资源简介

4　能源与可持续发展
定位·学习目标
1.通过各种实例,知道能量是如何转化的,理解能量守恒定律的含义;通过实例分析知道能量耗散,认识自然界中能量转化的方向性,形成物理观念。
2.知道合理使用能源的重要性,形成可持续发展观念,养成节能的习惯;知道科学、技术、社会、环境协调发展的关系,树立具有环境保护的意识,培养科学态度与责任。
知识点一　能量转移或转化的方向性
探究新知
1.能量守恒定律
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,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。
2.能量转移或转化的方向性
在自然界中,能量的转化过程有些是可以自然发生的,有些则不能。一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
3.能量耗散
(1)概念:燃料燃烧时一旦把热量释放出去,就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。这种现象叫作能量的耗散。
(2)意义:能量的耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)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。(　×　)
(2)“既要马儿跑,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的。(　√　)
(3)热量能自发地由低温物体传到高温物体。(　×　)
知识点二　能源的分类与应用
探究新知
1.不可再生能源:煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源,这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生,所以这类能源被叫作不可再生能源。
2.可再生能源:水能、风能等能源,归根结底来源于太阳能。这些能源在自然界可以再生,叫作可再生能源。
3.能源的应用:近年来,我国在能源开发方面取得了很大的成就,如太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电等。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)由于能源危机,所以要不断开发新能源。(　√　)
(2)煤炭、石油、天然气属于常规能源。(　√　)
(3)在不太长的时间内取之不尽、用之不竭的能源是可再生能源。(　×　)
知识点三　能源与社会发展
探究新知
1.能源利用的三个时期:柴薪时期、煤炭时期和石油时期。
2.火的使用是人类在能源使用上的第一个里程碑。
3.能源是人类社会活动的物质基础。
4.能源与社会发展
(1)人类对能源的利用,正从第三个时期向多能源结构时期过渡。能源科技的每一次突破,都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步。
(2)能源短缺和过度使用化石能源带来的环境恶化已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。
(3)人类的生存与发展需要能源,能源的开发与使用又会对环境造成影响。可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡:既满足当代人的需求,又不损害子孙后代的需求。
(4)需要树立新的能源安全观,并转变能源的供需模式。一方面要大力提倡节能,另一方面要发展可再生能源以及清洁能源。
新知检测
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)大量煤炭和石油产品在燃烧时产生的气体加剧了地球气候的变化。(　√　)
(2)在能源利用过程中能量是守恒的,故不必节约能源。(　×　)
(3)光化学烟雾是由于化石能源燃烧发光产生的。(　×　)
要点一　能量守恒定律与能量转移或转化的方向性
情境探究
如图所示,荡秋千的过程中,我们观察到它的摆动幅度越来越小,最后停止摆动。
(1)机械能消失了吗 若没有消失,转化成了什么
(2)能否让这种能自发地转化为机械能使秋千重新摆动起来呢
答案:(1)机械能没有消失,而是转化为内能。
(2)不可能使内能自发地转化为机械能使秋千摆动。
要点归纳
1.能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能。机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有电磁能、化学能、原子能等。
(2)各种形式的能之间通过某种力做功可以相互转化。
2.能量守恒的两种关系
(1)某种形式的能减少,一定有其他形式的能增加,且减少量和增加量一定相等。
(2)某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等。
3.解答能量转化与守恒问题的思路
(1)首先分析研究对象的受力及做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式。
(2)利用减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增相等列式求解。
4.能量转移或转化的方向性
能量的耗散表明能源可利用的品质降低了,它反映出自然界中的宏观过程具有方向性,能源的利用是有条件的,也是有代价的。
典例研习
[例1] (能量守恒定律的理解)在能源消耗的过程中,我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用,这种现象叫作能量的耗散。对于能量耗散的理解正确的是(　D　)
A.能量耗散说明能量在不断地减少
B.能量耗散不遵循能量守恒定律
C.能量耗散说明能量不能凭空产生,但能量却可以凭空消失
D.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
解析:能量耗散是能量变成了无法收集利用的内能,能量不会减少,能量的总量保持不变,故A错误;能量守恒定律适用于整个自然界,能量耗散并不违背能量守恒定律,故B错误;能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,故C错误;能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性,故D正确。
[例2] (能量守恒定律的应用)风能是一种环保型能源,目前我国风力发电总装机容量已超过4亿千瓦,风力发电是将风的动能转化为电能。设空气的密度为ρ,水平风速为v,风力发电机每个叶片的长度为L,风力发电机将风能转化为电能的效率为η。
(1)求该风力发电机的发电功率P的表达式。
(2)若某地平均水平风速为v=10 m/s,空气密度ρ=1.3 kg/m3,所用风力发电机的叶片长度L=20 m,效率η=25%,平均每天发电20 h,则平均每天能获得多少电能 (结果保留3位有效数字)
解析:(1)叶片旋转所形成的圆面积为S=πL2,
t时间内流过该圆面积的空气柱体积为V=Svt=πL2vt,
空气柱的质量为m=ρV=ρπL2vt,
空气柱的动能为Ek=mv2=ρπL2v3t,
转化成的电能为E=ηEk=ηρπL2v3t,
发电功率为P==ηρπL2v3。
(2)平均每天获得的电能为
E=Pt=×25%×1.3×3.14×202×103×20×3 600 J≈1.47×1010 J。
答案:(1)P=ηρπL2v3　(2)1.47×1010 J
利用能量守恒定律解题的基本思路
(1)分清有哪几种形式的能(如机械能、内能等)在变化。
(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。
(3)列等式ΔE减=ΔE增求解。
要点二　能源开发与可持续发展
情境探究
煤炭和石油是常规能源。尽管我国的常规能源资源非常丰富,但由于人口众多,所以能源的需求量很大。
(1)能量的耗散与能量守恒是否矛盾,为什么
(2)能量是守恒的,为什么还要节约能源
答案:(1)能量的耗散和能量守恒并不矛盾,能量的耗散并不是能量消失了,而是在能源利用的过程中,能量发生了转化,使能量的品质下降,但能量在数量上并没有减少。
(2)能量的耗散表明,在能源的利用过程中,即在能量的转化过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用品质上降低了,从便于利用的能量变成不便于利用的能量了。因此我们要节约能源,同时积极研究和开发利用新能源和可再生能源,如核能、太阳能、风能、海洋能、生物质能等。
要点归纳
1.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,都与新的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:化石能源的过度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。
2.能源的分类
分类 方法 能源分 类名称 特点 举例
按形式 或转换 特点分 一次能源 自然形成,未经加工 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源 由一次能源经加工转换而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化石油气、酒精、汽油、电能
按利用 技术分 常规能源 已大规模使用 煤炭、石油、天然气、水能
新能源 正在开发,或有新的利用方式 太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
按可否 再生分 可再生 能源 可循环 　 使用 水能、风能、生物质能、地热能
不可再生 能源 短期内无法获得 煤炭、石油、天然气
按对环 境污染 情况分 清洁能源 对环境基本上没有污染 太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 化石燃料(煤炭、石油、天然气)
3.能源应用的三个要求
(1)对常规能源合理有效地利用,保护环境与生态平衡。
(2)开发新型清洁能源和可再生能源。
(3)积极研发节能的新技术,提高能源利用效率。
典例研习
[例3] (能源的利用与环境)第19届亚运会于2023年9月23日晚在杭州盛大开幕。此次亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示,通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景,传递出中国绿色低碳环保且负责任的发展中大国形象。以下说法正确的是(　B　)
A.能量在使用过程中总量保持不变,故无需节约用电,可尽情燃放电子烟花
B.不断开发新能源,发展新技术,是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段
C.电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能,过程中不存在能量耗散
D.相比于传统烟花,使用电子烟花完全无污染
解析:能量在使用过程中总量是保持不变的,但是能量的转移和转化是具有方向性的,是不可逆的过程,所以仍然需要节约用电,故A错误;不断开发新能源,发展新技术才能缓解能源危机,从而减少对化石能源的依赖,有利于保护环境,故B正确;电子烟花将电能转化为光能和内能的过程,同时会有声音及热损耗,会伴有能量耗散,故C错误;使用电子烟花只是减少了污染,但还存在噪声污染、光污染,故D错误。
1.太阳能电池板为中国空间站正常工作提供能量。当光线照射电池板表面时,一部分太阳能被电池板中的硅材料吸收,使材料中电子的电势能增大而具有电能。下列说法正确的是(　A　)
A.被电池板收集的太阳能被空间站中的各类设备转化为其他形式的能,其总量保持不变
B.电子的电势能增大,说明能量可以创生
C.太阳能被硅材料吸收,说明能量可以消灭
D.只有部分太阳能被硅材料吸收,说明能量不守恒
解析:被电池板吸收的太阳能转化为电能,电能又通过各类设备转化为其他形式的能,其总量一定不变,能量没有消灭,也没有创生,太阳能的利用只能说明能量是可以转化的,故A正确,B、C、D错误。
2.能源亦称能量资源或能源资源,是国民经济的重要物质基础,未来国家命运取决于能源的掌控。能源的开发和有效利用程度以及人均消费量,是生产技术和生活水平的重要标志。下列能源为可再生能源的是(　C　)
A.石油 B.天然气
C.风能 D.煤炭
解析:化石能源无法在短时间内再生,这类能源为不可再生能源,比如煤炭、石油和天然气;而水能、风能和潮汐能为可再生能源,选项C正确。
3.关于能源与能量,下列说法正确的是(　C　)
A.能量被使用后就消失了,所以要节约能源
B.自然界中石油、煤炭等能源可供人类长久使用
C.人类应多开发与利用风能、太阳能等新能源
D.人类不断地开发和利用新的能源,所以能量可以被创造
解析:能量守恒定律告诉我们,能量是不会减少的,煤炭、石油、天然气等化石能源被使用后,化学能转化为内能耗散了,虽然总能量没有减少,但是可以利用的品质降低了,故依然要节约能源,故A错误;自然界中石油、煤炭等能源是有限的,故会不断减少,故B错误;新能源是随着技术进步开发出的原子能、氢能、生物质能等以及可以循环利用的风能、太阳能等,多开发利用新能源是人类社会生存发展的时代需要,故C正确;人类不断地开发和利用新的能源,如风能、生物质能等,本质上都来源于太阳能,符合能量守恒定律,故D错误。
4.光伏发电是利用太阳能的技术之一,它利用太阳能电池板,将照射在其上的太阳能转化为电能。除建设的大型光伏电站外,居民院落或屋顶的光伏发电装置除满足居民家庭用电,还可向电网供电获得收益。太阳光垂直照射地面,在每平方米的面积上,平均每分钟能得到8.4×104 J的太阳能量,其中利用太阳能的10%,那么在面积为50 m2的屋顶上可以利用的太阳能的功率为(　A　)
A.7 kW B.8.4 kW
C.70 kW D.420 kW
解析:设在时间t内能够利用的太阳能为E0=t×50×10% J=7t×103 J,则太阳能转化功率为P==7×103 W=7 kW,B、C、D错误,A正确。
课时作业
基础巩固练
考点一　能量守恒定律　能量转移或转化的方向性
1.(多选)下列关于能量转化的说法中,正确的是(　ABC　)
A.能量在转化过程中,有一部分能量转化为内能散失到大气中,我们无法把这些内能收集起来重新利用
B.各种形式的能量在转化时,总能量是不变的
C.在能源的利用过程中,能量的总量并未减少,但在可利用的品质上降低了,从便于利用的变成了不便于利用的
D.各种能量在不转化时是守恒的,但在转化时是不守恒的
解析:根据能量守恒定律可知,不论在能量的转移还是在能量的转化过程中,能量的总量都是不变的,由能量耗散可知,在能量转化的过程中,有一部分能量转化为周围环境的内能,而我们无法把这部分内能收集起来重新利用,这表明,能源在可利用的品质上降低了,故A、B、C正确,D错误。
2.关于能量耗散,下列说法中正确的是(　D　)
A.能量耗散是指在一定条件下,能量在转化过程中总量减少了
B.能量耗散表明能量守恒定律具有一定的局限性
C.能量耗散表明在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,因此,可利用的品质并未降低
D.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性
解析:能量虽然有耗散但总的能量是守恒的,即在能源的利用过程中,能量在数量上并未减少,但是在可利用的品质上降低了,它反映了宏观自然过程自发进行是有其方向性的,故选项A、B、C错误,D正确。
3.在浙江省舟山市建设的“奋进号”潮流能发电机组是世界上单台容量最大的潮流能发电机组,其核心部件是“水下大风车”,它的叶片转动时可形成半径为5 m的圆面。某次涨潮期间,该区域海水的潮流速度是1 m/s,流向恰好跟叶片转动的圆面垂直,已知海水密度为
1×103 kg/m3,假设这台水轮机能将此圆面内20%的潮流能转化为电能,则这台潮流能发电机发电的功率约为(　B　)
A.3.9×103 W B.7.9×103 W
C.3.9×104 W D.7.9×104 W
解析:在t时间内流过圆面的海水质量m=ρπr2vt,其潮流能为Ek=mv2=ρπr2v3t,则这台潮流能发电机发电的功率为P===20%×ρπr2v3=0.2××1×103×3.14×52×13 W≈7.9×103 W,选项B正确。
4.(多选)关于能源的开发和利用,下列观点正确的是(　AD　)
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,无须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:常规能源是有限的,所以无节制地使用常规能源是一种盲目的短期行为,故A正确;能量转化为不能利用或不易利用的能源,这样会减少可利用能源的数量,因此应该节约能源,故B错误;能源的开发和利用,必须同时考虑其对生态环境的影响,故C错误;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,故D正确。
5.几位学生根据能的转化做了一个小实验,估测出太阳辐射功率。
他们的做法是:取一个横截面积约为3×10-2 m2、保温性能良好材料
制作的圆筒,里面装了1.0 kg的水,让太阳光垂直照射15 min,测出水温升高了3.9 ℃。已知照射在地球大气顶层的太阳能只有45%能到达地面,取太阳与地球表面的平均距离为1.5×1011 m,水的比热容c=4.2×103 J/(kg·℃),水吸收的热量用Q=cmΔT表示。请利用这些数据估算出太阳的全部辐射功率。
解析:设圆筒内水吸收太阳能的功率为P0,
则P0=== W=18.2 W,
则照射到圆筒单位面积上的功率P0′=,
则太阳光照射到地球大气顶层的单位面积上的功率P0″==,
则太阳辐射的总功率
P总=P0″·4πr2=
= W
≈3.8×1023 kW。
答案:3.8×1023 kW
考点二　能源的分类与应用
6.我国计划在2060年达到“碳中和”目标,到时生产、生活排放的碳总量与植被吸收的碳总量将达到平衡,为了实现这一目标。未来四十年我国应减少使用的能源是(　B　)
A.水能 B.化石能源
C.太阳能 D.风能
解析:水能、风能、太阳能使用过程污染少,环保;而化石能源使用过程中向空气中排放二氧化碳,严重污染环境,所以我国应减少使用化石能源,A、C、D错误,B正确。
7.某科普小组的同学调查了河南省不同类型的发电站,其中利用化石能源发电的是(　C　)
A.小浪底水电站 B.孟津风力电站
C.郑州燃气电站 D.博爱光伏电站
解析:水能、风能和太阳能可以从自然界中源源不断地得到,所以小浪底水电站、孟津风力电站、博爱光伏电站是利用新能源发电的,故A、B、D错误;燃气是利用了化石能源,故C正确。
8.2024年1月17日22时27分,搭载天舟七号货运飞船的长征七号遥八运载火箭,从我国文昌航天发射场点火升空,并于18日01时
46分成功对接于空间站天和核心舱后向端口,此后天舟七号转入组合体飞行阶段。组合体运行中所需电能来自于太阳能电池板。关于太阳能等新能源与可持续发展,以下说法正确的是(　A　)
A.利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源可以改善空气质量
B.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造
C.水电站里的发电机装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能
D.核能对环境的污染比常规能源对环境的污染大
解析:新能源的应用能够有效地减少碳排放量,改善空气质量,故A正确;能量是守恒的,既不能被创造也不可能消失,但使用过程中会使能量品质下降,故要节约能源,故B错误;水通过发电机装置将水的机械能转化为电能,但由于转化效率达不到100%,不可能将水库中储存的水的机械能全部转化为电能,故C错误;核能属于新能源,随着技术的进步对环境的污染远小于燃煤电站,它是一种清洁能源,故D错误。
9.太阳能是来自太阳的辐射能量,是一种无污染的可再生能源。这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长,当太阳光照射地面时,在1 m2地面上1 s内平均得到的太阳辐射能约为 1.0×103 J。太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置,目前已经出现在我们的生活中。
某同学在网上下载了某型号太阳能热水器的铭牌:[水的比热容 c=4.2×103 J/(kg·℃)]
容积(V) 100 L
集热管的采光面积(S) 1.5 m2
效率(η) 40%
使用年限(z) 15年
(1)若他家每天大约需要100 kg热水,用这种热水器将这些水从25 ℃加热到45 ℃需要多长时间
(2)与效率为80%的电热水器相比,他家每天节约多少电能
解析:(1)设T为光照时间,k=1.0×103 J/(s·m2),
Q吸=cm(t-t0)=4.2×103×100×20 J
=8.4×106 J,
太阳能热水器传给水的热量Q放=kSTη,
因为Q吸=Q放,
所以T== s
=1.4×104 s≈3.9 h。
(2)由Q吸=Q电η1=Q放得
Q电== J
=1.05×107 J≈2.9 kW·h。
答案:(1)3.9 h　(2)2.9 kW·h
能力提升练
10.风力发电是重要的发电方式之一,某风力发电机在风速为8 m/s时输出的电功率为680 kW,若风场每天有12 h风速在4 m/s到10 m/s的风能资源,风力发电机的转化效率为18%,风正面吹向叶片,则该电站每天的发电量至少为(　A　)
A.1 020 kW·h B.920 kW·h
C.800 kW·h D.720 kW·h
解析:时间Δt内吹到叶片处的空气的质量为m=ρSvΔt,对应的空气动能为Ek=mv2=ρSv3Δt,发电机的功率为P==0.09ρSv3,令0.09ρS=k,对v=8 m/s和vmin=4 m/s,有=()3,则Pmin=85 kW,该电站每天的发电量至少为W=Pmint=85×12 kW·h=1 020 kW·h,选项A正确。
11.图示中的路灯为太阳能路灯,每个路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3 m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3×106 J。如果每天等效日照时间约为6 h,光电池一天产生的电能可供30 W的路灯工作8 h。光电池的光电转换效率约为(　C　)
A.4.8% B.9.6% C.16% D.44%
解析:每天(6 h)太阳能电池板吸收的太阳能为W总=0.3×3×106×
6 J=5.4×106 J,路灯正常工作的功率为P=P额=30 W,每天消耗的电能为W有=Pt=30×8×3 600 J=8.64×105 J,则路灯利用太阳能的效率
η=×100%=×100%=16%,选项C正确。
12.(多选)某地区常年有风,风速基本保持在4 m/s,有一风力发电机,其叶片转动可形成半径为10 m的圆面,且风能垂直吹向叶片,空气密度为 1.3 kg/m3,风的动能转化为电能的效率为20%。为了合理利用能源,某地计划建一抽水蓄能电站,抽水蓄能电站在用电低谷时利用风力发出的电将水抽到高处,在用电高峰时再利用水能发电,若平均用
4度谷电能换3度峰电。(已知每天 8:00～22:00为用电高峰,其余时间为用电低谷,峰电价格0.50元,谷电价格0.30元),下列说法正确的是(　AD　)
A.抽水蓄能电站平均用4度谷电换3度峰电的过程中能量是守恒的
B.风力发电机把风能转化为电能,而抽水蓄能电站实现电能转化为水的势能储存,需要时再转化为电能,能量在可利用的品质上是不变的
C.若采用该方案,一台风力发电机发出的电每年多产生的收益约为
1 700元
D.风力发电机的发电功率约为2.6×103 W
解析:抽水蓄能电站平均用4度谷电换3度峰电,在电能与机械能间的转化过程中会有一部分能量转化为内能,则该过程能量是守恒的,故A正确;抽水蓄能电站使不同形式的能量转化,能量在可利用的品质上是变化的,故B错误;t时间内吹到叶片上的风的动能转化的电能为
E=ηEk=η×mv2=η×ρSv3t,风力发电机的发电功率约为P==
ηρSv3≈2.6×103 W=2.6 kW,故D正确;若采用该方案,一天内一台风力发电机在谷电期发电E谷=Pt=26 kW·h,转化为峰电时电能为
E峰=E谷=19.5 kW·h,则发出的电每年多产生的收益约为365×
(19.5×0.50-26×0.30)元≈712元,故C错误。
13.某海湾面积为1.0×107 m2,涨潮时水深20 m,退潮时水深降至18 m。现利用此海湾筑水坝建潮汐水力发电站,利用涨潮和落潮过程中进出海湾的潮水推动水轮发电机组发电(如图所示)。若重力势能转化为电能的效率是10%,每天有两次涨潮,取海水密度ρ=1.0×103 kg/m3,重力加速度g取10 m/s2,则该发电站一天能发出多少电能
解析:一次发电的水的质量为
M=ρV=ρSΔh=1.0×103×1.0×107×(20-18)kg=2×1010 kg,
水的重力势能的减小量为
ΔEp=Mg·=2×1010×10× J=2×1011 J,
一天发电产生的电能为
E=4ΔEp×10%=4×2×1011×10% J=8×1010 J。
答案:8×1010 J(共40张PPT)
4　能源与可持续发展
「定位·学习目标」
1.通过各种实例,知道能量是如何转化的,理解能量守恒定律的含义;通过实例分析知道能量耗散,认识自然界中能量转化的方向性,形成物理观念。
2.知道合理使用能源的重要性,形成可持续发展观念,养成节能的习惯;知道科学、技术、社会、环境协调发展的关系,树立具有环境保护的意识,培养科学态度与责任。
探究·必备知识
1.能量守恒定律
能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式 为其他形式,或者从一个物体 到别的物体,在转化或转移的过程中,能量的总量 。
2.能量转移或转化的方向性
在自然界中,能量的转化过程有些是可以自然发生的,有些则不能。一切与 有关的宏观自然过程都是 的。
「探究新知」
知识点一　能量转移或转化的方向性
转化
转移
保持不变
热现象
不可逆
3.能量耗散
(1)概念:燃料燃烧时一旦把热量释放出去,就不会再次
起来供人类重新利用。这种现象叫作能量的耗散。
(2)意义:能量的耗散是从 的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。
自动聚集
能量转化
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)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。(　　)
(2)“既要马儿跑,又要马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的。(　　)
(3)热量能自发地由低温物体传到高温物体。(　　)
「新知检测」
×
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1.不可再生能源:煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源,这类能源又叫作 能源。 能源无法在短时间内再生,所以这类能源被叫作不可再生能源。
2.可再生能源:水能、风能等能源,归根结底来源于 。这些能源在自然界可以再生,叫作可再生能源。
3.能源的应用:近年来,我国在能源开发方面取得了很大的成就,如太阳能发电、水力发电、风能发电、 等。
「探究新知」
知识点二　能源的分类与应用
化石
化石
太阳能
核能发电
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)由于能源危机,所以要不断开发新能源。(　　)
(2)煤炭、石油、天然气属于常规能源。(　　)
(3)在不太长的时间内取之不尽、用之不竭的能源是可再生能源。
(　　)
「新知检测」
×
√
√
1.能源利用的三个时期:柴薪时期、煤炭时期和 。
2.火的使用是人类在能源使用上的 里程碑。
3.能源是人类社会活动的 。
「探究新知」
知识点三　能源与社会发展
石油时期
第一个
物质基础
4.能源与社会发展
(1)人类对能源的利用,正从第三个时期向多能源结构时期过渡。能源科技的每一次突破,都带来了 的巨大飞跃和社会的进步。
(2)能源短缺和过度使用化石能源带来的 已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。
(3)人类的生存与发展需要能源,能源的开发与使用又会对环境造成影响。可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡:既满足 的需求,又不损害 的需求。
(4)需要树立新的能源安全观,并转变能源的供需模式。一方面要大力提倡
,另一方面要发展 。
生产力
环境恶化
当代人
子孙后代
节能
可再生能源以及清洁能源
[判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”]
(1)大量煤炭和石油产品在燃烧时产生的气体加剧了地球气候的变化。(　　)
(2)在能源利用过程中能量是守恒的,故不必节约能源。(　　)
(3)光化学烟雾是由于化石能源燃烧发光产生的。(　　)
「新知检测」
×
√
×
突破·关键能力
要点一　能量守恒定律与能量转移或转化的方向性
「情境探究」
如图所示,荡秋千的过程中,我们观察到它的摆动幅度越来越小,最后停止摆动。
(1)机械能消失了吗 若没有消失,转化成了什么
答案:(1)机械能没有消失,而是转化为内能。
(2)能否让这种能自发地转化为机械能使秋千重新摆动起来呢
答案:(2)不可能使内能自发地转化为机械能使秋千摆动。
「要点归纳」
1.能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能。机械运动有机械能,分子的热运动有内能,还有电磁能、化学能、原子能等。
(2)各种形式的能之间通过某种力做功可以相互转化。
2.能量守恒的两种关系
(1)某种形式的能减少,一定有其他形式的能增加,且减少量和增加量一定相等。
(2)某个物体的能量减少,一定存在其他物体的能量增加,且减少量和增加量一定相等。
3.解答能量转化与守恒问题的思路
(1)首先分析研究对象的受力及做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式。
(2)利用减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增相等列式求解。
4.能量转移或转化的方向性
能量的耗散表明能源可利用的品质降低了,它反映出自然界中的宏观过程具有方向性,能源的利用是有条件的,也是有代价的。
[例1] (能量守恒定律的理解)在能源消耗的过程中,我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用,这种现象叫作能量的耗散。对于能量耗散的理解正确的是(　　)
A.能量耗散说明能量在不断地减少
B.能量耗散不遵循能量守恒定律
C.能量耗散说明能量不能凭空产生,但能量却可以凭空消失
D.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性
「典例研习」
√
解析:能量耗散是能量变成了无法收集利用的内能,能量不会减少,能量的总量保持不变,故A错误;能量守恒定律适用于整个自然界,能量耗散并不违背能量守恒定律,故B错误;能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,故C错误;能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性,故D正确。
[例2] (能量守恒定律的应用)风能是一种环保型能源,目前我国风力发电总装机容量已超过4亿千瓦,风力发电是将风的动能转化为电能。设空气的密度为ρ,水平风速为v,风力发电机每个叶片的长度为L,风力发电机将风能转化为电能的效率为η。
(1)求该风力发电机的发电功率P的表达式。
解析:(1)叶片旋转所形成的圆面积为S=πL2,
t时间内流过该圆面积的空气柱体积为V=Svt=πL2vt,
空气柱的质量为m=ρV=ρπL2vt,
(2)若某地平均水平风速为v=10 m/s,空气密度ρ=1.3 kg/m3,所用风力发电机的叶片长度L=20 m,效率η=25%,平均每天发电20 h,则平均每天能获得多少电能 (结果保留3位有效数字)
答案:(2)1.47×1010 J
解析:(2)平均每天获得的电能为
规律方法
利用能量守恒定律解题的基本思路
(1)分清有哪几种形式的能(如机械能、内能等)在变化。
(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。
(3)列等式ΔE减=ΔE增求解。
要点二　能源开发与可持续发展
「情境探究」
煤炭和石油是常规能源。尽管我国的常规能源资源非常丰富,但由于人口众多,所以能源的需求量很大。
(1)能量的耗散与能量守恒是否矛盾,为什么
答案:(1)能量的耗散和能量守恒并不矛盾,能量的耗散并不是能量消失了,而是在能源利用的过程中,能量发生了转化,使能量的品质下降,但能量在数量上并没有减少。
(2)能量是守恒的,为什么还要节约能源
答案:(2)能量的耗散表明,在能源的利用过程中,即在能量的转化过程中,能量在数量上并未减少,但在可利用品质上降低了,从便于利用的能量变成不便于利用的能量了。因此我们要节约能源,同时积极研究和开发利用新能源和可再生能源,如核能、太阳能、风能、海洋能、生物质能等。
「要点归纳」
1.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,都与新的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:化石能源的过度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。
2.能源的分类
分类方法 能源分类名称 特点 举例
按形式 或转换 特点分 一次能源 自然形成,未经加工 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源 由一次能源经加工转换而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化石油气、酒精、汽油、电能
按利用 技术分 常规能源 已大规模使用 煤炭、石油、天然气、水能
新能源 正在开发,或有新的利用方式 太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
按可否 再生分 可再生 能源 可循环 　 使用 水能、风能、生物质能、地热能
不可再生 能源 短期内无法获得 煤炭、石油、天然气
按对环 境污染 情况分 清洁能源 对环境基本上没有污染 太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 化石燃料(煤炭、石油、天然气)
3.能源应用的三个要求
(1)对常规能源合理有效地利用,保护环境与生态平衡。
(2)开发新型清洁能源和可再生能源。
(3)积极研发节能的新技术,提高能源利用效率。
[例3] (能源的利用与环境)第19届亚运会于2023年9月23日晚在杭州盛大开幕。此次亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示,通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景,传递出中国绿色低碳环保且负责任的发展中大国形象。以下说法正确的是(　　)
A.能量在使用过程中总量保持不变,故无需节约用电,可尽情燃放电子烟花
B.不断开发新能源,发展新技术,是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段
C.电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能,过程中不存在能量耗散
D.相比于传统烟花,使用电子烟花完全无污染
「典例研习」
√
解析:能量在使用过程中总量是保持不变的,但是能量的转移和转化是具有方向性的,是不可逆的过程,所以仍然需要节约用电,故A错误;不断开发新能源,发展新技术才能缓解能源危机,从而减少对化石能源的依赖,有利于保护环境,故B正确;电子烟花将电能转化为光能和内能的过程,同时会有声音及热损耗,会伴有能量耗散,故C错误;使用电子烟花只是减少了污染,但还存在噪声污染、光污染,故D错误。
检测·学习效果
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1.太阳能电池板为中国空间站正常工作提供能量。当光线照射电池板表面时,一部分太阳能被电池板中的硅材料吸收,使材料中电子的电势能增大而具有电能。下列说法正确的是(　　)
A.被电池板收集的太阳能被空间站中的各类设备转化为其他形式的能,其总量保持不变
B.电子的电势能增大,说明能量可以创生
C.太阳能被硅材料吸收,说明能量可以消灭
D.只有部分太阳能被硅材料吸收,说明能量不守恒
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解析:被电池板吸收的太阳能转化为电能,电能又通过各类设备转化为其他形式的能,其总量一定不变,能量没有消灭,也没有创生,太阳能的利用只能说明能量是可以转化的,故A正确,B、C、D错误。
2.能源亦称能量资源或能源资源,是国民经济的重要物质基础,未来国家命运取决于能源的掌控。能源的开发和有效利用程度以及人均消费量,是生产技术和生活水平的重要标志。下列能源为可再生能源的是(　　)
A.石油 B.天然气
C.风能 D.煤炭
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解析:化石能源无法在短时间内再生,这类能源为不可再生能源,比如煤炭、石油和天然气;而水能、风能和潮汐能为可再生能源,选项C正确。
3.关于能源与能量,下列说法正确的是(　　)
A.能量被使用后就消失了,所以要节约能源
B.自然界中石油、煤炭等能源可供人类长久使用
C.人类应多开发与利用风能、太阳能等新能源
D.人类不断地开发和利用新的能源,所以能量可以被创造
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解析:能量守恒定律告诉我们,能量是不会减少的,煤炭、石油、天然气等化石能源被使用后,化学能转化为内能耗散了,虽然总能量没有减少,但是可以利用的品质降低了,故依然要节约能源,故A错误;自然界中石油、煤炭等能源是有限的,故会不断减少,故B错误;新能源是随着技术进步开发出的原子能、氢能、生物质能等以及可以循环利用的风能、太阳能等,多开发利用新能源是人类社会生存发展的时代需要,故C正确;人类不断地开发和利用新的能源,如风能、生物质能等,本质上都来源于太阳能,符合能量守恒定律,故D错误。
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4.光伏发电是利用太阳能的技术之一,它利用太阳能电池板,将照射在其上的太阳能转化为电能。除建设的大型光伏电站外,居民院落或屋顶的光伏发电装置除满足居民家庭用电,还可向电网供电获得收益。太阳光垂直照射地面,在每平方米的面积上,平均每分钟能得到8.4×104 J的太阳能量,其中利用太阳能的10%,那么在面积为50 m2的屋顶上可以利用的太阳能的功率为(　　)
A.7 kW B.8.4 kW
C.70 kW D.420 kW
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