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第十二章　电能　能量守恒定律
第4节　能源与可持续发展
核心要点 点点过
1
目录
即时演练 堂堂清
2
课时作业
3
课程要求 学科素养
知道不同形式的能量可互相转化,在转化过程中能量总量保持不变,能量转化是有方向性的。了解科学、技术、社会及环境协调发展的重要性,具有环境保护的意识和行为 物理观念 掌握能量守恒定律。知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。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
科学思维 通过对生活中能量转化的实例分析,理解能量守恒定律的确切含义
科学探究 通过大量实例,总结能量在转化、转移过程中总量是否变化,并探究能量转化是否具有方向性
科学态度 与责任 能主动关心能源与可持续发展问题;能认识能源的过度开发和利用对环境的影响
核心要点 点点过
要点一　能量守恒定律
1.内容: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____或____的过程中,能量的总量________。
2.意义: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____、最____、最____的自然规律之一,而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。
转化
转移
转化
转移
保持不变
普遍
重要
可靠
(1)任何能量之间的转化都遵从能量守恒定律。(　 　)
(2)因为能量守恒,所以我们不需要节能。(　 　)
(3)根据能量守恒定律,能源是取之不尽、用之不竭的。(　 　)
(4)技术足够发达后,永动机就可以制成。(　 　)
√
×
×
×
1.自然界中不同形式的能量可以相互转化,一种形式的能量减少一定伴随着其他形式的能量增加,能量的总量保持不变。
2.能量守恒定律的适用范围
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
(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,某些能量的增加量等于其他能量的减少量。
4.应用步骤
(1)明确研究对象及研究过程。
(2)明确该过程中,哪些形式的能量在变化。
(3)确定参与转化的能量中,哪些能量增加,哪些能量减少。
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)。
【例1】　下列对能量转化和守恒定律的认识错误的是(　 　)
A.某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加
B.某个物体的能减少,必然有其他物体的能增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下,最后静止在地面上,说明机械能消失了
D
【解析】　根据能量守恒定律得知,某种形式的能减少,其他形式的能一定增加;某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加,A、B正确;不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机,违反了能量守恒定律,不可能制成,C正确;石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能,机械能并没有消失,D错误。
【例2】　风能是一种很好的可再生能源,而且对环境的污染较小,近年来我国在西北地区建立了许多风力发电厂。如图为风力发电的情景,通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为这台风力发动机的可利用风能。已知:空气的密度为ρ,风轮机叶片的长度为r,若风速为v0,每台风力发电机输出的电功率为P,求此过程中:
(1)每台风力发电机可利用风能的功率的表达式;
【解析】　风吹动风轮机的叶片转动,风力发电机将叶片转动的动能转化为电能。由能量守恒定律可知,时间t内每台风力发电机可利用的风能为=P总t,在时间t内流向叶片扫过区域的空气质量m=πr2v0tρ,联立解得
P总=。
【答案】　　
(2)风力发电机利用风能的效率表达式。
【解析】　风力发电机利用风能的效率η=。
【答案】　
要点二　能量转移或转化的方向性
1.能量转化:自然界中存在着各种不同形式的能量,并且各种形式的能量是可以相互____的,但在大多数情况下,各种形式的能量最终都转化为____。
2.能量转化的方向:物体的机械能可以自发地________为内能,但内能______自发地全部转化为机械能而使物体恢复原来的机械运动。
转化
内能
全部转化
不可能
3.能量的耗散:燃料燃烧时,一旦把自己的热量释放出去,就不会再次自动____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____和____,热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的____,我们无法把这些____收集起来重新利用,这种现象叫作能量的耗散。能量耗散表明,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,但在可利用的品质上降低了,从便于利用的变成了不便于利用的了。
聚集
热能
光能
内能
内能
(1)能量耗散会导致总能量的减少,也会导致能量品质降低。 (　 　)
(2)能量耗散表明能量正在逐渐消失。 (　 　)
(3)能量不能创造,不能再生,能量只能进行转化或转移,但能量间的转化或转移具有方向性。(　 　)
(4)能量是守恒的,但能量的利用过程是不可逆的。 (　 　)
(5)能量在可利用的品质上降低了,能源的利用受方向性的制约。 (　 　)
×
×
√
√
√
1.各种形式的能最终都转化为内能,流散到周围的环境中,分散在环境中的内能不管数量多么巨大,它也只能使地球、大气稍稍变暖一点,却再也不能直接驱动机器做功了。
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,能量的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太可用的形式。
3.能量的耗散导致可利用能源减少,所以要节约能源。
【例3】　能源是人类社会活动的基础,节约能源应成为公民的行为习惯。下列说法中正确的是(　 　)
A.太阳能转化为电能过程中能量增加
B.能量耗散过程中能量在不断减少
C.能量耗散会降低能源的利用品质
D.能量转化在宏观上没有方向性
C
【解析】　太阳能转化为电能过程中能量总和不变,故A错误;能量耗散说明能量在转化的过程中能量的可利用率越来越小,但总量不会减少,故B错误;能量耗散说明能量在转化的过程中能量的可利用率越来越小,可利用的品质降低了,故C正确;能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性,故D错误。
【例4】　(多选)下列过程可能发生的是(　 　)
A.自发地将排放在空气中的高温废气的内能收集起来,使其全部转化为汽车运动的机械能
B.浓度为50%的酒精水溶液自发地分开成水和酒精
C.利用其他手段使内能从低温物体转移到高温物体
D.利用搅拌的方法使液体的温度升高,内能增加
CD
【解析】　根据能量转化或转移的方向性可知,内能不可能自发地全部转化为机械能而不引起其他变化,所以高温废气的内能不可能自发地全部转化为汽车运动的机械能,故A错误;浓度为50%的酒精水溶液不可能自发地分开成为水和酒精,故B错误;内能不可能自发地从低温物体转移到高温物体,若采用其他手段(如提供电能)可以使过程可逆,故C正确;改变物体内能有两种方式,一是对物体做功,二是传热,所以搅拌对液体做功时可以改变液体内能,使其温度升高,内能增加,故D正确。
利用能量转化或转移解题的思路
(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化,也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移。
(2)自发进行的能量转移或转化都具有方向性。
(3)热机的效率总小于100%。
(4)能量在转化或转移过程中,能量的总量保持不变,即遵从能量守恒定律。
要点三　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____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。
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
(1)由于能源危机,所以要不断开发新能源。(　 　)
(2)煤、石油、天然气属于常规能源。 (　 　)
(3)电能、焦炭、氢能属于一次能源。 (　 　)
(4)煤自古至今都是人类的主要能源。 (　 　)
(5)世上总能量虽然不变,但我们仍需要有节能意识。(　 　)
√
√
×
×
√
【例5】　以下交通工具中,动力装置所用能源属于可再生能源的是(　 　)
B
【解析】　燃油为不可再生能源,故A、C错误;太阳能是可再生能源,故B正确;蒸汽机燃料为不可再生能源,故D错误。
【例6】　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
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,但在使用过程中能量的品质降低了,由便于利用的变成不便于利用的,所以需要节约能源,故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,故D错误。
即时演练 堂堂清
1.能量守恒定律是人类认识自然的最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一,下列说法正确的是 (　 　)
A.不同形式的能量之间可以相互转化
B.能量可以被创生,也可以被消灭
C.因为能量是守恒的,所以不需要节约能源
D.因为能量是守恒的,所以不可能发生能源危机
解析:不同形式的能量之间可以相互转化,总量不变,故A正确;能量不能被创生,也不能被消灭,故B错误;虽然能量是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,故一定要节约能源,故C、D错误。
A
2.如图是一幅能源分类相关图,下列四组能源中,全部符合图中阴影部分的是(　 　)
A.煤炭、石油、沼气
B.水能、潮汐能、天然气
C.太阳能、风能、生物质能
D.地热能、海洋能、核能
C
解析:煤炭、石油、沼气都是不可再生能源,故A错误;天然气是一种化石燃料,是不可再生能源,故B错误;太阳能、风能、生物质能都是可再生的新能源,都来自太阳辐射能,故C正确;地热能是来源于地球内部的热量,核能是指核裂变或核聚变时释放出的能量,不是来自太阳辐射能,故D错误。
C
3.为了节能减排,我国大力发展新能源汽车。如图所示,电源正在给电动汽车中的锂电池充电,下列说法正确的是(　 　)
A.充电时电能全部转化为汽车的机械能
B.充电时电能全部转化为锂电池的化学能
C.汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能
D.汽车匀速运动时锂电池减少的化学能全部转化为汽车动能
解析:充电时电能转化为锂电池的化学能,但不是全部转化,故A、B错误;汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能,部分转化为其他形式的能,故C正确;汽车匀速运动时动能不变,锂电池减少的化学能全部转化为其他形式的能,故D错误。
4.如图所示,一个粗细均匀的U形管内装有同种液体,液体质量为m。在管口右端用盖板A密闭,两边液面高度差为h,U形管内液体的总长度为4h,先拿去盖板,液体开始运动。由于管壁的阻力作用,最终管内液体停止运动,重力加速度为g,则该过程中产生的内能为(　 　)
A.mgh
C.mgh
A
解析:去掉右侧盖板之后,液体向左侧流动,最终两侧液面相平,液体的重力势能减少,减少的重力势能转化为内能。如图所示,最终状态可等效为右侧h的液柱移到左侧管中,即增加的内能等于该液柱减少的重力势能,则Q=mgh,故A正确。
课时作业23
C
1.(5分)目前,共享单车作为绿色出行的交通工具成为时尚。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,乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时,产生电能。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,下列说法正确的是 (　 　)
A.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
解析:根据能量的转化关系可知,甲车把机械能转化为电能,乙车把光能转化为电能,故选C。
A
2.(5分)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
解析:帽子上的太阳能电池板将太阳能转化为电能,供小电扇工作,小电扇工作时消耗电能,将电能转化为扇叶的机械能,故A正确。
3.(5分)金沙江白鹤滩水电站全部机组投产发电,标志着我国在长江上全面建成世界最大“清洁能源走廊”。该水电站安装16台中国自主研制、全球单机容量最大的百万千瓦水轮发电机组,总装机容量1 600万千瓦,年均发电量约624.43亿千瓦·时。下列说法正确的是(　 　)
A.千瓦是能量的单位
B.水电站是利用水能的重要形式,水能是可再生能源
C.风能、太阳能、地热能等均属于不可再生能源
D.水能是可再生能源,所以可制造一台利用水能的机器,效率可达100%
B
解析:千瓦是功率的单位,A错误;水能是可再生能源,水电站是利用水能的重要形式,B正确;风能、太阳能、地热能可以在自然界源源不断地得到,属于可再生能源,C错误;虽然水能是可再生能源,但不论科技如何发展,利用水能的机器效率不可能达到100%,D错误。
4.(5分)现代生活中共享电动车已成为一种新型的短途交通工具,通过扫码开锁,循环共享,方便快捷。一辆共享电动车所用电池是锂电池,骑行在一段倾角不太大的坡路上加速上坡过程中,电能向其他形式能量转化,下列说法正确的是 (　 　)
A.电能转化为动能和重力势能
B.电能转化为重力势能和内能
C.电能转化为动能和内能
D.电能转化为机械能和内能
D
解析:电动车在坡路上加速上坡过程中,速度增大,其动能增加。电动车的高度升高,重力势能增加,所以电动车的机械能增加。电动车在运动过程中,要克服摩擦力做功产生热量,电动车线圈也要发热,所以电能转化为机械能和内能,故A、B、C错误,D正确。
5.(5分)(多选)下列措施有助于缓解能源危机、保证可持续发展的有(　 　)
A.用木材代替煤,进行火力发电
B.将高能耗企业从发达地区转移到欠发达地区
C.少开汽车,多骑自行车或搭乘公共交通工具出行
D.大力开发风力发电,减少火力发电
CD
解析:用木材代替煤,进行火力发电,不能减少电能的消耗,虽能减少化石燃料的使用,但会破坏生态环境,无助于缓解能源危机、保证可持续发展,故A错误;将高能耗企业从发达地区转移到欠发达地区,不能减少能源的使用,也不能做到节能减排,无助于缓解能源危机、保证可持续发展,故B错误;少开汽车,多骑自行车或搭乘公共交通工具,可减少污染物的排放,减少化石能源的使用,有助于缓解能源危机、保证可持续发展,故C正确;大力开发风力发电,减少火力发电,可减少污染物的排放,减少化石能源的使用,有助于缓解能源危机、保证可持续发展,故D正确。
6. (10分)如图是一种太阳能草坪节能灯,太阳能电池板供一只“10 V　9 W”的电子节能灯工作,若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3 m2,平均1小时得到的太阳辐射能为4×105 J,太阳光平均一天按8小时计算,恰好可以供电子节能灯工作10小时。问:(结果保留整数)
(1)太阳能节能灯的能量是如何转化的
解析:能量转化:太阳能→电能→光能(热能)。
答案:太阳能→电能→光能(热能)
(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率大约是多少
解析:太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率P= W≈370 W。
答案:370 W　
(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少
解析:节能灯利用太阳能的效率η=×100%≈10%。
答案:10%
CD
7.(5分)(多选)据专家介绍变频空调比定频的要节能,因为定频空调开机时就等同于汽车启动时,很耗能,是正常运行的5~7倍。空调在工作时达到设定温度就停机,等温度高了再继续启动。这样的频繁启动,耗电多,而变频空调启动时有一个由低到高的过程,而运行过程是自动变速来保持室内温度,从开机到关机中间不停机,而是达到设定温度后就降到最小功率运行,所以比较省电。阅读上述介绍后,可判断以下说法合理的是 (　 　)
A.变频空调节能,运行中不遵从能量守恒定律
B.变频空调运行中做功少,转化能量多
C.变频空调在同样工作条件下运行效率高,省电
D.变频空调与定频空调做同样功时,消耗同样电能
解析:自然界的一切过程都遵从能量守恒定律,A错误;功是能量转化的量度,做同样功,消耗同样电能,B错误,D正确;由变频空调的工作特点可知省电的原理是效率高,C正确。
8. (5分)光伏产业是新能源产业的重要发展方向之一。如图是某居民楼顶部平台安装的12块太阳能电池板。据楼主介绍,利用这些电池板收集太阳能发电,发电时总功率可达到6 kW,工作电压为380 V,设备使用年限在25年以上,发电总能量的20%供自家使用,富余电能以0.5元/度价格并入国家电网,一天按照8小时日照时间计算。则下列说法正确的是 (　 　)
A.该光伏项目年发电量约为5.2×104 kW·h
B.该光伏项目富余电能的年收入约2 000元
C.该光伏项目平均每天的发电量大约可供一只120 W的白炽灯正常工作约600小时
D.若一吨标准煤可以发3 000度电,则该组件在25年内相当于节约146吨煤
D
解析:发电时总功率为6 kW,一天按照8小时日照时间计算,则年发电量为W总=6 kW×8 h×365=1.752×104 kW·h,A错误;该光伏项目富余电能的年收入约为1.752×104×80%×0.5元=7 008元,B错误;该光伏项目平均每天的发电量大约可供一只120 W的白炽灯正常工作的时间为t= h=400 h,C错误;若一吨标准煤可以发3 000度电,则该组件在25年内相当于节约煤的质量为m=25× t=146 t,D正确。
C
9. (5分)如图所示的路灯为太阳能路灯,每只路灯的光伏电池板有效采光面积约为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(　 　)
A.4.8% B.9.6%
C.16% D.44%
解析:据题意,已知每只路灯的有效采光面积S,每平方米每小时接收太阳能E0,每天日照时间t,则每只路灯每天接收到的太阳能为E=SE0t;光电池每天可以供P0=30 W的路灯工作T0=8 h,则光电池的光电转换效率为η=×100%=16%,C正确。
10.(10分)太阳能和风能是清洁能源,我国已经建成众多的太阳能和风力发电场。风力发电是利用风的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的。如图所示,某风力发电场安装有2台超大型风力发电机,每片扇叶长达80 m,该地区常年的平均风速v=5.0 m/s,风向跟叶片转动的圆面垂直,空气的密度ρ=1.25 kg/m3,风力发电机的叶片转动时可形成半径r=80 m的圆面。已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的10%转化为电能。
(1)求每台风力发电机的发电功率P。
解析:设单位时间内通过每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气的体积为V、动能为Ek,则有V=πr2vt0,Ek=ρVv2,Pt0=10%Ek
解得P≈1.57×105 W。
答案:1.57×105 W　
(2)已知标准煤的热值q=3.0×107 J/kg,则该风力发电场年发电量相当于完全燃烧多少标准煤产生的热量 (结果保留三位有效数字)
解析:2台风力发电机发电的功率为2P,年发电时间t=365×24×3 600 s,设年发电量为E
则有E=2Pt,E=qm
解得m≈3.30×105 kg。
答案:3.30×105 kg
本课结束第4节　能源与可持续发展
课程要求 学科素养
知道不同形式的能量可互相转化,在转化过程中能量总量保持不变,能量转化是有方向性的。了解科学、技术、社会及环境协调发展的重要性,具有环境保护的意识和行为 物理观念 掌握能量守恒定律。知道能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一。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
科学思维 通过对生活中能量转化的实例分析,理解能量守恒定律的确切含义
科学探究 通过大量实例,总结能量在转化、转移过程中总量是否变化,并探究能量转化是否具有方向性
科学态度 与责任 能主动关心能源与可持续发展问题;能认识能源的过度开发和利用对环境的影响
要点一　能量守恒定律
1.内容: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.意义: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,而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。
(1)任何能量之间的转化都遵从能量守恒定律。(　√　)
(2)因为能量守恒,所以我们不需要节能。(　×　)
(3)根据能量守恒定律,能源是取之不尽、用之不竭的。(　×　)
(4)技术足够发达后,永动机就可以制成。(　×　)
1.自然界中不同形式的能量可以相互转化,一种形式的能量减少一定伴随着其他形式的能量增加,能量的总量保持不变。
2.能量守恒定律的适用范围
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
(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,某些能量的增加量等于其他能量的减少量。
4.应用步骤
(1)明确研究对象及研究过程。
(2)明确该过程中,哪些形式的能量在变化。
(3)确定参与转化的能量中,哪些能量增加,哪些能量减少。
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)。
【例1】　下列对能量转化和守恒定律的认识错误的是 (　D　)
A.某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加
B.某个物体的能减少,必然有其他物体的能增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下,最后静止在地面上,说明机械能消失了
【解析】　根据能量守恒定律得知,某种形式的能减少,其他形式的能一定增加;某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加,A、B正确;不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机,违反了能量守恒定律,不可能制成,C正确;石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能,机械能并没有消失,D错误。
【例2】　风能是一种很好的可再生能源,而且对环境的污染较小,近年来我国在西北地区建立了许多风力发电厂。如图为风力发电的情景,通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为这台风力发动机的可利用风能。已知:空气的密度为ρ,风轮机叶片的长度为r,若风速为v0,每台风力发电机输出的电功率为P,求此过程中:
(1)每台风力发电机可利用风能的功率的表达式;
(2)风力发电机利用风能的效率表达式。
【答案】　(1)　(2)
【解析】　(1)风吹动风轮机的叶片转动,风力发电机将叶片转动的动能转化为电能。由能量守恒定律可知,时间t内每台风力发电机可利用的风能为=P总t,在时间t内流向叶片扫过区域的空气质量m=πr2v0tρ,联立解得P总=。
(2)风力发电机利用风能的效率η=。
要点二　能量转移或转化的方向性
1.能量转化:自然界中存在着各种不同形式的能量,并且各种形式的能量是可以相互转化的,但在大多数情况下,各种形式的能量最终都转化为内能。
2.能量转化的方向:物体的机械能可以自发地全部转化为内能,但内能不可能自发地全部转化为机械能而使物体恢复原来的机械运动。
3.能量的耗散: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。电池中的化学能转化为电能,电能又通过灯泡转化为热能和光能,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。能量耗散表明,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,但在可利用的品质上降低了,从便于利用的变成了不便于利用的了。
(1)能量耗散会导致总能量的减少,也会导致能量品质降低。 (　×　)
(2)能量耗散表明能量正在逐渐消失。 (　×　)
(3)能量不能创造,不能再生,能量只能进行转化或转移,但能量间的转化或转移具有方向性。(　√　)
(4)能量是守恒的,但能量的利用过程是不可逆的。 (　√　)
(5)能量在可利用的品质上降低了,能源的利用受方向性的制约。 (　√　)
1.各种形式的能最终都转化为内能,流散到周围的环境中,分散在环境中的内能不管数量多么巨大,它也只能使地球、大气稍稍变暖一点,却再也不能直接驱动机器做功了。
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,能量的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太可用的形式。
3.能量的耗散导致可利用能源减少,所以要节约能源。
【例3】　能源是人类社会活动的基础,节约能源应成为公民的行为习惯。下列说法中正确的是(　C　)
A.太阳能转化为电能过程中能量增加
B.能量耗散过程中能量在不断减少
C.能量耗散会降低能源的利用品质
D.能量转化在宏观上没有方向性
【解析】　太阳能转化为电能过程中能量总和不变,故A错误;能量耗散说明能量在转化的过程中能量的可利用率越来越小,但总量不会减少,故B错误;能量耗散说明能量在转化的过程中能量的可利用率越来越小,可利用的品质降低了,故C正确;能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性,故D错误。
【例4】　(多选)下列过程可能发生的是 (　CD　)
A.自发地将排放在空气中的高温废气的内能收集起来,使其全部转化为汽车运动的机械能
B.浓度为50%的酒精水溶液自发地分开成水和酒精
C.利用其他手段使内能从低温物体转移到高温物体
D.利用搅拌的方法使液体的温度升高,内能增加
【解析】　根据能量转化或转移的方向性可知,内能不可能自发地全部转化为机械能而不引起其他变化,所以高温废气的内能不可能自发地全部转化为汽车运动的机械能,故A错误;浓度为50%的酒精水溶液不可能自发地分开成为水和酒精,故B错误;内能不可能自发地从低温物体转移到高温物体,若采用其他手段(如提供电能)可以使过程可逆,故C正确;改变物体内能有两种方式,一是对物体做功,二是传热,所以搅拌对液体做功时可以改变液体内能,使其温度升高,内能增加,故D正确。
利用能量转化或转移解题的思路
(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化,也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移。
(2)自发进行的能量转移或转化都具有方向性。
(3)热机的效率总小于100%。
(4)能量在转化或转移过程中,能量的总量保持不变,即遵从能量守恒定律。
要点三　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。
(1)由于能源危机,所以要不断开发新能源。 (　√　)
(2)煤、石油、天然气属于常规能源。 (　√　)
(3)电能、焦炭、氢能属于一次能源。 (　×　)
(4)煤自古至今都是人类的主要能源。 (　×　)
(5)世上总能量虽然不变,但我们仍需要有节能意识。(　√　)
【例5】　以下交通工具中,动力装置所用能源属于可再生能源的是(　B　)
【解析】　燃油为不可再生能源,故A、C错误;太阳能是可再生能源,故B正确;蒸汽机燃料为不可再生能源,故D错误。
【例6】　下列关于能源的说法中,正确的是(　A　)
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
【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,但在使用过程中能量的品质降低了,由便于利用的变成不便于利用的,所以需要节约能源,故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,故D错误。
1.能量守恒定律是人类认识自然的最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一,下列说法正确的是 (　A　)
A.不同形式的能量之间可以相互转化
B.能量可以被创生,也可以被消灭
C.因为能量是守恒的,所以不需要节约能源
D.因为能量是守恒的,所以不可能发生能源危机
解析:不同形式的能量之间可以相互转化,总量不变,故A正确;能量不能被创生,也不能被消灭,故B错误;虽然能量是守恒的,总量不变,但是我们可以利用的能源是有限的,故一定要节约能源,故C、D错误。
2.如图是一幅能源分类相关图,下列四组能源中,全部符合图中阴影部分的是(　C　)
A.煤炭、石油、沼气
B.水能、潮汐能、天然气
C.太阳能、风能、生物质能
D.地热能、海洋能、核能
解析:煤炭、石油、沼气都是不可再生能源,故A错误;天然气是一种化石燃料,是不可再生能源,故B错误;太阳能、风能、生物质能都是可再生的新能源,都来自太阳辐射能,故C正确;地热能是来源于地球内部的热量,核能是指核裂变或核聚变时释放出的能量,不是来自太阳辐射能,故D错误。
3.为了节能减排,我国大力发展新能源汽车。如图所示,电源正在给电动汽车中的锂电池充电,下列说法正确的是(　C　)
A.充电时电能全部转化为汽车的机械能
B.充电时电能全部转化为锂电池的化学能
C.汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能
D.汽车匀速运动时锂电池减少的化学能全部转化为汽车动能
解析:充电时电能转化为锂电池的化学能,但不是全部转化,故A、B错误;汽车加速运动时锂电池减少的化学能部分转化为汽车动能,部分转化为其他形式的能,故C正确;汽车匀速运动时动能不变,锂电池减少的化学能全部转化为其他形式的能,故D错误。
4.如图所示,一个粗细均匀的U形管内装有同种液体,液体质量为m。在管口右端用盖板A密闭,两边液面高度差为h,U形管内液体的总长度为4h,先拿去盖板,液体开始运动。由于管壁的阻力作用,最终管内液体停止运动,重力加速度为g,则该过程中产生的内能为 (　A　)
A.mgh
C.mgh
解析:去掉右侧盖板之后,液体向左侧流动,最终两侧液面相平,液体的重力势能减少,减少的重力势能转化为内能。如图所示,最终状态可等效为右侧h的液柱移到左侧管中,即增加的内能等于该液柱减少的重力势能,则Q=mgh,故A正确。
课时作业23
(总分:60分)
1.(5分)目前,共享单车作为绿色出行的交通工具成为时尚。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,乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时,产生电能。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,下列说法正确的是 (　C　)
A.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
解析:根据能量的转化关系可知,甲车把机械能转化为电能,乙车把光能转化为电能,故选C。
2.(5分)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　)
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
解析:帽子上的太阳能电池板将太阳能转化为电能,供小电扇工作,小电扇工作时消耗电能,将电能转化为扇叶的机械能,故A正确。
3.(5分)金沙江白鹤滩水电站全部机组投产发电,标志着我国在长江上全面建成世界最大“清洁能源走廊”。该水电站安装16台中国自主研制、全球单机容量最大的百万千瓦水轮发电机组,总装机容量1 600万千瓦,年均发电量约624.43亿千瓦·时。下列说法正确的是(　B　)
A.千瓦是能量的单位
B.水电站是利用水能的重要形式,水能是可再生能源
C.风能、太阳能、地热能等均属于不可再生能源
D.水能是可再生能源,所以可制造一台利用水能的机器,效率可达100%
解析:千瓦是功率的单位,A错误;水能是可再生能源,水电站是利用水能的重要形式,B正确;风能、太阳能、地热能可以在自然界源源不断地得到,属于可再生能源,C错误;虽然水能是可再生能源,但不论科技如何发展,利用水能的机器效率不可能达到100%,D错误。
4.(5分)现代生活中共享电动车已成为一种新型的短途交通工具,通过扫码开锁,循环共享,方便快捷。一辆共享电动车所用电池是锂电池,骑行在一段倾角不太大的坡路上加速上坡过程中,电能向其他形式能量转化,下列说法正确的是 (　D　)
A.电能转化为动能和重力势能
B.电能转化为重力势能和内能
C.电能转化为动能和内能
D.电能转化为机械能和内能
解析:电动车在坡路上加速上坡过程中,速度增大,其动能增加。电动车的高度升高,重力势能增加,所以电动车的机械能增加。电动车在运动过程中,要克服摩擦力做功产生热量,电动车线圈也要发热,所以电能转化为机械能和内能,故A、B、C错误,D正确。
5.(5分)(多选)下列措施有助于缓解能源危机、保证可持续发展的有(　CD　)
A.用木材代替煤,进行火力发电
B.将高能耗企业从发达地区转移到欠发达地区
C.少开汽车,多骑自行车或搭乘公共交通工具出行
D.大力开发风力发电,减少火力发电
解析:用木材代替煤,进行火力发电,不能减少电能的消耗,虽能减少化石燃料的使用,但会破坏生态环境,无助于缓解能源危机、保证可持续发展,故A错误;将高能耗企业从发达地区转移到欠发达地区,不能减少能源的使用,也不能做到节能减排,无助于缓解能源危机、保证可持续发展,故B错误;少开汽车,多骑自行车或搭乘公共交通工具,可减少污染物的排放,减少化石能源的使用,有助于缓解能源危机、保证可持续发展,故C正确;大力开发风力发电,减少火力发电,可减少污染物的排放,减少化石能源的使用,有助于缓解能源危机、保证可持续发展,故D正确。
6. (10分)如图是一种太阳能草坪节能灯,太阳能电池板供一只“10 V　9 W”的电子节能灯工作,若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3 m2,平均1小时得到的太阳辐射能为4×105 J,太阳光平均一天按8小时计算,恰好可以供电子节能灯工作10小时。问:(结果保留整数)
(1)太阳能节能灯的能量是如何转化的
(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率大约是多少
(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少
答案:(1)太阳能→电能→光能(热能)
(2)370 W　(3)10%
解析:(1)能量转化:太阳能→电能→光能(热能)。
(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率P= W≈370 W。
(3)节能灯利用太阳能的效率
η=×100%≈10%。
7.(5分)(多选)据专家介绍变频空调比定频的要节能,因为定频空调开机时就等同于汽车启动时,很耗能,是正常运行的5~7倍。空调在工作时达到设定温度就停机,等温度高了再继续启动。这样的频繁启动,耗电多,而变频空调启动时有一个由低到高的过程,而运行过程是自动变速来保持室内温度,从开机到关机中间不停机,而是达到设定温度后就降到最小功率运行,所以比较省电。阅读上述介绍后,可判断以下说法合理的是 (　CD　)
A.变频空调节能,运行中不遵从能量守恒定律
B.变频空调运行中做功少,转化能量多
C.变频空调在同样工作条件下运行效率高,省电
D.变频空调与定频空调做同样功时,消耗同样电能
解析:自然界的一切过程都遵从能量守恒定律,A错误;功是能量转化的量度,做同样功,消耗同样电能,B错误,D正确;由变频空调的工作特点可知省电的原理是效率高,C正确。
8. (5分)光伏产业是新能源产业的重要发展方向之一。如图是某居民楼顶部平台安装的12块太阳能电池板。据楼主介绍,利用这些电池板收集太阳能发电,发电时总功率可达到6 kW,工作电压为380 V,设备使用年限在25年以上,发电总能量的20%供自家使用,富余电能以0.5元/度价格并入国家电网,一天按照8小时日照时间计算。则下列说法正确的是 (　D　)
A.该光伏项目年发电量约为5.2×104 kW·h
B.该光伏项目富余电能的年收入约2 000元
C.该光伏项目平均每天的发电量大约可供一只120 W的白炽灯正常工作约600小时
D.若一吨标准煤可以发3 000度电,则该组件在25年内相当于节约146吨煤
解析:发电时总功率为6 kW,一天按照8小时日照时间计算,则年发电量为W总=6 kW×8 h×365=1.752×104 kW·h,A错误;该光伏项目富余电能的年收入约为1.752×104×80%×0.5元=7 008元,B错误;该光伏项目平均每天的发电量大约可供一只120 W的白炽灯正常工作的时间为t= h=400 h,C错误;若一吨标准煤可以发3 000度电,则该组件在25年内相当于节约煤的质量为m=25× t=146 t,D正确。
9. (5分)如图所示的路灯为太阳能路灯,每只路灯的光伏电池板有效采光面积约为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:据题意,已知每只路灯的有效采光面积S,每平方米每小时接收太阳能E0,每天日照时间t,则每只路灯每天接收到的太阳能为E=SE0t;光电池每天可以供P0=30 W的路灯工作T0=8 h,则光电池的光电转换效率为η=×100%=16%,C正确。
10.(10分)太阳能和风能是清洁能源,我国已经建成众多的太阳能和风力发电场。风力发电是利用风的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的。如图所示,某风力发电场安装有2台超大型风力发电机,每片扇叶长达80 m,该地区常年的平均风速v=5.0 m/s,风向跟叶片转动的圆面垂直,空气的密度ρ=1.25 kg/m3,风力发电机的叶片转动时可形成半径r=80 m的圆面。已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的10%转化为电能。
(1)求每台风力发电机的发电功率P。
(2)已知标准煤的热值q=3.0×107 J/kg,则该风力发电场年发电量相当于完全燃烧多少标准煤产生的热量 (结果保留三位有效数字)
答案:(1)1.57×105 W　(2)3.30×105 kg
解析:(1)设单位时间内通过每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气的体积为V、动能为Ek,则有V=πr2vt0,Ek=ρVv2,Pt0=10%Ek
解得P≈1.57×105 W。
(2)2台风力发电机发电的功率为2P,年发电时间t=365×24×3 600 s,设年发电量为E
则有E=2Pt,E=qm
解得m≈3.30×105 kg。

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