物理必修 第三册4 能源与可持续发展课后复习题

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和重要意义.2.了解什么是能源的耗散和品质降低，认识自然界中能量转移或转化的方向性.3.了解能源的分类与应用.4.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．

二、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．

2．能量的耗散：其他形式的能转化为内能后不能再重复利用，这种现象叫作能量的耗散．

3．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．

三、能量的分类与应用

1．能源的分类

(1)不可再生能源：煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源，这类能源又叫作化石能源．化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源叫作不可再生能源．

(2)可再生能源：水能和风能等能源，归根结底来源于太阳能．这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源．

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的成就：如：太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电．

四、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．判断下列说法的正误．

(1)由能量守恒定律知，能量是取之不尽、用之不竭的，也不必要节约能源．(　×　)

(2)热量可以自发地由高温物体传向低温物体，也可以自发地从低温物体传向高温物体．(　×　)

(3)大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源．(　√　)

(4)能量的耗散就是能量的总量在减少．(　×　)

2．除了常见的煤炭、石油外，可利用的能源还有哪些？

答案　水能、风能、潮汐能、太阳能、核能等．

一、能量守恒定律

导学探究　近几年流行一种“自发电电动车”，基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车，你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？

答案　仅靠这种方式，不能使电动车持续运动下去．因为靠这种方式，只能将电动车的一部分能量收集起来，但电动车运动时受到的阻力做负功，不断把电动车的机械能转化为内能，根据能量守恒定律，要想使电动车持续运动下去，必须不断地给电动车补充新的能量，如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电．

知识深化

　能量守恒定律的理解与应用

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)．

下列说法正确的是(　　)

A．随着科技的发展，可以制造出一种机器，使其不消耗任何能量但能源源不断地对外做功

B．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，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

答案　C

解析　题述机器违背了能量守恒定律，A错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，但辐射到宇宙空间的能量也没有消失，一定是转化成了其他形式的能量，B错误；马和其他动物，包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源是食物中储存的生物能，C正确；所谓的“全自动”手表内部是有能量转化装置的，只有当人戴着手表活动时，才能不断补充能量，维持手表的运行，如果把表放在桌面上静置一段时间，它一定会停摆的，D错误．

(2020·山东济南一中学业考试)某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能，则用上述已知量计算电功率的公式为(　　)

A．P＝ρSv   B．P＝ρSv2

C．P＝ρSv3   D．P＝ρSv4

答案　C

解析　风能完全转化为电能，由能量守恒定律得mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，联立解得P＝＝ρSv3，A、B、D错误，C正确．

二、能量转移或转化的方向性

导学探究　内能可以转化为电能，电能可以转化为光能、内能、机械能……既然能量是守恒的，不会凭空消失，为什么还要节约能源呢？

答案　虽然能量的总量没有减少，但由于能量转化的方向性，使能量从便于利用的形式转化为不便于利用的形式，导致了可利用的能源减少，因此我们仍要节约能源．

知识深化　对“能量的耗散和品质降低”的理解

(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，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再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．

(多选)下列关于能量的耗散的说法正确的是(　　)

A．能量的耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律

B．能量的耗散是指耗散在环境中的内能很难被人类利用

C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的

D．能量的耗散导致能量品质的降低

答案　BCD

解析　能量的耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，选项A错误，选项D正确；耗散的内能很难再被利用，选项B正确；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，选项C正确．

针对训练　(多选)对于能量的耗散理解正确的是(　　)

A．能量的耗散说明能量在不断的减少

B．能量的耗散遵循能量守恒定律

C．能量的耗散说明能量不能凭空产生，但能量却可以凭空消失

D．能量的耗散从能量的角度反应出自然界中的宏观过程具有方向性

答案　BD

解析　能量的耗散是能量变成了无法收集利用的内能，能量不会不断减少，A错误；能量守恒定律适用于整个自然界，物质能量变化必须遵循能量守恒定律，B正确；能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，C错误；能量的耗散是一个宏观过程，代表着能量向不可收集利用的方向转化，D正确．

三、能源的分类与应用　能源与社会发展

1．能源的分类

按可否再生分为可再生能源与不可再生能源

(1)不可再生能源：人们把煤炭、石油、天然气叫作化石能源．化石能源无法在短时间内再生，被叫作不可再生能源．

(2)可再生能源：在自然界可以再生，例如水能、风能、潮汐能、生物能、地热能等．

2．能源和环境污染

(1)温室效应：石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，因此加剧了温室效应．温室效应使得两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海城市，使海水倒流入河流，从而使耕地盐碱化；温室效应使全球降水量变化，影响气候和植被变化，影响人体健康．

(2)酸雨：酸雨是指pH值小于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．这些物质有毒，会引起人的多种疾病．

另外，常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种主要的污染物．

3．能源与社会发展

要实现可持续发展就要树立新的能源安全观，并转变能源的供需模式．一方面大力提倡节约能源，另一方面要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等清洁能源，推动人类与自然的和谐发展．

(多选)(2020·浙江杭州学军中学高一期末)关于能源的开发和利用，下列观点正确的是(　　)

A．能源是有限的，无节制地使用常规能源，是一种盲目的短期行为

B．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的

C．能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响

D．不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径

答案　ACD

某市有20万台空调机，每台空调机在夏季平均使用60天，每天耗电8 kW·h.为了节约能源，该市政府建议大家都把室内设定温度提高1 ℃，这样每台空调机每天可节省6%的电能．那么这样做能使该市在夏季节省多少电能？已知标准煤的热值是2.92×107 J/kg.发电厂的发电效率是30%.请计算一下，这项节能建议的实现能在1年内节约多少吨标准煤？(结果均保留两位有效数字)

答案　2.1×1013 J　2.4×103 t

解析　设可节省的电能为E，则E＝8×6%×60×20×104 kW·h＝5.76×106 kW·h≈2.1×1013 J，

设1年内节约的标准煤的质量为m，由能量守恒定律有2.92×107 J/kg×m×30%＝E，

解得m≈2.4×106 kg＝2.4×103 t.

考点一　能量守恒定律　能量转化或转移的方向性

1．低碳生活是一种绿色而又环保的新型生活方式，日常生活注意节电、节油、节气、节水，从点滴做起，保护环境，保护地球．下列关于能源与能量的理解正确的是(　　)

A．能量是守恒的，没有必要提倡节约能源

B．能量的耗散表明自然界的能量在利用过程中正在不断地消失

C．自然界中石油、煤炭等能源取之不尽，用之不竭，只需不断开发

D．人类应积极开发与利用风能、太阳能、潮汐能等可再生的新能源

答案　D

解析　在能源的利用过程中，虽然能量在数量上并未减少，但可利用率越来越小，故仍需节约能源，故A错误；能量的耗散表明自然界的能量在转化的过程中可利用率越来越小，但总量不会减小，故B错误；自然界中石油、煤炭指的是亿万年前的大量生物的遗体在地层中经过一系列生物化学变化而生成的，在短时间内不能再生，是不可再生能源，故C错误；风能、太阳能、潮汐能是可再生能源，人类应多开发与利用，故D正确．

2．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．能量只是以势能和动能两种形式存在

B．能量只是存在于具有一定高度或运动状态的物体中

C．任何物质均具有能量

D．能量存在形式多种多样，且不同形式之间可以相互转化，并且转化过程中总能量是守恒的

答案　CD

3．(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，我们无法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，而我们无法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．

4．关于能量和能源，下列说法正确的是(　　)

A．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源

B．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少

C．能量的耗散说明能量在转化过程中没有方向性

D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造

答案　B

考点二　能源的分类与应用

5．下列供热方式最有利于环境保护的是(　　)

A．用煤作为燃料供热

B．用石油作为燃料供热

C．用天然气或煤气作为燃料供热

D．用太阳灶供热

答案　D

6．节约能源的主要措施是(　　)

A．大力开发新能源

B．大量利用太阳能、地热能

C．大量利用风能、水能

D．采用新技术、新设备，更新改造落后的技术设备

答案　D

解析　在能源的利用中，虽然能量守恒，但可以有效利用的能量只占其中一部分，另外的一部分未被利用而散失了．因此，提高能源的利用率，节约能源是一个关系国民经济发展的重大问题，而提高能源利用率，节约能源，离不开科学技术的进步．采用新技术、新设备，更新落后的技术设备是节能的主要措施，故D正确．

7．利用下列能源，可以减少污染环境的气体排放的是(　　)

A．太阳能   B．煤炭

C．石油   D．天然气

答案　A

解析　使用太阳能不污染环境，是一种清洁能源，故A正确；煤炭燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等物质，污染环境，故B错误；石油燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮等物质，污染环境，故C错误；天然气燃烧时生成大量的二氧化碳、一氧化碳等物质，污染环境，故D错误．

8．(多选)为了减缓大气中CO2浓度的增加，可以采取的措施有(　　)

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

答案　BD

解析　能源利用与环境保护是相互制约的，要尽量节约常规能源的使用，大力开发新能源，植树造林．

9．(多选)煤炭是重要的能源和化工原料，直接燃烧既浪费资源又污染环境．某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%)，把煤“吃干榨尽”．下列有关说法正确的是(　　)

A．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化

B．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化

C．该技术实现了煤的清洁利用

D．该技术实现了煤的高效利用

答案　ACD

解析　煤粉加压气化制备合成气过程中既有物理变化，又有化学变化，A正确，B错误；该技术使煤得以良好利用又环保，C、D正确.

10．如图1所示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小时得到的太阳能为4×105 J，太阳光按平均一天照8小时计算，恰好可以供电子节能灯工作10小时．问：

图1

(1)太阳能节能灯的能量转化情况；

(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率为多少？

(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？

答案　(1)见解析　(2)370.4 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≈370.4 W.

(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率：

η＝×100%≈10%.

11．四川省“十二五”水利发展规划指出，若按现有供水能力测算，四川省供水缺口极大，蓄引提水是目前解决供水问题的重要手段之一．某地要把河水抽高20 m进入蓄水池，用一台电动机通过传动效率为80%的皮带，带动效率为60%的离心水泵工作．工作电压为380 V，此时输入电动机的电功率为19 kW，电动机的内阻为0.4 Ω.已知水的密度为1×103 kg/m3，重力加速度取10 m/s2，求：

(1)电动机内阻消耗的热功率；

(2)将蓄水池蓄入864 m3的水需要的时间(不计进、出水口的水流速度)．

答案　(1)1 kW　(2)2×104 s

解析　(1)设电动机的电功率为P，由P＝UI得

I＝＝＝50 A

设电动机内阻r上消耗的热功率为Pr，则

Pr＝I2r＝502×0.4 W＝1×103 W＝1 kW.

(2)设蓄水总质量为M，所用蓄水时间为t.已知抽水高度为h＝20 m，容积为V＝864 m3，水的密度为ρ＝1×103 kg/m3，则M＝ρV＝1×103×864 kg＝8.64×105 kg

设质量为M的河水增加的重力势能为ΔEp，则ΔEp＝Mgh＝1.728×108 J

设电动机的输出功率为P0，则P0＝P－Pr

根据能量守恒定律得P0t×60%×80%＝ΔEp

代入数据解得将蓄水池蓄入864 m3的水需要的时间t＝2×104 s.