2022-2023學(xué)年粵教版必修第三冊 5.2-5.3-5.4 能源的利用方式　能量的轉(zhuǎn)化與守恒　能源與環(huán)境 學(xué)案

學(xué)習(xí)目標(biāo)STSE情境導(dǎo)學(xué)1.了解能源開發(fā)和利用的現(xiàn)狀與前景.2.理解能量守恒定律，知道能量轉(zhuǎn)化具有方向性.（重點）3.能利用能量守恒定律，處理生活中的實際問題.（難點）4.了解能源開發(fā)與環(huán)境的關(guān)系，樹立節(jié)能環(huán)保意識知識點一能源的利用方式1.水能.（1）水能是一種能源，是指水體的動能、勢能和壓力能等能量資源.（2）水力發(fā)電過程其實是一個能量轉(zhuǎn)換的過程.（3）水能資源最顯著的特點是可再生、無污染.2.風(fēng)能.（1）風(fēng)能是因為空氣流動而提供給人類的一種可利用的能量.（2）風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)車葉片的機械能，發(fā)電機在風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)軸帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電，最終經(jīng)變換器換成合適的電壓送入電網(wǎng).3.太陽能.（1）對太陽能的利用主要有太陽能的光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種.（2）太陽能是一種取之不盡，用之不竭且對環(huán)境無污染的能量.4.核能.（1）核能是一種儲存在原子核內(nèi)部的能量.（2）核能發(fā)電是利用核反應(yīng)堆中核裂變所釋放出的熱能進(jìn)行發(fā)電的方式.知識點二能量的轉(zhuǎn)化和守恒1.能量守恒定律.（1）內(nèi)容：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中其總量不變.這就是能量守恒定律.（2）適用范圍：小到基本粒子，大到天體所發(fā)生的自然現(xiàn)象，都遵守能量守恒定律.2.能量轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)移）的方向性：在自然界的一切自發(fā)過程中，能量的轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)移）都是方向性的.知識點三能源與環(huán)境1.能量的分類.能源種類繁多，根據(jù)不同的劃分方式，能源也可分為不同的類型.按能源的基本形態(tài)分類，有一次能源（包括可再生能源和不可再生能源）和二次能源；根據(jù)能源消耗后是否造成環(huán)境污染，可分為污染型能源和清潔型能源；根據(jù)能源使用的類型，又可分為常規(guī)能源和新型能源或商品能源和非商品能源.2.能源與環(huán)境.能源開發(fā)利用所造成的環(huán)境污染，主要包括：（1）對大氣環(huán)境的影響.（2）對生態(tài)環(huán)境的影響.（3）對居住環(huán)境的影響.3.環(huán)境保護(hù).在生產(chǎn)生活中我們可以從以下方面保護(hù)環(huán)境.（1）防治生產(chǎn)和生活污染.（2）防止建設(shè)和開發(fā)的破壞.（3）保護(hù)自然環(huán)境.1.“可燃冰”被視為21世紀(jì)的新型綠色能源，其主要成分是甲烷.桂林市新開通的301路公交車，使用的燃料主要成分就是甲烷.301路公交車使用甲烷燃燒提供所需的能量，關(guān)于其能量的轉(zhuǎn)化，下列說法中正確的是（）A.把電能轉(zhuǎn)化為機械能B.把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能C.把光能轉(zhuǎn)化為機械能D.把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能解析：分析題意可知，公交車使用甲烷燃燒提供所需的能量，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，選項D正確，選項A、B、C錯誤.答案：D2.下列關(guān)于能源的說法中，正確的是（）A.由于能量不會憑空消失，也不會憑空產(chǎn)生，總是守恒的，所以節(jié)約能源意義不大B.煤、石油、天然氣等燃料的最初來源可追溯到太陽能C.節(jié)約能源只要有節(jié)能意識就行，與科技進(jìn)步無關(guān)D.水能是不可再生能源解析：能量都轉(zhuǎn)化為不能利用或不易利用的能源，這樣會減少可利用能源的數(shù)量，因此應(yīng)該節(jié)約能源，故A錯誤；煤、石油、天然氣等是化石燃料，是由古代動植物的遺骸轉(zhuǎn)化來的，而動植物體內(nèi)的能量最初都可以追溯到太陽能，故B正確；加強科技發(fā)展，提高能源的利用率，會更多地節(jié)約能源，故C錯誤；依靠地球的水循環(huán)，可以短時間內(nèi)在自然界獲取，所以水能屬于可再生能源，故D錯誤.答案：B學(xué)習(xí)小結(jié)1.通過查閱讀資料去區(qū)分能量與能源.2.結(jié)合生活實例區(qū)分能量的轉(zhuǎn)化與能量的轉(zhuǎn)移探究一能量守恒定律的應(yīng)用1.適用范圍.能量守恒定律是貫穿物理學(xué)的基本規(guī)律，是各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律.2.表達(dá)式.（1）E初＝E末，初狀態(tài)各種能量的總和等于末狀態(tài)各種能量的總和.（2）ΔE增＝ΔE減，增加的那些能量的增加量等于減少的那些能量的減少量.3.應(yīng)用步驟.（1）明確研究對象及研究過程.（2）明確該過程中，哪些形式的能量在變化.（3）確定參與轉(zhuǎn)化的能量中，哪些能量增加，哪些能量減少.（4）列出增加的能量和減少的能量之間的守恒式（或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式）.【典例1】如圖所示，一物體質(zhì)量m＝2kg，在傾角θ＝37°的斜面上的A點以初速度v0＝3m/s下滑，A點距離彈簧上端B的距離AB＝4m.當(dāng)物體到達(dá)B后將彈簧壓縮到C點，最大壓縮量BC＝0.2m.然后物體又被彈簧彈上去，彈到最高位置為D點，AD＝3m.擋板及彈簧質(zhì)量不計，g取10m/s2，sin37°＝0.6.求：（1）物體與斜面間的動摩擦因數(shù)μ；（2）彈簧的最大彈性勢能Epm.解析：（1）最后的D點與開始的位置A點比較：動能減少ΔEk＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝9J.重力勢能減少ΔEp＝mglADsin37°＝36J.機械能減少量ΔE＝ΔEk＋ΔEp＝45J.機械能的減少量全部用來克服摩擦力做功，即Wf＝Ffl＝45J，而路程l＝5.4m，則Ff＝eq\f(Wf,l)≈8.33N.而Ff＝μmgcos37°，所以μ＝eq\f(Ff,mgcos37°)≈0.52.（2）由A到C的過程：動能減少ΔE′k＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)＝9J.重力勢能減少ΔE′p＝mglACsin37°＝50.4J.機械能的減少用于克服摩擦力做功W′f＝FflAC＝μmgcos37°·lAC＝35J.由能量守恒定律，得Epm＝ΔE′k＋ΔE′p－W′f＝24.4J.答案：（1）0.52（2）24.4J利用能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移解題的兩點注意（1）能量既可通過做功的方式實現(xiàn)不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化，也可在同一物體的不同部分或不同物體間進(jìn)行轉(zhuǎn)移.（2）能量在轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量保持不變.利用能量守恒定律解題的關(guān)鍵是正確分析有多少種能量變化，分析時避免出現(xiàn)遺漏.1.下列有關(guān)能量轉(zhuǎn)化和守恒的說法正確的是（）A.用電器通電工作時，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能B.氫氧化鈉與鹽酸反應(yīng)是放熱反應(yīng)，該反應(yīng)將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能C.植物光合作用合成有機物，說明能量可以創(chuàng)生D.“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律解析：用電器通電工作時，消耗了電能，得到了其他形式的能，因此將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，A錯誤；氫氧化鈉與鹽酸反應(yīng)是放熱反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)得到了熱量，因此將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為了內(nèi)能，B錯誤；能量是不能憑空產(chǎn)生的，此說法違背了能量守恒定律，C錯誤；馬兒跑的時候需要消耗能量，而草能夠為馬兒提供能量，因此“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，D正確，故選D.答案：D2.（多選）如圖所示，質(zhì)量為M的木塊放在光滑的水平面上，質(zhì)量為m的子彈以速度v0沿水平方向射中木塊，并最終留在木塊中與木塊一起以速度v運動.已知當(dāng)子彈相對木塊靜止時，木塊前進(jìn)距離為l，子彈進(jìn)入木塊的深度為d，若木塊對子彈的阻力Ff視為恒定，則下列關(guān)于系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)能的表達(dá)式正確的是（）A.Ff（l＋d）B.FfdC.eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)D.eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)（M＋m）v2解析：運動過程如圖所示示意圖.由圖可知，當(dāng)木塊前進(jìn)距離l，子彈對木塊的作用力大小也為Ff，子彈對木塊的作用力對木塊做正功，由動能定理得Ff·l＝eq\f(1,2)Mv2，①木塊對子彈的作用力對子彈做負(fù)功，由動能定理得－Ff·（l＋d）＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)，②由①②得Ff·d＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)（M＋m）v2，③根據(jù)能量守恒定律可知，系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)能為Q＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)（M＋m）v2＝Ff·d.④選項B、D正確.答案：BD探究二能源的利用與可持續(xù)發(fā)展1.能源開發(fā)和利用的關(guān)系圖.2.能源的分類.能源分類方法能源分類名稱特點舉例按形成或轉(zhuǎn)換特點分一次能源自然形成，未經(jīng)加工太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、核能、潮汐能二次能源由一次能源?jīng)加工轉(zhuǎn)換而成焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電能按利用技術(shù)分常規(guī)能源已大規(guī)模正常使用煤、石油、天然氣新能源正在開發(fā)，或有新的利用方式太陽能、水能、核能、地?zé)崮?、海洋能、沼氣能、風(fēng)能按可否再生分可再生能源可循環(huán)使用、不斷補充水能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮懿豢稍偕茉炊唐趦?nèi)無法轉(zhuǎn)換獲得煤、石油、天然氣、核燃料按對環(huán)境污染情況分清潔能源對環(huán)境基本上沒有污染太陽能、海洋能、風(fēng)能、水能污染能源會嚴(yán)重污染環(huán)境化石燃料（煤、石油、天然氣）【典例2】（多選）下列對能量耗散的理解正確的是（）A.能量耗散說明能量不斷減少B.能量耗散遵守能量守恒定律C.能量耗散說明能量不能憑空產(chǎn)生，但可以憑空消失D.能量耗散從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性解析：在發(fā)生能量轉(zhuǎn)換的宏觀過程中，其他形式的能量最終會轉(zhuǎn)化為流散到周圍環(huán)境的內(nèi)能，無法再回收利用，這種現(xiàn)象叫能量耗散.能量耗散并不違背能量守恒定律，能量既沒有減少，也沒有消失，它從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性，故A、C錯誤，B、D正確.答案：BD3.關(guān)于能源的開發(fā)和應(yīng)用，下列說法中正確的是（）A.能源應(yīng)用的過程就是內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程B.化石能源的能量歸根結(jié)底來自于太陽能，因此化石能源永遠(yuǎn)不會枯竭C.在廣大的農(nóng)村推廣沼氣前景廣闊、意義重大，既變廢為寶，減少污染，又大量節(jié)約能源D.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤炭資源將取之不盡、用之不竭解析：能源應(yīng)用過程并不單純是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程，各種轉(zhuǎn)化形式均可為人類服務(wù)，A錯誤；化石能源的能量雖然來自太陽能，但要經(jīng)過數(shù)億年的地質(zhì)演變才能形成，且儲量有限，為不可再生能源，B錯誤；在廣大農(nóng)村推廣沼氣對改善農(nóng)村環(huán)境、節(jié)約能源意義重大，功在當(dāng)代，利在千秋，C正確；無論技術(shù)先進(jìn)與否，煤炭資源不可能取之不盡、用之不竭，D錯誤.故選C.答案：C4.下列能源屬于“可再生能源”的是（）A.水流能B.核能C.石油D.煤炭解析：核能、石油、天然氣都屬于不可再生能源，只有水流能是可再生能源，即選項A符合題意.答案：A探究三對功能關(guān)系的理解1.功與能量的轉(zhuǎn)化.不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過做功實現(xiàn)的.做功的過程就是各種形式的能量之間轉(zhuǎn)化（或轉(zhuǎn)移）的過程，且做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化（或轉(zhuǎn)移）.因此，功是能量轉(zhuǎn)化的量度.2.功與能的關(guān)系.由于功是能量轉(zhuǎn)化的量度，某種力做功往往與某一種具體形式的能量轉(zhuǎn)化相聯(lián)系，具體功能關(guān)系如下：功能的變化表達(dá)式重力做功正功重力勢能減少WG＝Ep1－Ep2負(fù)功重力勢能增加彈力做功正功彈性勢能減少W彈＝Ep1－Ep2負(fù)功彈性勢能增加合力做功正功動能增加W合＝Ek1－Ek2負(fù)功動能減少其他力做功正功機械能增加W他＝E2－E1負(fù)功機械能減少注：其他力指的是重力和系統(tǒng)內(nèi)彈力之外的力.【典例3】（多選）豎直向上的恒力F作用在質(zhì)量為m的物體A上，使A從靜止開始運動，升高h(yuǎn)，速度達(dá)到v，在這個過程中，設(shè)阻力恒為F阻.則下列表述正確的是（）A.恒力F對物體做的功等于物體機械能的增量，即Fh＝eq\f(1,2)mv2＋mghB.恒力F與阻力F阻對物體做的功等于物體機械能的增量，即（F－F阻）h＝eq\f(1,2)mv2＋mghC.物體所受合力的功，等于物體機械能的增量，即（F－F阻－mg）h＝eq\f(1,2)mv2＋mghD.物體所受合力的功，等于物體動能的增量，即（F－F阻－mg）h＝eq\f(1,2)mv2解析：根據(jù)動能定理可知，合外力做的功等于物體動能的變化量，即（F－F阻－mg）h＝eq\f(1,2)mv2，A錯誤，D正確；除重力和彈力以外的其他力做的功等于機械能的變化量，即（F－F阻）h＝eq\f(1,2)mv2＋mgh，B正確，C錯誤.答案：BD應(yīng)用功能關(guān)系解題的關(guān)鍵應(yīng)用功能關(guān)系解題的關(guān)鍵是深刻理解不同功能關(guān)系的含義：（1）重力做功是物體重力勢能變化的原因，重力做多少功，重力勢能就減少多少.（2）彈力做功是彈簧彈性勢能變化的原因，彈力做多少功，彈性勢能就減少多少.（3）合力做功是物體動能變化的原因，合力做多少功，動能就增加多少.（4）除重力和系統(tǒng)內(nèi)彈力之外的其他力做功是機械能變化的原因，其他力做多少功，機械能就增加多少.5.一個盛水袋，某人從側(cè)面緩慢推裝液體的袋壁使它變形至如圖所示位置，則此過程中袋和液體的重心將（）A.逐漸升高B.逐漸降低C.先降低再升高D.始終不變解析：人對液體做正功，液體的機械能增加，液體緩慢移動可以認(rèn)為動能不變，重力勢能增加，重心升高，A正確.答案：A6.（多選）一質(zhì)量為m的物體，在距地面高h(yuǎn)處以eq\f(1,3)g的加速度由靜止豎直下落到地面，下列說法中正確的是（）A.物體的重力勢能減少eq\f(1,3)mghB.物體的機械能減少eq\f(2,3)mghC.物體的動能增加eq\f(1,3)mghD.物體的重力做的功為mgh解析：物體從高h(yuǎn)處落到地面的過程中，重力做的功為mgh，重力勢能減少mgh，選項A錯誤，D正確；物體的加速度為eq\f(1,3)g，故合力為eq\f(1,3)mg，合外力做的功為eq\f(1,3)mgh，根據(jù)動能定理，物體的動能增加eq\f(1,3)mgh，選項C正確；物體的重力勢能減少mgh，動能增加eq\f(1,3)mgh，故機械能減少了eq\f(2,3)mgh，選項B正確.答案：BCD探究四摩擦力做功與能量的關(guān)系1.一對靜摩擦力做的功.（1）單個靜摩擦力可以做正功，也可以做負(fù)功，還可以不做功.（2）相互摩擦的系統(tǒng)內(nèi)，一對靜摩擦力所做功的代數(shù)和總為零，即W1＋W2＝0.（3）在靜摩擦力做功的過程中，只有機械能的相互轉(zhuǎn)移（靜摩擦力起著傳遞機械能的作用），而沒有機械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.2.一對滑動摩擦力做的功.（1）單個滑動摩擦力可以對物體做正功，也可以對物體做負(fù)功，當(dāng)然也可以不做功.（2）相互摩擦的系統(tǒng)內(nèi)，一對滑動摩擦力所做功的代數(shù)和總為負(fù)值，其絕對值恰等于滑動摩擦力與相對滑行距離的乘積，即恰等于系統(tǒng)因摩擦而損失的機械能.（W1＋W2＝－Q.其中Q就是在摩擦過程中產(chǎn)生的內(nèi)能）（3）一對滑動摩擦力做功的過程中，能量的轉(zhuǎn)化有兩種情況：一是相互摩擦的物體之間機械能的轉(zhuǎn)移；二是機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的數(shù)值等于滑動摩擦力與相對滑行距離的乘積，即Q＝Ffl相.【典例4】如圖所示，電動機帶動水平傳送帶以速度v勻速傳動，一質(zhì)量為m的小木塊由靜止輕放在傳送帶上.若小木塊與傳送帶之間的動摩擦因數(shù)為μ，當(dāng)小木塊與傳送帶相對靜止時.求：（1）小木塊的位移；（2）傳送帶轉(zhuǎn)過的路程；（3）小木塊獲得的動能；（4）摩擦過程產(chǎn)生的熱量；（5）電動機帶動傳送帶勻速轉(zhuǎn)動輸出的總能量.解析：小木塊剛放上傳送帶時，速度為0，受到傳送帶的滑動摩擦力作用，做勻加速直線運動，達(dá)到與傳送帶相同的速度后不再受摩擦力.整個過程中小木塊獲得一定的動能，系統(tǒng)內(nèi)因摩擦產(chǎn)生一定的熱量.（1）對小木塊，相對滑動時，由μmg＝ma，得a＝μg，由v＝at，得小木塊與傳送帶相對靜止時所用的時間t＝eq\f(v,μg)，則小木塊的位移l＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(v2,2μg).（2）傳送帶始終勻速運動，轉(zhuǎn)過的路程s＝vt＝eq\f(v2,μg).（3）小木塊獲得的動能Ek＝eq\f(1,2)mv2.（4）摩擦過程產(chǎn)生的熱量Q＝μmg（s－l）＝eq\f(1,2)mv2.（5）由能的轉(zhuǎn)化與守恒得，電動機輸出的總能量轉(zhuǎn)化為小木塊的動能與摩擦產(chǎn)生的熱量，所以E總＝Ek＋Q＝mv2.答案：（1）eq\f(v2,2μg)（2）eq\f(v2,μg)（3）eq\f(1,2)mv2（4）eq\f(1,2)mv2（5）mv2摩擦力做功特點（1）無論是靜摩擦力還是滑動摩擦力，它們都可以做負(fù)功或做正功，也可以不做功.（2）互為作用力和反作用力的一對靜摩擦力所做的總功為零；而互為作用力和反作用力的一對滑動摩擦力