2024-2025學(xué)年新教材高中物理第6章能源與可持續(xù)發(fā)展3珍惜大自然學(xué)案魯科版必修3

PAGE10-第3節(jié)珍惜大自然新課程標(biāo)準(zhǔn)學(xué)業(yè)質(zhì)量目標(biāo)1.知道能量轉(zhuǎn)化是有方向性的。2.相識環(huán)境污染的危害,了解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要性,具有環(huán)境愛護的意識和行為。合格性考試1.了解自然過程及能量轉(zhuǎn)化具有方向性,能在實際問題中解決相關(guān)問題。2.了解熵的概念。3.了解技術(shù)與社會及環(huán)境的關(guān)系。選擇性考試1.知道能量轉(zhuǎn)化的方向性,綜合應(yīng)用所學(xué)的物理學(xué)問解決實際問題。2.理解熵的概念,知道熵在能量轉(zhuǎn)化中的物理意義。3.知道科學(xué)技術(shù)對社會及環(huán)境的影響,具有愛護大自然環(huán)境的責(zé)任感。必備學(xué)問·自主學(xué)習(xí)一、自然過程的方向性冬天未安裝暖氣的室內(nèi),我們可以用如圖所示的電暖氣進行取暖,那么熱量是怎樣傳遞的?能否反向進行?提示:熱量從較高溫度的電暖氣傳向溫度較低的房間,這個過程不行以反向進行。1.能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性:(1)在大多數(shù)自發(fā)狀況下,能量最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,說明能量的轉(zhuǎn)化具有方向性。(2)內(nèi)能總是自動地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移,而不行能自動地、不引起任何變更地從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移。2.其次類永動機:從單一熱源中吸熱使之完全變成有用功而不產(chǎn)生其他影響。3.自然過程的方向性:自然界實際進行的與熱現(xiàn)象有關(guān)的一切宏觀過程都是有方向性的不行逆過程。機械能可以完全轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;反過來,內(nèi)能不行能自動地、并不引起任何變更地完全轉(zhuǎn)化為機械能。4.下列說法正確的是①④①內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為機械能。②能量不能創(chuàng)建,不能再生,能量只能進行轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移,但能量間的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移沒有方向。③熱機的效率可以達(dá)到100%。④其次類永動機是做不成的。二、熵與地球家園如圖所示是動畫片《小豬佩奇》中整理房間的片段,從熵值的角度而言,哪幅圖片的熵值大?熵值的大小代表了什么?提示:左邊的圖片熵值更大一些,熵值代表了無序程度,無序程度越大,熵值越大。1.熵的定義:處于不同狀態(tài)的物體,分子運動的無序程度也不一樣,為了描述這種差異,物理學(xué)中引入了熵。2.熵的作用:熵越高,就意味著系統(tǒng)越無序;熵越低,就意味著系統(tǒng)越有序。3.能量中熵的含義:熵增加就意味著無效能量的增加,有效能量的削減。(1)熱傳遞過程具有方向性。 (√)(2)熱量可以自發(fā)地從內(nèi)能大的物體轉(zhuǎn)移到內(nèi)能小的物體。 (×)(3)內(nèi)能可以自發(fā)地轉(zhuǎn)化為機械能。 (×)(4)其次類永動機違反了能量守恒定律。 (×)(5)熵值越大代表著越有序。 (×)(6)孤立系統(tǒng)的總熵可能增大,也可能減小。 (×)關(guān)鍵實力·合作學(xué)習(xí)學(xué)問點一自然過程的方向性1.關(guān)于方向性的理解:(1)機械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性:機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能不能全部轉(zhuǎn)化為機械能而不引起其他變更。機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能不須要特定的裝置,而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機械能卻很困難。機械能內(nèi)能(2)熱傳遞的方向性:內(nèi)能總是自發(fā)地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移,而不能自發(fā)地從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移。高溫物體低溫物體2.對于“自發(fā)”的理解:(1)“自發(fā)”是指不須要任何第三者的介入、不會對任何第三者產(chǎn)生任何影響,也就是指沒有任何外界的影響或幫助。熱量會從高溫物體傳向低溫物體,這就是“自發(fā)”的方向。(2)機械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,這個過程是“自發(fā)”的方向,但相反的過程不行能自發(fā)地進行而不引起任何變更。3.熱機的效率:任何熱機都不行能把從高溫?zé)嵩醇橙〉臒崃咳坑脕韺ν庾龉?總要向低溫?zé)嵩捶懦鲆徊糠譄崃?因此熱機的效率肯定小于100%。夏天利用空調(diào)可以將熱量從溫度較低的室內(nèi)傳遞到溫度較高的室外,這與自然過程的方向性存在沖突嗎?提示:不沖突,空調(diào)制冷的過程中消耗肯定的電能,并不是自發(fā)進行的,故不違反自然過程的方向性原理?！镜淅?多選)關(guān)于自然過程的方向性,下列說法中正確的是 ()A.不行能從單一熱源汲取熱量并把它全部用來做功,而不引起其他變更B.沒有冷凝器,只有單一的熱源,能將從單一熱源汲取的熱量全部用來做功,而不引起其他變更的熱機是可以實現(xiàn)的C.制冷系統(tǒng)將冰箱里的熱量傳給外界較高溫度的空氣中,而不引起其他變更D.不行能把熱量從低溫物體傳遞到高溫物體,而不引起其他變更【解析】選A、D。熱力學(xué)其次定律的開爾文表述:不行能從單一熱源吸取熱量,使之完全變?yōu)橛杏霉Χ灰鹌渌兏?A選項正確,B選項錯誤;熱傳遞過程也具有方向性,熱量能自發(fā)地從高溫物體傳到低溫物體,但是熱量要從低溫物體傳到高溫物體,必定要引起其他變更(外界對系統(tǒng)做功),故C選項錯誤,D選項正確。能量轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化中的幾點留意事項(1)自發(fā)進行的能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化都具有方向性。(2)能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化可以逆向進行,但不是自發(fā),須要引起其他變更(外界協(xié)助進行)。(3)熱機的效率總要小于100%。1.(多選)關(guān)于熱傳遞的方向性,下列說法正確的是 ()A.熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體B.熱量能自發(fā)地由低溫物體傳給高溫物體C.在肯定條件下,熱量也可以從低溫物體傳給高溫物體D.熱量肯定不行能從低溫物體傳給高溫物體【解析】選A、C。在有外力做功的狀況下,熱量可以從低溫物體傳給高溫物體,而熱量能自發(fā)地由高溫物體傳給低溫物體,故A、C正確,B、D錯誤。2.下列哪些物理過程是可逆的 ()A.在一絕熱容器內(nèi)盛有液體,通過不停地攪動使液體的溫度上升B.在一個傳熱的容器內(nèi)盛有液體,容器放在一恒溫的大水池內(nèi),不停地攪動液體,但液體的溫度不變C.用一根不行伸長的細(xì)輕繩懸掛一個小球,上端固定,把小球拉離平衡位置由靜止釋放(不計阻力),小球會搖擺D.在一絕熱容器內(nèi),不同溫度的氣體進行混合【解析】選C。在A、B、D所述的三個過程中,都涉及了熱現(xiàn)象,即A中是通過做功使機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,B中是通過做功使機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能及“熱傳導(dǎo)”,D中是“熱傳導(dǎo)”,全部過程都不行逆,對于C中的過程,只涉及動能與勢能的轉(zhuǎn)化,不涉及熱現(xiàn)象,此過程是可逆的?！炯庸逃?xùn)練】關(guān)于能量耗散,下列說法中正確的是 ()A.能量耗散是指在肯定條件下,能量在轉(zhuǎn)化過程中總量削減了B.能量耗散表明能量守恒定律具有肯定的局限性C.能量耗散表明在能源的利用過程中,能量在數(shù)量上越來越少D.能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中宏觀過程的方向性【解析】選D。能量耗散的過程是能量向品質(zhì)低的大氣內(nèi)能轉(zhuǎn)變的過程,但是總的能量是守恒的,能量不能憑空產(chǎn)生,也不能憑空消逝,故A、B錯誤;能量耗散表明在能源的利用過程中,能量在數(shù)量上雖未削減,但是在可利用的品質(zhì)上降低了,故C錯誤;宏觀自然過程自發(fā)進行時有其方向性,能量耗散就是從能量的角度反映了這種方向性,故D正確。學(xué)問點二熵的含義1.熵的含義:(1)熵是反映系統(tǒng)無序程度的物理量,系統(tǒng)越混亂,無序程度越大,這個系統(tǒng)的熵就越大。(2)在任何自然過程中,一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小,假如過程可逆,則熵不變;假如過程不行逆,則熵增加。2.對熵增加的理解:熵值越大代表著越無序,所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序程度更大的方向發(fā)展。3.熵和系統(tǒng)內(nèi)能一樣都是一個狀態(tài)函數(shù),僅由系統(tǒng)的狀態(tài)確定。從分子運動論的觀點來看,熵是分子熱運動無序(混亂)程度的定量量度。4.熵的增加意味著無效能量的增加。交通與工業(yè)廢氣及噪聲對環(huán)境的污染;工業(yè)和生活垃圾、廢水對環(huán)境的污染;交通擁擠和堵塞造成的道路混亂。以上現(xiàn)象中的熵是怎么變更的?提示:熵增加。系統(tǒng)越混亂,無序程度越大,這個系統(tǒng)的熵就越大。【典例】(多選)在下列敘述中,正確的是 ()A.熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度B.對孤立系統(tǒng)而言,一個自發(fā)的過程中熵總是向削減的方向進行C.熵值越大,表明系統(tǒng)內(nèi)分子運動越無序D.能量耗散說明能量在不斷減小【解析】選A、C。熵是物體內(nèi)分子運動無序程度的量度,系統(tǒng)內(nèi)分子運動越無序,熵值越大,故A、C正確;對孤立系統(tǒng)而言,一個自發(fā)的過程中熵總是向增加的方向進行,故B錯誤;能量耗散是指能量的可利用率越來越低,但能量仍舊是守恒的,故D錯誤。熵的幾點留意事項(1)熵是表示一個體系自由度的物理量。熵越大,表示在這個體系下的自由度越大,可能達(dá)到的狀態(tài)越多。(2)熵不是守恒的量,在孤立系統(tǒng)中經(jīng)過一個不行逆過程,熵總是增加的。(3)熵變更的過程中,能量必定是守恒的。(4)一個孤立系統(tǒng)的自然可逆過程中,總熵不變。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,這說明白 ()A.熱量能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體B.在肯定條件下,熱量可以從低溫物體傳給高溫物體C.熱量的傳導(dǎo)過程不具有方向性D.在自發(fā)的條件下熱量的傳導(dǎo)過程具有方向性【解析】選B、D。一切自發(fā)過程都有方向性,如熱傳導(dǎo),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——冷凍食品傳向高溫物體——四周的大氣。所以在回答熱力學(xué)過程的方向性問題時,要區(qū)分是自發(fā)過程還是非自發(fā)過程,電冰箱內(nèi)熱量傳遞的過程是有外界參加的,故B、D正確,A、C錯誤。2.下列說法中正確的是 ()A.一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性B.一切不違反能量守恒與轉(zhuǎn)化定律的物理過程都是可以實現(xiàn)的C.假如沒有外界的干擾,系統(tǒng)的熵總是減小的,直到減小到零為止D.一切物理過程都不行能自發(fā)地進行【解析】選A。一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有熱量的損失,而熱量損失具有方向性,故一切涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性,A項正確;不違反能量守恒與轉(zhuǎn)化定律,違反熵增加原理,該物理過程也是不行能實現(xiàn)的,B項錯誤;假如沒有外界的干擾,系統(tǒng)的熵總是增加的,C項錯誤;許多物理過程都可以自發(fā)地進行,如自由落體過程等,故D項錯誤?！炯庸逃?xùn)練】1.(多選)對于孤立系統(tǒng)中發(fā)生的實際過程,下列說法中正確的是 ()A.系統(tǒng)的總熵只能增大,不行能減小B.系統(tǒng)的總熵可能增大,可能不變,還可能減小C.系統(tǒng)漸漸從比較有序的狀態(tài)向更無序的狀態(tài)發(fā)展D.系統(tǒng)漸漸從比較無序的狀態(tài)向更加有序的狀態(tài)發(fā)展【解析】選A、C。依據(jù)熵增加原理,一個孤立系統(tǒng)發(fā)生的實際過程,總熵只能增大,A正確,B錯誤;再依據(jù)熵的物理意義,它量度系統(tǒng)的無序程度,熵越大,無序程度越大,故C正確,D錯誤。2.已知一個系統(tǒng)的兩個宏觀態(tài)甲、乙,及對應(yīng)微觀態(tài)的個數(shù)分別為較少、較多,則下列關(guān)于對兩個宏觀態(tài)的描述及過程自發(fā)的可能方向的說法中正確的是 ()A.甲比較有序,乙比較無序,甲→乙B.甲比較無序,乙比較有序,甲→乙C.甲比較有序,乙比較無序,乙→甲D.甲比較無序,乙比較有序,乙→甲【解析】選A。一個宏觀態(tài)對應(yīng)微觀態(tài)的多少標(biāo)記了宏觀態(tài)的無序程度,從中還可以推知系統(tǒng)自發(fā)的方向,微觀態(tài)數(shù)目越多,表示越無序,一切自然過程總沿著無序性增大的方向進行,故A正確,B、C、D錯誤?！就卣估}】考查內(nèi)容:對熱力學(xué)定律的考查【典例】關(guān)于熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律,下列論述正確的是 ()A.熱力學(xué)第肯定律指出內(nèi)能可以與其他形式的能相互轉(zhuǎn)化,而熱力學(xué)其次定律則指出內(nèi)能不行能完全轉(zhuǎn)化為其他形式的能,故這兩條定律是相互沖突的B.內(nèi)能可以全部轉(zhuǎn)化為其他形式的能,只是會產(chǎn)生其他影響,故兩條定律并不沖突C.兩條定律都是有關(guān)能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律,它們不但不沖突,而且沒有本質(zhì)區(qū)分D.其實,能量守恒定律已經(jīng)包含了熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律【解析】選B。熱力學(xué)第肯定律和熱力學(xué)其次定律并不沖突,對于機械能和內(nèi)能的轉(zhuǎn)化所具有的方向性也是存在的,熱力學(xué)第肯定律是能量守恒定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)的詳細(xì)體現(xiàn),故B正確,A、C、D錯誤。情境·模型·素養(yǎng)如圖所示是濟南市某社區(qū)的垃圾智能分類亭,其通過智能化、便利化的手段,用干脆返現(xiàn)的方式,吸引居民主動參加生活垃圾分類。探究:(1)垃圾分類的意義有哪些?(2)可回收垃圾如何實現(xiàn)節(jié)約能源?【解析】(1)垃圾分類可以削減土地侵蝕、削減污染、變廢為寶等。(2)回收可回收垃圾可降低生產(chǎn)時運用的能源,以玻璃為例,利用碎玻璃再生產(chǎn)玻璃,可節(jié)能10%到30%。答案:見解析近幾年國家為做好生態(tài)環(huán)境治理和大氣污染防治工作,打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”。在農(nóng)村通過補貼主動推動“清潔煤”與自然氣進鄉(xiāng)村等政策。探究:(1)查閱資料說明清潔煤和散煤有哪些不同呢?(2)清潔煤與自然氣相比哪種燃料更加環(huán)保?【解析】(1)清潔煤由傳統(tǒng)煤炭經(jīng)過脫硫、脫硝、除塵加工后制成,具有環(huán)保、干凈、污染排放小等特點,包括清潔型煤、無煙煤、蘭煤等。相比一般煤炭,清潔煤更加易燃、起火更快、熱值更高。(2)自然氣更加環(huán)保,自然氣是一種干凈環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源,幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì),燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳少于其他化石燃料,造成溫室效應(yīng)較低,因而能從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。答案:見解析課堂檢測·素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.(教材二次開發(fā)·P165【節(jié)練習(xí)】T1變式)(多選)下列成語包含的過程與擴散現(xiàn)象類似的有哪些()A.破鏡重圓 B.高山流水C.芳香四溢 D.覆水難收【解析】選B、C、D。擴散現(xiàn)象是自然界中不行逆的過程,其過程中熵是增加的,破鏡重圓不能自發(fā)進行,故選項B、C、D正確,A錯誤。2.(多選)足球運動員在競賽中摔倒造成粉碎性骨折,關(guān)于這一過程下列說法正確的是 ()A.此過程是一個可逆過程B.此過程是一個不行逆過程C.此過程中熵增加D.此過程中熵削減【解析】選B、C。由于完好的骨頭形態(tài)確定,故完好的骨頭所處的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)較少,熵小,較為有序。發(fā)生粉碎性骨折后,其所處的宏觀態(tài)對應(yīng)的微觀態(tài)較多,熵大,較為無序,故在這一過程中熵增加,且此過程不行逆。故B、C正確,A、D錯誤?！炯庸逃?xùn)練】(多選)下面關(guān)于熵的理解正確的是 ()A.對于任何過程,熵總是增加的B.熵越大,就意味著系統(tǒng)越混亂、越分散C.氣體向真空擴散時,熵值減小D.熵較大的宏觀態(tài)就是無序程度較大的宏觀態(tài)【解析】選B、D。假如一個系統(tǒng)不孤立,系統(tǒng)的熵可能增加,也可能減小,所以A錯;一個宏觀態(tài)所對應(yīng)的微觀態(tài)數(shù)目越多,熵值就越大,也就越無序,就是系統(tǒng)越混亂、越分散,所以B、D都對;氣體向真空擴散時,無序程度增大,所以熵值增大,所以C錯。3.下列說法正確的是 ()A.在不久的將來人們肯定可以制造出永動機B.太陽照耀到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量,但照耀到宇宙空間的能量都消逝了C.“既要馬兒跑,又讓馬兒不吃草”違反了能量守恒定律,因而是不行能的D.有種“全自動”手表,不用上發(fā)條,也不用任何形式的電源,卻能始終走動,說明能量可以憑空產(chǎn)生【解析】選C。永動機是指不消耗或少消耗能量,而可以大量對外做功的裝置,這種裝置違反了能量守恒定律,所以永動機是恒久不行能制成的,A錯誤;太陽輻射大量的能量,地球只汲取了極少的一部分,使萬物生長,但輻射到宇宙空間的能量也沒有消逝,而是轉(zhuǎn)化成了別的能量,B錯誤;馬和其他動物,包括人,要運動,必需消耗能量,C正確;所謂“全自動”手表,內(nèi)部還是有能量轉(zhuǎn)扮裝置的,一般是一個擺錘,當(dāng)人戴著手表活動時,使擺錘不停搖擺,給游絲彈簧補充能量,才會維持手表的運行,假如把這種手表放在桌面上靜置幾天,它肯定會停止走動的,D錯誤。4.低碳生活是一種綠色而又環(huán)保的新型生活方式,日常生活留意節(jié)電、節(jié)油、節(jié)氣、節(jié)水,從點滴做起,愛護環(huán)境,愛護地球。下列關(guān)于能源與能量理解正確的是 ()A.能量是守恒的,沒有必要提倡節(jié)約能源B.能量耗散表明自然界的能量在利用過程中正在不斷地消逝C.自然界中石油、煤炭等能源取之不盡,用之不竭,只需不斷開發(fā)D.人類應(yīng)主動開發(fā)與利用風(fēng)能、太陽能、潮汐能等能再生的新能源【