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第十二章
电能　能量守恒定律
课时4　能源与可持续发展
核心 目标 1．能列举实例说明能量是如何转化的，能解释能量守恒定律的含义．
2．知道能量耗散，认识自然世界中能量转化的方向性．认识环境污染的危害，具有环境保护的意识和行动．
3．了解太阳能、水能、核能和风能等能源的开发利用，知道利用能量是人类生存和社会发展的必要条件之一．
4．知道可再生能源和不可再生能源，认识合理使用能源的重要性，具有可持续发展观念．
目标导学 各个击破
能量守恒定律的理解和应用
1．理解
(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，还有电磁能等．
(2) 各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化．例如，煤燃烧，化学能转化为内能．
考向
1
2．适用范围
能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律．
3．表达式
(1) E初＝E末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和．
(2) ΔE增＝ΔE减，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量．
　　　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．农村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，如果我们能利用太阳能的10%，那么在面积为50 m2的屋顶上可以利用的太阳能的功率最大为(　　)
A．7 kW　　　　 B．8.4 kW
C．70 kW　　　　 D．420 kW
1
解析：令历时为t，能够利用的太阳能E0＝t×50×10% J＝7t×103 J，根据功率的表达式有Pmax＝，解得Pmax＝7 kW，B、C、D错误，A正确．
A
能量守恒定律的应用步骤
1．首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式．
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．依据ΔE减＝ΔE增列式求解．
对能量耗散的理解
1．各种形式的能最终都转化为内能，耗散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不能驱动机器做功了．
2．从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量．由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．
3．能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．
注意：能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性．
考向
2
　　　(多选)下列对能量耗散的理解中正确的是 (　　)
A．能量耗散说明能量不断减少
B．能量耗散遵循能量守恒定律
C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失
D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
2
解析：在发生能量转换的宏观过程中，其他形式的能最终会转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫作能量耗散．能量耗散并不违背能量守恒定律，能量既没有减少，也没有消失，它从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，A、C错误，B、D正确．
BD
　　　在学习能量守恒定律时，有同学对“能量耗散”有了新的理解．下列对“能量耗散”理解中正确的是 (　　)
A．能量在转化过程中变少的现象叫能量的耗散
B．能量耗散表明，各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的
C．能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量的数量不但减少，而且可利用的品质降低了
D．能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散
D
3
能源与能源开发
1．能源的分类
考向
3
能源分类方法 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、液化气、酒精、汽油、电能
按利用 技术分 常规能源 已大规模正常使用 煤、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
能源分 类方法 能源分 类名称 特点 举例
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 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气、核燃料
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、石油、天然气)
2．能源开发和利用的关系图
　　　“绿色、环保、低碳”是当今世界的关键词，“低碳”要求我们节约及高效利用能源．关于能源与能量，下列说法中正确的是 (　　)
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、太阳能等新型能源
D．人类不断地开发和利用新的能源，所以能量可以被创造
4
C
解析：根据能量守恒定律，能量是不会凭空减少的，煤炭、石油、天然气等化石能源使用后，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，A错误；自然界中石油、煤炭等能源是有限的，人类在开采时会不断减少，B错误；人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源，C正确；根据能量守恒定律，能量是不能被创造的，人类不断地开发和利用新的能源，如风能、太阳能，本质上都来源于太阳，遵循能量守恒定律，D错误．
能源与社会发展
1．随着人口迅速增长、经济快速发展以及工业化程度的提高，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．
2．可持续发展
(1) 可持续发展的核心：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．
(2) 需要做好两方面：
①要大力提倡节能．
②发展可再生能源以及清洁煤、核能等在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低的清洁能源．
考向
4
　　　能源危机是当今世界各国共同面临的问题．对此，以下措施中可行的是
(　　)
A．人人都要自觉做到节约用水、节约用电，不浪费和不人为毁坏物品
B．关闭现有的火力发电站
C．各地都要兴建水力和风力发电站
D．停止使用石油资源，而以核能和太阳能取代
5
解析：节约能源，提高效率，可有效应对能源危机，A正确；风力、水力受地域环境的限制，不能在各地推广，因而不能关闭现有的火力发电站，B、C错误；核能和太阳能受技术限制，尚未大规模利用，所以石油也不能停止使用，D错误．
A
随堂内化 即时巩固
1．PM2.5主要来自化石燃料的燃烧以及生活物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高效利用资源．关于能源和能量，下列说法中正确的是
(　　)
A．自然界的石油、煤炭等资源可供人类永久使用
B．能量被使用后就消灭了，所以要节约资源
C．人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源
D．能量利用的品质降低说明自然界的能量正在不断减少
C
2．“碳达峰”是指我国承诺2030年前，二氧化碳排放达到峰值后将逐步降低，不再增长．节能减排的一条重要措施就是逐步将我国现有的约2亿只传统路灯替换成使用风能和太阳能的风光互补路灯，如图所示为某公司生产的风光互补LED路灯实物图和电路原理图．已知每燃烧一吨标准煤可以发电3 000 kW·h，排放二氧化碳2.61 t，若将我国现有的60%的传统路灯替换成风光互补路灯，按每只传统路灯功率400 W、每天工作10 h计算，这一条措施一年(365天)可减少二氧化碳的排放量约为 (　　)
A．4.2×1011 t　
B．4.2×105 t
C．1.0×108 t
D．1.5×108 t
D
解析：一只400 W的传统路灯一年消耗的电能为W＝Pt＝1 460 kW·h，每只风光互补路灯一年可减少二氧化碳的排放量为m＝×2.61 t≈1.27 t，总共减少的二氧化碳排放量为m总＝60%·nm＝60%×2×108×1.27 t≈1.5×108 t，D正确，A、B、C错误．课时4　能源与可持续发展
1. 不同的物理现象往往反映出相同的物理规律.下图所示现象中在能量转化方面的共同点是(　　)
①跳伞员在空中匀速下降
②风力发电
③制动后的火车速度越来越慢，最后停在站台
④水力发电
A. 物体的机械能转化为其他形式的能
B. 物体的动能全部转化为重力势能
C. 其他形式的能转化为物体的机械能
D. 物体的重力势能转化为其他形式的能
2. 关于能量和能源，下列说法中正确的是(　　)
A. 能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加
B. 能量在转化和转移过程中，其总量只会不断减少
C. 能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要
D. 能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源
3. 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
4. 下列关于能量耗散的说法中不正确的是(　　)
A. 能量耗散导致能量品质的降低
B. 能量耗散是指耗散在环境中的内能很难被人类利用
C. 能量耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律
D. 各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的
5. 能量守恒定律的建立是人类认识自然的一次重大飞跃，它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一.下列说法中正确的是(　　)
A. 因为能量守恒，所以不需要节约能源
B. 因为能量不会消失，所以不可能有能源危机
C. 不同形式的能量之间可以相互转化
D. 能量可以被消灭，也可以被创生
6. 如图所示，罗浮山飞云顶沿线安装了许多太阳能路灯，太阳能电池板为夜间照明提供能量.下列说法中正确的是(　　)
A. 太阳能属于清洁能源
B. 太阳能电池板可以将太阳能100%转化为电能
C. 罗浮山飞云顶只有太阳能可以转化为电能
D. 能量在转化和转移过程中，其总量保持不变，故节约能源没有必要
7. (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已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
8. 如图所示的三种灯具的发光原理不同，白炽灯由灯丝通电发热发光，荧光灯通电产生电磁辐射后发光，LED灯则直接将电转化为光.在额定电压220 V下，功率为30 W的白炽灯、6 W的荧光灯与2 W的LED灯，三者照明亮度相当.下列说法中正确的是(　　)
A. 我们日常使用的电能属于一次能源
B. 因为亮度相同，三种灯的节能效果一样
C. 正常工作时通过LED灯的电流约为9 mA
D. 1 s内白炽灯产生的热量是LED灯的15倍
9. 风能是我国未来开发和利用的重要能源之一，我国已经建成了一些风力发电厂.下列说法中错误的是(　　)
A. 风能是可再生资源
B. 风力发电是将机械能转化为电能
C. 若空气的密度为ρ，风速为v时，t时间通过横截面为S的空气动能为ρStv2
D. 风力发电既经济又环保
10. 某地区的风速为14 m/s，空气密度为1.3 kg/m3.若通过横截面积为400 m2的风能全部用于使风力发电机转动，且风能的20%转化为电能，则发电功率约为(　　)
A. 97 kW B. 143 kW
C. 210 kW D. 269 kW
11. 图甲是叶片长度为L的风力发电机，图乙是该风力发电机的扫风面积示意图，风叶旋转扫过的面积是截留风能的面积，并与风向垂直.已知空气的密度为ρ，风速为v，风动能转化为电能的效率为η，则该风力发电机的功率为(　　)
甲
乙
A. πρL2v3η B. πρL2v2η
C. πρLv3η D. πρL2vη
课时4　能源与可持续发展
1. A　解析：图中几种现象的共同特点是物体的机械能转化为其他形式的能，A正确.
2. D　解析：根据能量转化和守恒定律可知能量在转化和转移过程中总量既不会增加，也不会减少，A、B错误；能量在转化和转移过程中，其总量保持不变，但品质越来越差，即可利用率越来越低，故需节约能源，C错误；能量的转化和转移具有方向性，即朝可利用率低的方向转化，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源，D正确.
3. A　解析：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，A正确，B、C、D错误.
4. C　解析：能量耗散是能量在转化过程中有一部分以内能的方式被周围环境吸收，使得能量品质降低，A正确；通过能量耗散，耗散在环境中的内能无法被人类再利用，B正确；能量耗散是能量在转化过程中有一部分以内能的方式被周围环境吸收，遵循能量守恒定律，C错误；各种形式的能量在一定条件下向内能转化时是能够自动全额发生的，D正确.
5. C
6. A　解析：太阳能属于清洁能源，A正确；太阳能电池板不可以将太阳能100%转化为电能，B错误；罗浮山飞云顶除了太阳能可以转化为电能，还可以利用风能转化成电能，C错误；能量在转化和转移过程中，其总量保持不变，但是会有部分能量不能被回收利用，故节约能源还是必要，D错误.
7. BD　解析：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的排放或植树造林也可以吸收空气中的CO2，B、D正确；禁止使用煤、石油和天然气或将汽车燃料由汽油改为液化石油气虽然有效，但是并不可行，A、C错误.
8. C　解析：电能不能从自然界直接获取，是二次能源，A错误；正常工作时，亮度相同，但LED灯消耗的电能少，所以选用LED灯更加节能，B错误；正常工作时通过LED灯的电流约为I＝＝A≈9 mA，C正确；由于LED灯是非纯电阻，通过题干无法求出电阻，故无法比较产生的热量，D错误.
9. C　解析：风能是可以从自然界源源不断得到的能源，是可再生能源，风力发电既经济又环保，A、D正确，不符合题意；风力发电过程，消耗机械能而产生电能，是将机械能转化为电能的过程，B正确，不符合题意；若空气的密度为ρ，风速为v时，t时间通过横截面为S的空气动能为mv2＝ρStv3，C错误，符合题意.
10. B　解析：在t时间内，风的质量为m＝ρV＝ρvtS，风的动能为E＝mv2，则发电功率为P＝＝ηρSv3，代入数据得P≈1.43×105 W＝143 kW，B正确，A、C、D错误.
11. A　解析：则t时间内流向风轮机的最大风能为E＝mv2＝v2＝πρtL2v3可得发电机的风力发电的功率为P＝＝ηπρL2v3，A正确.课时4　能源与可持续发展
核心 目标 1．能列举实例说明能量是如何转化的，能解释能量守恒定律的含义．
2．知道能量耗散，认识自然世界中能量转化的方向性．认识环境污染的危害，具有环境保护的意识和行动．
3．了解太阳能、水能、核能和风能等能源的开发利用，知道利用能量是人类生存和社会发展的必要条件之一．
4．知道可再生能源和不可再生能源，认识合理使用能源的重要性，具有可持续发展观念．
考向1　能量守恒定律的理解和应用
1．理解
(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，还有电磁能等．
(2) 各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化．例如，煤燃烧，化学能转化为内能．
2．适用范围
能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律．
3．表达式
(1) E初＝E末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和．
(2) ΔE增＝ΔE减，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量．
　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．农村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，如果我们能利用太阳能的10%，那么在面积为50 m2的屋顶上可以利用的太阳能的功率最大为(　A　)
A．7 kW　　　　 B．8.4 kW
C．70 kW　　　　 D．420 kW
解析：令历时为t，能够利用的太阳能E0＝t×50×10% J＝7t×103 J，根据功率的表达式有Pmax＝，解得Pmax＝7 kW，B、C、D错误，A正确．
能量守恒定律的应用步骤
1．首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式．
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．依据ΔE减＝ΔE增列式求解．
考向2　对能量耗散的理解
1．各种形式的能最终都转化为内能，耗散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不能驱动机器做功了．
2．从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量．由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．
3．能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．
注意：能量耗散不仅遵循能量守恒定律，而且从能量的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性．
　(多选)下列对能量耗散的理解中正确的是(　BD　)
A．能量耗散说明能量不断减少
B．能量耗散遵循能量守恒定律
C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失
D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
解析：在发生能量转换的宏观过程中，其他形式的能最终会转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫作能量耗散．能量耗散并不违背能量守恒定律，能量既没有减少，也没有消失，它从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，A、C错误，B、D正确．
　在学习能量守恒定律时，有同学对“能量耗散”有了新的理解．下列对“能量耗散”理解中正确的是(　D　)
A．能量在转化过程中变少的现象叫能量的耗散
B．能量耗散表明，各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的
C．能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量的数量不但减少，而且可利用的品质降低了
D．能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散
考向3　能源与能源开发
1．能源的分类
能源分 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、液化气、酒精、汽油、电能
按利用 技术分 常规能源 已大规模正常使用 煤、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 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气、核燃料
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、石油、天然气)
2．能源开发和利用的关系图
　“绿色、环保、低碳”是当今世界的关键词，“低碳”要求我们节约及高效利用能源．关于能源与能量，下列说法中正确的是(　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、太阳能等新型能源
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：根据能量守恒定律，能量是不会凭空减少的，煤炭、石油、天然气等化石能源使用后，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，A错误；自然界中石油、煤炭等能源是有限的，人类在开采时会不断减少，B错误；人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源，C正确；根据能量守恒定律，能量是不能被创造的，人类不断地开发和利用新的能源，如风能、太阳能，本质上都来源于太阳，遵循能量守恒定律，D错误．
考向4　能源与社会发展
1．随着人口迅速增长、经济快速发展以及工业化程度的提高，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．
2．可持续发展
(1) 可持续发展的核心：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．
(2) 需要做好两方面：
①要大力提倡节能．
②发展可再生能源以及清洁煤、核能等在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低的清洁能源．
　能源危机是当今世界各国共同面临的问题．对此，以下措施中可行的是(　A　)
A．人人都要自觉做到节约用水、节约用电，不浪费和不人为毁坏物品
B．关闭现有的火力发电站
C．各地都要兴建水力和风力发电站
D．停止使用石油资源，而以核能和太阳能取代
解析：节约能源，提高效率，可有效应对能源危机，A正确；风力、水力受地域环境的限制，不能在各地推广，因而不能关闭现有的火力发电站，B、C错误；核能和太阳能受技术限制，尚未大规模利用，所以石油也不能停止使用，D错误．
1．PM2.5主要来自化石燃料的燃烧以及生活物质、垃圾的焚烧，为了控制污染，要求我们节约及高效利用资源．关于能源和能量，下列说法中正确的是(　C　)
A．自然界的石油、煤炭等资源可供人类永久使用
B．能量被使用后就消灭了，所以要节约资源
C．人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源
D．能量利用的品质降低说明自然界的能量正在不断减少
2．“碳达峰”是指我国承诺2030年前，二氧化碳排放达到峰值后将逐步降低，不再增长．节能减排的一条重要措施就是逐步将我国现有的约2亿只传统路灯替换成使用风能和太阳能的风光互补路灯，如图所示为某公司生产的风光互补LED路灯实物图和电路原理图．已知每燃烧一吨标准煤可以发电3 000 kW·h，排放二氧化碳2.61 t，若将我国现有的60%的传统路灯替换成风光互补路灯，按每只传统路灯功率400 W、每天工作10 h计算，这一条措施一年(365天)可减少二氧化碳的排放量约为(　D　)
　
A．4.2×1011 t　　　　 B．4.2×105 t
C．1.0×108 t　　　　 D．1.5×108 t
解析：一只400 W的传统路灯一年消耗的电能为W＝Pt＝1 460 kW·h，每只风光互补路灯一年可减少二氧化碳的排放量为m＝×2.61 t≈1.27 t，总共减少的二氧化碳排放量为m总＝60%·nm＝60%×2×108×1.27 t≈1.5×108 t，D正确，A、B、C错误．

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