第4节　能源与可持续发展-物理人教版必修第三册

第4节能源与可持续发展学习目标1.知道能量守恒定律的内容，会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题。2.了解能量耗散，了解自然界宏观过程中能量转化和转移的方向性。3.知道能源的类别划分，知道能源短缺和环境恶化是关系到人类社会能否持续发展的重大问题。知识点一能量守恒定律有人设想了一种“自发电电动车”(如图所示)，基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车。你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？提示不能。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，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。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。它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。【思考】飞船返回舱进入地球大气层以后，由于它的高速下落，与空气发生剧烈摩擦，返回舱的表面温度可达到1000摄氏度。(1)进入大气层一段时间，返回舱加速下落，返回舱表面温度逐渐升高。该过程动能和势能怎么变化？机械能守恒吗？(2)返回舱表面温度越高，内能越大。该过程中什么能向什么能转化？机械能和内能的总量变化吗？提示(1)该过程动能增加，势能减小，机械能不守恒。(2)该过程中机械能向内能转化。根据能量守恒定律，机械能和内能的总量不变。1.自然界中不同形式的能量可以相互转化，一种形式的能量减少一定伴随着其他形式的能量增加，能量的总量保持不变。2.能量守恒定律的适用范围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(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，某些能量的增加量等于其他能量的减少量。例1下列说法正确的是()A.随着科技的发展，可以制造出一种机器，使其不消耗任何能量但能源源不断地对外做功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答案C解析任何机器都不能违背能量守恒定律，A错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，但辐射到宇宙空间的能量也没有消失，一定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，动物的能量来源是食物中储存的生物能，C正确；所谓的“全自动”手表内部是有能量转化装置的，只有当人戴着手表活动时，才能不断补充能量，维持手表的运行，如果把表放在桌面上静置一段时间，它一定会停摆的，D错误。训练1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，重力加速度为g，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答案A解析去掉右侧盖板之后，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。知识点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不可逆的。2.能量的耗散：其他形式的能转化为内能后不能再重复利用，这种现象叫作能量的耗散。3.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。【思考】(1)能量耗散是否意味着自然界中的能量逐渐减少？(2)能源危机主要表现在哪些方面？能源危机的深层含义是什么？提示(1)不是。能量耗散意味着能量在转移和转化过程中可利用性越来越差，但总量保持不变。(2)能量在可利用的品质上降低了，即变成了不便于利用的能源。能源的利用受方向性的制约。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太可用的形式。3.能量的耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。例2(多选)下列关于能量的耗散的说法正确的是()A.能量的耗散使能量的总量减少，违背了能量守恒定律B.能量的耗散是指耗散在环境中的内能很难被人类利用C.各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的D.能量的耗散导致能量品质的降低答案BCD解析能量的耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，选项A错误，D正确；耗散的内能很难再被利用，选项B正确；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，选项C正确。训练2(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，这说明了()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答案BD解析一切与热现象有关的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；在一定条件下，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B、D正确。知识点三能源的分类与应用能源与社会发展1.能量的分类与应用(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，这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源叫作不可再生能源。②可再生能源：水能、风能、潮汐能等能源，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：太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电。2.能源与社会发展(1)随着人口迅速增长、经济快速发展以及工业化程度的提高，能源短缺和过度使用化石能源带来的环境恶化已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。(2)可持续发展①可持续发展的核心：追求发展与资源、环境的平衡：既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。②需要做好两方面a.要大力提倡节能；b.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.由于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答案D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，选项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，选项B、C错误。训练3PM2.5主要来自化石燃料、生活物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高效利用能源。关于能源和能量，下列说法正确的是()A.自然界的石油、煤炭等资源可供人类永久使用B.能量被使用后就消失了，所以要节约能源C.人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源D.能量的耗散说明自然界的能量正在不断减少答案C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，是不可再生能源，故A错误；能量被使用后转化为其他形式的能，能量并没有消失，故B错误；太阳能和风能，包括水能等都是可再生能源且为清洁能源，应该尽量开发，故C正确；能量虽然守恒，但有些能量使用以后不可能再被利用，所以要节约能源，但能量是不会减少，也不会被消灭掉的，只是形式发生转变，故D错误。随堂对点自测1.(能量守恒定律)市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。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。该装置的能量转化情况是()A.太阳能→电能→机械能B.太阳能→机械能→电能C.电能→太阳能→机械能D.机械能→太阳能→电能答案A解析帽子上的太阳能电池板将太阳能转化为电能，供小电扇工作，小电扇工作时消耗电能，将电能转化为扇叶的机械能，故A正确。2.(对能量耗散的理解)(多选)下列哪些现象属于能量的耗散()A.利用水能发电转变成电能B.电能通过电灯中的电阻丝放出热量和光能C.电池的化学能转变成电能D.火炉把房间的温度升高答案BD解析水力发电、化学能转变成电能，电能可以利用，不属于能量的耗散，可再进一步利用，直到都转变成不可回收的内能，就是能量的耗散了，故B、D正确。3.(能量转移或转化的方向性)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解析充电时电能转化为锂电池的化学能，但不是全部转化，故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，故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，故D错误。4.(能源与社会发展)针对图中工厂烟囱向空中排放大量废气的现象，下列说法错误的是()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答案A解析排放废气浪费能源，引起能量的耗散，但不违反能量守恒定律，故A错误，B正确；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，故C正确；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，故D正确。对点题组练题组一能量守恒定律1.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，电能再转化为光能答案D解析根据能量守恒定律，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。2.如图是城市照明中常使用的“风光互补”景观照明灯。它“头顶”小风扇，“肩扛”光电池板，“腰挎”照明灯，“脚踩”蓄电池。下列解释合理的是()A.光电池板是将电能转化为光能B.照明灯是将内能转化为电能C.小风扇利用风力发电，将机械能转化为电能D.蓄电池夜晚放电，将电能转化为化学能答案C解析这种新能源的路灯，“肩扛”太阳能电池板可以把太阳能转化为电能，选项A错误；照明灯消耗电能而发光，是将电能转化为光能，选项B错误；“头顶”的小风扇可以把风能转化为电能，选项C正确；蓄电池在夜晚放电时，将化学能转化为电能，选项D错误。题组二能量转移或转化的方向性3.(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。4.(多选)下列过程中，可能实现的是()A.水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能B.利用不同深度的海水温度不同来制造一种机器，把海水的内能转化为机械能C.在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高D.静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来答案BC解析根据能量转化和转移的方向性可知，物体温度下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能，因此选项A、D是错误的，而选项B、C都是可能实现的过程。5.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，能量守恒定律具有一定的局限性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答案C解析能量的耗散过程中，能量向品质低的大气内能转变，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的方向性，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。题组三能源与社会发展6.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.在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少C.能量的耗散说明能量在转化过程中没有方向性D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造答案B解析自然界的能量守恒，但能源需要节约，故A错误；在利用与节约能源的过程中，能量在数量上并没有减少，故B正确；能量的耗散说明能量在转化过程中具有方向性，故C错误；人类在不断地开发和利用新能源，但能