第5章　第2節(jié)　能源的利用方式 第3節(jié)　能量的轉(zhuǎn)化與守恒 第4節(jié)　能源與環(huán)境-高中物理 必修第3冊(cè)(配粵教版)

第二節(jié)能源的利用方式第三節(jié)能量的轉(zhuǎn)化與守恒第四節(jié)能源與環(huán)境[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念知道能量有多種形式，知道能量守恒定律，但轉(zhuǎn)化是有方向性的，了解熵的概念及意義，能解釋相關(guān)自然現(xiàn)象科學(xué)思維能對(duì)能源的使用和環(huán)境保護(hù)提出自己的觀點(diǎn)，能作出有依據(jù)的推理，能用能量守恒、能量轉(zhuǎn)化方向性相關(guān)的證據(jù)證明自己關(guān)于環(huán)境保護(hù)的觀點(diǎn)，能提出有創(chuàng)意的改進(jìn)建議科學(xué)探究能通過(guò)上網(wǎng)查詢，提出如何保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源的問(wèn)題，能完成與能源和可持續(xù)發(fā)展相關(guān)的調(diào)研報(bào)告并進(jìn)行交流科學(xué)態(tài)度與責(zé)任知道物理學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自然的方式之一，能主動(dòng)關(guān)心能源與可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題，具有力所能及的節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的自覺行為知識(shí)點(diǎn)一能源的利用方式1．化石能源包括：石油、煤炭、天然氣等。2．新能源包括：水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等。此外，還有生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能、氫能、可燃冰等能源。知識(shí)點(diǎn)二能量的轉(zhuǎn)化與守恒1．各種各樣的能量能量形式含義示例機(jī)械能機(jī)械能是與物體的運(yùn)動(dòng)或位置高度、形變相關(guān)的能量，可以表現(xiàn)為動(dòng)能，也可以表現(xiàn)為勢(shì)能行駛的汽車、被拉開的弓、聲音等內(nèi)能物質(zhì)中分子的動(dòng)能和勢(shì)能總和自然界的一切物質(zhì)電能電能是與電有關(guān)的能量工作中的發(fā)電機(jī)、電池等電磁能電磁場(chǎng)所具有的能量無(wú)線電波、可見光、紫外線、紅外線等核能通過(guò)核反應(yīng)(裂變或聚變)由原子核釋放的能量原子彈、氫彈等化學(xué)能發(fā)生化學(xué)變化時(shí)釋放出來(lái)的能量石油、煤、天然氣等2．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移(1)太陽(yáng)能是地球上最主要的能量源泉。(2)能量的存在形式多種多樣，而且不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化。能量在被利用的過(guò)程中，可利用的效率不斷下降。3．能量守恒：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到別的物體；在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中其總量不變。4．能量轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)移)的方向性：在自然界的一切自發(fā)過(guò)程中，能量的轉(zhuǎn)化(轉(zhuǎn)移)都是有方向性的，但都不違反能量守恒定律。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的規(guī)律之一，物體間可以發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移，但總能量不變，任何事物都不可能違背能量守恒定律。思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)能量是守恒的，既不會(huì)增加，也不會(huì)減少。 (√)(2)由能量守恒定律可知，能量是取之不盡用之不竭的，不必要節(jié)約能源。 (×)知識(shí)點(diǎn)三能源與環(huán)境1．可再生能源和不可再生能源(1)煤、石油、天然氣等在短期內(nèi)不可以再次得到，一旦利用了就很難或者不能再次得到的能源，稱為不可再生能源。(2)水能、風(fēng)能、潮汐能能夠在短期內(nèi)重新形成的或者循環(huán)利用的能源，稱為可再生能源。2．能源與環(huán)境能源開發(fā)對(duì)環(huán)境的影響(1)對(duì)大氣環(huán)境的影響。(2)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。(3)對(duì)居住環(huán)境的影響。3．環(huán)境保護(hù)的三個(gè)主要方面(1)防治生產(chǎn)和生活的污染。(2)防止建設(shè)和開發(fā)的破壞。(3)保護(hù)自然環(huán)境。考點(diǎn)1能量守恒定律的應(yīng)用(1)如圖是小型汽油機(jī)模型，汽油機(jī)在工作過(guò)程中能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？(2)內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)可以把內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能嗎？提示：(1)汽油燃燒時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，汽油釋放出來(lái)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為飛輪的機(jī)械能。(2)不能，因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)工作時(shí)總有內(nèi)能損失，不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。1．能量的形式(1)含義：一個(gè)物體能夠?qū)ν庾龉Γ覀兙驼f(shuō)這個(gè)物體具有能量，又如流動(dòng)的河水、被壓縮的彈簧、高溫高壓的氣體……都能對(duì)外做功，因此這些物體都具有能量，流動(dòng)的河水和被壓縮的彈簧具有機(jī)械能、高溫高壓的氣體具有內(nèi)能。(2)能量的轉(zhuǎn)化與能量的轉(zhuǎn)移：各種不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，而且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中總量保持不變，也就是說(shuō)當(dāng)某個(gè)物體的能量減少時(shí)，一定存在其他物體的能量增加。(3)功是能量轉(zhuǎn)化的量度：不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化是通過(guò)做功實(shí)現(xiàn)的，做功的過(guò)程就是各種形式的能量轉(zhuǎn)化的過(guò)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(或轉(zhuǎn)移)的量度。2．能量守恒定律的表達(dá)式(1)E初＝E終。(2)ΔE增＝ΔE減。3．自然界中的宏觀現(xiàn)象具有方向性(1)能量耗散：燃料燃燒時(shí)一旦把自己的熱量釋放出去，就不會(huì)再次自動(dòng)聚集起來(lái)供人類重新利用。(2)能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的自發(fā)變化過(guò)程具有方向性。(3)能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量總量的減少，卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，它實(shí)際上是將能量從高度有用的高品質(zhì)降級(jí)為不大可用的低品質(zhì)形式?！镜淅?】如圖a、b是某類潮汐發(fā)電示意圖。漲潮時(shí)開閘，水由通道進(jìn)入海灣水庫(kù)蓄水，待水面升至最高點(diǎn)時(shí)關(guān)閉閘門(見圖a)。當(dāng)落潮時(shí)，開閘放水發(fā)電(見圖b)。設(shè)海灣水庫(kù)面積為5.0×108m2，平均潮差為3.0m，一天漲落潮兩次，發(fā)電的平均能量轉(zhuǎn)化率為10%，則一天內(nèi)發(fā)電的平均功率約為(ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg)()圖a圖bA．2.6×104kW B．5.2×104kWC．2.6×105kW D．5.2×105kW[思路點(diǎn)撥]先求出重力勢(shì)能的變化，再分析轉(zhuǎn)變成了多少電能，最后根據(jù)平均功率的定義求出。B[利用潮汐發(fā)電，就是水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，水能轉(zhuǎn)化電能的效率是10%，一次漲潮、退潮后水壩內(nèi)水的勢(shì)能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh為水的重心下降的高度，即：Δh＝eq\f(3,2)m，則水的勢(shì)能可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽篧電＝W水×10%＝1.0×103kg/m3×5.0×108m2×3.0m×10N/kg×1.5m×0.1＝2.25×1012J。每天兩次漲潮，則該發(fā)電站一天能發(fā)電4.5×1012J，所以每天的平均功率為P＝eq\f(W電,t)＝5.2×104kW，故B項(xiàng)正確。]運(yùn)用能量守恒定律解題的基本思路[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．市面上出售一種裝有太陽(yáng)能電扇的帽子(如圖所示)。在陽(yáng)光的照射下，小電扇快速轉(zhuǎn)動(dòng)，能給炎熱的夏季帶來(lái)一絲涼爽。該裝置的能量轉(zhuǎn)化情況是()A．太陽(yáng)能→電能→機(jī)械能B．太陽(yáng)能→機(jī)械能→電能C．電能→太陽(yáng)能→機(jī)械能D．機(jī)械能→太陽(yáng)能→電能A[電池板中太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，小電動(dòng)機(jī)中電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，故A項(xiàng)正確。]考點(diǎn)2能源的分類與應(yīng)用在能量守恒定律提出之后，人們認(rèn)識(shí)到能量不可能憑空產(chǎn)生，但也不會(huì)消失，于是有人設(shè)計(jì)了這樣一種裝置：該裝置可以從海水或者空氣中收集熱能，并將這些內(nèi)能作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)永動(dòng)的目的。這種設(shè)備可以做出來(lái)嗎？提示：不能。因?yàn)槟芰康霓D(zhuǎn)化具有方向性，熱量一旦釋放出去，就不會(huì)再自動(dòng)聚集起來(lái)供人類重新使用了。1．地球上的絕大部分能源來(lái)源于太陽(yáng)的輻射能2．能源的分類能源分類方法能源分類名稱特點(diǎn)舉例按是否可再生可再生能源可循環(huán)使用、不斷補(bǔ)充水能、風(fēng)能、潮汐能不可再生能源短期內(nèi)無(wú)法轉(zhuǎn)換獲得煤、石油、天然氣按對(duì)環(huán)境污染情況清潔能源對(duì)環(huán)境基本沒有污染太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能污染能源會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境煤、石油、天然氣3．能源和環(huán)境污染(1)溫室效應(yīng)：石油、煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量，由于二氧化碳對(duì)長(zhǎng)波的輻射有強(qiáng)烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一樣，只準(zhǔn)太陽(yáng)光的熱輻射進(jìn)來(lái)，不讓室內(nèi)長(zhǎng)波熱輻射出去，使地球氣溫上升，這種效應(yīng)叫溫室效應(yīng)。(2)酸雨：酸雨是指pH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(xué)煙霧：內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)的高溫使空氣和燃料中的多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氮氧化合物和碳?xì)浠衔铩＿@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(xué)煙霧。這些物質(zhì)有毒，能引起人的多種疾病?！镜淅?】(多選)可燃冰是一種藏在深海海底的新型能源，我國(guó)的海域“可燃冰”試采已經(jīng)成功。1m3可燃冰可轉(zhuǎn)化為164m3的天然氣和0.8m3的水，下列關(guān)于可燃冰說(shuō)法正確的是()A．“可燃冰”是不可再生能源B．“可燃冰”屬于可再生能源C．1m3可燃冰比0.8m3的水質(zhì)量小D．相同體積的可燃冰和天然氣完全燃燒后，可燃冰釋放的熱量多AD[可燃冰是一次能源，屬于不可再生能源，故A正確，B錯(cuò)誤；1m3可燃冰可轉(zhuǎn)化為164m3的天然氣和0.8m3的水；故C錯(cuò)誤，D正確。故選A、D。][跟進(jìn)訓(xùn)練]2．(多選)CO2氣體有個(gè)“怪脾氣”，它幾乎不吸收太陽(yáng)的短波輻射，大氣中CO2濃度增加能使地表溫度因受太陽(yáng)的輻射而上升；另外，它還有強(qiáng)烈吸收地面紅外熱輻射的作用，阻礙了地球周圍的熱量向外層空間的排放，使整個(gè)地球就像一個(gè)大溫室一樣，因此，大氣中二氧化碳?xì)怏w濃度的急劇增加會(huì)導(dǎo)致氣溫的逐步上升，使全球氣候變暖。為了減緩大氣中CO2濃度的增加，以下措施中可行且有效的是()A．禁止使用煤、石油和天然氣B．開發(fā)使用核能、太陽(yáng)能C．將汽車燃料由汽油改為液化石油氣D．植樹造林BD[可行且行之有效的措施是開發(fā)新能源以便減少對(duì)常規(guī)能源的利用，減少CO2的排放；植樹造林可以吸收空氣中的CO2，所以選項(xiàng)B、D正確。選項(xiàng)A、C措施雖然有效，但并不可行。]1．如圖所示是流星在夜空中發(fā)出明亮的光焰。此時(shí)會(huì)有人在內(nèi)心里許下一個(gè)美好的愿望。有些流星是外太空物體被地球強(qiáng)大引力吸引墜落到地面的過(guò)程中同空氣發(fā)生劇烈摩擦造成的。下列相關(guān)說(shuō)法正確的是()A．流星同空氣摩擦?xí)r機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B．引力對(duì)流星做正功則其動(dòng)能增加，機(jī)械能守恒C．當(dāng)流星的速度方向與空氣阻力和重力的合力不在同一直線上時(shí)，流星做曲線運(yùn)動(dòng)D．流星物體進(jìn)入大氣層后做斜拋運(yùn)動(dòng)C[流星同空氣摩擦?xí)r只有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，A錯(cuò)誤；引力對(duì)流星做正功，除了重力之外還有其他力做功，機(jī)械能不守恒，B錯(cuò)誤；當(dāng)流星的速度方向與空氣阻力和重力的合力不在同一直線上時(shí)，流星做曲線運(yùn)動(dòng)，C正確，D錯(cuò)誤。]2．目前，共享單車作為綠色出行的交通工具，受到廣大市民的歡迎。甲、乙兩種共享單車都采用了電子鎖，車鎖內(nèi)集成了GPS模塊與聯(lián)網(wǎng)模塊等，這些模塊工作時(shí)需要電能。這兩種共享單車采用了不同的方式獲取電能：甲車靠小型發(fā)電機(jī)——踩動(dòng)單車時(shí)，線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電能，如圖1所示；乙車靠車筐底部的太陽(yáng)能電池板——有光照時(shí)，產(chǎn)生電能，如圖2所示。這兩種共享單車獲取電能時(shí)，都是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。關(guān)于它們的能量轉(zhuǎn)化，下列說(shuō)法中正確的是()圖1圖2A．都是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能B．都是把光能轉(zhuǎn)化為電能C．甲車把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，乙車把光能轉(zhuǎn)化為電能D．甲車把光能轉(zhuǎn)化為電能，乙車把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能C[甲車靠小型發(fā)電機(jī)——踩動(dòng)單車時(shí)，線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生電能，故是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；乙車靠車筐底部的太陽(yáng)能電池板——有光照時(shí)，產(chǎn)生電能，故是光能轉(zhuǎn)化為電能，故C項(xiàng)正確。]3．風(fēng)能是清潔能源，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)走在世界的前列。某公司獨(dú)立研發(fā)并制造的SL5000風(fēng)力發(fā)電機(jī)，單機(jī)設(shè)計(jì)功率為5000kW，葉片長(zhǎng)度為64m，已知空氣的密度為1.29kg/m3，如果該風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率約為20%，則該風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，風(fēng)速值應(yīng)接近()A．8m/s B．10m/sC．15m/s D．20m/sC[以葉片長(zhǎng)l＝64m為半徑的圓面積S＝πl(wèi)2，在時(shí)間t內(nèi)通過(guò)葉片所在圓區(qū)域的空氣柱長(zhǎng)度x＝vt，該柱形體積內(nèi)風(fēng)的動(dòng)能為Ek＝eq\f(1,2)ρSxv2＝eq\f(1,2)ρπl(wèi)2vtv2＝eq\f(1,2)ρπl(wèi)2v3t，功率公式P＝eq\f(ηEk,t)，則該風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率P的數(shù)學(xué)表達(dá)式為P＝eq\f(1,2)ηρπl(wèi)2v3，代入數(shù)據(jù)得v≈14.4m/s，故C項(xiàng)正確。]4．(新情境題，以“新能源”為背景，考查能量守恒定律)氫氣是一種清潔能源，它燃燒后只生成水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，某同學(xué)設(shè)想了一個(gè)利用氫能的方案，如圖是它的示意圖，請(qǐng)你判斷這一方案的可行性，并說(shuō)明理由。判斷：________(選填“可行”或“不可行”)，理由：________________________________________________________________________________