2022-2023学年粤教版必修第三册 5.2-5.3-5.4 能源的利用方式　能量的转化与守恒　能源与环境 学案

学习目标STSE情境导学1.了解能源开发和利用的现状与前景.2.理解能量守恒定律，知道能量转化具有方向性.（重点）3.能利用能量守恒定律，处理生活中的实际问题.（难点）4.了解能源开发与环境的关系，树立节能环保意识知识点一能源的利用方式1.水能.（1）水能是一种能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源.（2）水力发电过程其实是一个能量转换的过程.（3）水能资源最显著的特点是可再生、无污染.2.风能.（1）风能是因为空气流动而提供给人类的一种可利用的能量.（2）风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，把风的动能转变为风车叶片的机械能，发电机在风车叶片转轴带动下旋转发电，最终经变换器换成合适的电压送入电网.3.太阳能.（1）对太阳能的利用主要有太阳能的光热转换、光电转换和光化学转换三种.（2）太阳能是一种取之不尽，用之不竭且对环境无污染的能量.4.核能.（1）核能是一种储存在原子核内部的能量.（2）核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能进行发电的方式.知识点二能量的转化和守恒1.能量守恒定律.（1）内容：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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量不变.这就是能量守恒定律.（2）适用范围：小到基本粒子，大到天体所发生的自然现象，都遵守能量守恒定律.2.能量转化（转移）的方向性：在自然界的一切自发过程中，能量的转化（转移）都是方向性的.知识点三能源与环境1.能量的分类.能源种类繁多，根据不同的划分方式，能源也可分为不同的类型.按能源的基本形态分类，有一次能源（包括可再生能源和不可再生能源）和二次能源；根据能源消耗后是否造成环境污染，可分为污染型能源和清洁型能源；根据能源使用的类型，又可分为常规能源和新型能源或商品能源和非商品能源.2.能源与环境.能源开发利用所造成的环境污染，主要包括：（1）对大气环境的影响.（2）对生态环境的影响.（3）对居住环境的影响.3.环境保护.在生产生活中我们可以从以下方面保护环境.（1）防治生产和生活污染.（2）防止建设和开发的破坏.（3）保护自然环境.1.“可燃冰”被视为21世纪的新型绿色能源，其主要成分是甲烷.桂林市新开通的301路公交车，使用的燃料主要成分就是甲烷.301路公交车使用甲烷燃烧提供所需的能量，关于其能量的转化，下列说法中正确的是（）A.把电能转化为机械能B.把风能转化为机械能C.把光能转化为机械能D.把化学能转化为机械能解析：分析题意可知，公交车使用甲烷燃烧提供所需的能量，把化学能转化为机械能，选项D正确，选项A、B、C错误.答案：D2.下列关于能源的说法中，正确的是（）A.由于能量不会凭空消失，也不会凭空产生，总是守恒的，所以节约能源意义不大B.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能C.节约能源只要有节能意识就行，与科技进步无关D.水能是不可再生能源解析：能量都转化为不能利用或不易利用的能源，这样会减少可利用能源的数量，因此应该节约能源，故A错误；煤、石油、天然气等是化石燃料，是由古代动植物的遗骸转化来的，而动植物体内的能量最初都可以追溯到太阳能，故B正确；加强科技发展，提高能源的利用率，会更多地节约能源，故C错误；依靠地球的水循环，可以短时间内在自然界获取，所以水能属于可再生能源，故D错误.答案：B学习小结1.通过查阅读资料去区分能量与能源.2.结合生活实例区分能量的转化与能量的转移探究一能量守恒定律的应用1.适用范围.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.2.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）ΔE增＝ΔE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.3.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恒式（或初、末状态能量相等的守恒式）.【典例1】如图所示，一物体质量m＝2kg，在倾角θ＝37°的斜面上的A点以初速度v0＝3m/s下滑，A点距离弹簧上端B的距离AB＝4m.当物体到达B后将弹簧压缩到C点，最大压缩量BC＝0.2m.然后物体又被弹簧弹上去，弹到最高位置为D点，AD＝3m.挡板及弹簧质量不计，g取10m/s2，sin37°＝0.6.求：（1）物体与斜面间的动摩擦因数μ；（2）弹簧的最大弹性势能Epm.解析：（1）最后的D点与开始的位置A点比较：动能减少ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝9J.重力势能减少ΔEp＝mglADsin37°＝36J.机械能减少量ΔE＝ΔEk＋ΔEp＝45J.机械能的减少量全部用来克服摩擦力做功，即Wf＝Ffl＝45J，而路程l＝5.4m，则Ff＝eq\f(Wf,l)≈8.33N.而Ff＝μmgcos37°，所以μ＝eq\f(Ff,mgcos37°)≈0.52.（2）由A到C的过程：动能减少ΔE′k＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝9J.重力势能减少ΔE′p＝mglACsin37°＝50.4J.机械能的减少用于克服摩擦力做功W′f＝FflAC＝μmgcos37°·lAC＝35J.由能量守恒定律，得Epm＝ΔE′k＋ΔE′p－W′f＝24.4J.答案：（1）0.52（2）24.4J利用能量转化与转移解题的两点注意（1）能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化，也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移.（2）能量在转化与转移过程中，能量的总量保持不变.利用能量守恒定律解题的关键是正确分析有多少种能量变化，分析时避免出现遗漏.1.下列有关能量转化和守恒的说法正确的是（）A.用电器通电工作时，将其他形式的能转化为电能B.氢氧化钠与盐酸反应是放热反应，该反应将内能转化为化学能C.植物光合作用合成有机物，说明能量可以创生D.“既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律解析：用电器通电工作时，消耗了电能，得到了其他形式的能，因此将电能转化为其他形式的能，A错误；氢氧化钠与盐酸反应是放热反应，通过化学反应得到了热量，因此将化学能转化为了内能，B错误；能量是不能凭空产生的，此说法违背了能量守恒定律，C错误；马儿跑的时候需要消耗能量，而草能够为马儿提供能量，因此“既要马儿跑，又要马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，D正确，故选D.答案：D2.（多选）如图所示，质量为M的木块放在光滑的水平面上，质量为m的子弹以速度v0沿水平方向射中木块，并最终留在木块中与木块一起以速度v运动.已知当子弹相对木块静止时，木块前进距离为l，子弹进入木块的深度为d，若木块对子弹的阻力Ff视为恒定，则下列关于系统产生的内能的表达式正确的是（）A.Ff（l＋d）B.FfdC.eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)D.eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)（M＋m）v2解析：运动过程如图所示示意图.由图可知，当木块前进距离l，子弹对木块的作用力大小也为Ff，子弹对木块的作用力对木块做正功，由动能定理得Ff·l＝eq\f(1,2)Mv2，①木块对子弹的作用力对子弹做负功，由动能定理得－Ff·（l＋d）＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)，②由①②得Ff·d＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)（M＋m）v2，③根据能量守恒定律可知，系统产生的内能为Q＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)（M＋m）v2＝Ff·d.④选项B、D正确.答案：BD探究二能源的利用与可持续发展1.能源开发和利用的关系图.2.能源的分类.能源分类方法能源分类名称特点举例按形成或转换特点分一次能源自然形成，未经加工太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能二次能源由一次能源经加工转换而成焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能按利用技术分常规能源已大规模正常使用煤、石油、天然气新能源正在开发，或有新的利用方式太阳能、水能、核能、地热能、海洋能、沼气能、风能按可否再生分可再生能源可循环使用、不断补充水能、风能、生物质能、地热能不可再生能源短期内无法转换获得煤、石油、天然气、核燃料按对环境污染情况分清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能污染能源会严重污染环境化石燃料（煤、石油、天然气）【典例2】（多选）下列对能量耗散的理解正确的是（）A.能量耗散说明能量不断减少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：在发生能量转换的宏观过程中，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.能量耗散并不违背能量守恒定律，能量既没有减少，也没有消失，它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.答案：BD3.关于能源的开发和应用，下列说法中正确的是（）A.能源应用的过程就是内能转化为机械能的过程B.化石能源的能量归根结底来自于太阳能，因此化石能源永远不会枯竭C.在广大的农村推广沼气前景广阔、意义重大，既变废为宝，减少污染，又大量节约能源D.随着科学技术的发展，煤炭资源将取之不尽、用之不竭解析：能源应用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程，各种转化形式均可为人类服务，A错误；化石能源的能量虽然来自太阳能，但要经过数亿年的地质演变才能形成，且储量有限，为不可再生能源，B错误；在广大农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大，功在当代，利在千秋，C正确；无论技术先进与否，煤炭资源不可能取之不尽、用之不竭，D错误.故选C.答案：C4.下列能源属于“可再生能源”的是（）A.水流能B.核能C.石油D.煤炭解析：核能、石油、天然气都属于不可再生能源，只有水流能是可再生能源，即选项A符合题意.答案：A探究三对功能关系的理解1.功与能量的转化.不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的.做功的过程就是各种形式的能量之间转化（或转移）的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化（或转移）.因此，功是能量转化的量度.2.功与能的关系.由于功是能量转化的量度，某种力做功往往与某一种具体形式的能量转化相联系，具体功能关系如下：功能的变化表达式重力做功正功重力势能减少WG＝Ep1－Ep2负功重力势能增加弹力做功正功弹性势能减少W弹＝Ep1－Ep2负功弹性势能增加合力做功正功动能增加W合＝Ek1－Ek2负功动能减少其他力做功正功机械能增加W他＝E2－E1负功机械能减少注：其他力指的是重力和系统内弹力之外的力.【典例3】（多选）竖直向上的恒力F作用在质量为m的物体A上，使A从静止开始运动，升高h，速度达到v，在这个过程中，设阻力恒为F阻.则下列表述正确的是（）A.恒力F对物体做的功等于物体机械能的增量，即Fh＝eq\f(1,2)mv2＋mghB.恒力F与阻力F阻对物体做的功等于物体机械能的增量，即（F－F阻）h＝eq\f(1,2)mv2＋mghC.物体所受合力的功，等于物体机械能的增量，即（F－F阻－mg）h＝eq\f(1,2)mv2＋mghD.物体所受合力的功，等于物体动能的增量，即（F－F阻－mg）h＝eq\f(1,2)mv2解析：根据动能定理可知，合外力做的功等于物体动能的变化量，即（F－F阻－mg）h＝eq\f(1,2)mv2，A错误，D正确；除重力和弹力以外的其他力做的功等于机械能的变化量，即（F－F阻）h＝eq\f(1,2)mv2＋mgh，B正确，C错误.答案：BD应用功能关系解题的关键应用功能关系解题的关键是深刻理解不同功能关系的含义：（1）重力做功是物体重力势能变化的原因，重力做多少功，重力势能就减少多少.（2）弹力做功是弹簧弹性势能变化的原因，弹力做多少功，弹性势能就减少多少.（3）合力做功是物体动能变化的原因，合力做多少功，动能就增加多少.（4）除重力和系统内弹力之外的其他力做功是机械能变化的原因，其他力做多少功，机械能就增加多少.5.一个盛水袋，某人从侧面缓慢推装液体的袋壁使它变形至如图所示位置，则此过程中袋和液体的重心将（）A.逐渐升高B.逐渐降低C.先降低再升高D.始终不变解析：人对液体做正功，液体的机械能增加，液体缓慢移动可以认为动能不变，重力势能增加，重心升高，A正确.答案：A6.（多选）一质量为m的物体，在距地面高h处以eq\f(1,3)g的加速度由静止竖直下落到地面，下列说法中正确的是（）A.物体的重力势能减少eq\f(1,3)mghB.物体的机械能减少eq\f(2,3)mghC.物体的动能增加eq\f(1,3)mghD.物体的重力做的功为mgh解析：物体从高h处落到地面的过程中，重力做的功为mgh，重力势能减少mgh，选项A错误，D正确；物体的加速度为eq\f(1,3)g，故合力为eq\f(1,3)mg，合外力做的功为eq\f(1,3)mgh，根据动能定理，物体的动能增加eq\f(1,3)mgh，选项C正确；物体的重力势能减少mgh，动能增加eq\f(1,3)mgh，故机械能减少了eq\f(2,3)mgh，选项B正确.答案：BCD探究四摩擦力做功与能量的关系1.一对静摩擦力做的功.（1）单个静摩擦力可以做正功，也可以做负功，还可以不做功.（2）相互摩擦的系统内，一对静摩擦力所做功的代数和总为零，即W1＋W2＝0.（3）在静摩擦力做功的过程中，只有机械能的相互转移（静摩擦力起着传递机械能的作用），而没有机械能转化为其他形式的能.2.一对滑动摩擦力做的功.（1）单个滑动摩擦力可以对物体做正功，也可以对物体做负功，当然也可以不做功.（2）相互摩擦的系统内，一对滑动摩擦力所做功的代数和总为负值，其绝对值恰等于滑动摩擦力与相对滑行距离的乘积，即恰等于系统因摩擦而损失的机械能.（W1＋W2＝－Q.其中Q就是在摩擦过程中产生的内能）（3）一对滑动摩擦力做功的过程中，能量的转化有两种情况：一是相互摩擦的物体之间机械能的转移；二是机械能转化为内能，转化为内能的数值等于滑动摩擦力与相对滑行距离的乘积，即Q＝Ffl相.【典例4】如图所示，电动机带动水平传送带以速度v匀速传动，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μ，当小木块与传送带相对静止时.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μmg＝ma，得a＝μg，由v＝at，得小木块与传送带相对静止时所用的时间t＝eq\f(v,μg)，则小木块的位移l＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(v2,2μg).（2）传送带始终匀速运动，转过的路程s＝vt＝eq\f(v2,μg).（3）小木块获得的动能Ek＝eq\f(1,2)mv2.（4）摩擦过程产生的热量Q＝μmg（s－l）＝eq\f(1,2)mv2.（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E总＝Ek＋Q＝mv2.答案：（1）eq\f(v2,2μg)（2）eq\f(v2,μg)（3）eq\f(1,2)mv2（4）eq\f(1,2)mv2（5）mv2摩擦力做功特点（1）无论是静摩擦力还是滑动摩擦力，它们都可以做负功或做正功，也可以不做功.（2）互为作用力和反作用力的一对静摩擦力所做的总功为零；而互为作用力和反作用力的一对滑动摩擦力