表明，自然界中各种形式的能量都不是孤立的，不同形式的 能量之间会发生相互转化，能量也会在不同的物体间相互转移。各种形式 的能量之间的转化是非常普遍的现象，自然界中物质运动形式的变化总伴 随着能量的相互转化。平常我们所说的“ 消耗能量 ”、“利用能量 ”或者“ 获 得能量 ”，实质上就是能量相互转化或转移的过程。
能量的转化与守恒定律
能量由一种形式转化为另一种形式的过程中，能量的多少是否发生
变化？
大量事实告诉我们，在能量的形式发生相互转化的过程中，某种形式 的能量减少了多少，另一种形式的能量一定会相应地增加多少。同样，某 种形式的能量增加了多少，另一种形式的能量一定会相应地减少多少，而 能的总量保持不变。也就是说：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。这就是能量转化和守恒定律。
能量转化和守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。无论 是机械运动，还是生命运动；无论是宇宙天体，还是微观粒子，都遵循这个 定律。
能量转化和守恒定律是许多科学家经过长期探索，于 19 世纪中叶建 立起来的。它是科学史上最重大的发现之一，它把各种自然现象统一起来， 描绘出一幅自然界普遍联系的世界图景。
能量的转移和转化的方向性
“ 永动机 ”不可能成功的事实告诉我们，违反能量的转化和守恒定律的 事件是不可能发生的。那么，遵循能量的转化和守恒定律的事件是否一定 会发生呢？让我们看两个事例。
当一块炽热的铁块投入水中时，内能从铁块传递给水，从而使铁块的 温度降低，水的温度升高，最后两者达到相同的温度。但是，相反的过程 并不会自发地发生。铁块不可能自发地从同温度的水中吸收热，使自己变 得炽热，尽管这一过程并不违反能量转化和守恒定律。
当杂技演员沿竹竿下滑时，演员的重力势能有一部分转化为手和竹竿 的内能，使手和竹竿的温度升高。但是，相反的过程也不会自发地发生， 即手和竹竿不可能自发地降低温度，而使人的位置升高，尽管这一过程也 不违反能量转化和守恒定律。
大量的现象表明，能量的转移和转化有一定的方向性。我们是在能量 转移或转化过程中利用能量的。
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练习
1．如图 3-104 所示是一种在阳光下能不断摇摆的塑料小花。 花盆表面的太阳能电板在光照下，产生电流驱动电动机， 使小花左右摆动。下列有关该小花摆动过程中能量转化的 描述正确的是（ ）。
A．叶片将光能转化为化学能
B．电动机将机械能转化为电能
C．太阳能电板将太阳能转化为电能
D．小花将动能转化为化学能
2．试写出在一辆汽车上所发生的能量转化的事例（至少写出 3 个）。
1. 不同形式的能量可以相互转化，功是能量转化的量度。机械功可以 用 W＝Fs 计算。
2. 单位时间内所做的功叫做功率，功率的计算式为： 功率描 述做功的快慢，或能量转化的快慢。
3. 杠杆和滑轮都是简单机械，杠杆的平衡条件是：F1l1 ＝F2l2 。定滑轮实 质是等臂杠杆，而动滑轮实质是动力臂为阻力臂 2 倍的杠杆。使用滑轮组时， 动滑轮和物体的总重由几段绳子承担，提起重物所用的力就是总重的几分 之一。
4. 有用功与总功的比值叫做机械效率，计算公式为：
5. 物体由于运动而具有的能叫做动能。物体由于被举高而具有的能叫 做重力势能。物体由于发生形变而具有的能叫做弹性势能。物体的动能和 势能可以相互转化，在转化的过程中，如果没有摩擦阻力，机械能的总量 保持不变。
6. 物体内部大量做无规则运动的粒子所具有的能叫做内能。改变内能 有做功和热传递两种方法，这两种方法对于改变物体的内能是等效的。物 体吸收热量的计算公式为：Q ＝ cm（t － t0）。
7. 燃料燃烧会释放大量的热量，1 千克某种燃料完全燃烧所释放的热量 叫做这种燃料的热值。
8. 电流做功的快慢叫做电功率，其计算式为：P ＝ UI。电流做功的过程 是电能转化为其他形式能的过程，电功的计算式为：W＝ UIt。
9. 电流通过导体时会使导体发热，这种现象叫做电流的热效应。电热 可以用焦耳定律计算，即：Q＝I2Rt。
10. 核能是原子核改变时释放的能，获得核能一般有两条途径：重核裂 变和轻核聚变。目前已建成的核电站都是利用重核裂变将核能转化为电能。
11. 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。在转化和转移的过程中，能量的 总量保持不变。能量的转化和转移有一定的方向性。
12. 本章知识结构图：
能量的形式 能量的转化与守恒定律 动能 质量、速度
机械能
势能
弹性势能 弹性形变程度
能量转化量度
功率
平衡条件
定滑轮、动滑轮
简单机械
斜面
机械效率
做功
改变内能方式
热传递 热量的计算 Q=cm（ t-t0 ） 热机 汽油机 吸气、压缩、做功、排气
电功 W=UIt 测量
电功率 P=UI 测量
电热器 焦耳定律 Q=I 2Rt
裂变、聚变 核电站 放射性
代 谢 与 平 衡
生物的生存离不开对营养物质的及时摄取，离
不开对各种物质的不断合成和分解，并需要及时将产生 的代谢废物排出体外，以维持体内物质的平衡。在各种 物质转化的同时，往往伴随着能量的变化，从而满足体 内各种生命活动的能量需求。
我们每天所吃的食物含有哪些营养素？食物中的营 养素在人体内是怎样变成细胞内的各种组成物质的？我 们每天产生的代谢废物是如何及时排出体外的？生物体 消耗的能量又来自哪里呢？
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第 1节 食物与营养
人的生活离不开食物，食物能为我们跑步、学习、唱歌甚至睡眠等各项 活动提供必需的能量。每天吃适量有营养的食物可以让我们的身体处于最佳 状态。
食物与能量
食物中的营养素主要有水、无机盐、糖类、蛋白质、脂肪、维生素和膳 食纤维等七大类，其中的糖类、脂肪和蛋白质等有机物都能为人体提供能量。 它们在人体内是通过氧化释放能量的，这个过程与物质在体外的燃烧有些相 似，只是体内的氧化过程更缓慢、更复杂。
相同质量的糖类、脂肪和蛋白质所含的能量往往并不相同，那么，不同 食物所含的能量是否也有差异呢？我们可以通过实验大致比较一下不同食物
所含能量的多少。
花生仁、大米、牛肉干 分别富含脂肪、糖类和蛋白 质。通过实验可知，富含脂 肪的花生仁所含的能量最高。
1 克糖类无论是在体外 完全燃烧还是在体内完全氧 化，都能释放出 16.8 千焦的 能量。同等质量的蛋白质与 糖类在体内完全氧化所释放 的能量相同，而同等质量的 脂肪在体内完全氧化释放的 能量要比蛋白质和糖类高得 多。由于每种食物所含营养
素的种类和数量不同，它们所含的能量往往各不相同。
人体每天需要摄入一定量的食物来满足机体对能量的需要，维持体温 和神经、循环、呼吸等系统的基本生理活动。由于人的年龄、性别、体质 和日常活动的激烈程度存在差异，每天所需要的能量也有差异。当人处于 婴幼儿期和青春期等快速生长的时期时，机体需要更多的能量补充。一个 成年人书写时，每千克体重每小时消耗的能量约为 1.7 千焦；打乒乓球时， 每千克体重每小时消耗的能量约为 18.4 千焦。
营养素的作用
食物中的营养素除了能提供能量外，还能为我们提供生长发育和修复 受损组织等生理活动所必需的物质。各种营
养素具有不同的作用。
水虽然不能提供能量，但它是人体不 可缺少的重要物质。水是构成细胞的主要成 分，各种生物化学反应只有在水溶液中才能 进行，并且体内的养分和废物都必须溶解在 水中才能进行运输。
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食物中含有多种无机盐，其中包括钙、铁、碘、钠和磷等元素。它们 不能提供能量，却是人体维持正常生理活动所必需的营养物质。例如，缺 锌会导致儿童味蕾功能下降，造成食欲减弱；缺碘会引起人体甲状腺肿大、 儿童智力低下等。
糖类（carbohydrate）包括淀粉、葡萄糖、蔗糖、麦芽糖等，在大米、小麦、 马铃薯和玉米等食物（如图 4-4）中含量较多， 是人体所需能量的主要来源。
图4-4 含糖类丰富的食物
蛋白质（protein）是细胞生长及组织修复的主要原料，占人体细胞干重 的 50% 以上。蛋白质是构成人体细胞的基本物质，可以说没有蛋白质就没 有生命。一般成年人每千克体重每天约需摄取蛋白质 1.2 克，处在长身体 时期的青少年需求量更大。此外，蛋白质也能为人体的生命活动提供能量。 在肉类、禽蛋、鱼、虾、乳制品和大豆等食物（如图 4-5）中，蛋白质的含 量较高。
脂肪（fat）是生物体内贮藏能量的主要物质。只有当人体内的糖类氧化 分解不足以提供人体所必需的能量时，才会分解脂肪提供能量。在植物油、 动物油、核桃和花生等食物（如图 4-6）中，脂肪的含量较高。
图4-6 含脂肪丰富的食物
维生素（vitamin）的种类很 多，除维生素 D 外，其他维生素 人体内都不能合成，必须从食物 中获得。维生素不能提供能量， 但它参与人体内许多重要的生理 活动，对保持人的身体健康作用 极大。
膳食纤维（cellulose）主要由纤 维素组成，是一类不能被人体消化 吸收的物质，主要来自植物性食物 （如图 4-7）。膳食纤维对人体有着 重要的生理作用，如刺激消化腺分 泌消化液，促进肠道的蠕动，有利 于及时排便等。此外，适量摄取膳 食纤维还可减少大肠癌的发病率， 有助于减少肠道对脂肪的吸收，预 防心血管疾病的发生。
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平 衡 膳 食
人的身体需要许多种营养素，各种营养素的需求量也不尽相同，营养 过剩和不足都会影响身体健康。人体所需的各种营养素和能量，主要通过 每天摄取食物得到供应和补充，可是各类食物中的营养素含量各异。因此， 健康的饮食要求食物种类尽量多些、数量适当、营养物质之间的比例合理， 并且与身体消耗的营养物质保持相对平衡，即所谓平衡膳食。那么，我们 应该如何选择适当的食物呢？
2016 年，国家卫生计生委发布了新的《 中国居民平衡膳食指南》，提 出了符合我国居民营养健康状况和基本需求的膳食指导建议。
平衡膳食宝塔直观反映了各类食物在膳食中的地位和大致比例，特别 倡导要形成“ 三减 ”（即减盐、减糖和减油）的良好饮食习惯，以减少患高 血压、肥胖和心脑血管疾病的机会。应用平衡膳食宝塔时，每人每天各类 食物摄入量应根据个人的情况作适当调整，三餐食量分配要合理，一般以 早、晚餐各占 30%，中餐占 40% 为宜。同时建议轻体力活动成年人每天饮 水 1500 ～ 1700 毫升。
练习
1. 食物中的营养素主要有水、无机盐、糖类、蛋白质、脂肪、____________ 和 ____________ 等七大类，其中的 ____________、____________ 和 ___________ 等有机物都能为人体提供能量。
2. 膳食纤维虽然不能被人体消化吸收，但也是人体必需的营养物质。你能说说适 量摄取膳食纤维对人体有什么好处吗？
3. 根据平衡膳食宝塔，我们在日常饮食中应注意哪些方面的平衡？
第 2节 食物的消化与吸收
食物进入人体后，大多数的营养素都要经历复杂的变化才能被人体吸收 利用。这些变化都是怎样进行的呢？人体内都有哪些器官共同参与并完成这 些复杂的功能呢？
消化系统的组成
人体要通过消化系统（digestive system）才能利用食物中的各种营养素。 人体的消化系统由消化道和消化腺组成。消化道（digestive tube）是一条中 通的管道，从上到下有口腔、咽、食管、胃、小肠、大肠和肛门，主要功
能是进行食物的消化和吸收。消化腺（digestive gland）包括分布于消化道外的唾液腺、肝脏、 胰腺和消化道壁上的胃腺和肠腺，其主要功能 是分泌消化液，参与食物的消化。
牙（teeth）是人体口腔内取食和消化的重要 器官，可咬切和磨碎食物。人在一生中共有两 组牙。幼儿时长出的一组牙称为乳牙，共有20颗。 约 6 岁起，乳牙逐渐脱落，换上恒牙，共 32 颗，
一般恒牙脱落就不会再长出来。如图 4-9 所示，从结构上看，牙本质组成 了牙的主体结构，牙本质内部有一腔隙，内含牙髓，牙髓由小血管和神经 组成。牙本质的外侧被牙釉质包绕，牙釉质是人体最坚硬的结构。
龋齿俗称蛀牙，是青少年中发生率很高的牙病。牙的健康状况直接影响
人的消化和吸收，我们要人人重视牙的保健，有口腔问题要及时发现、及时 治疗，成年人每年至少进行一次口腔检查。儿童易患龋齿且进展较快，每半年
要进行一次口腔检查。
食物残留在牙面上 牙釉质受破坏 牙本质受破坏 牙髓受破坏
图4-10 龋齿的形成过程
阅读
科学的刷牙方法
我们每天都在刷牙，但是很多人并没有掌握科学的刷牙方法。不 正确的刷牙方法不但起不到保健作用，反而还会损伤牙齿和牙龈，如 有些人像拉锯一样地横着刷牙，这种刷牙方法有害无益，严重时会造 成牙髓炎。
目前，最受推崇的科学刷牙方法是改良巴斯法。其步骤如下（如
图 4-11）：
（1）使牙刷保持水平。
（2）将刷毛置于牙齿和牙 龈交界处，使刷毛与牙长轴呈
45 度，轻压刷毛进入牙龈沟。
（3）来回拉动牙刷，幅度 不超过一个牙位。刷毛尖部 几乎不动或是小幅度的转圈 转动。颤动或转圈 20 下左右，
以保证有足够的时间清除牙斑。动作一定要轻柔。
（4）从牙龈向咬合面方向（刷下排牙时向上，刷上排牙时向下）滚 动或弹动刷毛，将牙斑从牙龈线中清扫出来。
（5）2~3 颗牙为一组，刷完后定位到下一组。重复以上动作，直到 牙面和牙龈线清洁干净。对于内侧牙齿，可改为竖直方向刷，并以同
消化腺分泌的消化液都要通过相应的管道进入消化道，胃和小肠是重 要的消化器官，它们具有怎样的结构特点与其功能相适应呢？
胃是消化道中最膨大的部分，位于上腹部。胃的内表面有许多皱襞， 其中有许多胃腺，能够分泌胃液。胃液具有杀菌、消化和保护胃壁的作用。 胃壁中有发达的平滑肌层，能够不断蠕动以促进食物与胃液的混合。
小肠盘曲在腹腔中，长约 5~6 米，是消化系统中最长的一段。小肠 起始的一段是十二指肠，其长度约有十二个手指宽度那么长，因此被叫做 十二指肠，它的内侧壁有胆总管和胰管的开口。小肠内表面有许多皱襞， 皱襞上有许多微小的指状突起，叫做小肠绒毛。小肠绒毛的存在使得小肠 内表面积增加了约 600 倍，可达到 200 米 2 ，从而使小肠大幅度地增加了消 化和吸收的面积。小肠绒毛襞只由一层上皮细胞构成，绒毛内分布着丰富
的毛细血管和淋巴管，有利于营养物质的吸收和 运输。小肠壁上还有丰富的肠腺，能分泌多种消 化液。肠壁含有平滑肌层，能使小肠蠕动。
肝脏是人体最大的消化腺，分泌的胆汁流入 胆囊浓缩和贮存。成年人每天分泌的胆汁约有 1 升。 胰腺分泌胰液。进食后，胆汁和胰液经胆总管和 胰管流入十二指肠帮助消化，如图 4-13 所示。
图4-13 肝脏、胆囊和胰腺
食物的消化与吸收
人体将食物中的大分子物质分解成能被身体利用的小分子物质的过程 叫做消化（digestion）。消化有两种类型，即物理消化和化学消化。在物理 消化过程中，食物会逐渐被软化和细化，如食物在口腔中被牙切割、研磨 成小碎块，胃肠的蠕动等；在化学消化过程中，食物中的大分子物质经各种 消化液的作用被分解成能被机体利用的小分子物质，即营养物质。
经消化后的营养物质和一些不需消化的营养物质（如水、无机盐和维 生素等）通过消化道管壁进入循环系统的过程叫做吸收（absorption）。
淀粉、蛋白质和脂肪是食物中常见的三大类大分子物质，它们在消化 系统中是如何被消化和吸收的呢？
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食物在口腔内经牙的咀嚼、舌的搅拌，并与唾液腺分泌的唾液混合形 成食团，可进行对淀粉的初步分解。食团经咽、食管的蠕动进入胃。平时 吃饭要做到细嚼慢咽，可减轻胃、肠的消化负担。
当食物由食管进入胃，可在胃里进行暂时贮藏。胃壁可进行有节律地 收缩，并使食物与胃液充分混合，形成食糜。胃腺分泌的胃液能初步消化 蛋白质。胃对营养物质的吸收很少，只吸收少量水分、酒精和无机盐。
食糜进入小肠后进行更充分的消化和吸收。小肠的长度长，用于消化 和吸收的内表面积大，流入小肠的消化液种类多，淀粉、蛋白质和脂肪等 大分子物质可在小肠内得到充分的消化，分别形成葡萄糖、氨基酸及甘油 和脂肪酸等小分子营养物质。人体可吸收的大多数营养物质也是通过小肠 壁被吸收的。小肠是食物消化和吸收的主要场所。
未被小肠消化和吸收的食物残渣最后进入大肠，人类的大肠没有重要 的消化功能，主要是吸收少量的水分、无机盐和维生素，最后形成粪便经 肛门排出体外。
人的消化系统主要具有三大功能：将食物中的大分子物质分解成能被机 体利用的小分子物质；将这些小分子物质吸收到血液中；将消化后产生的食 物残渣排出体外。
酶的催化作用
食物的化学消化离不开各种消化液的作用，那么消化液中真正起作用 的物质是什么呢？科学家通过长期的研究发现这种物质就是酶（enzyme）。 酶不仅是食物化学消化的“ 功臣 ”，生物体内的大多数化学反应都要依赖酶 的作用。酶在参与化学反应前后，其化学性质不变，因此，酶被称为生物 催化剂。
酶是由生物的体细胞合成的，大多数的酶是蛋白质。消化液中含有的 酶叫做消化酶，消化酶的种类很多，一般根据其来源和所催化的物质进行 命名，如唾液中含有能将淀粉分解成麦芽糖的酶，这种酶就叫做唾液淀粉酶。 同理，胰液中存在的能分解淀粉、脂肪和蛋白质的消化酶分别称为胰淀粉酶、 胰脂肪酶和胰蛋白酶。
酶不同于一般的化学催化剂，那么，酶的催化作用具有哪些特点呢？
人体中有很多种酶，不同的酶催化体内不 同的化学反应。酶具有高效性，它可以使人体 细胞内的各种反应迅速进行，保证各项生命活 动的正常进行。酶又具有专一性，一种酶只能 催化某一种或某一类化学反应。人体细胞中如 果缺乏某种酶或酶不足时，就会发生代谢紊乱， 并可能出现疾病。例如，白化病（如图 4-16） 就是体内缺乏一种促使黑色素形成的酶引起的
一种先天性疾病，表现为全身皮肤、眉毛、头发等都呈白色，眼睛怕光等症状。
酶的催化作用易受到温度、酸碱度等外界因素的影响，而且不同的酶 所需的最适外界条件往往有所不同。
探究
影响酶催化作用的因素
酶是生物催化剂，能催化体内不同的化学反应。那么，酶的催化作用会 受到哪些因素的影响呢？
1．提出问题：
温度会影响酶的催化作用吗？
2．建立假设：
每种酶的催化作用有其最适宜的温度，温度过高或过低都会影响其催化 作用。
3．设计实验方案：
本实验的原理是唾液淀粉酶能催化淀粉分解和碘液能使淀粉变蓝。为 了达到实验目的，你认为实验方案中应至少设计 ____________ 个组的温度 变化值；各组要保证唾液淀粉酶和淀粉先达到相应的设计温度值后再进行 _________________ ；各组的实验结果要通过观察 ________________ 变化来 进行。
4．进行实验：
（1）取 3 支洁净的试管，编为 1~3 号，分别加入 2 毫升 1% 淀粉溶液。
另取 3 支洁净的试管，编为 4~6 号，分别加入 1 毫升新鲜的唾液淀粉酶溶液。
（2）将 6 支试管的 1 号和 4 号，2 号和 5 号，3 号和 6 号编为 3 组，分别 放入 0℃、37℃和 70℃左右的水中，水浴 5 分钟。
（3）将各组试管中的唾液淀粉酶倒入同组的 1% 淀粉溶液中，充分摇匀后， 再分别放回原温度的水中，水浴 5 分钟。
（4）待溶液冷却后，往 3 组试管中分别滴入 1 滴碘液，然后摇匀。
（5）观察并记录 3 组试管中溶液颜色的变化情况。
5．记录结果，得出结论：
观察 3 支试管的变化有什么不同？ ________________________________
__________________________________________________________________
_____________________________________________________________。
你能得出什么结论？ ____________________________________________
________________________________________________________________。
6．表达与交流：
（1）针对本实验的结果，绘制一个坐标 图，大致表示出酶的催化作用与温度之间的 关系。
（2）除了温度以外，你认为影响酶催化 作用的因素还有什么？能否再设计一个实验 方案加以研究？尝试与同学交流并完善你的 设计方案。
练习
1. 人体的消化系统主要由哪两部分组成？其主要功能有哪些？请你设计一个表 格，在表格中依次列出人体消化道的各个部分和各种消化腺，并写出这些结构 的主要功能。
2. 为什么说小肠是人体重要的消化和吸收场所？请列举理由。
3. 当你饮食过度、肠胃消化不良时，医生为什么建议你服用多酶片？
4. 查阅资料，结合实验结果，写一篇短文，说明酶催化作用的条件。
第 3节
人体消化和吸收得到的营养物质、呼吸得到的氧气及体内细胞的一些代 谢产物，主要通过血液循环系统实现其在各器官组织间的运输，从而保证体 内细胞的正常生命活动。
血 液
经消化系统吸收的营养物质是通过血液（blood）和淋巴的循环流向全 身的。成年人的血液总量约为体重的 7%~8%。一个体重 50 千克的人，他
加抗凝剂后静置
-—血浆
>
图4-17 血液的分层现象
体内的血量约为 3.5~4.0 升。如果在装有新 鲜血液的试管中加入抗凝血剂，并静置一段 时间，血液就会分成上下两层：上层是透明、 淡黄色的液体，叫做血浆（blood plasma）； 下层则是呈暗红色的血细胞（如图 4-17）。 血液就是由血浆和各种血细胞组成的。血浆 是血细胞生活的液体环境，主要具有运载血 细胞、运输营养物质和代谢产物等的作用。 新鲜的血液为什么是红色的呢？
红细胞（red cell）是数量最多 的血细胞，呈两面凹的圆饼状，成 熟后没有细胞核，如图 4-19 所示。 红细胞里有一种红色含铁的蛋白 质，叫血红蛋白，它使血液呈现红 色。血红蛋白在氧浓度高的地方容 易与氧结合，在氧浓度低的地方又 容易跟氧分离。所以，血红蛋白能
图4-19 红细胞
帮助红细胞运输氧，也能运 输一部分二氧化碳。
白 细胞（white cell）有 细胞核，比红细胞大且数量 少，如图 4-20 所示。人体 内有多种白细胞，能抵抗病 菌的侵入，如中性粒细胞和 淋巴细胞能吞噬侵入人体内 的病菌；淋巴细胞还与机体 的抗传染功能有关。
假如我们的血不会凝 结，那它就会从伤口处不停
地流出来。血细胞中的血小板（platelet）有加速血液凝固和防止伤口大量出 血及阻止细菌入侵的作用，如图 4-21 所示。血小板是最小的血细胞，没有
细胞核。
人体内的血细胞每 时每刻都在经历着衰老、 死亡和再生。如血液中 的红细胞，每秒要更新 200 多万个，大约 60 天 左右全身的红细胞会更 换一半。人体内具有造 血功能的红骨髓担负着 血细胞的再生任务。
正常成年人在健康 状况下，血液中的血细 胞含量基本稳定。当人 的年龄、生活条件等发
生改变或患病时，各种血细胞的含量会发生变化。如果病人身体某部位有 炎症，那么，他的白细胞计数包括中性粒细胞计数就会超过正常值，而其 他细胞的变化不大。如果病人患有贫血，那么，病人红细胞计数及血红蛋 白的数值都会下降。医生常会参考病人血液常规检查情况进行诊断。
血液具有输送氧气、二氧化碳、各种营养物质及代谢产物的功能，还 能起到防御保护和调节体温等作用。
心脏和血管
把你的手放在自己胸部的中部偏左下方，你有什么感觉？心脏（heart） 位于胸腔内，在两肺之间，外形像桃子，大小与本人的拳头相似。心脏主 要由心肌构成，工作起来就像一台水泵，通过不停地搏动，推动血液在心 脏和血管中沿着一定的方向不间断地流动。
当左、右心房收缩，左、右心室舒张时，会将心房的血液压入心室， 而心房和心室间的瓣膜（房室瓣）会防止血液倒流回心房，如图 4-23 所示。 当左、右心室收缩，左、右心房舒张时，左心室便会把血液压入主动脉输 送到身体各部分，右心室则将血液压入肺动脉送往肺部，如图 4-24 所示。 心室与动脉间的瓣膜（动脉瓣）会防止血液倒流回心室。
心脏每收缩和舒张 1 次所需的时间是不同的。如图 4-25 所示，成年人 心房收缩 1 次一般约需 0.1 秒，舒张 1 次约需 0.7 秒。在心房开始舒张的同时， 心室开始收缩。心室收缩 1 次约需 0.3 秒，舒张 1 次约需 0.5 秒。心脏收缩 后能得到充分时间的舒张，有利于血液流回心脏，也有利于心脏持久地工作。
心房
心室
表示收缩
图4-25 心房、心室舒缩时间的关系（每一方格表示0.1秒）
氧气4
血液
图4-27 红细胞在毛细血管内的流动 图4-28 血液与组织细胞间的物质交换
活动
1． 观察小金鱼尾鳍内的血液流动。
（1）用湿纱布包裹小金鱼的鱼头和鱼身，只露出鱼尾，放 在培养皿上，用载玻片盖住鱼尾，如图 4-29 所示。
湿纱布 载玻片
培养皿
图4-29 观察小鱼尾鳍内的血液流动
（2）用低倍显微镜观察鱼尾毛细血管内血液流动的情况。
（3）你看到了哪些血管？你能区别动脉、静脉和毛细血管吗？
2． 感受静脉瓣的作用。
（1）在你左手的手腕，找一条显现的静脉（我们俗称“ 青筋 ”）。
（2）用右手中指紧压住这条静脉。
（3）右手食指沿静脉用力向心脏方向推压一段距离，然后移开食指，中 指仍紧压，别放松，观察静脉。此时的静脉状态说明了什么？你能解释这种 现象吗？
（4）移开中指，你再观察静脉，此时的静脉状态又说明了什么？
实验
解剖牛的心脏
1．了解心脏的构造。
2．学习用解剖的方法认识生物器官。
牛的心脏（或方便得到的其他哺乳动物心脏），蜡盘，解剖刀，镊子，剪刀。
1．根据图 4-30 所示位置，辨 认牛心的各个部分。
2． 比较主动脉和肺静脉，哪一 条血管的管壁较厚？
3．沿图上虚线把心脏剖开，然 后用镊子将心脏内血块取出。
4． 比较左心室和右心室，哪一 个心室的肌肉较厚？
5．用剪刀把主动脉和肺动脉的 管壁剪开，观察管壁内的瓣膜。请 你试着将瓣膜的外形画出来。
6．找到心房与心室之间的房室 瓣，观察其瓣膜结构。
图4-30 心脏
1．若向肺静脉里灌水，水最终会从哪里出来？如果换成肺动脉，又将 如何？
2．房室瓣和动脉瓣等瓣膜的主要作用是什么？
血 液 循 环
血液在由心脏和全部血管组成的封闭管道中，按一定方向周而复始地 流动，叫做血液循环（blood circulation）。血液在一次完整的循环过程中要 流经心脏两次，可分为体循环和肺循环两部分。
含氧量高的血呈鲜红色，称为动脉血；含氧量较低的血呈暗红色，称为 静脉血。
血液循环的主要功能是不断地将氧气、营养物质和激素等运送到全身 各个组织器官，并将各个组织器官产生的二氧化碳和其他代谢废物运送到 肾脏等排泄器官并排出体外，以保证机体各项生理活动的正常进行。
心脏每分钟跳动的次数称为心率。一 个健康成年人安静时的心率约为每分钟 75 次。心脏每次收缩都会产生很大的压力，
这个压力会沿动脉向前推动血液，随着心
脏节律性地收缩和舒张，动脉管壁出现相
应的扩张和回缩，形成脉搏。同一个人的
脉搏次数与其心率是相同的。中医在诊断
疾病时常把手指按放在病人腕部的桡动脉
图4-32
处触摸脉搏，根据“ 脉相 ”来诊断疾病（如图 4-32）。
血液在血管内向前流动时对血管壁产生的压强叫血压（blood pressure）， 可用血压计测定。人的血压是在不断变化的，当心脏收缩时，动脉血压达 到的最高值叫做收缩压。心脏舒张时，动脉血压下降到的最低值叫做舒张 压。一般用分式表示人体的血压，如 16／10.7 千帕，表示收缩压 16 千帕， 舒张压 10.7 千帕。健康成年人的收缩压变动范围为 12~18.7 千帕，舒张压 为 8~12 千帕。若一个人的收缩压经常超过 18.7 千帕（约 140 mmHg）或舒 张压经常超过 12 千帕（约 90 mmHg），则可能是高血压。若一个人的收缩 压经常低于 12 千帕，则认为是低血压。低血压和高血压对人体都是有害的。
表 4-5 7~18 岁学生的血压平均值（千帕）
年龄 收缩压 舒张压
男生 女生 男生 女生
7~12 13.0~14.0 12.9~14.2 8.2~9.1 8.3~9.3
13~15 14.2~15.1 14.2~14.9 9.1~9.6 9.2~9.7
16~18 15.4~15.9 14.6~15.0 9.8~10.1 9.5~9.8
血型与输血
人的血量必须保持相对稳定，才能保证机体生理活动的正常进行。当 一个人大量失血时，就需要通过输血来补充血量。但输血前必须先要检查 受血者和献血者的血型。如果他们血型不相符，红细胞可能会凝集在一起。 因为在人的红细胞膜上存在着叫凝集原的蛋白质类物质，而血清中含有与
之相应的特异性蛋白质类物质，称为凝集素。当含有某 种凝集原的红细胞和抗该凝集原的凝集素相遇，就会发 生凝集反应，从而引起红细胞大量凝集，如 A 凝集原与 抗 A 凝集素、B 凝集原与抗 B 凝集素。血型是由凝集原 的种类决定的，常见的有 ABO 血型系统。
表 4-7 ABO 血型系统中的凝集原和凝集素
血型 红细胞上的凝集原 血清中的凝集素
A 型 A 抗 B
B 型 B 抗 A
AB 型 A 和 B 无
O 型 无 抗 A 和抗 B
输血时，原则上应输同型血。若无同型血，不得已 要进行异型血输血时，必须先进行交叉配血试验。交叉配
血试验主要考虑供血者的红细胞上凝集原是否会和受血者血清中的凝集素 发生凝集作用。根据上述原则，O 型血可输给 A 型、B 型和 AB 型等不同血 型的人。输血时还应做到少而慢。
我国实行无偿献血制度，提倡 18~55 周岁的健康公民自愿献血。健康 成年人每次献血 200~400 毫升是不会影响健康的。作为一个健康公民，应 当积极参加无偿献血，为挽救他人的生命奉献爱心。
练习
1. 血液循环系统是由哪些器官组成的？其主要功能是什么？
2. 观察血涂片时，在显微镜视野中最容易看到的血细胞是 _____________ ；比较 难找到的血细胞是 ________________ ；最小的血细胞是 ________________。
3. 人只要活着，心脏就不断地跳动。因此有人说：在人的一生中，心脏是从不休 息的。你认为这个说法对吗？为什么？
4. 在血液循环中，静脉血经过什么途径，以什么方式变成动脉血？动脉血又是怎 样变成静脉血的？
5. “ 动脉血管里流的是动脉血，静脉血管里流的是静脉血 ”这句话对吗 ?
6. 小王的血型是 B 型。如果只考虑 ABO 血型系统，当他需要大量输血时，应给 他输入的血型为（ ）。
A. A 型 B. B 型 C. O 型 D. AB 型
第 4节 能量的获得
食物中的营养物质经消化吸收、空气中的氧气经呼吸，通过循环系统到 达体细胞。这些物质最终要在体细胞内经历复杂的呼吸作用，才能实现为人 体各项生命活动提供能量。
有 氧 呼 吸
糖类、脂肪等物质在人体细胞内彻底氧化分解所释放出的能量，与在体 外燃烧所释放的能量是大致相同的，只是体内细胞内的氧化过程进行得更缓 慢。呼吸作用是指在细胞内氧化分解糖类、蛋白质和脂肪等有机物，并释放 出能量的过程。在氧气的参与下，有机物的分解较为彻底，并释放出较多的能量， 这种呼吸作用方式叫做有氧呼吸（aerobic respiration）。
在一般情况下，人体每天进行各种生理活动所需的能量大多来源于糖 类，也有一部分来源于脂肪，极少数来源于蛋白质。这些有机物的氧化分 解是主要通过细胞的有氧呼吸进行的，同时产生二氧化碳、水等产物。大 多数生物均以有氧呼吸作为呼吸作用的主要方式。
无 氧 呼 吸
当你全速奔跑几百米后，你的两条腿会有什么感觉？为什么会有这样 的感觉？
科 学
九年级上册
KEXUE JIUNIANJISHANGCE
人体在剧烈运动时，肌肉细胞急需大量 能量的供应，这时，虽然呼吸运动和血液循 环都大大增加了，但仍不能满足肌肉组织对 氧的需求，以致肌肉处于暂时相对缺氧的状 态，于是细胞就会进行无氧呼吸（anaerobic respiration）产生乳酸，并产生少量的能量。
乳酸 + 能量（少量）
无氧呼吸是机体对能量需求的一种暂 时补充。不仅人的肌肉在暂时缺氧的情况
下会进行无氧呼吸，释放出一些能量，其他生物也能进行无氧呼吸。如 高等植物在被水淹的情况下，也可进行短时间的无氧呼吸，产生酒精和 二氧化碳，并产生少量的能量。但酒精在植物细胞内的过多积累会对细 胞产生毒害作用。
酒精 + 二氧化碳 + 能量（少量）
微生物也是通过呼吸作用来获取能量的。有些微生物能长期进行无氧 呼吸，微生物的无氧呼吸被称为发酵，如人们可利用乳酸菌的发酵作用生 产泡菜、酸奶等食品。有些微生物在有氧情况下进行有氧呼吸，在无氧情 况下则能进行无氧呼吸，如酵母菌。人们将酵母菌的这一特点，分别应用 于制作面包和酿酒等。
多样的呼吸器官
动物要依靠食物和氧气维持生命。在不同环境中生活的动物，获取氧
气的方式也不同。
低等无脊椎动物，如草履 虫、变形虫等，大多数都没有 专门的呼吸器官，它们只靠体 表与外界环境进行气体交换。 从较高等的无脊椎动物开始， 已经出现了专门具有呼吸功能 的器官，如对虾用鳃呼吸、蝗 虫用气管呼吸等。
鱼类在水中是用鳃（gill） 进行呼吸的。鱼的鳃位于咽的 两侧，鳃盖关闭时，水从张开 的口流入咽，接着口关闭，口 腔收缩，压迫水流通过鳃并从 立即张开的鳃盖后缘流出。虽
然水中的氧气含量很低，但由于水流不断通过布满血管的鳃，鱼类还是能 获得足够的氧气的。
陆生脊椎动物的体内已经有专门的呼吸器官—肺。两栖动物的肺较 简单，如青蛙的肺仅是一层薄壁的囊，呼吸功能较差，还需要通过皮肤的 辅助才能获得足够的氧气。爬行类、鸟类和哺乳类动物在适应陆地生活的 同时，肺的结构里出现了肺泡，这在很大程度上增加了气体交换的面积。 由于鸟的肺结构十分致密并与特殊的气囊相通，使得它可以为鸟类的飞行 提供充足的氧气。
练习
1. 有氧呼吸与无氧呼吸有哪些相同点和不同点？
2. 从事重体力劳动的人为什么食量要大一些？
3. 动物在长期的进化过程中形成了多种不同的呼吸方式和呼吸器官，如蝗虫 的呼吸器官是 ________，鱼的呼吸器官是 _________，青蛙的呼吸器官是 __________，鸟类的肺与特殊的 _________ 相通。
4. 为什么蒸熟的馒头、烤制的面包里面有很多小孔？
第 5节
营养物质和氧气不断地通过循环系统运输到体细胞，而体细胞通过呼吸 作用等不断地产生的二氧化碳和尿素等代谢废物，需要排出体外。人体是怎 样通过相应调节来实现体内各种物质的动态平衡，从而为体细胞的正常生理 活动提供保障的呢？
营养物质的利用
各种营养物质进入体内后，会通过各种途径而被利用。从食物中获得的 营养物质除用来氧化供能外，还用来构成我们的身体。
吸收到体内的葡萄糖，一部分直接被组织细胞用以氧 化供能，多余的部分会在肝脏或肌肉等组织细胞中合成糖 元或在体内转变为脂肪，作为能源物质储备着。
脂肪消化吸收后可被组织细胞利用，也可由血液运输到脂肪组织贮存 起来。当需要时，贮存的脂肪也可进行分解，释放出能量供细胞利用。
蛋白质被消化吸收后，在各种组织细胞中又会重新合成人体所特有的 蛋白质，或氧化分解供能，也可以合成糖类和脂肪。蛋白质分解后，会产 生二氧化碳、水和含氮废物，如尿素等。
糖类、脂肪和蛋白质在人体组织细胞中不断地进行着合成与分解，新 旧物质不断更替。与此同时，人体每天都需要大量的氧气来氧化分解各种 营养物质，以产生足够的能量，维持生命活动。
获得的能量＝消耗的能量 + 贮存的能量
当一个人的能量获得大于消耗时，能量就会被贮存起来，使体内有机 物积累增加；反之，当能量获得小于消耗时，则会分解体内原有的有机物， 使体内有机物贮存减少。
思考与讨论
如果一个人过度节食，会带来什么后果？
泌 尿 系 统
在我们利用营养物质的氧化分解获得能量、合成身体新的组成物质的 同时，会产生一些废物，这些废物通过一定途径排出体外的过程，称为排 泄（excretion）。大部分废物是通过泌尿系统以尿的形式排出的，其他废物 可通过皮肤、呼吸系统等排出体外。
肾脏（kidney）是人体最主要的排泄器官，位于人腰后部脊柱两侧，左 右各一个。每个肾脏由肾实质和肾盂组成，从纵切面可看出，肾实质由外 到内分为皮质和髓质（如图 4-37）。肾脏的基本结构和功能单位是肾单位 （如图 4-38），每个肾脏含有 100 多万个肾单位。
肾盂
肾皮质
肾动脉
血流 /
肾静脉
尿 （到膀胱）
输尿管
图4-37 肾的切面图
图4-38 肾单位
肾脏就像一部过滤机，当血 液流经肾脏时，通过一个个微小的 “ 过滤器 ”—肾单位进行工作。 肾单位主要由肾小体和肾小管组 成，其中肾小体是由肾小球和肾小 囊组成，肾小球是由入球小动脉分 支形成的毛细血管网组成的。血液 流经肾小球时，除血细胞和大分子 蛋白质外的其他物质均可通过滤过 作用进入肾小囊形成原尿。原尿经 过肾小管时，其中对人体有用的物 质，如大部分水、部分无机盐、全 部葡萄糖和氨基酸等，经肾小管的 重吸收作用进入肾小管外的毛细血 管重新回到血液中，而原尿中的其 余成分如水、无机盐、尿素和尿酸 等最终形成尿液。尿液先进入肾盂 汇集，再经输尿管、膀胱和尿道排 出体外，如图 4-39 所示。
当人的肾功能发生某些障碍，不能及时将溶于水中的尿素等代谢废物 排出时，人体就会中毒，甚至死亡。对于严重肾功能障碍者，现代医学大多 采用人工肾和肾移植手段来维持生命。
水 盐 平 衡
人体通过自身调节来实现生命活动的正常进行，其中水盐平衡是人体 生命活动调节的重要方面，对于维持人体的健康有着重要的意义。
当体内水分过剩时，肾脏会产生很多的尿，将多余水分排出；相反，如 果体内水分不足，肾脏就只产生少量的尿。肾就是这样来平衡体内的水分的。
166
人体细胞周围的液体—细胞外液，含有一定量的无机盐，而且它们 的含量必须保持相对稳定，细胞才能正常生活。如果我们喝很多水，又不 增加盐分，肾脏会产生盐含量较低的尿。如果我们摄入的盐较多，又不多 喝水，肾脏会产生盐含量较高的尿液，把多余的盐分排出。除了肾脏对水 盐平衡起到的重要作用外，皮肤、呼吸系统也承担了部分功能。
肾脏虽然对体内的水和盐的浓度具有一定的调节能力，但这种调节能 力是有一定限度的。人不能饮用海水，就是因为海水中含有较多的盐分， 超出了肾脏的调节能力，结果人体会因为积累过多的盐而死亡。
代谢的多样性
生物体内时时刻刻都在进行着物质和能量的转换，即进行着代谢。代 谢是生物的主要特征之一。一旦代谢停止，生命也就结束了。代谢是生物 生存的基本条件，是生命的基本特征。
生物的代谢活动包括同化作用和异化作用两个方面。同化作用是指生 物体会不断地从外界吸收营养物质，合成新的自身组成物质，并贮存能量 的过程。如绿色植物的光合作用、人体对食物的消化和吸收过程等都是同 化作用。异化作用是指生物体不断地氧化分解自身组成物质，释放能量， 并不断排出代谢废物的过程。如呼吸作用是生物异化作用的主要过程。
按同化作用的方式不同，可将生物的营养方式分为自养和异养。各种 植物能通过光合作用，将无机物直接制造成有机物并贮存能量，这种营养 方式叫自养。人和动物等需通过摄取现成的有机物来获得营养，不能直接 把无机物合成有机物，这种营养方式叫异养。
进行自养生活的生物有植物和光合细菌等。进行异养生活的生物中，
人和多数动物以捕食方式摄取营养；而多数真菌和细菌等都可以从已死的、 腐烂的生物体中获得营养，这类生物为腐生生物；还有如蛔虫、病毒和结核 杆菌等生活于另一种生物体内或体表并从其体内获得营养，这类生物为寄 生生物。
练习
1. 人体的泌尿系统由 __________、__________、__________ 和 __________ 等器 官组成，尿液的形成主要通过肾单位的____________ 和____________ 的作用。
2. 人一般夏天尿少，这是因为（ ）。
A. 体内废物少 B. 体内水分需要量大
C. 汗液分泌多 D. 体内的代谢废物主要由皮肤排出
3. 生物的代谢包括 ____________ 和 _____________ 两个方面。按 ___________ 方式的不同，可将生物的营养方式分为 ____________ 和 ____________ 两种类 型。
4. 下列属于自养生物的是（ ）。
A．紫菜 B．蝗虫 C．青霉 D．酵母菌
5. 当一个人长期发烧生病以后，会逐渐消瘦。这是为什么？
1. 食物中主要有水、无机盐、糖类、蛋白质、脂肪、维生素和膳食纤 维等七种营养素，它们对人体各有不同的作用。在日常饮食中，要注意平 衡膳食。三大供能物质在体内氧化分解释放的能量各不相同。
2. 消化系统由消化道和消化腺组成。食物中的水、无机盐和维生素可 以被人体直接吸收，蛋白质、脂肪和糖类必须经消化后才能被吸收。食物 是在消化道中，在多种消化腺分泌的消化酶的作用下被消化的。酶是生物 催化剂，在适宜的条件下，表现出高效性和专一性。小肠是食物消化和营 养物质吸收的主要场所。牙是重要的消化器官，要注意保护好牙。
3. 人体内的营养物质运输主要是由血液循环系统完成的。血液、血管 和心脏组成血液循环系统。血液循环有两条途径，即肺循环和体循环。正 常情况下脉搏的次数与心跳的次数一致。心脏的跳动使血液对血管壁形成 压强，称血压，可用血压计测定。人体血型（ABO 血型）有 4 种，即 A 型、 B 型、AB 型和 O 型。输血最好输同型血，异型输血一定要考虑双方的血 型是否相配。
4. 人体将从外界摄取的营养物质供给体细胞，通过呼吸作用分解物质 和释放能量，供生命活动的需要。呼吸作用可分有氧呼吸和无氧呼吸两种， 一般以有氧呼吸为主。微生物的无氧呼吸称为发酵。
5. 代谢最终产物的排泄途径主要有呼吸系统、泌尿系统和皮肤等。肾 脏、输尿管、膀胱和尿道组成的泌尿系统是最主要的排泄途径。肾脏是形 成尿液的器官。
6. 代谢是生物的基本特征，包括生物体内各种物质和能量的转换过程， 可分为同化作用和异化作用两大基本过程。不同生物按同化作用的方式， 可分为自养和异养两种营养方式。
7. 本章知识结构图：
呼吸系统
食物中的营养素 平衡膳食
结构：消化道、消化腺
功能：消化、吸收 酶
相关系统
组成：血液、心脏、血管
血液循环 体循环、肺循环
血压、血型、输血
代谢
结构：肾脏、输尿管、膀胱、尿道
泌尿系统
功能：尿的形成和排出
同化作用
有氧呼吸
异化作用
无氧呼吸
营养物质的利用
平衡
水盐平衡
研究性学习课题
一 调查当地酸雨情况及其影响
目 标
1．了解当地酸雨的分布及危害。
2．学习调查方法、实验方法和数据处理方法。
3．提高保护环境的自觉性。
内 容
1．选定采集酸雨样品的时间和地点，分组采集酸雨样品；同时调查该地农 作物或建筑物受酸雨侵蚀的情况。
2．用实验方法测定酸雨的 pH，并进行数据分析和交流。
3．进一步调查分析该地酸雨的主要成因。
4．为防治酸雨、保护环境提出有效建议。
二 金属对社会发展的作用
目 标
1．理解金属对社会发展所起的重要作用。
2．培养查找资料、归纳数据、分析及解决问题的能力。
3．培养合理使用金属、保护周围环境的思想。
内 容
1．到图书馆或上网查找不同时代金属的使用情况。
2．讨论金属材料的使用与人类社会发展的关系。
3．调查家庭和附近工厂中金属的使用及防腐、金属回收及再生的情况。
三 寻找自行车中的杠杆
目 标
1．通过观察自行车的各个部件，培养观察的能力。
2．培养将复杂事物进行分解的能力。
3．学会正确表达观察结果的方法。
内 容
1．观察自行车的各个部件，看看哪些部件可以看做杠杆。
2．将自行车中的杠杆用简图画出来。
3．分析各个杠杆在自行车中的作用。
四 怎样防治龋齿
目 标
1．了解在校学生的龋齿患病率以及促使龋齿产生的不良生活习惯。
2．提出防治龋齿的对策，自觉养成良好的口腔卫生习惯。
3．学会调查、归因分析的方法，培养综合归纳的能力。
内 容
1．调查一定范围内的同学中龋齿发生的情况以及不良的生活习惯。
2．通过调查统计、查找资料，对龋齿产生的原因进行分析归纳。
3．针对龋齿的成因，提出有效的对策。
4．写出调查报告，班内讨论交流。
附录 1
常用法定计量单位
附录 2
部分酸、碱和盐的溶解性表（20℃)
阴离子 阳离子 OHJ NO ClJ SO CO J
H+ 溶、挥 溶、挥 溶 溶、挥
NH 溶、挥 溶 溶 溶 溶
K+ 溶 溶 溶 溶 溶
Na+ 溶 溶 溶 溶 溶
Ba2+ 溶 溶 溶 不 不
Ca2+ 微 溶 溶 微 不
Mg2+ 不 溶 溶 溶 微
Al3+ 不 溶 溶 溶 —
Mn2+ 不 溶 溶 溶 不
zn2+ 不 溶 溶 溶 不
FÉ2+ 不 溶 溶 溶 不
FÉ3+ 不 溶 溶 溶 —
Cu2+ 不 溶 溶 溶 不
Ag+ — 溶 不 微 不
说明:“溶”表示这种物质可溶于水,“不”表示不溶于水,“微”表示微溶于水, “挥”表示挥发性, “ — ” 表示这种物质不存在或遇到水就分解了。
附录 3
相对原子质量表
（按照元素符号的字母次序排列）
元素 相对原子质量 元素 相对原子质量 元素 相对原子质量
符号 名称 符号 名称 符号 名称
Ac 锕 227.0278 GÉ 锗 72.16(2) pr 谱 140.90765(3)
Ag 银 107.8682(2) H 氢 1.00794(7) pt 铂 195.08(1)*
Al 铝 26.981539(5) HÉ 氦 4.002602(2) pu 钚 [244]
Am 楣 [243] Hf 铪 178.49(2) Ra 镭 226.0254
Ar 氩 39.948(1) Hg 汞 200.59(2) Rb 铆 85.4678(3)
As 砷 74.92159(2) Ho 钬 164.93032(3) RÉ 徕 186.207(1)
At α [210] I 碘 126.90447(3) Rh 铑 102.90550(3)
Au 金 196.96654(3) In 铟 114.819 Rn 氡 [222]
B 硼 10.811(7) Ir 铱 192.217(3) Ru 钉 101.07(2)
Ba 钡 137.327(7) K 钾 39.0983(1) s 硫 32.066(6)
BÉ 铍 9.012182(3) Kr 氪 83.80(1) sb 锑 121.760(1)
Bi 铋 208.98037(3) La 镧 138.9055(2) sc 锭 44.955910(9)
BK 镑 [247] Li 锂 6.941(2) sÉ 硒 78.96(3)
Br 溴 79.904(1) Lu 铮 174.967(1) si 硅 28.0855(3)
c 碳 12.0107(8) Lr 镑 [260] sm 钕 150.36(3)
ca 钙 40.078(4) Md 钓 [258] sn 锡 118.710(7)
cd 镉 112.411(8) Mg 镁 24.3050(6) sr 锶 87.62(1)
cÉ 铈 140.116(1) Mn 锰 54.93805(1) Ta 钽 180.9479(1)
cf 镧 [251] Mo 钼 95.94(1) Tb 铖 158.92534(3)
cl 氯 35.4527(9) N 氮 14.00674(7) Tc 锝 [99]
cm 锔 [247] Na 钠 22.989768(6) TÉ 碲 127.60(3)
co 钴 58.93320(1) Nb 铌 92.90638(2) Th 针 232.0381(1)
cr 铬 51.9961(6) Nd 钕 144.24(3) Ti 钛 47.867(1)
cs 飽 132.90543(5) NÉ 氖 20.1797(6) Tl 铊 204.3833(2)
cu 铜 63.546(3) Ni 镍 58.6934(2) Tm 钰 168.93421(3)
DY 镝 162.50(3) No 锘 [259] U 铀 238.0289(1)
Er 铒 167.26(3) NP 锋 237.0482 V 钒 50.9415(1)
Es 镔 [252] O 氧 15.9994(3) W 钨 183.84(3)
Eu 铕 151.964(1) Os 餓 190.23(3) XÉ 氙 131.29(2)
F 氟 18.9984032(9) p 磷 30.973762(4) Y 钇 88.90585(2)
FÉ 铁 55.845(2) pa 镁 231.03588(2) Yb 镱 173.04(3)
Fm 镂 [257] pb 铅 207.2(1) zn 锌 65.39(2)
Fr 铈 [223] pd 钯 106.42(1) zr 锆 91.224(2)
Ga 镓 69.723(1) pm 钜 [147]
Gd 钊 157.25(3) po 针 [209]
注:1. 相对原子质量录自 1995 年国际原子量表,以 12C二12 为基准。
2. 相对原子质量加括号的为放射性元素的半衰期最长的同位素的质量数。
3. 相对原子质量末尾数的准确度加注在其后的括号内。
4. * 表示该数据需复核。
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责任编辑 张静雅 美术编辑 韩 波 责任校对 郑德文
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九年级上册
出 版 浙江教育出版社
( 杭州市天目山路 40 号 邮编 310013)
发 行 浙江省新华书店集团有限公司
制 作 杭州万方图书有限公司
印 刷 浙江新华数码印务有限公司
开 本 787mm×1092mm 1/16
印 张 11.5 插 页 1
字 数 230 000
版 次 2014 年 7 月第 1 版
印 次 2021 年 6 月第 8 次印刷 印 数 2916001 — 3366000
标准书号 ISBN 978-7-5536-1869-2
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