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4　能源与可持续发展
[学习目标]　1.掌握能量守恒定律的内容，知道其重要意义。2.了解什么是能量耗散和能源品质降低，认识自然界中能量转移或转化的方向性(重点)。3.认识当前环境问题，增强环境保护和可持续发展的意识。
一、能量守恒定律　能量转移或转化的方向性
1.能量守恒定律
(1)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)能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是在各种自然现象中普遍适用的一条规律。
(3)能量守恒定律的表达式
①E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。
②ΔE增=ΔE减，某些能量的增加量等于其他能量的减少量。
2.能量转移或转化的方向性
(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即一切与热现象有关的宏观过程具有方向性。
①能量的转移具有方向性：如热量可以自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体。
②能量的转化具有方向性：如电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。
(2)能量耗散
在能量转化过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。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。
(3)能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。这是能源危机的深层次的含义，也是自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源的根本原因。
能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解？
答案　能量耗散和能量守恒并不矛盾。能量耗散表明，在能源利用的过程中，可利用的品质降低了，从便于利用变为不便于利用了，但是在能量的转化过程中，能量在数量上并没有减少。
例1　(多选)下列关于能量转化的说法中，正确的是(　　)
A.能量在转化过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，我们很难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
答案　ABC
解析　根据能量守恒定律可知，无论在能量的转化还是在能量的转移过程中，能量的总量都是不变的；由能量的耗散知，在能量转化的过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，而我们很难把这些内能收集起来重新利用，这表明，在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但是在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的，而自然界的总能量仍是守恒的，故选项A、B、C正确，D错误。
例2　构建和谐型、节约型社会深得民心，遍布于生活的方方面面，自动充电式电动车就是很好的一例，电动车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接。当骑车者用力蹬车或电动自行车自动滑行时，电动自行车就可以通过发电机向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来。某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水平路面上滑行。第一次关闭自动充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化的关系如图中图线①所示；第二次启动自动充电装置，其动能随位移变化的关系如图中图线②所示，则第二次向蓄电池所充的电能是(　　)
A.200 J B.250 J C.300 J D.500 J
答案　A
解析　电动车在运动过程中所受摩擦力大小不变，从题图看出，第二次的位移是第一次的，故没被转化为内能的能量为初动能的，由能量守恒定律得所充的电能为Ek0=×500 J=200 J，A正确。
例3　(多选)把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程，即原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升，这样的现象我们从来没看到过。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。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明(　　)
A.在能源的利用过程中，能量会减少，能量守恒定律不成立
B.我们在利用能源时，能量会耗散，自然界可利用的能源会越来越少
C.与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性
D.自然界中发生的能量转化都是不可逆的，各种能量最终都会转化为内能
答案　BC
解析　在能源的利用过程中，能量在数量上不会减少，能量守恒定律依然成立，但是能量会发生耗散，在可利用的品质上会降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，自然界可利用的能源会越来越少，故A错误，B正确；与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性，故C正确；自然界中发生的能量转化在自发情况下都是不可逆的，但在其他外在条件介入的情况下可以发生逆过程，能量的转移和转化具有方向性，各种能量最终都会转化为内能，故D错误。
二、能源的分类与应用　能源与社会发展
1.能源的分类
(1)不可再生能源：像煤炭、石油和天然气这类无法在短时间内再生的化石能源。
(2)可再生能源：像水能、风能这类在自然界可以再生的能源。
2.能源的开发与应用
近年来，我国在能源开发方面取得了很大成就，如太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电等。
3.能源与社会发展
(1)能源利用的三个时期：柴薪时期、煤炭时期、石油时期。
(2)能源是人类社会活动的物质基础。
4.煤炭和石油的燃烧对环境的危害
(1)燃烧时增加了大气中二氧化碳的含量，加剧了温室效应。
(2)因为煤炭和石油中常常含有硫，燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水的酸度升高，形成“酸雨”。
(3)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，产生氮的氧化物和碳氢化合物。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。
5.能源的开发与环境的关系
(1)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。
(2)一方面要大力提倡节能，另一方面要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和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。
例4　(2025·江苏省扬州中学高二检测)下列关于能源的说法中，正确的是(　　)
A.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
B.由于能量不会凭空消失，也不会凭空产生，总是守恒的，所以节约能源的意义不大
C.节约能源只要提高节能意识就行，与科技进步无关
D.水能是不可再生能源
答案　A
解析　煤、石油、天然气等属于化石能源，最初来源可追溯到太阳能，故A正确；能量是守恒的，但能量的品质降低了，由便于利用的变成不便于利用的，所以需要节约能源，B错误；科技进步能提高能源的利用率，能更充分地利用有限的能源，故C错误；水能在自然界可以再生，是可再生能源，D错误。
例5　(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，若保持风垂直吹向叶片，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，小刘同学设想建一抽水蓄能电站，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(　　)
A.抽水蓄能电站用谷电换峰电的过程能量是守恒的
B.风力发电机把风能转化为电能，能量在可利用的品质上发生了变化，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.若采用小刘同学的方案，一台风力发电机发出的电每年多产生的经济效益约为1 700元
D.风力发电机的发电功率约为2.6×103 W
答案　AD
解析　抽水蓄能电站平均用4度谷电能换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，但该过程能量是守恒的，故A正确；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变化的，故B错误；每秒风的动能转化电能为
E电=ηEk=η×mv2=η×ρSv3t≈2.6×103 J
风力发电机的发电功率约为P==2.6×103 W，故D正确；若采用小刘同学的方案，一台风力发电机发出的电每年多产生的经济效益约为
×365×(0.50×3-0.30×4)元≈712元，故C错误。(共22张PPT)
能源与可持续发展
＜4＞
学习目标
1.掌握能量守恒定律的内容，知道其重要意义。
2.了解什么是能量耗散和能源品质降低，认识自然界中能量转移或转化的方向性(重点)。
3.认识当前环境问题，增强环境保护和可持续发展的意识。
内容索引
一、能量守恒定律　能量转移或转化的方向性
二、能源的分类与应用　能源与社会发展
1.能量守恒定律
(1)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)能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是在各种自然现象中普遍适用的一条规律。
(3)能量守恒定律的表达式
①E初=E末，初状态各种能量的总和等于 状态各种能量的总和。
②ΔE增=ΔE减，某些能量的增加量等于其他能量的 。
一、能量守恒定律　能量转移或转化的方向性
转化
转移
保持不变
末
减少量
2.能量转移或转化的方向性
(1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是 的，即一切与热现象有关的宏观过程具有方向性。
①能量的转移具有 ：如热量可以自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体。
②能量的转化具有 ：如电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。
不可逆
方向性
方向性
(2)能量耗散
在能量转化过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。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 。
(3)能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的 降低了，从便于利用的能源变成 的能源。这是能源危机的深层次的含义，也是自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源的根本原因。
方向性
品质上
不便于利用
能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解？
答案　能量耗散和能量守恒并不矛盾。能量耗散表明，在能源利用的过程中，可利用的品质降低了，从便于利用变为不便于利用了，但是在能量的转化过程中，能量在数量上并没有减少。
思考与讨论
(多选)下列关于能量转化的说法中，正确的是
A.能量在转化过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，我们很
　难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
√
例1
√
√
根据能量守恒定律可知，无论在能量的转化还是在能量的转移过程中，能量的总量都是不变的；由能量的耗散知，在能量转化的过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，而我们很难把这些内能收集起来重新利用，这表明，在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但是在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的，而自然界的总能量仍是守恒的，故选项A、B、C正确，D错误。
　　构建和谐型、节约型社会深得民心，遍布于生活的方方面面，自动充电式电动车就是很好的一例，电动车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接。当骑车者用力蹬车或电动自行车自动滑行时，电动自行车就可以通过发电机向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来。某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水平路面上滑行。第一次关闭自动充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化的关系如图中图线①所示；第二次启动自动充电装置，其动能随位移变化的关系如图中图线②所示，则第二次向蓄电池所充的电能是
A.200 J B.250 J
C.300 J D.500 J
√
例2
电动车在运动过程中所受摩擦力大小不变，从题图看出，第二次的位移是第一次的，故没被转化为内能的能量为初动能的，由能量守恒定律得所充的电能为Ek0=×500 J=200 J，A正确。
(多选)把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程，即原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升，这样的现象我们从来没看到过。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。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明
A.在能源的利用过程中，能量会减少，能量守恒定律不成立
B.我们在利用能源时，能量会耗散，自然界可利用的能源会越来越少
C.与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性
D.自然界中发生的能量转化都是不可逆的，各种能量最终都会转化为内能
√
例3
√
在能源的利用过程中，能量在数量上不会减少，能量守恒定律依然成立，但是能量会发生耗散，在可利用的品质上会降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，自然界可利用的能源会越来越少，故A错误，B正确；
与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性，故C正确；
自然界中发生的能量转化在自发情况下都是不可逆的，但在其他外在条件介入的情况下可以发生逆过程，能量的转移和转化具有方向性，各种能量最终都会转化为内能，故D错误。
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1.能源的分类
(1)不可再生能源：像煤炭、石油和天然气这类无法在短时间内再生的_____能源。
(2)可再生能源：像水能、风能这类在自然界可以 的能源。
2.能源的开发与应用
近年来，我国在能源开发方面取得了很大成就，如太阳能发电、水力发电、风能发电、 发电等。
二、能源的分类与应用　能源与社会发展
化石
再生
核能
3.能源与社会发展
(1)能源利用的三个时期：柴薪时期、 时期、 时期。
(2)能源是人类社会活动的 。
4.煤炭和石油的燃烧对环境的危害
(1)燃烧时增加了大气中 的含量，加剧了温室效应。
(2)因为煤炭和石油中常常含有硫，燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水的酸度升高，形成“ ”。
(3)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，产生氮的氧化物和碳氢化合物。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—— 。
煤炭
石油
物质基础
二氧化碳
酸雨
光化学烟雾
5.能源的开发与环境的关系
(1)人类的生存与发展需要 ，能源的开发与使用又会对环境 。
(2)一方面要大力提倡 ，另一方面要发展 能源以及天然气、清洁煤和核能等在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低的 能源。
能源
造成影响
节能
可再生
清洁
(2025·江苏省扬州中学高二检测)下列关于能源的说法中，正确的是
A.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
B.由于能量不会凭空消失，也不会凭空产生，总是守恒的，所以节约能
源的意义不大
C.节约能源只要提高节能意识就行，与科技进步无关
D.水能是不可再生能源
√
例4
煤、石油、天然气等属于化石能源，最初来源可追溯到太阳能，故A正确；
能量是守恒的，但能量的品质降低了，由便于利用的变成不便于利用的，所以需要节约能源，B错误；
科技进步能提高能源的利用率，能更充分地利用有限的能源，故C错误；
水能在自然界可以再生，是可再生能源，D错误。
(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，若保持风垂直吹向叶片，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，小刘同学设想建一抽水蓄能电站，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
A.抽水蓄能电站用谷电换峰电的过程能量是守恒的
B.风力发电机把风能转化为电能，能量在可利用的品质上发生了变化，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.若采用小刘同学的方案，一台风力发电机发出的电每年多产生的经济效益约为1 700元
D.风力发电机的发电功率约为2.6×103 W
√
例5
√
抽水蓄能电站平均用4度谷电能换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，但该过程能量是守恒的，故A正确；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变化的，故B错误；
每秒风的动能转化电能为
E电=ηEk=η×mv2=η×ρSv3t≈2.6×103 J
风力发电机的发电功率约为P==2.6×103 W，故D正确；
若采用小刘同学的方案，一台风力发电机发出的电每年多产生的经济效益约为
×365×(0.50×3-0.30×4)元≈712元，故C错误。
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