最新人教版高中物理必修三第十二章电能 能量守恒定律 4能源与可持续发展.docx

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1、课程标准4能源与可持续发展1. 了解利用水能、风能、太阳能和核能的方式。2. 知道不同形式的能量可相互转化，在转化过程中能量总量保持不变，能量转化是有方向性的。3. 了解可再生资源和不可再生资源的分类，认识能源的过度开发和利用对环境的影响。4. 认识环境污染的危害，了解科学、技术、社会、环境协调发展的重要性，具有环境保护的意识和行为。素养目标1. 理解能量守恒定律，知道能量的多种形式，区分可再生资源和不可再生资源。(物理观念)2. 利用能量守恒定律解决有关问题。(科学思维)3. 关心能源与可持续发展问题，感知我们周围的能源耗散，树立节能意识。(科学态度与责任)一、能量转移或转化的方向性1. 能

2、量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。2. 能量转化的不可逆性：科学家对有关自然现象和经验事实进行大量研究后发现：一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。3. 能量耗散和品质降低：(1) 能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象。(2) 各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。(3) 能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。- 1 -(

3、4) 能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式。【生活链接 1】植物生长靠太阳，太阳光照在花朵上，同时发生了光合作用。探究：你知道在这个过程中能量是怎样转化的吗？提示：太阳能转化为化学能。二、能源的分类与应用1. 不可再生能源：煤、石油、天然气等化石能源短期内无法恢复的能源。2. 可再生能源：太阳能、风能、水能、潮汐能等能源在自然界可以再生的能源。【生活链接 2】如图所示，这是新型的发电装置。探究：你知道图片中的装置是利用了什么能量发电的吗？这种能源是可再生能源吗？提示：风能，风能属于可再生能源。三、能源与社会

4、发展1. 能源利用的三个时期是柴薪时期、煤炭时期、石油时期。2. 煤炭和石油的燃烧对环境的危害：(1) 燃烧时增加了大气中的二氧化碳的含量，加剧了温室效应。(2) 因为煤炭和石油中含有硫，燃烧时形成二氧化硫等物质使雨水的酸度升高， 形成“酸雨”。(3) 内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮的氧化物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质光化学烟雾。3. 能源的开发与环境的关系：- 2 -(1) 人类的生存和发展需要能源，能源的开发与使用又会对环境造成影响。(2) 一方面大力提倡节能，另一方面发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等在生产和消费

5、过程中对生态环境污染程度低的清洁能源。【质疑批判】学习能源与可持续发展后，我们分析判断下列哪些说法是正确的？根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的。能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低。能源的开发和利用必须同时考虑其对环境的影响。通过太阳能电池可以直接将太阳能转化为电能。风能很不稳定，风力发电的功率很小，风力无法实现并网发电。一些质量较大的原子核在裂变成轻的原子核时会释放出能量，核电站就是利用可控裂变来发电的。质量较小的原子核聚合在一起发生聚变时，也会释放能量，核电站就是利用核聚变来发电的。以上说法正确的有 。一、能量守恒定律的理解与应用(物理观念能量观念)如图所示是小型汽油机

6、模型。探究：(1)汽油机在工作中能量是怎样转化的？提示：汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？提示：不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能。能量守恒定律- 3 -1. 表达式(1) E 初E 末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和。(2) E 增E 减，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量。2. 应用步骤(1) 明确研究对象及研究过程。(2) 明确该过程中，哪些形式的能量在变化。(3) 确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少。(4) 列出增加的能量和减少的能量之间的守

7、恒式 (或初、末状态能量相等的守恒式)。提醒：能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律。【典例】如图所示，电动机带动水平传送带以速度 v 匀速转动，一质量为 m 的小木块由静止轻放在传送带上。若小木块与传送带之间的动摩擦因数为 ，当小木块与传送带相对静止时(传送带足够长)，求：(1) 小木块的位移；(2) 传送带转过的路程； (3)小木块获得的动能； (4)摩擦过程产生的热量；(5)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量。【解析】小木块刚放上传送带时，速度为0，受到传送带的滑动摩擦力作用，做匀加速直线运动，达到与传送带相同的速度后不再受摩擦力。整个过程中小木块获得一

8、定的动能，系统内因摩擦产生一定的热量。(1) 对小木块，相对滑动时，由mgma，得 ag，由 vat，得小木块由静止。到与传送带相对静止时所用的时间 t vg则小木块的位移 l1 v22 at22g 。- 4 -g(2) 传送带始终匀速运动，转过的路程 svt v2 。(3) 小木块获得的动能 E 1mv2。k22(4) 摩擦过程产生的热量 Qmg(sl)1mv2。总(5) 由能的转化与守恒得，电动机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的热量，所以 EE Qmv2。k答案：(1)2v2v212g(2)g(3)2 mv2(4) 1 mv2(5) mv21. 如图是水电站的发电原理图，由图可知

9、下列说法错误的是()A.水力发电不会造成污染 B该装置将机械能转化为电能 C要加大发电的功率，可采用仅“增大水落差”的方法D该装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能【解析】选 D。水力发电不会有污染，同时将水的机械能转化为电能，故选项 A、B 正确；如果仅将水落差增大，那么水流到发电机处的速度就增大，这一方法可加大发电的功率，故选项 C 正确；由于水下落过程以及发电机装置都有摩擦， 故该装置不可能将水库中储存的水的机械能全部转化为电能，因此选项 D 错误。2. 煤是重要的能源和化工原料，直接燃烧既浪费资源又污染环境。最近，某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气(一氧

10、化碳及氢气总含量90%)，把煤“吃干榨尽”。下列有关说法中不正确的是( )A煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化 B煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化C该技术实现了煤的清洁利用 D该技术实现了煤的高效利用【解析】选 B。煤粉加压气化制备合成气中既有物理变化，又有化学变化，A 正- 5 -确，B 错误；该技术使煤得以高效良好利用又环保，C、D 正确，本题应选B。【拔高题组】1. 如图所示是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门(如图甲)，落潮时，开闸放水发电(如图乙)。设海湾水库面积为 6.0108 m2，平均最高水位与

11、最低水位差为 4.0 m，一天涨落潮两次，发电机的平均能量转化效率为10%，则一天内发电的平均功率约为 ( 海水1.0103 kg/m3，g 取 10 m/s2)，结果保留一位有效数字。【解析】利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化为电能的效率是 10%，一次涨潮，退潮后水坝内水的势能改变量 WVgh 水 Shgh海水平均潮差为 4.0 m，则水的重心下降的高度h4.02水 Ghmgh 水m2 m则 水 的 势 能 可 转 变 为 电 能W电 W水 10% 水 Sghh10% 1.01036.0108104.020.1 J4.81012 J每天 2 次涨潮，则该电站一天能发电 9.

12、61012 J，所以每天的平均功率为 P9.61012243 600W1.1105 kW。答案：1.1105 kW2. 某地的平均风速为 5 m/s，已知空气密度是 1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为 12 m 的圆面，如果这个风车能将此圆面内 10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多少？E【解析】首先可以求在时间 t 内作用于风车的气流质量 mr2vt，这些气流的动能为12mv2，转变的电能为 E1mv210%，故风车带动发电机功率为 P t 212 r2v310%代入数据后得 P3.4kW答案：3.4kW二、能源及其开发和利用(物理观念能量观念)-

13、6 -能量守恒定律提出以后，人们认识到能量不可能凭空产生，但也不消失，于是有人设计了这样一种装置：该装置可以从海水中收集热能，并将这些内能作为驱动电动机的动力，从而实现永动的目的。这种设备可以做出来吗？提示：不能。因为能量的转化具有方向性，热量一旦释放出去，就不会再自动聚集起来供人类重新使用了。能源分类方法能源的分类能源分类名称特点举例按形式 一次能源自然形成,未经加 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐或转换工能特点分 二次能源由一次能源经加 焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、按可否 可再生能源再生分 不可再生能源工转换而成可循环使用短期内无法转换获得汽油、电能水能、风能、生物质能、地热能煤、石油

14、、天然气、核燃料按对环境污染清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能情况分 污染能源会严重污染环境 化石燃料(煤、石油、天然气)提醒：地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能。【典例】能源短缺和环境恶化指的是()煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺。煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内- 7 -用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺。煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化。大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，改变了大气成分， 使环境恶

15、化。ABCD【解析】选 D。煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们的储量是有限的，并不是取之不尽、用之不竭的，这是所讲的能源短缺， 正确；能源在使用时会排出有害气体污染空气，这是所讲的环境恶化，正确。故D 正确。1. 近年来，我国沿海地区利用潮汐现象建成了潮流能发电站，其原理就是利用海水的流动来推动发电机工作。从能量转化的角度，潮流能发电是将()A. 海水的机械能转化成电能B海水的化学能转化成电能C电能转化成海水的势能D电能转化成海水的机械能【解析】选 A。海水涨潮、退潮时具有很大的机械能，流动的海水推动发电机转动，把机械能转化为电能贮存起来。2

16、(多选)下列对能量耗散的理解正确的有() A能量耗散说明能量在不断减少 B能量耗散遵守能量守恒定律 C能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失 D能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性【解析】选B、D。在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散，能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C 错误，B、D 正确。- 8 -【 拔 高 题 组 】 1关于能源的利用和节能，下列说法正确的是() A根据能量守恒定律，能源的利用率应该是 100

17、%B. 由于能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，总是守恒的，所以节约能源的意义不大C. 节约能源只要提高节能意识就行，与科学进步无关 D在能源的利用中，总会有一部分能源未被利用而损失掉【解析】选 D。能源的使用在任何情况下都不可能达到理想状态，做到没有任何损失，虽然遵从能量守恒定律，但它指的是损失部分和被利用部分总和与原来的能量总量相等，选项 A 错误，D 正确；根据能量转化的方向性可知，能量经转化后，可利用的能量只可能减少，不可能增加，因此节能的意义重大，同时，只有节能意识是不够的，必须利用科技手段来提高能源的利用率，同时不断开发新能源，以满足人类社会可持续发展的需要，选项B、C 错误。2.

18、 热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是()A.能量耗散说明能量不守恒 B由于能量的转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机C能量耗散过程中能量不守恒D能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中涉及热运动的宏观过程具有方向性【解析】选 D。能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来，其满足能量守恒定律，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了。能量耗散反应了涉及热运动的宏观过程具有方向性，所以 A、B、C 错误；D 正确。【拓展例题】考查内容：温室效应【

19、典例】 (多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是()- 9 -A. 太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”B. 石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产 生了“温室效应”C. “温室效应”使得地面气温上升，两极冰雪融化D“温室效应”使得土壤酸化【解析】选B、C。“温室效应”是由于石油和煤炭燃料的大量使用，增加了大气中二氧化碳含量，使地面气温上升，两极冰雪融化，海平面上升；土壤酸化是石油和煤炭燃料的燃烧使空气中二氧化硫含量增大引起的，故B、C 正确。世界环境日世界环境日为每年的 6 月 5 日，它反映了世界各国人民对环境问题的认识和态度，表达了人类对美好环

20、境的向往和追求，也是联合国促进全球环境意识、提高对环境问题的注意并采取行动的主要媒介之一。联合国环境规划署在每年 6 月 5 日选择一个成员国举行“世界环境日”纪念活动， 发表环境现状的年度报告书及表彰“全球 500 佳”，并根据当年的世界主要环境问题及环境热点，有针对性地制定“世界环境日”主题，总称世界环境保护日。地球是人类和其他物种的共同家园，然而由于人类常常采取乱砍滥伐、竭泽而渔等不良发展方式，地球上物种灭绝的速度大大加快。生物多样性丧失的趋势正使生态系统滑向不可恢复的临界点，如果地球生态系统最终发生不可挽回的恶化，人类文明所赖以存在的相对稳定的环境条件将不复存在。探究：你知道世界环境日

21、的意义吗？提示：世界环境日的意义在于提醒全世界注意地球状况和人类活动对环境的危- 10 -害。要求联合国系统和各国政府在这一天开展各种活动来强调保护和改善人类环境的重要性。1(水平 1)以下说法正确的是() A煤、石油、天然气等燃烧时可放出氧气B汽油是一种清洁能源 C水能是可再生能源D. 煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的【解析】选C。煤、石油、天然气等是动植物转化成的，燃烧时放出二氧化碳，A 错误；汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成，B 错误；水能是可再生能源，C 正确；煤、石油等存储量是有限的，是不可再生能源，D 错误。2(水平 1)“风光互补路灯”系统在有阳光时通过

22、太阳能电池板发电，有风时通过风力发电机发电，二者皆具备时则同时发电，并将电能输至蓄电池储存起来， 供路灯照明使用。该系统( )A只可以实现风能转化为电能 B只可以实现太阳能转化为电能 C可以实现电能转化为风能 D可以同时实现风能、太阳能转化为电能【解析】选 D。有阳光时通过太阳能电池板发电，说明可以实现太阳能转化为电能；有风时通过风力发电机发电，说明可以同时实现风能转化为电能，故 D正确。3(水平 2)2017 年 5 月， 我国首次海域“可燃冰”试采成功。可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，1 m3 可燃冰可转化为 164 m3 的天然气和 0.8 m3 的水，下列关于可燃冰的说法正确的是(

23、 )A可燃冰是不可再生能源B可燃冰属于可再生能源C1 m3 可燃冰比 0.8 m3 的水质量小D相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，释放的热量一样多- 11 -【解析】选 A。可燃冰属于不可再生能源，故 A 正确、B 错误；由题目提供信息可知 1 m3 可燃冰可转化为 164 m2 天然气和 0.8 m3 的水，故比 0.8 m3 水质量大， 相同体积放出热量多，C、D 错误。4(水平 2)如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰。此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是( )A.流星同空气摩擦时部

24、分机械能转化为内能 B引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒 C当流星的速度方向与重力不在同一直线上时，流星一定做曲线运动D流星物体进入大气层后做斜抛运动【解析】选 A。流星同空气摩擦时部分机械能转化为内能，A 正确；合外力作功对应其功能变化，但还有空气阻力作负功，故机械能有损失，B 错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动， C 错误；斜抛运动的物体只受重力作用，而流星除受重力作用外，还要受到空气阻力，D 错误。5(水平 2)市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。在阳光的照射下， 小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置的能量转化情况

25、是( )A.太阳能电能机械能B太阳能机械能电能C电能太阳能机械能D机械能太阳能电能【解析】选A。电池板中太阳能转化为电能，小电动机中电能转化为机械能。- 12 -6(水平 2)四川省“十二五”水利发展规划指出，若按现有供水能力测算，四川省供水缺口极大，蓄引提水是目前解决供水问题的重要手段之一。某地要把河水抽高 20 m 进入蓄水池，用一台电动机通过传动效率为80%的皮带，带动效率为60%的离心水泵工作。工作电压为 380 V，此时输入电动机的电功率为 19 kW， 电动机的内阻为 0.4 。已知水的密度为 1103 kg/m3，重力加速度 g 取 10 m/s2， 求：(1) 电动机内阻消耗的

26、热功率；(2) 将蓄水池蓄入 864 m3 的水需要的时间(不计进、出水口的水流速度)【解析】(1)设电动机的电功率为 P，由 PUI 得UIP19 kW380 V50 A设电动机内阻 r 上消耗的热功率为 P ，则rrP I2r5020.4 W1103 W1 kW。(2)设蓄水总质量为 M，所用蓄水时间为 t。已知抽水高度为 h20 m，容积为 V864 m3，水的密度为 1103 kg/m3，则 MV1103864 kg8.64105 kg设质量为 M 的河水增加的重力势能为E ，则 E Mgh1.728108 Jpp设电动机的输出功率为 P ，则 P PP00r根据能量守恒定律得 P t60%80%E0p代入数据解得将蓄水池蓄入 864 m3 的水需要的时间 t2104 s。答案：(1)1 kW(2)2104 s- 13 -