2024版新教材高中物理第十二章電能能量守恒定律4.能源與可持續(xù)發(fā)展學生用書新人教版必修第三冊

4．能源與可持續(xù)發(fā)展核心素養(yǎng)定位物理觀念列舉各種實例，說明能量是如何轉化的，解釋能量守恒定律的含義．科學思維通過實例分析能量耗散，認識自然界中能量轉化的方向性．科學態(tài)度與責任(1)收集資料，討論能源的開發(fā)和利用所帶來的環(huán)境問題，認識環(huán)境污染的危害，具有環(huán)境保護的意識和行動．(2)了解太陽能、水能、核能和風能等能源的開發(fā)利用，知道利用能源是人類生存和社會發(fā)展的必要條件之一．知道人類利用的能源來自可再生能源和不可再生能源，認識合理使用能源的必要性，具有可持續(xù)發(fā)展觀念，養(yǎng)成節(jié)能的習慣．一、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________為其他形式，或者從一個物體________到別的物體，在________或________的過程中，能量的總量____________．2．意義：能量守恒定律的建立，是人類認識自然的一次重大飛躍．它是最________、最________、最________的自然規(guī)律之一，而且是大自然普遍和諧性的一種表現(xiàn)形式．二、能量轉移或轉化的方向性1．一切與熱現(xiàn)象有關的宏觀自然過程都是________的．2．能量的耗散：在能量轉化過程中流散到周圍環(huán)境中的內(nèi)能很難再______不違背能量守恒定律起來重新利用的現(xiàn)象．3．節(jié)約能源的根本原因：在能源的利用過程中，能量在數(shù)量上雖未減少，但在可利用的品質(zhì)上________了，從便于利用的能源變?yōu)椴槐阌诶玫哪茉矗?．自然界中的宏觀過程具有________性．三、能源的分類與應用1．能源的分類(1)不可再生能源：煤炭、石油和天然氣是目前人類生產(chǎn)、生活中使用的主要能源，這類能源又叫作________能源．化石能源無法在短時間內(nèi)再生，所以這類能源被叫作不可再生能源．(2)可再生能源：水能和風能等能源，歸根結底來源于太陽能．這些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源．2．能源的開發(fā)與應用近年來，我國在能源開發(fā)方面取得了很大的成就，如________發(fā)電、水力發(fā)電、________發(fā)電、________發(fā)電．四、能源與社會發(fā)展1．人類對能源的利用大致經(jīng)歷了三個時期，即柴薪時期、____________和____________．自工業(yè)革命以來，____和________成為人類的主要能源．2．____________和____________已成為關系到人類社會能否持續(xù)發(fā)展的大問題．3．____________反映了能量轉化的宏觀過程具有方向性，所以自然界的能量雖然________，但還是很有必要節(jié)約能源．4．人類與能源的關系(1)有利方面：能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善，人類社會每一次重大的經(jīng)濟飛躍和生產(chǎn)革命，都與新的能源和動力機械的利用密切相關，能量消耗的多少已經(jīng)成為一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志．(2)不利方面：能源的大量使用會給環(huán)境帶來極大的破壞，如大氣污染、溫室效應、酸雨等，對人類造成很大的危害．【情境思考】如圖所示為抽水蓄能電站結構．它有兩種工作模式，一種為抽水蓄能模式：居民用電低谷時(如深夜)，電站利用居民電網(wǎng)多余電能把水從下水庫抽到上水庫；另一種為放水發(fā)電模式：居民用電高峰時，將上水庫中的水放到下水庫進行發(fā)電，將產(chǎn)生的電能輸送到居民電網(wǎng)供居民使用．一抽一放起到了均衡電網(wǎng)負荷的作用．根據(jù)以上描述，判斷以下問題．(1)抽水蓄能的過程中，能量守恒．()(2)放水發(fā)電的過程中，機械能守恒．()(3)抽水蓄能電站建成之后，可以使能量增多，就不會再有能源危機問題了．()拓展1拓展2能量轉移或轉化的方向性(1)如圖所示，燃料的化學能只是部分轉化為有用的機械能．(2)燃料的化學能部分轉化為無用的能量，如廢氣內(nèi)能、散熱損失、機械損失等．拓展3能源的分類與能量轉化拓展4社會發(fā)展與能源利用的關系(1)火的使用是人類在能源使用上的第一個里程碑．(2)蒸汽機開始了人類文明的新紀元．(3)內(nèi)燃機推動了機械化與電氣化進程．(4)蒸汽輪機和燃氣輪機的發(fā)展為大規(guī)模發(fā)電和航空事業(yè)奠定了基礎．(5)清潔能源的廣泛應用將使人類進入高度文明的時代．目標一能量轉移或轉化的方向【導思】如圖所示為市面上出售的一種裝有太陽能電扇的帽子．在陽光的照射下，小電扇快速轉動，能給炎熱的夏季帶來一絲涼爽．(1)該裝置的能量是怎樣轉化的？(2)可以把全部能量轉化為機械能嗎？【歸納】——————————————————○1．對能量守恒定律的理解(1)能量守恒定律是普遍適用的，對宏觀世界與微觀世界、高速運動與低速運動等都成立．(2)某種形式的能減少，一定有其他形式的能增加，且減少量和增加量一定相等．某個物體的能量減少，一定存在其他物體的能量增加，且減少量和增加量一定相等．2．對能量的耗散的理解(1)各種形式的能最終都轉化為內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，也不會再次自動聚集起來供人類重新利用．(2)從可被利用的價值來看，內(nèi)能較之機械能、電能等，是一種低品質(zhì)的能量．由此可知，能量的耗散雖然不會導致能量的總量減少，卻會導致能量品質(zhì)的降低，實際上是將能量從高度有用的形式降級為不大可用的形式．(3)能量的耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性．能源的利用受這種方向性的制約，能源的利用是有條件的，也是有代價的．【典例】——————————————————○例1(多選)行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的火焰；降落傘在空中勻速下降；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流．上述不同現(xiàn)象所包含的相同物理過程是()A．物體克服阻力做功B．物體的動能轉化為其他形式的能量C．物體的勢能轉化為其他形式的能量D．物體的機械能轉化為其他形式的能量例2熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量的耗散現(xiàn)象．所謂能量的耗散是指在能量轉化的過程中無法把耗散的能量重新收集、重新加以利用．下列關于能量的耗散的說法中正確的是()A．能量的耗散是指在一定條件下，能量在轉化過程中總量減少了B．能量的耗散表明，能量守恒定律具有不定期的局限性C．能量的耗散表明，在能源的利用過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)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轉化的宏觀過程可以有任意的方向性思維提升利用能量轉化與轉移解題的兩點注意(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化，也可在同一物體的不同部分或不同物體間進行轉移．(2)能量在轉化與轉移過程中，能量的總量保持不變．利用能量守恒定律解題的關鍵是正確分析有多少種能量變化，分析時避免出現(xiàn)遺漏．[訓練1](多選)電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，下列說法正確的是()A．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體B．在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體C．熱量的傳遞過程不具有方向性D．在自發(fā)的條件下熱量的傳遞過程具有方向性[訓練2]為了節(jié)能減排，我國大力發(fā)展新能源汽車．如圖所示電源正在給電動汽車中的鋰電池充電，下列說法正確的是()A．充電時電能全部轉化為汽車的機械能B．充電時電能全部轉化為鋰電池的化學能C．汽車加速運動時鋰電池減少的化學能部分轉化為汽車的動能D．汽車勻速運動時鋰電池減少的化學能全部轉化為汽車的動能目標二能源的分類與應用能源與社會發(fā)展【歸納】1．能源的分類能源分類方法能源分類名稱特點舉例按形式或轉換特點分一次能源自然形成，未經(jīng)加工太陽能、風能、地熱能、核能、潮汐能二次能源由一次能源經(jīng)加工轉換而成焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電能按利用技術分常規(guī)能源已大規(guī)模正常使用煤、石油、天然氣、水能新能源正在開發(fā)，或有新的利用方式太陽能、核能、地熱能、海洋能、沼氣、風能按可否再生分可再生能源可循環(huán)使用水能、風能、生物質(zhì)能、地熱能不可再生能源短期內(nèi)無法轉換獲得煤、石油、天然氣、核燃料2.能源和環(huán)境污染(1)溫室效應：石油和煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量，因此加劇了溫室效應．溫室效應使得兩極的冰雪融化，海平面上升，淹沒沿海城市，使海水倒流入河流，從而使耕地鹽堿化；溫室效應使全球降水量變化，影響氣候和植被變化，影響人體健康．(2)酸雨：酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪或其他形式的大氣降水．形成酸雨的主要原因是燃燒煤炭和石油，以及工業(yè)生產(chǎn)等釋放到大氣中的二氧化硫等物質(zhì)使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蝕建筑物、酸化土壤．(3)光化學煙霧：內(nèi)燃機工作時的高溫使空氣和燃料中的多種物質(zhì)發(fā)生化學反應，產(chǎn)生氮的氧化物和碳氫化合物．這些化合物在大氣中受到紫外線的照射，產(chǎn)生二次污染物質(zhì)——光化學煙霧．這些物質(zhì)有毒，會引起人的多種疾?。硗猓Ｒ?guī)能源燃燒時產(chǎn)生的浮塵也是一種主要的污染物．3．能源與社會發(fā)展要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展就要樹立新的能源安全觀，并轉變能源的供需模式．一方面大力提倡節(jié)約能源，另一方面要發(fā)展可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等清潔能源，推動人類與自然的和諧發(fā)展．【典例】——————————————————○例3關于能源的利用和節(jié)約，下列說法正確的是()A．根據(jù)能量守恒定律知，能源的利用率應該是100%B．因為能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，總是守恒的，所以節(jié)約能源的意義不大C．節(jié)約能源只要提高節(jié)能意識就行，與科學進步無關D．在能源的利用中，總會有一部分能源未被利用而損失掉[訓練3](多選)關于能源的開發(fā)和利用，下列觀點正確的是()A．能源是有限的，無節(jié)制地使用常規(guī)能源，是一種盲目的短期行為B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的C．能源的開發(fā)和利用，必須同時考慮其對生態(tài)環(huán)境的影響D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機、加強環(huán)境保護的重要途徑[訓練4]某市有20萬臺空調(diào)機，每臺空調(diào)機在夏季平均使用60天，每天耗電8kW·h.為了節(jié)約能源，該市政府建議大家都把室內(nèi)設定溫度提高1℃，這樣每臺空調(diào)機每天可節(jié)省6%的電能．那么這樣做能使該市在夏季節(jié)省多少電能？已知標準煤的熱值是2.92×107J/kg.發(fā)電廠的發(fā)電效率是30%.請計算一下，這項節(jié)能建議的實現(xiàn)能在1年內(nèi)節(jié)約多少噸標準煤？(結果均保留兩位有效數(shù)字)1．如圖是一種新型“風光互補”節(jié)能路燈．它“頭頂”小風扇，“肩扛”太陽能電池板，“腰挎”節(jié)能燈．下列說法正確的是()A．節(jié)能路燈利用的風能屬于不可再生能源B．小風扇利用風力發(fā)電，將電能轉化為機械能C．太陽能電池板是將光能轉化為電能D．太陽能電池板只能白天工作，風力發(fā)電機只能夜間工作2．(多選)針對圖中工廠煙囪向空中排放大量廢氣的現(xiàn)象，下列說法正確的是()A．排放廢氣不僅浪費能源，而且嚴重違反能量守恒定律B．排放廢氣引起能量的耗散，但并沒有違反能量守恒定律C．當前存在著環(huán)境惡化和能源短缺問題，所以必須加強廢氣排放等污染治理D．能量守恒定律揭示出了各種自然現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系與轉化3．[2023·江蘇徐州期中]位于浙江安吉的長龍山抽水蓄能電站全部機組投產(chǎn)發(fā)電．該項目是華東地區(qū)最大的抽水蓄能電站，主要承擔整個華東電網(wǎng)調(diào)峰、填谷的雙倍調(diào)峰功能．電站在電網(wǎng)用電低谷時將水抽到高處，在電網(wǎng)用電高峰時再利用水能發(fā)電，平均用4度谷電能換3度峰電．電站每年可生產(chǎn)清潔電能2.435×109kW·h.已知峰電價格0.50元，谷電價格0.30元．下列說法正確的是()A．水能是不可再生能源B．該電站產(chǎn)生的電能小于消耗的電能，從經(jīng)濟的角度沒有實際意義C．電站實現(xiàn)電能轉化為勢能儲存，需要時再轉化為電能，說明能量不僅數(shù)量上守恒，在可利用的品質(zhì)上也不變D．電站每年發(fā)電直接產(chǎn)生的經(jīng)濟效益約為2.435×104萬元4.如圖所示是我國古代的一種農(nóng)業(yè)機械，它叫做水碾，是利用水的動能來做功的裝置．當水沖擊下部水輪時，轉動的輪子會帶動上部的碾來碾米．假若每秒沖擊葉片的水量為10kg，水速從5m/s減小為1m/s，則水碾每秒從水流中獲得能量為多少？這些能量是否都被用來碾米？4．能源與可持續(xù)發(fā)展導學掌握必備知識一、1．轉化轉移轉化轉移保持不變2．普遍重要可靠二、1．不可逆2.收集3.降低4.方向三、1．(1)化石2．太陽能風能核能四、1．煤炭時期石油時期煤石油2．能源短缺環(huán)境惡化3．能量的耗散守恒情境思考答案：(1)√(2)×(3)×共研突破關鍵能力目標一提示：(1)太陽能→電能→機械能；(2)小電扇工作時消耗電能，有內(nèi)能損失，不可能全部轉化為機械能．[例1]解析：行駛中的汽車制動后滑行一段距離，最后停下來是由于受到摩擦力的緣故，即克服摩擦力做功，該過程中把機械能轉化為了內(nèi)能；流星在夜空中墜落并發(fā)出明亮的光焰，即其與空氣摩擦生熱，即把機械能轉化為了光能和熱能，其過程也是克服阻力做功；降落傘在空中勻速下降，該過程中，其動能不變，重力勢能減小，故機械能減小，即減小的機械能轉化為內(nèi)能，也是克服阻力做功；條形磁鐵在下落過程中穿過閉合線圈，線圈中產(chǎn)生電流，該過程是電磁感應現(xiàn)象，即將機械能轉化為電能，也是克服阻力做功的過程．據(jù)上面的分析不難看出，上述四個過程中均是克服阻力做功，均是消耗了機械能，即將機械能或轉化為內(nèi)能，或轉化為光能，或轉化為電能，即是把機械能轉化為其他形式能的過程．故選A、D.答案：AD[例2]解析：能量的耗散的過程中能量向品質(zhì)低的能量轉變，但是總的能量是守恒的，能量不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，但有方向性，故A、B錯誤，C正確；能量的耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性，機械能可以自發(fā)地轉化為內(nèi)能，但內(nèi)能不可能全部轉化為機械能而不引起其他變化，故D錯誤．答案：C[訓練1]解析：自然界一切自發(fā)過程都有方向性，如熱傳導，熱量總是由高溫物體自發(fā)地傳向低溫物體；又如擴散，氣體總是自發(fā)地由密度大的地方向密度小的地方擴散．在外界幫助下氣體可以由密度小的地方向密度大的地方擴散，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，電冰箱就是借助外界做功把熱量從低溫物體傳向高溫物體，故選B、D.答案：BD[訓練2]解析：充電時電能轉化為鋰電池的化學能，但不是全部轉化，A、B錯誤；汽車加速運動時鋰電池減少的化學能部分轉化為汽車動能，部分轉化為其他形式的能，C正確；汽車勻速運動時動能不變，鋰電池減少的化學能全部轉化為其他形式的能，D錯誤．答案：C目標二[例3]解析：能源的使用在任何情況下都不可能達到理想狀態(tài)，做到?jīng)]有任何損失，雖然遵從能量守恒定律，但它指的是損失部分和被利用部分總和與原來的能量總量相等，A錯誤，D正確；根據(jù)能量轉化的方向性可知，能量經(jīng)轉化后，可利用的能量只可能減少，不可能增加，因此節(jié)能的意義重大，同時，只有節(jié)能意識是不夠的，必須利用科技手段來提高能源的利用率，不斷開發(fā)新能源，以滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展的需要，B、C錯誤．答案：D[訓練3]解析：能源是有限的，比如常規(guī)能源，所以無節(jié)制地利用常規(guī)能源是一種盲目的短期行為，故A正確；能量都轉化為不能利用或不易利用的能源，所以這樣會減少可利用資源的數(shù)量，因此應該節(jié)約能源，故B錯誤；能源的開發(fā)和利用，必須同時考慮其對生態(tài)環(huán)境的影響，故C正確；不斷開發(fā)新能源是緩解能源危機加強環(huán)境保護的重要途徑也是根本途徑，故D正確．答案：ACD[訓練4]解析：設可節(jié)省的電能為E，則E＝8×6%×60×20×104kW·h＝5.76×106kW·h≈2.1×1013J，設1年內(nèi)節(jié)約的標準煤的質(zhì)量