第5章　第2节　能源的利用方式 第3节　能量的转化与守恒 第4节　能源与环境-高中物理 必修第3册(配粤教版)

第二节能源的利用方式第三节能量的转化与守恒第四节能源与环境[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道能量有多种形式，知道能量守恒定律，但转化是有方向性的，了解熵的概念及意义，能解释相关自然现象科学思维能对能源的使用和环境保护提出自己的观点，能作出有依据的推理，能用能量守恒、能量转化方向性相关的证据证明自己关于环境保护的观点，能提出有创意的改进建议科学探究能通过上网查询，提出如何保护环境，节约能源的问题，能完成与能源和可持续发展相关的调研报告并进行交流科学态度与责任知道物理学是人类认识自然的方式之一，能主动关心能源与可持续发展的问题，具有力所能及的节约能源、保护环境的自觉行为知识点一能源的利用方式1．化石能源包括：石油、煤炭、天然气等。2．新能源包括：水能、风能、太阳能、核能等。此外，还有生物质能、地热能、海洋能、氢能、可燃冰等能源。知识点二能量的转化与守恒1．各种各样的能量能量形式含义示例机械能机械能是与物体的运动或位置高度、形变相关的能量，可以表现为动能，也可以表现为势能行驶的汽车、被拉开的弓、声音等内能物质中分子的动能和势能总和自然界的一切物质电能电能是与电有关的能量工作中的发电机、电池等电磁能电磁场所具有的能量无线电波、可见光、紫外线、红外线等核能通过核反应(裂变或聚变)由原子核释放的能量原子弹、氢弹等化学能发生化学变化时释放出来的能量石油、煤、天然气等2．能量的转化和转移(1)太阳能是地球上最主要的能量源泉。(2)能量的存在形式多种多样，而且不同形式的能量可以相互转化。能量在被利用的过程中，可利用的效率不断下降。3．能量守恒：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移的过程中其总量不变。4．能量转化(转移)的方向性：在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有方向性的，但都不违反能量守恒定律。能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间可以发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律。思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)能量是守恒的，既不会增加，也不会减少。 (√)(2)由能量守恒定律可知，能量是取之不尽用之不竭的，不必要节约能源。 (×)知识点三能源与环境1．可再生能源和不可再生能源(1)煤、石油、天然气等在短期内不可以再次得到，一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源，称为不可再生能源。(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源，称为可再生能源。2．能源与环境能源开发对环境的影响(1)对大气环境的影响。(2)对生态环境的影响。(3)对居住环境的影响。3．环境保护的三个主要方面(1)防治生产和生活的污染。(2)防止建设和开发的破坏。(3)保护自然环境。考点1能量守恒定律的应用(1)如图是小型汽油机模型，汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？提示：(1)汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。(2)不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能。1．能量的形式(1)含义：一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，又如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压的气体……都能对外做功，因此这些物体都具有能量，流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压的气体具有内能。(2)能量的转化与能量的转移：各种不同形式的能量可以相互转化，而且在转化过程中总量保持不变，也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物体的能量增加。(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转化的过程，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(或转移)的量度。2．能量守恒定律的表达式(1)E初＝E终。(2)ΔE增＝ΔE减。3．自然界中的宏观现象具有方向性(1)能量耗散：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。(3)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质降级为不大可用的低品质形式。【典例1】如图a、b是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门(见图a)。当落潮时，开闸放水发电(见图b)。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg)()图a图bA．2.6×104kW B．5.2×104kWC．2.6×105kW D．5.2×105kW[思路点拨]先求出重力势能的变化，再分析转变成了多少电能，最后根据平均功率的定义求出。B[利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh为水的重心下降的高度，即：Δh＝eq\f(3,2)m，则水的势能可转变为电能：W电＝W水×10%＝1.0×103kg/m3×5.0×108m2×3.0m×10N/kg×1.5m×0.1＝2.25×1012J。每天两次涨潮，则该发电站一天能发电4.5×1012J，所以每天的平均功率为P＝eq\f(W电,t)＝5.2×104kW，故B项正确。]运用能量守恒定律解题的基本思路[跟进训练]1．市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。在阳光的照射下，小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置的能量转化情况是()A．太阳能→电能→机械能B．太阳能→机械能→电能C．电能→太阳能→机械能D．机械能→太阳能→电能A[电池板中太阳能转化为电能，小电动机中电能转化为机械能，故A项正确。]考点2能源的分类与应用在能量守恒定律提出之后，人们认识到能量不可能凭空产生，但也不会消失，于是有人设计了这样一种装置：该装置可以从海水或者空气中收集热能，并将这些内能作为驱动电动机的动力，从而实现永动的目的。这种设备可以做出来吗？提示：不能。因为能量的转化具有方向性，热量一旦释放出去，就不会再自动聚集起来供人类重新使用了。1．地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能2．能源的分类能源分类方法能源分类名称特点举例按是否可再生可再生能源可循环使用、不断补充水能、风能、潮汐能不可再生能源短期内无法转换获得煤、石油、天然气按对环境污染情况清洁能源对环境基本没有污染太阳能、风能、水能污染能源会严重污染环境煤、石油、天然气3．能源和环境污染(1)温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应。(2)酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤。(3)光化学烟雾：内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮氧化合物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——光化学烟雾。这些物质有毒，能引起人的多种疾病。【典例2】(多选)可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，我国的海域“可燃冰”试采已经成功。1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和0.8m3的水，下列关于可燃冰说法正确的是()A．“可燃冰”是不可再生能源B．“可燃冰”属于可再生能源C．1m3可燃冰比0.8m3的水质量小D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多AD[可燃冰是一次能源，属于不可再生能源，故A正确，B错误；1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和0.8m3的水；故C错误，D正确。故选A、D。][跟进训练]2．(多选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是()A．禁止使用煤、石油和天然气B．开发使用核能、太阳能C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气D．植树造林BD[可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放；植树造林可以吸收空气中的CO2，所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效，但并不可行。]1．如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰。此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是()A．流星同空气摩擦时机械能全部转化为内能B．引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒C．当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动D．流星物体进入大气层后做斜抛运动C[流星同空气摩擦时只有部分机械能转化为内能，A错误；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。]2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，受到广大市民的欢迎。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，如图1所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图2所示。这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化，下列说法中正确的是()图1图2A．都是把机械能转化为电能B．都是把光能转化为电能C．甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能D．甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能C[甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，故是光能转化为电能，故C项正确。]3．风能是清洁能源，我国的风力发电技术已经走在世界的前列。某公司独立研发并制造的SL5000风力发电机，单机设计功率为5000kW，叶片长度为64m，已知空气的密度为1.29kg/m3，如果该风力发电机利用风的动能转化为电能的效率约为20%，则该风力发电机正常工作时，风速值应接近()A．8m/s B．10m/sC．15m/s D．20m/sC[以叶片长l＝64m为半径的圆面积S＝πl2，在时间t内通过叶片所在圆区域的空气柱长度x＝vt，该柱形体积内风的动能为Ek＝eq\f(1,2)ρSxv2＝eq\f(1,2)ρπl2vtv2＝eq\f(1,2)ρπl2v3t，功率公式P＝eq\f(ηEk,t)，则该风力发电机发出的电功率P的数学表达式为P＝eq\f(1,2)ηρπl2v3，代入数据得v≈14.4m/s，故C项正确。]4．(新情境题，以“新能源”为背景，考查能量守恒定律)氢气是一种清洁能源，它燃烧后只生成水，对环境无污染，某同学设想了一个利用氢能的方案，如图是它的示意图，请你判断这一方案的可行性，并说明理由。判断：________(选填“可行”或“不可行”)，理由：________________________________________________________________________________