2024版新教材高中物理第十二章电能能量守恒定律4.能源与可持续发展学生用书新人教版必修第三册

4．能源与可持续发展核心素养定位物理观念列举各种实例，说明能量是如何转化的，解释能量守恒定律的含义．科学思维通过实例分析能量耗散，认识自然界中能量转化的方向性．科学态度与责任(1)收集资料，讨论能源的开发和利用所带来的环境问题，认识环境污染的危害，具有环境保护的意识和行动．(2)了解太阳能、水能、核能和风能等能源的开发利用，知道利用能源是人类生存和社会发展的必要条件之一．知道人类利用的能源来自可再生能源和不可再生能源，认识合理使用能源的必要性，具有可持续发展观念，养成节能的习惯．一、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________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体，在________或________的过程中，能量的总量____________．2．意义：能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃．它是最________、最________、最________的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式．二、能量转移或转化的方向性1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是________的．2．能量的耗散：在能量转化过程中流散到周围环境中的内能很难再______不违背能量守恒定律起来重新利用的现象．3．节约能源的根本原因：在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上________了，从便于利用的能源变为不便于利用的能源．4．自然界中的宏观过程具有________性．三、能源的分类与应用1．能源的分类(1)不可再生能源：煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源，这类能源又叫作________能源．化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源被叫作不可再生能源．(2)可再生能源：水能和风能等能源，归根结底来源于太阳能．这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源．2．能源的开发与应用近年来，我国在能源开发方面取得了很大的成就，如________发电、水力发电、________发电、________发电．四、能源与社会发展1．人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、____________和____________．自工业革命以来，____和________成为人类的主要能源．2．____________和____________已成为关系到人类社会能否持续发展的大问题．3．____________反映了能量转化的宏观过程具有方向性，所以自然界的能量虽然________，但还是很有必要节约能源．4．人类与能源的关系(1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命，都与新的能源和动力机械的利用密切相关，能量消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志．(2)不利方面：能源的大量使用会给环境带来极大的破坏，如大气污染、温室效应、酸雨等，对人类造成很大的危害．【情境思考】如图所示为抽水蓄能电站结构．它有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用．一抽一放起到了均衡电网负荷的作用．根据以上描述，判断以下问题．(1)抽水蓄能的过程中，能量守恒．()(2)放水发电的过程中，机械能守恒．()(3)抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多，就不会再有能源危机问题了．()拓展1拓展2能量转移或转化的方向性(1)如图所示，燃料的化学能只是部分转化为有用的机械能．(2)燃料的化学能部分转化为无用的能量，如废气内能、散热损失、机械损失等．拓展3能源的分类与能量转化拓展4社会发展与能源利用的关系(1)火的使用是人类在能源使用上的第一个里程碑．(2)蒸汽机开始了人类文明的新纪元．(3)内燃机推动了机械化与电气化进程．(4)蒸汽轮机和燃气轮机的发展为大规模发电和航空事业奠定了基础．(5)清洁能源的广泛应用将使人类进入高度文明的时代．目标一能量转移或转化的方向【导思】如图所示为市面上出售的一种装有太阳能电扇的帽子．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．(1)该装置的能量是怎样转化的？(2)可以把全部能量转化为机械能吗？【归纳】——————————————————○1．对能量守恒定律的理解(1)能量守恒定律是普遍适用的，对宏观世界与微观世界、高速运动与低速运动等都成立．(2)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等．某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．2．对能量的耗散的理解(1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，也不会再次自动聚集起来供人类重新利用．(2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量．由此可知，能量的耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．(3)能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性．能源的利用受这种方向性的制约，能源的利用是有条件的，也是有代价的．【典例】——————————————————○例1(多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流．上述不同现象所包含的相同物理过程是()A．物体克服阻力做功B．物体的动能转化为其他形式的能量C．物体的势能转化为其他形式的能量D．物体的机械能转化为其他形式的能量例2热现象过程中不可避免地出现能量的耗散现象．所谓能量的耗散是指在能量转化的过程中无法把耗散的能量重新收集、重新加以利用．下列关于能量的耗散的说法中正确的是()A．能量的耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了B．能量的耗散表明，能量守恒定律具有不定期的局限性C．能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了D．能量不可能耗散，能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意的方向性思维提升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．[训练1](多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，下列说法正确的是()A．热量能自发地从低温物体传到高温物体B．在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体C．热量的传递过程不具有方向性D．在自发的条件下热量的传递过程具有方向性[训练2]为了节能减排，我国大力发展新能源汽车．如图所示电源正在给电动汽车中的锂电池充电，下列说法正确的是()A．充电时电能全部转化为汽车的机械能B．充电时电能全部转化为锂电池的化学能C．汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车的动能D．汽车匀速运动时锂电池减少的化学能全部转化为汽车的动能目标二能源的分类与应用能源与社会发展【归纳】1．能源的分类能源分类方法能源分类名称特点举例按形式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、水能新能源正在开发，或有新的利用方式太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能按可否再生分可再生能源可循环使用水能、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2.能源和环境污染(1)温室效应：石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，因此加剧了温室效应．温室效应使得两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海城市，使海水倒流入河流，从而使耕地盐碱化；温室效应使全球降水量变化，影响气候和植被变化，影响人体健康．(2)酸雨：酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水．形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤．(3)光化学烟雾：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．这些物质有毒，会引起人的多种疾病．另外，常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种主要的污染物．3．能源与社会发展要实现可持续发展就要树立新的能源安全观，并转变能源的供需模式．一方面大力提倡节约能源，另一方面要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等清洁能源，推动人类与自然的和谐发展．【典例】——————————————————○例3关于能源的利用和节约，下列说法正确的是()A．根据能量守恒定律知，能源的利用率应该是100%B．因为能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，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[训练3](多选)关于能源的开发和利用，下列观点正确的是()A．能源是有限的，无节制地使用常规能源，是一种盲目的短期行为B．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的C．能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响D．不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径[训练4]某市有20万台空调机，每台空调机在夏季平均使用60天，每天耗电8kW·h.为了节约能源，该市政府建议大家都把室内设定温度提高1℃，这样每台空调机每天可节省6%的电能．那么这样做能使该市在夏季节省多少电能？已知标准煤的热值是2.92×107J/kg.发电厂的发电效率是30%.请计算一下，这项节能建议的实现能在1年内节约多少吨标准煤？(结果均保留两位有效数字)1．如图是一种新型“风光互补”节能路灯．它“头顶”小风扇，“肩扛”太阳能电池板，“腰挎”节能灯．下列说法正确的是()A．节能路灯利用的风能属于不可再生能源B．小风扇利用风力发电，将电能转化为机械能C．太阳能电池板是将光能转化为电能D．太阳能电池板只能白天工作，风力发电机只能夜间工作2．(多选)针对图中工厂烟囱向空中排放大量废气的现象，下列说法正确的是()A．排放废气不仅浪费能源，而且严重违反能量守恒定律B．排放废气引起能量的耗散，但并没有违反能量守恒定律C．当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理D．能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化3．[2023·江苏徐州期中]位于浙江安吉的长龙山抽水蓄能电站全部机组投产发电．该项目是华东地区最大的抽水蓄能电站，主要承担整个华东电网调峰、填谷的双倍调峰功能．电站在电网用电低谷时将水抽到高处，在电网用电高峰时再利用水能发电，平均用4度谷电能换3度峰电．电站每年可生产清洁电能2.435×109kW·h.已知峰电价格0.50元，谷电价格0.30元．下列说法正确的是()A．水能是不可再生能源B．该电站产生的电能小于消耗的电能，从经济的角度没有实际意义C．电站实现电能转化为势能储存，需要时再转化为电能，说明能量不仅数量上守恒，在可利用的品质上也不变D．电站每年发电直接产生的经济效益约为2.435×104万元4.如图所示是我国古代的一种农业机械，它叫做水碾，是利用水的动能来做功的装置．当水冲击下部水轮时，转动的轮子会带动上部的碾来碾米．假若每秒冲击叶片的水量为10kg，水速从5m/s减小为1m/s，则水碾每秒从水流中获得能量为多少？这些能量是否都被用来碾米？4．能源与可持续发展导学掌握必备知识一、1．转化转移转化转移保持不变2．普遍重要可靠二、1．不可逆2.收集3.降低4.方向三、1．(1)化石2．太阳能风能核能四、1．煤炭时期石油时期煤石油2．能源短缺环境恶化3．能量的耗散守恒情境思考答案：(1)√(2)×(3)×共研突破关键能力目标一提示：(1)太阳能→电能→机械能；(2)小电扇工作时消耗电能，有内能损失，不可能全部转化为机械能．[例1]解析：行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下来是由于受到摩擦力的缘故，即克服摩擦力做功，该过程中把机械能转化为了内能；流星在夜空中坠落并发出明亮的光焰，即其与空气摩擦生热，即把机械能转化为了光能和热能，其过程也是克服阻力做功；降落伞在空中匀速下降，该过程中，其动能不变，重力势能减小，故机械能减小，即减小的机械能转化为内能，也是克服阻力做功；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流，该过程是电磁感应现象，即将机械能转化为电能，也是克服阻力做功的过程．据上面的分析不难看出，上述四个过程中均是克服阻力做功，均是消耗了机械能，即将机械能或转化为内能，或转化为光能，或转化为电能，即是把机械能转化为其他形式能的过程．故选A、D.答案：AD[例2]解析：能量的耗散的过程中能量向品质低的能量转变，但是总的能量是守恒的，能量不能凭空产生，也不能凭空消失，但有方向性，故A、B错误，C正确；能量的耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，机械能可以自发地转化为内能，但内能不可能全部转化为机械能而不引起其他变化，故D错误．答案：C[训练1]解析：自然界一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散．在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体传向高温物体，故选B、D.答案：BD[训练2]解析：充电时电能转化为锂电池的化学能，但不是全部转化，A、B错误；汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能，部分转化为其他形式的能，C正确；汽车匀速运动时动能不变，锂电池减少的化学能全部转化为其他形式的能，D错误．答案：C目标二[例3]解析：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，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，不断开发新能源，以满足人类社会可持续发展的需要，B、C错误．答案：D[训练3]解析：能源是有限的，比如常规能源，所以无节制地利用常规能源是一种盲目的短期行为，故A正确；能量都转化为不能利用或不易利用的能源，所以这样会减少可利用资源的数量，因此应该节约能源，故B错误；能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响，故C正确；不断开发新能源是缓解能源危机加强环境保护的重要途径也是根本途径，故D正确．答案：ACD[训练4]解析：设可节省的电能为E，则E＝8×6%×60×20×104kW·h＝5.76×106kW·h≈2.1×1013J，设1年内节约的标准煤的质量