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增分微课3 能量守恒定律与功能关系STSE
问题
应用示例
备用习题
◆
听课手册
答案核查【听】
新高考的命题导向要求考生在学习高中物理时要注重理论联系实际，注意
物理与生产、生活及科技发展的联系，关注物理学的技术在社会中的应用，
培养社会参与意识和社会责任感，完成从“解题”向“解决问题”思路的转变.
例1 [2025·浙江6月选考] 如图所示，风光互补环
保路灯的主要构件有：风力发电机，单品硅太阳
能板，额定电压、容量 的储能电池，
功率的 灯.已知该路灯平均每天照明
； 标准煤完全燃烧可发电2.8度，排放二
氧化碳 .则( )
A.风力发电机的输出功率与风速的平方成正比
B.太阳能板上接收到的辐射能全部转换成电能
C.该路灯正常运行6年，可减少二氧化碳排放量约
D.储能电池充满电后，即使连续一周无风且阴雨，路灯也能正常工作
√
[解析] 风力发电机将空气动能转化为电能，设空气密度为 ，风轮扫风
面积为，风速为，则时间内流过风轮的空气质量为 ，空气
动能,功率 为风电转
换效率 ，A错误；太阳能板是光电转换装置，存在多重损耗(光学损耗、
热损耗、半导体非理想性)，不可能将接收到的辐
射能全部转换为电能，B错误；
路灯每天耗电量为 度，6
年总耗电量为度 度，可减少二氧化碳排放量为
，C错误；储能电池充满电后，储存的电
能 ，可使路灯正常工作的天数为
天天 天(一周)，故储能电
池充满电后，即使连续一周无风且阴雨，路灯
也能正常工作，D正确.
例2 [2025·河北秦皇岛模拟] 某瀑布高，水的流量为 ，假设
利用瀑布来发电，能量转化效率为，已知重力加速度取 ，
水的密度 ，则发电功率为( )
A. B. C. D.
[解析] 时间内流过水的质量为 ，重力势能的减少量为
，重力势能转化为电能，则发电功率 ，其中
， ，联立可得
，故选D.
√
例3 [2025·浙江温州模拟] 浙江最大抽水蓄能电
站在缙云开建，其工作原理是：在用电低谷时
(如深夜)，电站利用电网多余电能把水抽到高处
蓄水池中，到用电高峰时，再利用蓄水池中的
水发电.如图所示，若该电站蓄水池(上水库)有
效总库容量(可用于发电)为 ，发电过程中上下水库平均水位
差为，年抽水用电为，年发电量为
(水的密度为，重力加速度取 ，以下水库水
面为零势能面).则下列说法正确的是 ( )
A.抽水蓄能电站的总效率约为
B.发电时流入下水库的水流速度可达到
C.蓄水池中能用于发电的水的重力势能约为
D.该电站平均每天所发电能可供给一个大城市居民用电(电功率以
计算)约
√
[解析] 年抽水用电为，年发电量为 ，则抽
水蓄能电站的总效率为 ，故A错误；若没
有任何阻力，由机械能守恒定律得 ，解得
，
由题意可知，水流下的过程中受到阻力，所以
发电时流入下水库的水流速度小于 ，故
B错误；
水池中能用于发电的水的重力势能为
，
故C正确；该电站平均每天所发电量为 ，可供给一个大城
市居民用电 (电功率以 计算)的时间为
，故D错误.
例4 (多选)返回式遥感人造卫星技术已经非常成熟.质量为 的遥感人造卫
星与地心的距离为时，引力势能可表示为，其中 为引力常
量，为地球质量.该遥感人造卫星原来在半径为 的轨道上绕地球做匀
速圆周运动，由于受到极稀薄空气的摩擦作用，飞行一段时间后其圆周运
动的半径变为 ，则此过程中( )
A.引力势能的减小量为
B.引力势能的减小量为
C.因摩擦而产生的热量为
D.因摩擦而产生的热量为
√
√
[解析] 此过程中引力势能的减小量为
，故A正确，B错
误；根据万有引力提供向心力可得， ，根据能量守
恒可知，因摩擦而产生的热量为
，联立解得 ，故C错误，D正确.
例5 如图所示，是某城市广场喷泉喷出水柱的场景.从远处看，喷泉喷出
的水柱达到了40层楼的高度；靠近看，喷管的直径约为 .已知水的密
度为,取 ，据此估算用于给喷管喷水的电动机输出
功率为( )
A. B. C. D.
√
[解析] 管口的圆形内径约为，则半径为 ，根据实
际情况，每层楼高为,所以喷水的高度 ，则水离
开管口的速度大小为 ，设给喷管喷水的电动机输出
功率为，在接近管口很短一段时间 内水柱的质量为
，根据动能定理可得 ，解得
，故选B.
1.某公司研发的高效型单晶 太阳能电池的光电转换效率可以
达到.假定台州市采用型单晶 材料制作的太阳能电池
屋顶光伏发电系统的总面积为10万平方米.已知市域内每年能正常发电的
时间约为，太阳照射到地面上单位面积的平均功率约为 .则
全市光伏发电系统年总发电量约为( )
A. B.
C. D.
[解析] 全市光伏发电系统年总发电量约为 ，故选B.
√
2.(多选)某地有一风力发电场，共有风力发电机20台，发电机的叶片转动
时可形成直径为的圆面.某日该地区的风速是 ，风向恰好跟叶片
转动的圆面垂直，已知空气的密度为 ，假如该风力发电机能将
通过此圆面内空气动能的转化为电能， 取3.下列说法正确的是
( )
A.每秒冲击每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气体积约为
B.每秒冲击每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气动能约为
C.每台风力发电机发电的功率约为
D.该发电场工作，发电量约为
√
√
[解析] 每秒冲击每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气体积约为
，每秒冲击每台
风力发电机叶片转动形成圆面的空气动能约为
，选项A、B错
误；每台风力发电机发电的功率约为
，选项C正确；该发电场工作
，发电量约为
，选项D
正确.
3.(多选)如图所示是明代宋应星所著《天工开物》中记载
的我国古代的一种农业机械——水碾，当水冲击下部水
轮时，转动的轮子会带动上部的碾来碾米.假设水流沿水
平方向垂直冲击叶片，每秒冲击叶片的水量为 ，水
速从减小为 ，水流动能的减少量全部用来对
叶轮做功，下列说法正确的是( )
A.水碾每秒从水流中获得的能量为
B.水流对该叶片的平均作用力的大小为
C.每秒钟水流对叶轮做功
D.水流减少的动能全部被用来碾米
√
√
[解析] 水碾每秒从水流中获得的能量等于水流动能的变化量的大小，即
，故A错误；每秒钟水流对叶轮做的
功等于水流动能的变化量的大小，即 ，故C正确；
由动量定理可得，叶片对水流的平均作用力的冲量等于
水流动量的变化，，解得 ，
由牛顿第三定律得到水流对该叶片的平均作用力的大小
为 ，故B正确；水碾每秒从水流中获得的能量会有
一部分损耗，比如摩擦产生的内能等，所以不能都被用
来碾米，故D错误.
4.潮汐发电是水力发电的一种.在有条件的海湾建筑堤坝，围成水库，水库
水位与外海潮位之间形成一定的潮差，从而驱动水轮发电机组发电.现在
一水面面积约为 的海湾建潮汐电站，涨潮和退潮后水库水位
与外海潮位之间形成 的潮差，发电过程中重力势能转化为电能的效率
是，水的密度为，重力加速度取 ,每天涨
退潮两次，试估算该电站一天利用退潮发电的平均功率为( )
A. B. C. D.
[解析] 海湾内高出外海潮位的水的重力势能均用于发电，有
，发电的平均功率为 ，代入数据可解得
，故选A.
√
应用示例
例1.D 例2.D 例3.C 例4.AD 例5.B增分微课3　能量守恒定律与功能关系STSE问题
例1　D　[解析] 风力发电机将空气动能转化为电能,设空气密度为ρ,风轮扫风面积为S,风速为v,则Δt时间内流过风轮的空气质量为m=ρSvΔt,空气动能Ek=mv2=ρSvΔt·v2=ρSv3Δt,功率P=∝v3(η为风电转换效率),A错误;太阳能板是光电转换装置,存在多重损耗(光学损耗、热损耗、半导体非理想性),不可能将接收到的辐射能全部转换为电能,B错误;路灯每天耗电量为E日=Pt日=0.06×10 kW·h=0.6 kW·h=0.6度,6年总耗电量为E总=0.6×6×365度=1314度,可减少二氧化碳排放量为m=×2.6 kg≈1.2×103 kg,C错误;储能电池充满电后,储存的电能E=QU=200 A·h×48 V=9600 W·h=9.6 kW·h,可使路灯正常工作的天数为n== 天=16天>7天(一周),故储能电池充满电后,即使连续一周无风且阴雨,路灯也能正常工作,D正确.
例2　D　[解析] Δt时间内流过水的质量为m=ρQ·Δt,重力势能的减少量为ΔEp=mgh,重力势能转化为电能,则发电功率P=,其中h=100 m,Q=50 m3/s,联立可得P=ηρQgh=60%×1.0×103×50×10×100 W=3×107 W,故选D.
例3　C　[解析] 年抽水用电为2.4×108 kW·h,年发电量为1.8×108 kW·h,则抽水蓄能电站的总效率为η=×100%=75%,故A错误;若没有任何阻力,由机械能守恒定律得mgh=mv2,解得v== m/s≈113 m/s,由题意可知,水流下的过程中受到阻力,所以发电时流入下水库的水流速度小于113 m/s,故B错误;水池中能用于发电的水的重力势能为Ep=mgh=ρVgh=1.0×103×7.86×106×10×637 J≈5.0×1013 J,故C正确;该电站平均每天所发电量为E=,可供给一个大城市居民用电(电功率以105 kW计算)的时间为t=≈5.0 h,故D错误.
例4　AD　[解析] 此过程中引力势能的减小量为=Ep1-Ep2=--=GMm,故A正确,B错误;根据万有引力提供向心力可得=m,=m,根据能量守恒可知,因摩擦而产生的热量为Q=E1-E2=Ep1+Ek1-(Ep2+Ek2)=-+m-,联立解得Q=,故C错误,D正确.
例5　B　[解析] 管口的圆形内径约为10 cm,则半径为r=5 cm=0.05 m,根据实际情况,每层楼高为h=3 m,所以喷水的高度H=40h=120 m,则水离开管口的速度大小为v==20 m/s,设给喷管喷水的电动机输出功率为P,在接近管口很短一段时间Δt内水柱的质量为m=ρ·vΔtS=ρπr2vΔt,根据动能定理可得PΔt=mv2,解得P≈5×105 W,故选B.新高考的命题导向要求考生在学习高中物理时要注重理论联系实际,注意物理与生产、生活及科技发展的联系,关注物理学的技术在社会中的应用,培养社会参与意识和社会责任感,完成从“解题”向“解决问题”思路的转变.
例1　[2025·浙江6月选考] 如图所示,风光互补环保路灯的主要构件有:风力发电机,单品硅太阳能板,额定电压48 V、容量200 A·h的储能电池,功率60 W的LED灯.已知该路灯平均每天照明10 h;1 kg标准煤完全燃烧可发电2.8度,排放二氧化碳2.6 kg.则 (　)
A.风力发电机的输出功率与风速的平方成正比
B.太阳能板上接收到的辐射能全部转换成电能
C.该路灯正常运行6年,可减少二氧化碳排放量约1.2×106 kg
D.储能电池充满电后,即使连续一周无风且阴雨,路灯也能正常工作
例2　[2025·河北秦皇岛模拟] 某瀑布高100 m,水的流量为50 m3/s,假设利用瀑布来发电,能量转化效率为60%,已知重力加速度g取10 m/s2,水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,则发电功率为 (　)
A.3×104 W B.3×105 W
C.3×106 W D.3×107 W
例3　[2025·浙江温州模拟] 浙江最大抽水蓄能电站在缙云开建,其工作原理是:在用电低谷时(如深夜),电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中,到用电高峰时,再利用蓄水池中的水发电.如图所示,若该电站蓄水池(上水库)有效总库容量(可用于发电)为7.86×106 m3,发电过程中上下水库平均水位差为637 m,年抽水用电为2.4×108 kW·h,年发电量为1.8×108 kW·h(水的密度为ρ=1.0×103 kg/m3,重力加速度g取10 m/s2,以下水库水面为零势能面).则下列说法正确的是 (　)
A.抽水蓄能电站的总效率约为65%
B.发电时流入下水库的水流速度可达到113 m/s
C.蓄水池中能用于发电的水的重力势能约为Ep=5.0×1013 J
D.该电站平均每天所发电能可供给一个大城市居民用电(电功率以105 kW计算)约10 h
例4　(多选)返回式遥感人造卫星技术已经非常成熟.质量为m的遥感人造卫星与地心的距离为r时,引力势能可表示为Ep=-,其中G为引力常量,M为地球质量.该遥感人造卫星原来在半径为R1的轨道上绕地球做匀速圆周运动,由于受到极稀薄空气的摩擦作用,飞行一段时间后其圆周运动的半径变为R2,则此过程中 (　)
A.引力势能的减小量为GMm
B.引力势能的减小量为
C.因摩擦而产生的热量为GMm
D.因摩擦而产生的热量为
例5　如图所示,是某城市广场喷泉喷出水柱的场景.从远处看,喷泉喷出的水柱达到了40层楼的高度;靠近看,喷管的直径约为10 cm.已知水的密度为1×103 kg/m3,g取10 m/s2,据此估算用于给喷管喷水的电动机输出功率为 (　)
A.1×105 W B.5×105 W
C.1×106 W D.5×106 W

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