12-4-能源与可持续发展-(2019人教版必修第三册)(解析版)

12.4能源与可持续发展考点精讲考点1：能量守恒定律的理解和应用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，车轮温度升高，机械能转化为内能。2．能量守恒的两种表达（1）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。（2）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。3．应用能量转化与守恒解题的步骤（1）首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式。（2）分别列出减少的能量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。【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【答案】AD【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AD．【例2】如图所示是具有更高平台的消防车，具有一定质量的伸缩臂能够在5min内使承载4人的登高平台（人连同平台的总质量为400kg）上升60m到达灭火位置，此后，在登高平台上的消防员用水炮灭火，已知水炮的出水量为3m3/min，水离开炮口时的速率为20m/s，则用于（）A．水炮工作的发动机输出功率为1×104WB．水炮工作的发动机输出功率为4×104WC．水炮工作的发动机输出功率为2.4×106WD．伸缩臂抬升登高平台的发动机输出功率约为800w【答案】B【解析】水炮发动机做的功为水增加的动能与重力势能之和，伸缩臂在抬升等高平台的同时也将本身也抬高了，计算做功时，需要计算这部分功，结合根据公式分析．伸缩臂将人与平台抬高60m，用时5min，同时伸缩臂也有质量，设为M，则其输出功率为，D错误；水炮工作的发动机首先将水运至60m高的平台，然后给水20m/s的速度，即做的功等于水增加的动能与重力势能之和，每秒射出水的质量为，故，功率为，B正确AC错误．【技巧与方法】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。【针对训练】【变式1】关于能量转化有下列说法：①太阳能热水器把太阳能转化为水的内能②电热水器把电能转化为水的内能③燃气热水器把电能转化为水的内能④空调把空气的内能转化为电能其中正确的是（）A．①② B．①③ C．②③ D．①④【答案】A【解析】①太阳能热水器使水温度最高，把太阳能转化为水的内能，故①正确；②热水器使水温度最高，把电能转化为水的内能，故②正确；③燃气热水器把燃气的化学能转化为水的内能，故③错误；④空调消耗电能，使得内外空气的内能发生转移，故④错误；故选A．【变式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动能【答案】C【解析】AB．充电时电能转化为锂电池的化学能，但不是全部转化，选项AB错误；C．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，选项C正确；D．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，选项D错误。故选C。【变式3】如图，某地有一风力发电机，它的叶片转动时可形成半径为20m的圆面。某时间内该地区的风速是6.0m/s，风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为1.2kg/m3，假如这个风力发电机能将此圆内10%的空气动能转化为电能，则此风力发电机发电的功率约为（）A．2.7kW B．16.3kW C．27kW D．163kW【答案】B【解析】依题意，空气把动能转化为电能，根据能量守恒定律有又因为两式联立，代入题中相关数据求得此风力发电机发电的功率故选B。考点2：能源和可持续发展如何正确理解能量耗散和品质降低（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，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了。（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）能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。2．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)【例3】关于能量和能源，下列说法正确的是（）A．自然界的能量在转化和转移的过程中，其总量在不断增加B．自然界的能量在转化和转移的过程中，其总量在不断减少C．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源D．能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用能源有限，故必须节约能源【答案】D【解析】AB．据能量守恒定律知，能量既不能凭空产生，也不可能凭空消失，只能从一种物体转移到另种物体，另一种形式转化为另一种形式，在转化或转移过程中能量的总量保持不变，故AB错误；CD．虽然能量守恒，但存在能量耗散现象，无法把消耗的内能重新收集利用，所以必须节约能源，故C错误，D正确。故选D。【例4】抽水蓄能电站是利用用电低谷期的多余清洁能源进行抽水，在用电高峰期的时候代替部分火力发电。浙江是抽水蓄能电站已建和在建较多的省份，其中丽水缙云的抽水蓄能电站预计2026年全部投产发电，该电站设计年抽水电量24亿千瓦时，设计年发电量为18亿千瓦时，大大减少了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等排放，具有显著的环境效益和经济效益，被称为“超级绿色蓄电池”。根据发改委提供的数据为火电厂平均每千瓦时供电耗煤约为320g标准煤，而每吨标准煤产生的二氧化碳为2620kg，则该蓄电站建成后每年可减少二氧化碳的排放量约为（）A．15万吨 B．150万吨 C．20万吨 D．200万吨【答案】B【解析】年发电量为18亿千瓦时需耗煤则每年可减少二氧化碳的排放量为故选B。【技巧与方法】能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性。【针对训练】【变式1】关于能量和能源，下列说法中正确的是（）A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少C．能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要D．能量的转化和转移具有方向性．且现有可利用的能源有限，故必须节约能源【答案】D【解析】能量在转化和转移过程中，总量是守恒的，故选项A、B错误；能量在转化和转移过程中总量保持不变，但我们要注意节约能源，选项C错误，D正确．思路分析：能量在转化和转移过程中，总量是守恒的，能量在转化和转移过程中总量保持不变，但我们要注意节约能源，试题点评：本题考查了对能量守恒定律得理解以及培养节能意识【变式2】利用能源的过程实质上是（）A．能量的消失过程B．能量的创造过程C．能量不守恒的过程D．能量转化或转移并且耗散的过程【答案】D【解析】能量是不能被创造和消失的，只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体上转移到另一个物体上，能量的利用过程实质上是能量的转化和转移过程。故选D。【变式3】下列有关电能开发与利用的说法正确的是（）A．我国以火力发电为主，是因为火力发电无污染B．利用太阳能发电可以做到干净、不产生公害C．电能的转换效率明显低于其他能源D．核能发电的优点是低成本、零污染【答案】B【解析】A．火力发电会产生较为严重的大气污染，而且会产生很多废弃物，我国正逐渐取消这种发电方式，故A错误；B．利用太阳能发电可以做到干净、不产生公害，故B正确；C．目前人类主要利用电能就是因为电能的转换效率高于其他能源，故C错误；D．核能发电会产生高低阶放射性核废料，若处理不当，会造成重大的核污染事故。显然，其优点并不是零污染，故D错误。故选B。【变式4】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5.0×108m2，平均潮差为3.0m，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（ρ海水＝1.0×103kg/m3，g取10m/s2）（）A．2.6×104kW B．5.2×104kW C．2.6×105kW D．5.2×105kW【答案】B【解析】利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮，退潮后水坝内水的势能增加W水=G△h=mg△h=ρ水Vg△h=ρ水Shg△h=ρ水Sgh△h△h为水的重心下降的高度，即△h=1.5m则水的势能可转变为电能W电=W水×10%=ρ水Sgh△h×10%=1.0×103kg/m3×5.0×108m2×10N/kg×3m×（1.5m）×0.1J=2.25×1012J每天2次涨潮，则该电站一天能发电4.5×1012J，所以每天的平均功率为P==5.2×104kW故ACD错误，B正确。故选B。◎考点一能量守恒定律的理解和应用1．有人设想在夏天用冰箱来降低房间内的温度，他的办法是：关好房间的门窗，然后打开冰箱的所有门让冰箱运转，则开机后，室内的温度将()A．升高B．保持不变C．开机时降低，停机后又升高D．开机时升高，停机后降低【解析】A冰箱压缩机将冰箱内部的热量通过消耗电能转移到冰箱外部来，但由于和室外没有热交换，故热量仍在室内，并且，压缩机工作时其电路中也会因为有电阻而产生热量，即产生的热量大于制冷量，故室内温度不降反升，故A正确。2．(多选)关于能量和能源，下列说法正确的是()A．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源B．人类在不断地开发新能源，所以能量可以被创造C．氢能源是清洁能源D．能量可以从一种形式转化为另一种形式【解析】CD自然界的能量守恒，但能源需要节约，故A错误；为了提高生活质量，人类在不断地开发和利用新能源，但能量不能被创造，也不会消失，故B错误；氢燃烧的产物是水，所以氢能源是清洁能源，C正确；能量可以从一种形式转化为另一种形式，故D正确。3．从能量的转化与守恒的角度理解，太阳能草坪节能灯()A．创造了电能B．草坪节能灯白天储存太阳能，晚上再把太阳能释放C．创造了太阳能D．把太阳能转化成了电能，电能再转化为光能【解析】D根据能量守恒定律，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其总量不变。草坪节能灯把太阳能转化成了电能，电能又转化为光能，故D正确，A、B、C错误。4．(多选)下列关于能量转化的说法，正确的是()A．能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用B．各种形式的能量在转化时，总能量是不变的C．在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的D．各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的【解析】ABC根据能量守恒定律可知，不论在能量的转化还是在能量的转移过程中，能量的总量都是不变的。由能量耗散知，在能量转化的过程中，有一部分能量转化为周围环境的内能，而我们无法把这些内能收集起来重新利用，这表明，在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但是在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了，而自然界的能量仍是守恒的。故选项A、B、C正确，D错误。5．如图所示，一个粗细均匀的U形管内装有同种液体，液体质量为m。在管口右端用盖板A密闭，两边液面高度差为h，U形管内液体的总长度为4h，先拿去盖板，液体开始运动。由于管壁的阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为()A．eq\f(1,16)mgh B．eq\f(1,8)mghC．eq\f(1,4)mgh D．eq\f(1,2)mgh【解析】A去掉右侧盖板之后，液体向左侧流动，最终两侧液面相平，液体的重力势能减少，减少的重力势能转化为内能。如图所示，最终状态可等效为右侧eq\f(1,2)h的液柱移到左侧管中，即增加的内能等于该液柱减少的重力势能，则Q＝eq\f(1,8)mg·eq\f(1,2)h＝eq\f(1,16)mgh，故A正确。6．能量守恒定律的建立是人类认识自然的一次重大飞跃，它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一。下列说法正确的是()A．因为能量守恒，所以不需要节约能源B．因为能量不会消失，所以不可能有能源危机C．不同形式的能量之间可以相互转化D．能量可以被消灭，也可以被创生【解析】C自然界的总能量是守恒的，能量既不能被消灭，又不能被创生，但随着能量耗散，能量可以利用的品质会降低，可利用的能源会减少，所以会有能源危机，我们要节约能源，C正确。7．如图所示是一种太阳能草坪节能灯，太阳能电池板供一只“10V9W”的电子节能灯工作，若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3m2，平均1小时得到的太阳辐射能为4×105J，太阳光平均一天按8小时计算，恰好可以供电子节能灯工作10小时。问：(结果保留整数)（1）太阳能节能灯的能量转化情况；（2）太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率大约是多少？（3）太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？【解析】(1)能量转化：太阳能→电能→光能(热能)。(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率：P＝eq\f(4×105,0.3×1×3600)W≈370W。(3)节能灯利用太阳能的效率η＝eq\f(9×10×3600,4×105×8)×100%＝10%。◎考点二能源和可持续发展8．关于能源的利用，下列说法不正确的是()A．因为自然界的能量是守恒的，所以不需要节约能源B．一座城市的能量耗散使其环境温度略高于其周围农村的环境温度C．煤炭和石油产品燃烧会造成空气污染和温室效应D．能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的【解析】A自然界的能量是守恒的，但能量在利用过程中，可利用的品质在逐渐降低，因此，必须节约能源，A错误，D正确；城市工业、交通的急剧发展使得城市过多地接收了耗散的能量，使城市的环境温度升高，B正确；由常识可知C正确，故A符合题意。9．(多选)下列对能量耗散理解正确的是()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自发过程具有方向性【解析】BD在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终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，它从能量角度反映出自然界中与热现象有关的宏观自发过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确．10．下列说法正确的是()A．随着科技的发展，节能灯利用太阳能的效率能达到100%B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生【解析】CA的说法虽然没有违背能量守恒定律，但是从能量耗散的角度可知自然界中的自发变化过程具有方向性，A错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，使万物生长，但辐射到宇宙空间的能量也没有消失，而是转化成了其他形式的能量，B错误；马和其他动物，包括人，要运动，必须消耗能量，C正确；所谓“全自动”手表，内部还是有能量转化装置的，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，使摆锤不停摆动，给游丝弹簧补