高中物理 4.6 能源的开发与利用课件 教科版必修2.ppt

6能源的开发与利用 1 知道自然界中存在多种形式的能量 2 能举例说明能源与人类生存和社会发展的关系 让学生了解能源对社会 经济发展的影响 3 通过新能源和常规燃料对比 了解新能源的优点 一 能量守恒定律 内容 能量既不会凭空 也不会凭空 它只能从一种形式为另一种形式 或者从一个物体到另一个物体 在转化或转移的过程中其总量 历史上 科学家们一直在研究各种不同的自然现象之间能量变化的普遍联系 其中包括力与热 电与热 电与磁等联系 直到1847年德国物理学家在理论上概括和总结了能量守恒定律 产生 消失 转化 转移 保持不变 亥姆霍兹 二 能源的利用 人类对能源的利用大致经历了三个时期 即时期 时期 时期 自工业革命以来 和成为人类的主要能源 和已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题 三 新能源的开发 目前 正在开发的新能源有 及等 新能源的优点 新能源多为能源 且污染 被称为 柴草 煤炭 石油 煤 石油 能源短缺 环境恶化 风能 海洋能 太阳能 地热能 氢能 生物质能 核聚变能 可再生 较小 清洁能源 一 对能量转化与守恒定律的理解 对能量概念的理解 1 形式 能量有各种不同的形式 运动的物体具有动能 被举高的重物具有重力势能 发生弹性形变的物体具有弹性势能 另外还有内能 化学能 电能 光能 太阳能 风能 潮汐能 原子能等不同形式的能 2 能量的转化 各种不同形式的能量可以相互转化 且转化过程中总量保持不变 也就是说当某个物体能量减少多少时 一定存在其他物体能量增加多少 3 功是能量转化的量度 不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的 做功的过程就是各种形式的能量之间转化 或转移 的过程 且做了多少功 就有多少能量发生转化 或转移 因此 功是能量转化的量度 能量的具体值往往无多大意义 我们关心的大多是能量的变化量 能量的变化必须通过做功才能实现 某种力做功往往与某一具体的能量变化相联系 即所谓功能关系 能量守恒定律的理解 1 对能量守恒定律的理解要抓住三个要点 自然界存在着多种形式的能量 在一定条件下 各种形式的能量可以相互转化和转移 在能量转化和转移的过程中 能量的总量保持不变 2 能量守恒定律的重要意义 能量守恒定律是普遍适用的 对宏观世界 微观世界 高速运动 低速运动等都成立 能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系 能量守恒定律是人类认识自然的重要依据 1933年意大利科学家费米 在研究 衰变的过程中发现 能量不守恒 于是他根据能量守恒定律大胆预言了还有一种未发现的粒子 这就是现在已被科学家公认的中微子 这一事例说明了能量守恒定律 已成为人类认识自然的重要依据 能量守恒定律是人类利用自然的重要武器 二 能源的开发与利用正确理解能源和能量耗散 1 能量尽管是守恒的 但不同形式的能量在可利用的品质上是不同的 有的能量便于利用 有的能量不便于利用 能量的利用过程使能量从便于利用的形式变为难以利用的形式 所以要节约能源 2 为什么煤 石油和天然气被人们称为非再生能源 由于煤 石油和天然气都是几亿年以前的生物遗体形成的 所以人们也称它们为化石燃料 由于这些能源是不能再次生产 也不可能重复使用的 所以称为非再生能源 3 人类利用能源的过程及新能源的开发和利用 人类利用能源大致经历的三个时期是 柴草时期 煤炭时期 石油时期 有待开发和利用的新能源主要指 太阳能 地热能 风能 水能 核能 4 人类与能源的关系 能源的利用给人类的生活带来了极大的改善 人类社会每一次重大的经济飞跃和产业革命 都与新的能源和动力装置的利用密切相关 能源消耗的多少已经成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志 所以说人类离不开能源 另一方面能源的大量使用会给环境带来极大的破坏 例如人类在利用化石燃料的过程中产生的烟尘 污染大气 造成酸雨和温室效应 对人类造成危害 5 自然界中自发的能量的转化和转移具有方向性 热量可以自发地由高温物体传递给低温物体 但不能自发地由低温物体传给高温物体 冒起的煤烟和散开的炭灰不可能又重新组合成一堆煤炭 散失到周围环境中的内能不能回收重新利用 能量守恒定律 典例1 一颗子弹以某一水平速度击中了静止在光滑水平面上的木块 并从中穿出 对于这一过程 下列说法正确的是 a 子弹减少的机械能等于木块增加的机械能b 子弹和木块组成的系统机械能的损失量等于系统产生的热量 c 子弹减少的机械能等于木块增加的动能与木块增加的内能之和d 子弹减少的动能等于木块增加的动能与子弹和木块增加的内能之和解析子弹射穿木块的过程中 由于相互间摩擦力的作用使得子弹的动能减少 木块获得动能 同时产生热量 且系统产生的热量在数值上等于系统机械能的损失 a选项没有考虑系统增加的内能 c选项中应考虑的是系统 子弹 木块 内能的增加 c错 答案bd 变式1 自由摆动的秋千摆动幅度越来越小 下列说法正确的是 a 机械能守恒b 能量正在消失c 只有动能和重力势能的相互转化d 减少的机械能转化为内能 但总能量守恒解析自由摆动的秋千摆动幅度越来越小 说明机械能减少 摩擦阻力对秋千做负功 使减少的机械能转化为内能 正确选项为d 答案d 能量转化问题分析 典例2 某高度处每吨水记作m 相对发电机具有势能e0 落下来经过发电机后 还具有动能e 不计其他能量损失 一昼夜时间记作t0 通过发电机的水流量为q q为每秒钟水流过的体积 水的密度为 则一昼夜里水对水轮发电机做多少功 如发电机的发电效率为 则发电机每昼夜的发电量是多少 变式2 风力发电是一种环保的电能获取方式 设计每台风力发电机的功率为40kw 实验测得风的动能转化为电能的效率约为20 空气的密度是1 29kg m3 当地水平风速约为10m s 问风力发电机的叶片长度约为多少才能满足设计要求 答案9 94m 新能源汽车 新能源汽车生产企业及产品准入管理规则 已于2009年7月1日正式实施 新能源汽车包括混合动力汽车 hev 纯电动汽车 bev 包括太阳能汽车 燃料电池电动汽车 fcev 氢发动机汽车 其他新能源 如高效储能器 二甲醚 汽车等各类别产品 混合动力汽车混合动力是指那些采用传统燃料的 同时配以电动机 发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型 按照燃料种类的不同 主要又可以分为汽油混合动力和柴油混合动力两种 纯电动汽车电动汽车顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车 大部分车辆直接采用电机驱动 有一部分车辆把电动机装在发动机舱内 也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子 其难点在于电力储存技术 本身不排放污染大气的有害气体 即使按所耗电量换算为发电厂的排放 除硫和微粒外 其它污染物也显著减少 由于电厂大多建于远离人口密集的城市 对人类伤害较少 而且电厂是固定不动的 集中的排放 清除各种有害排放物较容易 也已有了相关技术 图4 6 1 燃料电池汽车燃料电池汽车是指以氢气 甲醇等为燃料 通过化学反应产生电流 依靠电机驱动的汽车 其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用 而不是经过燃烧直接变成电能 燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物 因此燃料电池车辆是无污染汽车 燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2 3倍 因此从能源的利用和环境保护方面 燃料电池汽车是一种理想的车辆 图4 6 2 氢动力汽车以氢气为汽车燃料这种说法刚出来时吓人一跳 但事实上是有根据的 氢具有很高的能量密度 释放的能量足以使汽车发动机运转 而且氢与氧气在燃料电池中发生化学反应只生成水 没有污染 因此 许多科学家预言 以氢为能源的燃料电池是21世纪汽车的核心技术 它对汽车工业的革命性意义 相当于微处理器对计算机业那样重要 中国长安汽车在2007年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火 并在2008年北京车展上展出了自主研发的中国首款氢动力概念跑车 氢程 图4 6 3 燃气汽车燃气汽车是指用压缩天然气 cng 液化石油气 lpg 和液化天然气 lng 作为燃料的汽车 燃气汽车由于其排放性能好 可调整汽车燃料结构 运行成本低 技术成熟 安全可靠 生物乙醇汽车乙醇俗称酒精 通俗些说 使用乙醇为燃料的汽车 也可叫酒精汽车 用乙醇代替石油燃料的活动历史已经很长 无论是从生产上和应用上的技术都已经很成熟 典例3 电动车所需能量由它所携带的蓄电池供给 图4 6 4为某类电动车与汽油车性能的比较 通常车用电动机的质量是汽油机的4倍或5倍 为促进电动车的推广使用 在技术上主要应对电动车的 等部件加以改进 图4 6 4 给电动车蓄电池充电的能量实际上来自于发电站 一般发电站燃烧燃料所释放出来的能量仅30 转化为电能 在向用户输送及充电过程中又损失了20 这意味着使用电动车时能量转化的总效率约为 解析根据题意 使用电动车时能量转化的总效率约为30 80 70 16 8 答案蓄电池电动机16 8 能量守恒定律1 下列说法正确的是 a 随着科技的发展 永动机是可以制成的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 违背了能量转化和守恒定律 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 解析永动机是指不消耗或少消耗能量 而可以大量对外做功的装置 历史上曾出现过各式各样的所谓永动机的发明 结果都以失败告终 原因就是违背了能量的转化和守恒定律 人类只能发现规律 利用规律 但绝不可以创造规律 改变规律 违背规律行事 即使以后科技再发达 也要受自然规律的制约 所以永动机是永远不可能制成的 a错 太阳辐射大量的能量 地球只吸收了极小的一部分 就形成了风云雨雪 使万物生长 但辐射到星际空间的能量也没有消失 一定是转化成了别的能量 b错 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质能 c正确 所谓 全自动 手表其内部还是有能量转化装置的 一般是一个摆锤 当人戴着手表活动时 使摆锤不停摆动 给游丝弹簧补充能量 才会维持手表的走时 如果把这种表放在桌面上静置两天 它一定会停摆的 d错 答案c 2 下面设想不符合能量转化和守恒定律的是 a 利用永久磁铁间的作用力 造一台永远转动的机械b 做成一条船 利用流水的能量逆水航行c 通过太阳照射飞机 即使飞机不带燃料也能飞行d 利用核动力 使地球离开太阳系 解析利用磁场能可以使磁铁所具有的磁场能转化为动能 但由于摩擦力的不可避免性 动能最终转化为内能使转动停止 故a错 让船先静止在水中 设计一台水力发电机使船获得足够电能 然后把电能转化为船的动能使船逆水航行 同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性 使光能转化为飞机的动能 实现飞机飞行 故b c正确 设计一种利用反冲理