2019-2020学年高中物理 第2章 能的转化与守恒 第4节 能源与可持续发展学案 鲁科版必修2

1 第第 4 4 节节 能源与可持续发展能源与可持续发展 1 知道能量转化和转移的方向性 2 认识提高能量转化效率的重要性 3 了解能源开发与可持续发展 4 了解能源对人类社会发展的重要意义 养成自觉节约能源的好习惯 学生用书 p34 一 能量转化和转移的方向性 1 能量转化和转移的方向性 自然界实际进行的与热现象有关的一切宏观过程都是有 方向性的不可逆的过程 1 机械能可以完全转化为内能 反过来 内能不可能自动地 并不引起任何变化地完 全变为机械能 2 在热传递的过程中 内能总是自动地从高温物体向低温物体转移 而不可能自动地 从低温物体向高温物体转移 2 热机的效率 热机是将内能转化为机械能的装置 它从高温热源吸收热量 一部分 用来做功 同时向低温热源放出热量 它的效率不可能达到 100 1 1 热传递过程具有方向性 2 热量可以自发地从内能大的物体转移到内能小的物体 3 内能可以自发地转化为机械能 提示 1 2 3 二 能源开发与可持续发展 1 在许多情况下 能源的利用过程是不可逆的 要珍惜现有的能源 提高能源的利用 效率 2 能源的种类 煤 电 石油 天然气 水能 核能 风能等都是常用的能源 3 随着人们对社会发展 全球环境等问题认识的加深 可持续的能源生产和消费 已 成为人类社会可持续发展的重要前提之一 4 人类社会可持续发展的意义 发展不仅要满足当代人的需要 还要考虑不损害后代 的需要 保护人类赖以生存的自然环境和自然资源 已成为当今世界共同关心的全球性问 题 2 1 由于我国煤和石油的储量十分丰富 所以太阳能和核能的开发并不十分重要 2 能源的利用过程 实质上是能的转化和转移的过程 3 现在人类社会使用的能源主要是煤 石油和天然气 2 提示 1 2 3 对能量转化和转移方向性的理解 学生用书 p34 1 关于方向性的理解 1 机械能与内能转化的方向性 机械能可以全部转化为内能 但内能不能全部转化为 机械能而不引起其他变化 机械能转化为内能不需要特定的装置 而内能要转化为机械能 却很复杂 2 热传递的方向性 内能总是自发地从高温物体向低温物体转移 而不能自发地从低 温物体向高温物体转移 2 对于 自发 的理解 1 自发 是指不需要任何第三者的介入 不会对任何第三者产生任何影响 也就是 指没有任何外界的影响或帮助 热量会从高温物体传向低温物体 这就是 自发 的方 向 2 机械能可以全部转化为内能 这个过程是 自发 的方向 但相反的过程不可能自 发地进行而不引起任何变化 3 热机的效率 任何热机都不可能把从高温热源吸收的热量全部用来对外做功 总要 向低温热源放出一部分热量 因此热机的效率一定小于 100 下列说法正确的是 a 热量能够从高温物体传到低温物体 但不能从低温物体传到高温物体 b 只要对热机不断改造 就可使热机把它得到的全部内能转化为机械能 c 不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功 而不引起其他变化 d 凡是不违背能量守恒定律的过程都一定能实现 解析 热量会自发地从高温物体传给低温物体 而不会自发地由低温物体传给高温 物体 但如果有外界的影响或者帮助 热量也能从低温物体传到高温物体 例如 电冰箱 消耗了电能 对制冷系统做了功 能够不断地把冰箱内 低温 的热量传给外界的空气 高温 热机不能把它得到的全部内能转化为机械能 因为热机必须有热源和冷凝器 热机工作 时总要向冷凝器散热 不可避免地要由工作物质带走一部分热量 根据能量转化与转移的 方向性可知机械能可以完全转化为内能 但内能不能完全转化为机械能 不违背能量守恒 3 定律 但违背能量转移与转化的方向性的过程 同样不能实现 可见 正确选项为 c 答案 c 1 下列过程中 可能发生的是 a 某工作物体从高温热源吸收 20 kj 的热量 全部转化为机械能 而没有其他任何影 响 b 打开一高压密闭容器 其内气体自发逸出后又自发进去 恢复原状 c 利用其他手段 使低温物体温度更低 使高温物体温度更高 d 将两瓶不同液体自发互溶 然后又自发地各自分开 解析 选 c 机械能可以完全转化为内能 反过来 内能就不能自动地 并不引起任何 变化地全部变为机械能 在热传递过程中 内能总是自动地从高温物体向低温物体转移 而不可能自动地从低温物体向高温物体转移 但可以通过其他方式把内能从低温物体向高 温物体转移 例如电冰箱 气体自发逸出和不同液体自发互溶是可以自动进行的 但其逆 过程是不能自发进行的 能源的开发和利用 学生用书 p35 1 能源开发 人类社会要发展 能源是必不可少的资源 但现有的煤 石油 天然气 等化石燃料都是远古时期储存的太阳能 不可再生 不久的将来都要枯竭 同时 大量使 用这类燃料对环境的破坏性非常大 所以迫切需要找到新的替代能源 在现有条件下 可 供利用的新能源主要有地热能 太阳能 海洋能 生物能等 2 人类与能源的关系 1 有利方面 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 济飞跃和生产革命 都与新能源和动力机械的利用密切相关 能源消耗的多少已经成为一 个国家和地区经济发展水平的重要标志 2 不利方面 能源的大量使用会给环境带来极大的破坏 如大气污染 温室效应 酸 雨等 对人类造成很大的危害 3 可持续发展 1 对常规能源合理有效地利用 保护环境与生态平衡 2 开发清洁的新能源和可再生能源 3 积极研发节能的新技术 提高能源利用效率 多选 关于能源的利用 下列说法中正确的是 a 由于我国煤和石油的储量十分丰富 所以太阳能和核能的开发并不十分重要 b 能源的利用过程 实质上是能的转化和传递过程 c 现在人类社会使用的能源主要是煤 石油和天然气 d 煤 石油和天然气的化学能在利用中不会对环境造成污染 解析 煤 石油和天然气是由古代的动植物的遗体在长期地质变迁中形成的 在利 4 用这些能源时会产生大量的二氧化碳和甲烷 易产生温室效应对环境造成污染 d 选项错 误 目前人类使用的能源主要仍是煤 石油和天然气 燃料燃烧时 将化学能转化为内能 内能又可转化为机械能和电能 人类在生产和生活中需要各种形式的能 我们可以根据需 要把能源所含的能量转化成多种形式 以供利用 所以能源的利用过程 实质上是能的转化和传递的过程 故 b c 正确 我 国的煤和石油尽管储量丰富 但终究有限 且利用后不能再生 所以开发和利用新能源 特别是核能和太阳能是解决能源问题的出路 故 a 错误 答案 bc 2 关于能源的开发和利用 下列观点不正确的是 a 能源是有限的 无节制地使用常规能源 是一种盲目的短期行为 b 根据能量守恒定律 能源是取之不尽 用之不竭的 c 能源的开发和利用 必须同时考虑其对生态环境的影响 d 不断开发新能源 是缓解能源危机 加强环境保护的重要途径 解析 选 b 地球上的常规能源是有限的 不可再生的 故 a 正确 自然界中的总能量 虽然守恒 但能量转化之后其品质下降 利用价值降低 从便于利用的变成不便于利用的 了 故 b 错误 为了人类的可持续发展 第一要开发新能源 第二要减少环境污染 故 c d 正确 能量转化问题的解题技巧 学生用书 p35 利用能量转化与转移解题的思路方法 1 能量既可通过做功形式实现不同能量形式之间的转化 也可在同一物体的不同部分 或不同物体间进行转移 2 自发进行的能量转移和转化都具有方向性 3 热机的效率总小于 100 4 能量在转化与转移过程中 能量的总量保持不变 即遵循能量守恒定律 建立模型 是分析解决问题的根本出发点 风力发电作为一种无污染 成本低的电力产业 发展前景广阔 风力发电的原理是利 用风推动叶轮转动 将风的动能转化为叶轮的动能 再将叶轮的动能转化为电能 1 设空气的密度为 每个叶轮的长度为l 正对叶轮的水平风速为v 整个发电机 5 的效率为 那么每台发电机发出的电功率p为多大 2 我国研制的 wd 646 型风力发电机 每个叶轮l 22 m 当风速达到 15 m s 时 其输出电功率可达 600 kw 求该风力发电机将风的动能转化为电能的总效率 空气的密 度为 1 29 kg m3 解析 1 m svt l2vt ek mv2 l2v3t 1 2 1 2 p l2v3 ek t 1 2 2 由p l2v3得 1 2 100 100 18 2p l2v3 2 600 103 3 14 1 29 222 153 答案 1 l2v3 2 18 1 2 3 电动车所需能量由它所携带的蓄电池供给 如图所示为某类电动 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 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 从题图中可以看出电动车每千克蓄能物质所储存的能量和充一次电能行驶的距 离均远小于汽油车 因此应对蓄电池加以改进 另外电动车的效率也不是很高 所以也可 以对电动机进行改进 发电站消耗的能量为e0 电动车输出的机械能为e 由题意可知 使用电动车时能量转化的总效率为 100 100 e e0 e0 30 80 70 e0 16 8 答案 蓄电池 电动机 16 8 6 随堂检测 学生用书 p36 1 多选 下列物理过程具有方向性的是 a 机械能向内能的转化过程 b 动能与重力势能的转化过程 c 热传递的过程 d 以上三种情况都具有方向性 解析 选 ac 机械能可以自发地转化为内能 但内能不能自发地转化为机械能 动能 与重力势能可以相互转化 不具有方向性 热量只能自发地从高温物体向低温物体传递 而不能自发地从低温物体向高温物体传递 故选项 a c 正确 2 能源利用的过程实质上是 a 能量的消失过程 b 能量的创造过程 c 能量的转化和转移过程 d 能量的转化 传递并且逐渐消失的过程 解析 选 c 能源利用的过程是一个能量转移和转化的过程 在转移和转化的过程中能 量守恒 所以选项 c 正确 3 下列观点中 正确的是 a 随着科技的发展 永动机是可以制成的 b 根据能量守恒 能源是取之不尽 用之不竭的 c 能源的开发和利用 必须同时考虑其对生态环境的影响 d 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 解析 选 c 任何机械的效率不可能达到 100 虽然能量是守恒的 但大多数能量的转 化是不可逆的 能源的开发对生态环境会造成一定的危害 故选项 c 正确 a b d 错 误 4 关于能量和能源 下列说法中正确的是 a 由于自然界的能量守恒 所以不需要节约能源 b 在利用能源的过程中 能量在数量上并未减少 c 能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性 d 人类在不断地开发和利用新能源 所以能量可以被创造 解析 选 b 自然界的总能量是守恒的 能量只能从一种形式转化为另一种形式或从一 个物体转移到另一个物体 能量不可能被创造 在利用能源的过程中 能量在数量上并未 减少 能量耗散使能量的利用品质降低了 能量转化具有方向性 因此要节约能源 故 b 正确 a c d 错误 7 5 某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车 总质量m 3 103 kg 当它在水平路面上以 v 36 km h 的速度匀速行驶时 驱动电机的输入电流i 50 a 电压u 300 v 在此行驶 状态下 1 求驱动电机的输入功率p电 2 若驱动电机能够将输入功率的 90 转化为用于牵引汽车前进的机械功率p机 求汽 车所受阻力与车重的比值 g取 10 m s2 3 设想改用太阳能电池给该车供电 其他条件不变 求所需的太阳能电池板的最小面 积 已知太阳辐射的总功率p0 4 1026 w 太阳到地球的距离r 1 5 1011 m 太阳光 传播到达地面的过程中大约有 30 的能量损耗 该车所用太阳能电池的能量转化效率约为 15 解析 1 驱动电机的输入功率p电 iu 1 5 104 w 2 在匀速行驶时p机 0 9p电 fv fv 故f 1 35 103 n 0 9p电 v 汽车所受阻力与车重之比 0 045 f mg 3 当太阳光垂直电池板入射时 所需电池板的面积最小 设其为s 距太阳中心为r 的球面面积s0 4 r2 若没有能量的损耗 太阳能电池板接收到的太阳能功率为p 则 p p0 s s0 设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为p 则有 p 1 30 p 由于p电 15 p 所以太阳能电池板的最小面积为 s 101 m2 ps0 0 7p0 4 r2p电 0 15 0 7p0 答案 1 1 5 104 w 2 0 045 3 101 m2 课时作业 学生用书 p109 单独成册 一 单项选择题 1 下列哪些物理过程是可逆的 a 在一绝热容器内盛有液体 通过不停地搅动使液体的温度升高 b 在一个传热的容器内盛有液体 容器放在一恒温的大水池内 不停地搅动液体 但 液体的温度不变 c 用一根不可伸长的细轻绳悬挂一个小球 上端固定 把小球拉离平衡位置由静止释 放 不计阻力 小球会摆动 8 d 在一绝热容器内 不同温度的气体进行混合 解析 选 c 在 a b d 所述的三个过程中 都涉及了热现象 即 a 中是通过做功使机 械能转化为内能 b 中是通过做功使机械能转化为内能及 热传导 d 中是 热传导 所 有过程都不可逆 对于 c 中的过程 只涉及动能与势能的转化 不涉及热现象 此过程是 可逆的 2 下列关于能源开发和利用的说法中正确的是 a 能源利用的过程是内能转化成机械能的过程 b 要合理开发和节约使用核能 太阳能 风能 地热能 海洋能等常规能源 c 能源利用的过程是一种形式的能向其他形式的能转化的过程 d 无论是节约能源还是开发能源 我国都需要外国支援 解析 选 c 能源的利用过程实际上是一种形式的能向其他形式的能转化的过程 并不 一定是单一的向机械能转化的过程 所以 c 正确 a 错误 核能 太阳能 风能 地热能 海洋能等属于新能源 而不是常规能源 故 b 错误 节约能源也好 开发能源也好 我国 主要依靠自己 故 d 错误 3 我国居民有在房前种树的习惯 夏天大树长出茂密的叶子 为人们挡住炎炎烈日 冬天树叶又会全部掉光 使温暖的阳光进入屋内 可以起到冬暖夏凉的作用 被人们称为 天然空调 炎热的夏天 我们在经过有树的地方时 也会感到很明显的凉意 关于树木周 围比较凉爽的现象 下列说法正确的是 a 树木把大部分太阳光反射出去 使地面温度降低 b 树木吸收太阳能 使自己温度升高 周围温度降低 c 树木吸收太阳能 将太阳光的能量转化为化学能 使环境温度降低 d 白天树木将热量存起来 晚上再将热量放出来 所以白天在树木周围感到凉爽而晚 上感到热 解析 选 c 树木进行光合作用 将太阳能转化成树木生长所需的化学能 因此能使环 境温度降低 并不是将能量反射或使自己温度升高 也不是白天储存 晚上释放 故选项 c 正确 4 能源短缺和环境恶化指的是 煤炭和石油的开采与技术有关 在当前技术条件下 煤炭和石油的开采是有限度的 这叫能源短缺 煤炭和石油资源是有限的 以今天的开采和消耗速度 石油储量将在百年内用尽 煤炭资源也不可能永续 这叫能源短缺 煤炭和石油具有大量的气味 在开采 存放和使用过程中 这些气味会聚存在空气 中污染空气 使环境恶化 大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气 改变了大气的成分 使 9 环境恶化 a b c d 解析 选 d 能源短缺是指能源的有限性 指煤炭和石油的储量是有限的 若储量无限 技术落后现阶段开采不出来 将来总可以开采出来 因此 能源短缺的本意是 而不是 环境恶化的本意是指空气环境成分的变化 煤炭和石油在燃烧时与空气中氧气发生反 应 改变了大气成分 因此 对环境恶化的说法 正确而 错误 5 某中学 sts 小组对开发和利用水资源进行研究 同学们认为在放自来水时 水 的机械能没有得到利用而白白浪费 于是他们在老师的指导下经过研制 在水龙头处安装 了一只小型水轮发电机 当放水时水的机械能转化为电能 设小型水轮发电机的效率为 40 水塔内的水面高于水龙头 10 m 且保持不变 当水龙头放出 1 t 水时 小型水轮发电机所 产生的电能为 a 4 000 j b 98 000 j c 588 000 j d 39 200 j 解析 选 d w1 mgh 1 000 9 8 10 j w2 w1 40 1 000 9 8 10 j 3 92 104 j 6 地球上有大量的海水 若使海水温度降低 0 1 就能释放出 5 8 1023 j 的热 量 有人设想一热机将海水放出的热量完全转化为机械能 但这种使内能转化成机械能的 机器是不能实现的 其原因是 a 内能不能转化成机械能 b 内能转化成机械能不满足能量守恒定律 c 只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能而不引起其他变化的机器不满足能量转 化和转移的方向性 d 上述三种原因都不正确 解析 选 c 内能可以转化成机械能 如热机 a 项错误 内能转化成机械能的过程满 足能量守恒定律 b 项错误 能量转化和转移的方向性告诉我们 不可能从单一热源吸收 热量并把它全部用来做功 而不引起其他变化 c 项正确 二 多项选择题 7 下列过程可能发生的是 a 自发地将排放在空气中的高温废气的内能收集起来 使其全部转化为汽车运动的机 械能 b 将浓度为 50 的酒精水溶液自发地分开成水和酒精 c 利用其他手段使内能从低温物体转移到高温物体 d 利用搅拌的方法使液体的温度升高 内能增大 10 解析 选 cd 根据能量转化与转移的方向性可知 内能不可能自发地全部转化为机械 能而不引起其他变化 所以高温废气的内能不可能自发地全部转化为汽车的机械能 故 a 选项错误 浓度为 50 的酒精水溶液不可能自发地分开成为水和酒精 故 b 选项错误 内 能不可能自发地从低温物体转移到高温物体 若采用其他手段 如提供电能 可以使过程可 逆 故 c 选项正确 改变物体内能有两种方式 一是对物体做功 二是热传递 所以搅拌 对液体做功时可以改变液体内能 使其温度升高 内能增加 故 d 选项正确 8 能源可划分为一级能源和二级能源 自然界以现成形式提供的能源称为一级能源 需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源 氢气是一种高效而没有污染的二 级能源 它可以由自然界中大量存在的水来制取 2h2o 2h2 o2 517 6 kj 下列叙述正 确的是 a 电能是二级能源 b 水力是二级能源 c 天然气是一级能源 d 焦炉气是一级能源 解析 选 ac 焦炉气是焦炉厂运作生产产生的衍生物质 故不是一级能源 天然气和 水力都是自然界中现成的能源 是一级能源 b 错误 c 正确 显然电能是二级能源 a 正 确 9 下列设想中 符合能量转化和守恒定律的是 a 利用永磁铁和软铁的相互作用 做成一架机器 永远地转动下去 b 制造一架飞机 不携带燃料 只需利用太阳能就能飞行 c 做成一只船 利用流水的能量 逆水行驶 不用其他动力 d 利用核动力使地球离开太阳系 解析 选 bd a 不符合能量守恒 利用永磁铁和软铁的相互作用 做一架永远转动下去 的机器是不可能的 太阳能可以转化为机械能 b 中所述情景中的飞机是可行的 利用核 动力可使地球离开太阳系 d 选项正确 逆水行船 不用其他动力是不可行的 c 错误 10 二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用 地球表面发出的长波辐射到大气以后被 二氧化碳截获 最后使大气升温 大气中的二氧化碳像温室的玻璃一样 只准太阳的热辐 射进来 不让室内的长波辐射出去 二氧化碳的这种效应叫温室效应 这是目前科学界对 地球气候变暖进行分析的一种观点 根据这种观点 以下说法成立的是 a 在地球形成的早期 火山活动频繁 排出大量二氧化碳 当时地球的温度很高 b 经过漫长的年代 地壳的岩石和二氧化碳发生化学反应 导致二氧化碳减少 地球 上出现了生命 c 由于工业的发展和人类的活动 导致二氧化碳在空气中的含量增大 地球上的气温 正在升高 11 d 现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加 是电能和其他形式的 能转化为内能 解析 选 abc 由于火山的喷发 排出大量的二氧化碳 这是必然的现象 进而导致当 时的地球气温很高 a 正确 由于多种原因 其中包括岩石的矿物成分与水 氧气 二氧 化碳发生化学反应 使地球上的岩石进一步分化 最后形成土壤 二氧化碳减少 形成了 适合生命生存的条件 b 正确 由于工业的发展和人类的活动 大量地使用常规能源 导 致二氧化碳在空气中的含量增大 地球上的气温正在升高 c 正确 生活用电和工业用电 是电能向其他形式能的转化 会产生热 但不是温室效应 d 错误 三 非选择题 11 如图是利用潮汐发电的示意图 左方为陆地和海湾 中间为水坝 其下有通道 水经通道可带动发电机 涨潮时 水进入海湾 待内 外水面高度相同