2025年高中物理新教材同步 必修第三册 第12章　4　能源与可持续发展

4能源与可持续发展[学习目标]1.掌握能量守恒定律的内容，知道其重要意义。2.了解什么是能量耗散和能源品质降低，认识自然界中能量转移或转化的方向性(重点)。3.认识当前环境问题，增强环境保护和可持续发展的意识。一、能量守恒定律能量转移或转化的方向性1．能量守恒定律(1)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，能量的总量保持不变。(2)能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是在各种自然现象中普遍适用的一条规律。(3)能量守恒定律的表达式①E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。②ΔE增＝ΔE减，某些能量的增加量等于其他能量的减少量。2．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不可逆的，即一切与热现象有关的宏观过程具有方向性。①能量的转移具有方向性：如热量可以自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体。②能量的转化具有方向性：如电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。(2)能量耗散在能量转化过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。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。(3)能量的耗散表明，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降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。这是能源危机的深层次的含义，也是自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源的根本原因。能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解？答案能量耗散和能量守恒并不矛盾。能量耗散表明，在能源利用的过程中，在可利用的品质上降低了，从便于利用变为不便于利用了，但是在能量的转化过程中，能量在数量上并没有减少。例1(多选)下列关于能量转化的说法中，正确的是()A．能量在转化过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，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答案ABC解析根据能量守恒定律可知，无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；由能量的耗散知，在能量转化的过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，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，而自然界的总能量仍是守恒的，故选项A、B、C正确，D错误。例2构建和谐型、节约型社会深得民心，遍布于生活的方方面面，自动充电式电动车就是很好的一例，电动车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接。当骑车者用力蹬车或电动自行车自动滑行时，电动自行车就可以通过发电机向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来。某人骑车以500J的初动能在粗糙的水平路面上滑行。第一次关闭自动充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化的关系如图中图线①所示；第二次启动自动充电装置，其动能随位移变化的关系如图中图线②所示，则第二次向蓄电池所充的电能是()A．200JB．250JC．300JD．500J答案A解析电动车在运动过程中所受摩擦力大小不变，从题图看出，第二次的位移是第一次的eq\f(3,5)，故没被转化为内能的能量为初动能的eq\f(2,5)，由能量守恒定律得所充的电能为eq\f(2,5)Ek0＝eq\f(2,5)×500J＝200J，A正确。例3(多选)把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程，即原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升，这样的现象我们从来没看到过。燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明()A．在能源的利用过程中，能量会减少，能量守恒定律不成立B．我们在利用能源时，能量会耗散，自然界可利用的能源会越来越少C．与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性D．自然界中发生的能量转化都是不可逆的，各种能量最终都会转化为内能答案BC解析在能源的利用过程中，能量在数量上不会减少，能量守恒定律依然成立，但是能量会发生耗散，在可利用的品质上会降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，自然界可利用的能源会越来越少，故A错误，B正确；与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性，故C正确；自然界中发生的能量转化在自发情况下都是不可逆的，但在其他外在条件介入的情况下可以发生逆过程，能量的转移和转化具有方向性，各种能量最终都会转化为内能，故D错误。二、能源的分类与应用能源与社会发展1．能源的分类(1)不可再生能源：像煤炭、石油和天然气这类无法在短时间内再生的化石能源。(2)可再生能源：像水能、风能这类在自然界可以再生的能源。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成就，如太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电等。3．能源与社会发展(1)能源利用的三个时期：柴薪时期、煤炭时期、石油时期。(2)能源是人类社会活动的物质基础。4．煤炭和石油的燃烧对环境的危害(1)燃烧时增加了大气中二氧化碳的含量，加剧了温室效应。(2)因为煤炭和石油中常常含有硫，燃烧时形成的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。5．能源的开发与环境的关系(1)人类的生存与发展需要能源，能源的开发与使用又会对环境造成影响。(2)一方面要大力提倡节能，另一方面要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低的清洁能源。例4(2023·江苏省扬州中学高二月考)下列关于能源的说法中，正确的是()A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能B．由于能量不会凭空消失，也不会凭空产生，总是守恒的，所以节约能源的意义不大C．节约能源只要提高节能意识就行，与科技进步无关D．水能是不可再生能源答案A解析煤、石油、天然气等属于化石能源，最初来源可追溯到太阳能，故A正确；能量是守恒的，但能量的品质降低了，由便于利用的变成不便于利用的，所以需要节约能源，B错误；科技进步能提高能源的利用率，能更充分地利用有限的能源，故C错误；水能在自然界可以再生，是可再生能源，D错误。例5某户居民楼顶平台安装了12块太阳能电池板，利用这些电池板收集太阳能发电，发电总功率可达到3kW，工作电压为380V，平均每天发电6h；发电总功率的30%供自家使用，富余发电以0.2元/度价格并入国家电网。则下列说法正确的是()A．该光伏项目年发电量约为6.75×104kW·hB．该光伏项目的工作总电流约为0.3AC．该光伏项目富余发电的年收入约1400元D．该光伏项目平均每天的发电量可供一只60W的白炽灯正常工作300小时答案D解析发电总功率为3kW，则年发电总量为3kW×6h×365＝6.57×103kW·h，故A错误；工作总电流约为I＝eq\f(P,U)＝eq\f(3kW,380V)≈7.9A，B错误；该光伏项目富余发电的年收入约为6.57×103×70%×0.2元＝919.8元，C错误；该光伏项目平均每天的发电量大约可供一只60W的白炽灯正常工作的时间为t＝eq\f(W,P)＝eq\f(3×6,0.06)h＝300h，D正确。课时对点练[分值：60分]1～8题每题4分，共32分考点一能量守恒定律能量转移或转化的方向性1．(2023·江苏省扬州中学高二期中)在能源消耗的过程中，我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。对于能量耗散理解正确的是()A．能量耗散说明能量在不断地减少B．能量耗散不遵循能量守恒定律C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但能量却可以凭空消失D．能量耗散从能量的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性答案D解析能量耗散是能量变成了无法收集利用的内能，能量不会减少，故A错误；能量守恒定律适用于整个自然界，物质能量变化遵循能量守恒定律，故能量耗散遵循能量守恒定律，故B错误；能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，故C错误；能量耗散是一个宏观过程，代表着能量向不可收集利用的方向转化，反映出自然界中的宏观过程具有方向性，故D正确。2．(2024·厦门市高二期中)关于能量的转化，下列说法中不正确的是()A．水力发电机把机械能转化为电能B．燃气热水器把化学能转化为水的内能C．洗衣机把电能转化为机械能D．太阳能电池把太阳能转化为内能答案D解析水力发电机把机械能转化为电能，选项A正确，不符合题意；燃气热水器把化学能转化为水的内能，选项B正确，不符合题意；洗衣机把电能转化为机械能，选项C正确，不符合题意；太阳能电池把太阳能转化为电能，选项D错误，符合题意。3．(2024·佛山市联考)有关能量守恒定律，下列说法正确的是()A．从广州开往深圳的动车停了下来，说明能量会凭空消失B．按照能量守恒定律，能量总和不会增减C．一块石头从罗浮山上滚下，其机械能没有变化D．珠江的水能是用之不竭的答案B解析从广州开往深圳的动车停了下来，只是能量从一种形式的能转化为另一种形式的能，并不是能量会凭空消失，故A错误；按照能量守恒定律，能量总和不会增减，故B正确；一块石头从罗浮山上滚下，由于受到各种阻力的影响，其机械能会减小，故C错误；受各种自然和社会因素的影响，水能并不是用之不竭的，故D错误。4．(2023·湖南省汉寿县第一中学高二月考)我国自古有“昼涨称潮，夜涨称汐”的说法。潮汐主要是由太阳和月球对海水的引力造成的，以月球对海水的引力为主。如图是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸门，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。落潮时开闸门放水发电。设海湾水库的面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨、落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，水的密度为1.0×103kg/m3，g取10m/s2，则一天内发电的平均功率约为()A．2.6×104kW B．5.2×104kWC．2.6×105kW D．5.2×105kW答案B解析发电时水减少的重力势能ΔEp＝mgeq\f(h,2)＝ρShgeq\f(h,2)，一天发电两次，转化成的电能E＝2ΔEp×10%，所以P＝eq\f(E,t)＝5.2×104kW，故B正确，A、C、D错误。考点二能源的分类与利用能源与社会发展5．自然界存在多种能为人类提供生活、生产所需能量的能源，在下列几组能源中，属于可再生能源的一组是()A．水能、石油、核燃料 B．风能、煤炭、天然气C．煤炭、石油、天然气 D．风能、水能、太阳能答案D解析煤炭、石油、天然气属于不可再生能源，风能、水能、太阳能属于可再生能源，故选D。6.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解析充电时电能部分转化为锂电池的化学能，不是全部，选项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，选项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，选项D错误。7．下列有关风能的说法正确的是()①风能其实是太阳能的一种转换形式②风能和水能、太阳能等都是清洁能源③风力发电由风能转换为机械能，再转化为电能④推广可利用太阳能、风能的城市照明系统，发展低碳经济和循环经济，有利于改善环境质量A．①②③④ B．②③④C．①②③ D．①②④答案A解析地球表面大量空气流动所产生的动能叫风能，而空气流动主要是由两地受阳光照射的强度不同而导致的温度差异引起的，故风能是太阳能的一种转换形式，故①正确；风能和水能、太阳能等是可再生的绿色能源，故②正确；风力发电的原理是：风力带动风车叶片旋转，发电机在风车叶片转轴的带动下发电，实现能量从风能转换成机械能，再转化为电能，故③正确；发展低碳经济和循环经济，推广利用太阳能、风能的城市照明系统，降低发电用的能耗，符合低碳环保理念，故④正确，综上所述，故选A。8．(多选)(2023·广东省广州一中期中)关于能源的利用，下列说法中正确的是()A．由于我国煤和石油的储量十分丰富，所以太阳能和核能的开发并不十分重要B．能源的利用过程，实质上是能的转化和转移过程C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气D．煤、石油、天然气的化学能归根结底来自太阳能答案BCD解析煤、石油和天然气是由千百万年前的动植物在长期的地质变迁中形成的。千百万年前的动物食用植物，而植物是靠吸收太阳的能量成长的，可以说煤、石油、天然气的化学能来自太阳能。目前人类使用的能源主要是煤、石油和天然气。能源燃烧时，将化学能转化为内能，内能又可转化为机械能和电能，人类在生产和生活中需要各种形式的能，我们可以根据需要把能源的能量转化成多种形式的能量，以供利用，所以能源的利用过程，实质上是能的转化和转移过程，我们的煤和石油尽管储量丰富，但终究有限，且利用后不能再生，所以开发和利用新能源，特别是核能和太阳能是解决能源问题的出路，故B、C、D正确。9、10题每题6分，11题10分，共22分9.(2024·重庆市高二期中)2022年7月13日，我国用长征三号乙型运载火箭成功将天链二号03星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。如图所示，卫星两翼的太阳能电池板把太阳能转化为电能供卫星使用。关于电源、能源与可持续发展，下列说法正确的是()A．干电池、蓄电池对外供电时，电能转化为化学能B．在能的转化和转移的过程中，能量的总量减少C．能量的转移或转化过程中，是具有方向性的D．修建水电站利用水能发电更清洁、安全，有百利而无一害答案C解析干电池、蓄电池对外供电时，电池内部发生化学变化，化学能转化为电能，故A错误；在能的转化和转移的过程中，能量的总量保持不变，这就是能量守恒定律，故B错误；能量的转移或转化过程中，总量是不变的，但是具有方向性，故C正确；修筑拦河坝建造水电站也会对沿河的水域环境造成影响，给河流通航造成影响等，因此不利影响也是存在的，故D错误。10．(多选)“可燃冰”是一种藏在深海海底的新型能源，1m3“可燃冰”可转化为164m3的天然气和0.8m3的水，下列关于“可燃冰”的说法正确的是()A．“可燃冰”是不可再生能源B．“可燃冰”属于可再生能源C．1m3“可燃冰”比0.8m3的水质量小D．相同体积的“可燃冰”和天然气完全燃烧后，“可燃冰”释放的热量多答案AD解析“可燃冰”可转化为天然气和水，属于不可再生能源，故A正确，B错误；由1m3“可燃冰”能转化为0.8m3的水和164m3的天然气可知，1m3“可燃冰”比0.8m3的水质量大，故C错误；由题意可知，“可燃冰”热值大于天然气热值，相同体积的条件下，完全燃烧时“可燃冰”比天然气放出的热量多，故D正确。11．(10分)(2023·深圳市高二期末)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。如图所示，某风力发电场安装有2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。(1)(5分)求每台风力发电机的发电功率P；(2)(5分)已知标准煤的热值q＝3.0×107J/kg，则该风力发