新教材适用2024-2025学年高中物理第12章电能能量守恒定律4.能源与可持续发展学案新人教版必修第三册

4．能源与可持续发展课程标准1．知道能量守恒定律的详细内容。2．了解能量耗散，知道能量转移或转化的方向性。3．知道能源的分类与应用，知道能源的利用与社会发展的关系。素养目标物理观念1.了解自然界中存在多种形式的能量。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。2.知道利用能量是人类生存和社会发展的必要条件之一，人类利用的能量来自可再生能源和不行再生能源科学思维1.知道合理运用能源的重要性，具有可持续发展观念，养成节能的习惯。2.相识环境污染的危害，思索科学、技术、社会、环境协调发展的关系，具有环境爱护的意识和行动。学问点1能量守恒定律能量守恒定律的内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，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，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。『判一判』(1)能量在转移或转化过程中总量是保持不变的。(√)学问点2能量转移或转化的方向性1．能量转化的方向性科学家探讨发觉，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不行逆的。2．能量的耗散：把能量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用的现象，它反映出自然界中的宏观过程具有方向性。3．节约能源的根本缘由：在能源的利用过程中，能量在数量上虽未削减，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。『判一判』(2)能量耗散不遵循能量守恒定律。(×)(3)能量耗散会导致能量品质的降低。(√)(4)为了可持续发展，必需节约能源。(√)『选一选』(2024·上海闵行高二期末)下列过程中属于机械能转化为电能的是(A)A．水力发电 B．火力发电C．核能发电 D．太阳能发电解析：水力发电是机械能转化为电能，A正确；火力发电是化学能转化为电能，B错误；核能发电是核能转化为电能，C错误；太阳能发电是光能转化为电能，D错误。『想一想』如图所示是两幅宣扬节约能源的图片。请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？答案：能量是守恒的，但能量耗散却会导致能量品质降低，它事实上将能量从可用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、自然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。故能量虽然不会削减但可利用的高品质能源会越来越少，所以要节约能源。学问点3能源的分类与应用1．不行再生能源：煤炭、石油和自然气是目前人类生产、生活中运用的主要能源，又叫化石能源。2．可再生能源：水能、风能、潮汐能等来源于太阳能的这些能源。3．我国能源的开发：太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电。『判一判』(5)石油、自然气都属于新能源。(×)学问点4能源与社会发展1．人类对能源的利用经验的三个时期：柴薪时期、煤炭时期、石油时期。2．能源的开发和利用对环境造成的影响：(1)石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，加剧了温室效应，使得两极的冰雪溶化，海平面上升。(2)石油和煤炭的燃烧形成的二氧化硫等物质使雨水的酸度上升，形成“酸雨”，腐蚀建筑物，酸化土壤。(3)内燃机工作时产生氮的氧化物和碳氢化合物，这些化合物在大气中受紫外线的照耀，产生光化学烟雾。燃烧时产生的浮尘也是主要的污染物。『判一判』(6)石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”。(√)(7)能量耗散现象反映了在一些特别过程中能量并不守恒，从而导致能源不行再生。(×)探究能量守恒定律的理解和应用要点提炼1.能量的存在形式及相互转化(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度上升，机械能转化为内能。2．能量转化和转移的方向性能量的转化和转移具有方向性，或者说，能量的转化和转移具有不行逆性。(1)机械能和内能转化过程的方向性机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能而不引起其他改变。无论何种热机，都不行能百分之百地把内能变成机械能，而不产生其他影响，即热机的效率肯定小于100%。(2)热传递的方向性内能总是自发地从高温物体向低温物体转移，而不能自发地从低温物体向高温物体转移。3．能量守恒的两种表达(1)某种形式的能削减，肯定有其他形式的能增加，且削减量和增加量肯定相等。(2)某个物体的能量削减，肯定存在其他物体的能量增加，且削减量和增加量肯定相等。4．应用能量转化与守恒解题的步骤(1)首先分析探讨对象的受力状况、做功状况、能量的转化方向及初、末状态能量的详细形式。(2)分别列出削减的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。(3)依据ΔE减＝ΔE增列式求解。典例剖析典题1在“嫦娥五号”卫星的两侧装有太阳能电池板，为“嫦娥五号”卫星的正常工作供应能量。下列说法正确的是(A)A．太阳能可以转化为电能B．太阳能不行以转化为电能C．太阳能的利用，说明能量可以歼灭D．太阳能的利用，说明能量可以创生解析：太阳能电池板工作时将太阳能转化为电能，过程中能量没有歼灭，也没有创生，太阳能的利用只能说明能量是可以转化的，B、C、D错误，A正确。对点训练❶(多选)如图所示长木板A静止放在光滑的水平地面上，物体B以水平速度冲上A后，由于摩擦力作用，最终停止在木板A上，则从B冲上木板A到相对A静止的过程中，下述说法正确的有(AD)A．物体B动能的削减量大于系统损失的机械能B．物体B克服摩擦力做的功等于系统内能的增加量C．物体B损失的机械能等于木板A获得的机械能D．物体B克服摩擦力做的功等于木板A增加的机械能与系统增加的内能之和解析：物体B以水平速度冲上A后，由于摩擦力作用，B做匀减速运动，A做匀加速运动，依据能量守恒定律，物体B动能的削减量等于A增加的动能和系统损失的机械能之和，故A正确；对物体B，依据动能定理有W合＝ΔEk，物体B克服摩擦力做的功等于B动能的削减量，由能量守恒定律知，物体B克服摩擦力做的功等于木板A增加的机械能与系统增加的内能之和，故B错误，D正确；物体B损失的机械能等于木板A增加的机械能与系统损失的机械能之和，故C错误。探究能源的利用与可持续发展要点提炼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运用煤、石油、自然气、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运用、不断补充水能、风能、生物质能、地热能不行再生能源短期内无法转换获得煤、石油、自然气、核燃料按对环境污染状况分清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能污染能源会严峻污染环境化石燃料(煤、石油、自然气)3.能源对环境的影响(1)常规能源对环境的影响石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，产生了“温室效应”，引发了一系列问题，如两极的冰雪溶化、海平面上升，海水倒灌、耕地盐碱化……这些都是人类过度开发自然所产生的严峻问题。(2)做好环境爱护工作目前的任务是采纳环境能源技术，解决突出的环境污染问题，例如：城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；提高汽车发动机效率，解决尾气问题，达到废气“零排放”；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等，变废为宝。典例剖析典题2(2024·福建泉州高二期末)太阳能电池板为中国空间站正常工作供应能量。当光线照耀电池板表面时，一部分太阳能被电池板中的硅材料汲取，使材料中的电子电势能增大。下列说法正确的是(A)A．太阳能是可再生能源B．电子的电势能增大，说明能量可以创生C．太阳能被硅材料汲取，说明能量可以歼灭D．只有部分太阳能被硅材料汲取，说明能量不守恒解析：太阳能是可再生能源，故A正确；太阳能电池板工作时将太阳能转化为电能，过程中能量是守恒的，能量没有歼灭，也没有创生，太阳能的利用只能说明能量是可以转化的，故B、C、D错误。故选A。对点训练❷(2024·广西崇左市江州区高级中学高一开学考试)有关能源与可持续发展，下列正确的是(D)A．因为能量在转化过程中是守恒的，所以是不会有能源危机的B．电能是广泛运用的一次能源C．目前的核电站都是利用核聚变释放的核能来发电的D．以风能，太阳能等为代表的可再生能源是将来志向能源的一个重要发展方向解析：能源在转化过程中虽然守恒，但并不是全部的能源都能够被人类所利用，目前作为人类主要能源的化石能源正渐渐被消耗，A错误；电能不能从自然界干脆获得，是二次能源，B错误；核电站是通过核裂变来发电的，C错误；以风能，太阳能等为代表的可再生能源是将来志向能源的一个重要发展方向，D正确。能量耗散和品质降低1．能量耗散(1)燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。这样的现象叫能量耗散。(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性。2．能量品质的降低能量耗散虽然不会使能量削减，却会导致能量品质的降低，它事实上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、自然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。内能较之机械能、电能、光能、核能等是一种低品质能量。案例(多选)下列关于能量耗散的说法，正确的是(BCD)A．能量耗散使能的总量削减，违反了能量守恒定律B．能量耗散是指散失在环境中的内能再也不能收集起来被人类利用C．各种形式的能量向内能的转化，是能够全额发生的D．能量耗散导致能量品质降低解析：能量耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被四周环境汲取，能量耗散遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，故A错误，D正确；耗散的内能无法再被收集起来利用，B正确；其他形式的能在肯定的条件下可以全部转化为内能，C正确。故选BCD。一、能量守恒定律、能量转移或转化的方向1．电动机通电后电动机带动其他机器运转，一段时间后，电动机的外壳就会变得烫手，则下列关于能的转化和守恒的说法中正确的是(B)A．电能全部转化为机械能，总的能量守恒B．电能一部分转化为机械能，另一部分转化为内能，总的能量守恒C．电能全部转化为内能，内能守恒D．电能转化为机械能和内能，机械能守恒解析：因为电动机的外壳就会变得烫手，说明有一部分电能转化成了内能，故A错误；电能一部分转化为机械能，另一部分转化为内能，总的能量守恒，故B正确；在转化中是电能转化为机械能及小部分的内能，故内能不守恒，故C错误；因为电能转化为机械能和内能，机械能增加了，但是，能的总量守恒，故D错误。2．能量守恒定律的建立是人类相识自然的一次重大飞跃，它是最普遍、最重要、最牢靠的自然规律之一。下列说法正确的是(B)A．因为能量守恒，所以能量可以随意运用B．不同形式的能量之间可以相互转化C．因为能量不会消逝，所以不行能有能源危机D．能量可以被歼灭，也可以被创生解析：能量是守恒的，但在利用能量的过程中有能量耗散，耗散的能量不行再利用，符合自然界中一切与热现象有关的宏观过程都有方向性，是不行逆的；应节约能源，故A、C错误；自然界中的能量可以从一种形式转化为另一种形式，不同形式的能量间可以相互转化，故B正确；能量不能被创生，也不能被歼灭，故D错误。二、能源的分类与应用，能源与社会发展3．(多选)关于能源的开发和利用，下列观点正确的是(ACD)A．无节制地利用能源，是一种盲目的短期行为B．依据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的C．开发和利用能源的同时，必需加强对环境的爱护D．不断开发新能源，是缓解能源危机的主要途径解析：能源是有限的，必需合理利用能源，A正确；尽管能量守恒，但运用过程中会有能量耗散及品质降低，B错误；能源开发利用推动人类进步，但同时会破坏人类生存的环境，所以必需加强对环境的爱护，C正确；开发新能源、清洁能源可以缓解常规能源的不足，D正确。4．(2024·湘鄂冀三省七校高二上月考)PM2.5主要来自化石燃料、生活物质、垃圾的焚烧。为了限制污染，要求我们节约及高效利用资源。关于能源和能量，下列说法正确的是(C)A．自然界的石油、煤炭等资源可供人类永久运用B．能量被运用后就消逝了，所以要节约资源C．人类应多开发和利用太阳能、风能等新能源D．能量耗散说明自然界的能量正在不断削减解析：煤、石油虽然是当今人类利用的主要能源，但不能短期内从自然界得到补充，是不行再生能源，故A错误；能量被运用后转化为其他形式的能，能量并没有消逝，故B错误；太阳能和风能，包括水能等都是可再生、清洁的能源，应当尽量开发，故C正确；能量不会削减，也不会被歼灭掉，只是存在形式发生转变，故D错误。5．“能源分类相关图”如图所示，四组能源选项中全部符合图中阴影部分的能源是(C)A．煤炭、石油、潮汐能B．水能、氢能、自然气C．太阳能、风能、沼气D．地热能、海洋能、核能解析：煤炭、石油、自然气是化石能源，来自太阳，但不是新能源，故A、B错误；太阳能、风能、沼气都是来自太阳的可再生能源，故C正确；地热能、核能不是来自太阳的能源，故D错误。6．(2024·湖南高二期中)2024年6月11日，我国胜利将北京三号卫星送入预定轨道，如图卫星两翼的太阳能电池板把太阳能转化为电能供卫星运用。关于太阳能等能源与可持续发展，以下说法正确的是(A)A．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化学能源可以改善空气质量B．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创建C．水电站里的发电机装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能D．核能对环境的污染比常规能源对环境的污染大解析：改善空气质量，就应当从根本上削减碳排放量，用新能源代替传统的化石能源，节能减排，A正确；能量是守恒的，既不能创建也不行能消逝，但能量品质会下降，故要节约能源，B错误；由于水下落过程以及发电机装置都有摩擦，故该装置不行能将水库中储存的水的机械能全部转化为电能，C错误；核能属于新能源，是一种清洁能源，D错误。一、选择题(本题共6小题，每题6分，共42分)1．(多选)下列关于能量的说法中正确的是(BC)A．地面上滚动的足球最终停下来，说明能量消逝了B．能量有不同的表现形式，并可以相互转化，但总量不变C．伽利略的斜面试验表明白小球在运动过程中某个量是守恒的D．人类对太阳能的利用说明能量可以凭空产生解析：依据能量守恒定律，能量既不会凭空产生，也不会凭空消逝，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其他物体，而能量的总量保持不变，A、D错误，B正确；伽利略的斜面试验表明白小球在运动过程中某个量是守恒的，C正确。故选BC。2．以下几种发电方式，属于利用机械能转化为电能的是(C)A．核电站发电B．太阳能发电C．风力发电D．火力发电解析：核电站发电是利用核能最终转化为电能发电，故A错误；太阳能发电利用太阳能转化为电能发电，故B错误；风力发电是利用空气的动能转化为电能发电，即利用机械能转化为电能发电，故C正确；火力发电是先将燃料的化学能转化为热能，接着转化为机械能，然后转化为电能，故D错误。故选C。3．(2024·浙江绍兴高二期末)2024年6月30日位于浙江安吉的长龙山抽水蓄能电站全部机组正式投产发电。该项目是华东地区最大的抽水蓄能电站，主要担当整个华东电网调峰、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(D)A．水能是不行再生能源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，须要时再转化为电能，说明能量不仅数量上守恒，在可利用的品质上也不变D．电站每年发电干脆产生的经济效益约为2.435×104万元解析：水能是可再生能源，故A错误；虽然该电站产生的电能小于消耗的电能，消耗4度谷电能换3度峰电，但峰电价格0.50元，谷电价格0.30元，则可知每4度谷电能换3度峰电产生的干脆经济效益为0.3元，因此从经济的角度是有意义的，故B错误；电站实现电能转化为势能储存，在转化的过程中，虽然能量是守恒的，但有一部分能量被耗散，不能实现百分之百的转化，而须要时再转化为电能的量削减了，利用的品质下降了，故C错误；电站每年可生产清洁电能E1＝2.435×109kw·h，则须要消耗的电能为E0＝eq\f(4,3)E1，干脆产生的经济效益为E1×0.5－E0×0.3＝2.435×109×0.5元－eq\f(4,3)×2.435×109×0.3元＝2.435×104万元，故D正确。4．(2024·广东清远高二期末)太阳能及风能是清洁能源，我国已经建成众多的太阳能及风力发电场。风力发电是利用风的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的。某地区安装有20台超大型风力发电机，每片扇叶长达80m，该地区常年的平均风速v＝5.0m/s，风向跟叶片转动的圆面垂直，空气的密度ρ＝1.25kg/m3，风力发电机的叶片转动时可形成半径R＝80m的圆面。已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的10%转化为电能。则每台风力发电机的发电功率为(C)A．1.57×103W B．1.57×104WC．1.57×105W D．1.57×106W解析：设单位时间(t0＝1s)内通过每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气的体积为V、动能为Ek，则有V＝πr2v，Ek＝eq\f(1,2)ρVv2，Pt0＝10%Ek，解得P＝1.57×105W，选项C正确。5．(多选)(2024·海南海口高二阶段练习)电动汽车是近几年国家提倡的流行汽车，其电池包括铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池等，现有一辆汽车装有镍基电池，对于其工作原理，下列说法正确的是(AD)A．工作时化学能转化为电能和内能B．充电时化学能转化为电能和内能C．工作时电能转化为化学能和内能D．充电时电能转化为化学能和内能解析：电池工作时化学能转化为电能，同时由于用电元件发热，也转化为部分内能，故A正确，C错误；充电时电能转化为化学能，同时由于用电元件发热，也转化为部分内能，故B错误，D正确。故选AD。6．(多选)(2024·浙江高二期末)如图为装在屋顶上的太阳能电池板，每块电池板的面积为2m2。晴天时，电池板每平方米每分钟接收到的太阳能为6×104J，电池板的光电