人教版 (2019)必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律4 能源与可持续发展导学案及答案

能源与可持续发展

必备知识·自主学习

一、能量守恒定律

1.能量的形式:机械能、内能、光能、电能、化学能和核能等。

2.能量的转化:做机械运动的物体具有动能和势能,相互之间可以转化;在电路中,电源将其他形式的能转化为电能,负载又将电能转化为内能、光能、机械能等。

3.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另一种形式,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。

二、能量转移或转化的方向性

如图是儿童玩滑梯的照片,儿童从滑梯的顶端滑到底端的过程中机械能转化为内能,儿童能从周围环境中吸收热量,自动地再从底端返回滑梯顶端吗?

提示:不能,自然进行的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的。

1.能量转化的不可逆性:科学家对有关自然现象和经验事实进行大量研究后发现:一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。

2.能量的耗散:

(1)定义: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,这种现象叫作能量的耗散。

(2)能量的耗散表明:能量的数量是守恒的,但是能量可利用的品质降低了。

(3)能量的耗散从能量转化的角度反映出自然中与热现象有关的宏观过程具有方向性。

三、能源的分类与应用

1.可再生能源和不可再生能源:

(1)煤、石油、天然气等化石能源,短期内无法恢复的能源,称为不可再生能源。

(2)水能、风能、潮汐能等能源,归根结底来源于太阳能,这些能源在自然界可以再生,称为可再生能源。

2.选择:为了解决能源问题,我国在能源开发方面取得了巨大的成就,下列关于能源的说法中正确的是①③。

①通过太阳能电池可以直接将太阳能转化为电能。

②风能很不稳定,风力发电的功率很小,风力无法实现并网发电。

③一些质量较大的原子核在裂变成较轻的原子核时会释放出能量,核电站就是利用可控裂变来发电的。

④核能是通过核反应释放的能量。因为核能的获得不燃烧煤炭、焦炭等燃料,不会排放二氧化碳,所以被人们认为是一种最清洁、无污染的能源。

⑤质量较小的原子核聚合在一起发生聚变时,也会释放出能量,核电站就是利用核聚变来发电的。

四、能源与社会发展

1.能源利用的三个时期是柴薪时期、煤炭时期、石油时期。

2.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)因为煤炭和石油中含有硫,燃烧时形成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。

3.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。

关键能力·合作学习

知识点一　能量守恒定律的应用

1.能量的形式:

(1)含义:一个物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能量,又如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功,因此这些物体都具有能量,流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。

(2)能量的转化与能量的转移:各种不同形式的能量可以相互转化,而且在转化过程中总量保持不变,也就是说当某个物体的能量减少时,一定存在其他物体的能量增加。

(3)功是能量转化的量度:不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的,做功的过程就是各种形式的能量转化的过程,且做了多少功,就有多少能量发生转化(或转移),因此,功是能量转化(或转移)的量度。

2.能量守恒定律的表达式:

(1)E初=E终。

(2)ΔE增=ΔE减。

3.自然界中的宏观现象具有方向性:

(1)能量耗散: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。

(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。

(3)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的降低,它实际上是将能量从高度有用的高品质降级为不大可用的低品质形式。

(1)如图是小型汽油机模型,汽油机在工作过程中能量是怎样转化的?

提示:汽油燃烧时化学能转化为内能,汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。

(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗?

提示:不能,因为内燃机工作时总有内能损失,不可能全部转化为机械能。

【典例】如图a、b是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸,水由通道进入海湾水库蓄水,待水面升至最高点时关闭闸门(见图a)。当落潮时,开闸放水发电(见图b)。设海湾水库面积为5.0×108 m2,平均潮差为3.0 m,一天涨落潮两次,发电的平均能量转化率为10%,则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103 kg/m3,g取10 N/kg)(　　)

A.2.6×104 kW　　　　　　　  B.5.2×104 kW

C.2.6×105 kW      D.5.2×105 kW

【解析】选B。利用潮汐发电,就是水的重力势能转化为电能,水能转化电能的效率是10%,一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加:W水=GΔh=mgΔh=ρ水VgΔh=ρ水ShgΔh,Δh为水的重心下降的高度,即:Δh= m,则水的势能可转变为电能:W电=W水×10%=1.0×103 kg/m3×5.0×108 m2×3.0 m×10 N/kg×1.5 m×0.1=2.25×1012 J。每天两次涨潮,则该发电站一天能发电4.5×1012 J,所以每天的平均功率为P==5.2×104 kW,故B项正确。

1.下列说法正确的是(　　)

A.随着科技的发展,永动机是可以制成的

B.太阳照射到地球上的光能转化成其他能量,但照射到宇宙空间的能量都消失了

C.“既要马儿跑,又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律,因而是不可能的

D.有种“全自动”手表,不用上发条,也不用任何形式的电源,却能一直走动,说明能量可以凭空产生

【解析】选C。永动机是不消耗或少消耗能量,可以大量对外做功的装置,违背能量守恒定律,故A项错误;能量不可能凭空消失,故B项错误;能量也不可能凭空产生,故C项正确,D项错误。

2.(多选)关于“能量耗散”的下列说法中,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

B.能量在转化过程中变少的现象叫能量的耗散

C.能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量的数量并未减少,但是能量可利用的品质降低了

D.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

【解析】选A、C。能量耗散的过程中能量向品质低的大气内能转变,但是总的能量是守恒的,能量不能凭空产生,也不能凭空消失,但有方向性,机械能转化为内能后,我们无法将它们收集起来重新利用,故A、C项正确。

【加固训练】

1.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】选A。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,故A项正确。

2.风力是清洁能源,我国的风力发电技术已经走在世界的前列。某公司独立研发并制造的SL5 000 风力发电机,单机设计功率为5 000 kW,叶片长度为64 m,已知空气的密度为1.29 kg/m3,如果该风力发电机利用风的动能转化为电能的效率约为20%,则该风力发电机正常工作时,风速值应接近(　　)

A.8 m/s　　　　　　　　　  B.10 m/s

C.15 m/s        D.20 m/s

【解析】选C。以叶片长l=64 m为半径的圆面积S=πl2,在时间t内通过叶片所在圆区域的空气柱长度x=vt,该柱形体积内风的动能为Ek=ρSxv2=ρπl2vtv2

=ρπl2v3t,功率公式P=,则该风力发电机发出的电功率P的数学表达式为P=ηρπl2v3,代入数据得v≈14.4 m/s,故C项正确。

知识点二　能源的分类与应用

1.地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能:

2.能源的分类:

3.能源和环境污染:

(1)温室效应:石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量,由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用,且像暖房的玻璃一样,只准太阳光的热辐射进来,不让室内长波热辐射出去,使地球气温上升,这种效应叫温室效应。

(2)酸雨:酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油,以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高,形成“酸雨”,腐蚀建筑物、酸化土壤。

(3)光化学烟雾: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,产生氮氧化合物和碳氢化合物。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。这些物质有毒,能引起人的多种疾病。

(4)常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物。

在能量守恒定律提出之后,人们认识到能量不可能凭空产生,但也不会消失,于是有人设计了这样一种装置:该装置可以从海水或者空气中收集热能,并将这些内能作为驱动电动机的动力,从而实现永动的目的。这种设备可以做出来吗?

提示:不能。因为能量的转化具有方向性,热量一旦释放出去,就不会再自动聚集起来供人类重新使用了。

【典例】关于能源的开发和应用,下列说法中正确的是(　　)

A.能源应用的过程就是内能转化为机械能的过程

B.化石能源的能量归根结底来自于太阳能,因此化石能源永远不会枯竭

C.在广大的农村推广沼气前景广阔、意义重大,既变废为宝,减少污染,又大量节约能源

D.随着科学技术的发展,煤炭资源将取之不尽、用之不竭

【解析】选C。能源应用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程,各种转化形式均可为人类服务,故A项错误;化石能源的能量虽然来自太阳能,但要经过数亿年的地质演变才能形成,且储量有限,为不可再生能源,故B项错误;在广大农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大,故C项正确;无论技术先进与否,煤炭资源不可能取之不尽、用之不竭,故D项错误。

1.下述做法能改善空气质量的是(　　)

A.以煤等燃料作为主要生活燃料

B.利用太阳能、风能和氢能等干净能源替代化石能源

C.鼓励私人购买和使用汽车代替公交车

D.限制使用电动车

【解析】选B。以煤作为主要生活燃料会产生大量污染物,如:CO、CO2、SO2等有害气体,污染大气,导致温室效应、酸雨等环境问题,故A项错误;利用太阳能、风能等替代化石能源可以减少有害气体的排放,解决能源问题的最佳方法是开发新能源(如风能、地热能、氢能、水能、核能、生物质能等),故B项正确;汽车尾气中含有氮氧化物和硫氧化物,会严重污染大气,汽车越多,则污染越严重,故C项错误;使用电动车不会产生污染,故限制使用电动车不能改善空气质量,故D错误。

2.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,如图1所示;乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时,产生电能,如图2所示。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,下列说法中正确的是(　　)

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】选C。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,故是将机械能转化为电能;乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时,产生电能,故是光能转化为电能,故C项正确。

【拓展例题】考查内容:能源与环境污染

【典例】(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会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

【解析】选B、D。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;植树造林可以吸收空气中的CO2,所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效,但并不可行。

情境·模型·素养

　氢气是一种清洁能源,它燃烧后只生成水,对环境无污染,某同学设想了一个利用氢能的方案,如图是它的示意图,请你判断这一方案的可行性,并说明理由。

探究:

判断:________(选填“可行”或“不可行”) 

理由:______________________________________________。 

【解析】由题图可知,该方案是利用电解水的方法来制取氢气,再利用氢气燃烧来发电,该过程没有外界能量进入,但却能源源不断地输出能量,违背了能量守恒定律。实际上工业制氢气确实通过电解水,然而电解水过程中需要消耗大量的电能,通过氢气燃烧发的电远远不足以电解产生等量的氢气,导致能够制备的氢气越来越少,并使发电过程逐渐停止。

答案:不可行　违反了能量守恒定律

课堂检测·素养达标

1.煤、石油、天然气和生物能作为能源的共同特点是(　　)

A.都为可再生能源,取之不尽,用之不竭

B.都为不可再生能源,用一点,少一点

C.都为来自太阳辐射的能量

D.都为污染环境的能源

【解析】选C。煤、石油、天然气是不可再生能源,对环境污染严重,生物能是可再生能源,对环境无污染或污染少,但它们都来自太阳辐射,故C项正确。

2.有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度。他的办法是:关好房间的门窗然后打开冰箱的所有门让冰箱运转,且不考虑房间内外热量的传递,则开机后,室内的温度将(　　)

A.逐渐有所升高

B.保持不变

C.开机时降低,停机时又升高

D.开机时升高,停机时降低

【解析】选A。冰箱工作,会产生热量,即消耗电能,产生了内能,且房间与外界没有能量交换,所以房内温度会升高,故A项正确。

3.下列说法中正确的是(　　)

A.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了

B.理想的发动机因为没有摩擦,也没有漏气,它的效率可以达到100%

C.热量只能自发地从高温物体传给低温物体,而不能自发地从低温物体传给高温物体

D.根据能量守恒定律,能量是用不完的,所以根本不需要节约能源

【解析】选C。石子在运动和碰撞中机械能转化为了物体及周围物体的内能,机械能并没有消失,故A错误;理想发动机,即使没有摩擦,也没有漏气等能量损失,也有散热器的热量损失与排气管排出的废热,其效率不可能达到100%,故B错误;热量只能自发地从高温物体传给低温物体,而不能自发地从低温物体传给高温物体,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,故C正确;能量虽然不会减少,但是高品质的能源会越用越少,所以要节约能源,故D错误。

4.下列哪些现象属于能量的耗散(　　)

A.利用水流能发电产生电能

B.电能在灯泡中变成光能

C.电池的化学能变成电能

D.火炉把屋子烤暖

【解析】选D。能量耗散主要指其他形式的能量最终转化为周围环境的内能后,不能再被收集起来重新利用的现象,故D项正确。

5.图示中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】选C。每天(6 h)太阳能电池板吸收的太阳能:W总=0.3×3×106×6 J=5.4×106 J,

路灯正常工作,P=P额=30 W,

正常工作8 h消耗的电能:

W=Pt=30 W×8×3 600 s=8.64×105 J,

利用太阳能的效率:η===16%。故C项正确。

【加固训练】

1.能将机械能转化为电能的装置是(　　)

A.干电池　　　　　　　  B.风力发电机

C.电动机       D.太阳能电池

【解析】选B。干电池将化学能转化为电能,故A项错误;风力发电机将动能转化为电能,故B项正确;电动机将电能转化为机械能,故C项错误;太阳能电池将太阳能转化为电能,故D项错误。

2.(多选)下列说法正确的是(　　)

A.一次能源是指自然界天然存在、不改变其形态就可直接利用的能源

B.二次能源是指由一次能源进行加工转换而得到的能源产品

C.水力、风力、太阳能等能源属于可再生能源

D.煤炭、石油、天然气等能源属于可再生能源

【解析】选A、B、C。一次能源是指自然界天然存在、不改变其形态就可直接利用的能源,故A项正确;二次能源是指由一次能源经加工后而得到的能源,故B项正确;水力、风力及太阳能等能够重复利用,属于可再生能源,故C项正确;煤炭、石油、天然气等能源用完后短期内不可再生,故不属于可再生能源,故D项错误。