2022-2023年粤教版(2019)新教材高中物理必修3 第5章电能与能源的可持续发展5-2能源的利用方式5-3能量的转化与守恒5-4能源与环境课件(2)

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第五章　电能与能源的可持续发展第二节　能源的利用方式第三节　能量的转化与守恒第四节　能源与环境预习导学 | 新知领悟1．新能源：核能、风能、__________、水能、地热能、生物质能、海洋能、氢能等是人类未来大力开发的新能源．2．水能：水能是一种能源，是指水体的动能、______和压力能等能量资源．水能是一种可再生能源，水能主要用于水力发电．水力发电过程实质是一个______转化过程，将水的势能转化为水轮机的______，带动与水轮机同轴的发电机发电，从而实现水能到______的转换．水能与风能太阳能势能能量机械能电能3．风能：风能是因__________而提供给人类的一种可利用的能量．空气流具有的______称风能．空气流速越高，动能越大．人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动力推动________，以产生电力．方法是透过传动轴，将转子(由以空气动力推动的扇叶组成)的旋转动力传送至发电机．4．太阳能：太阳能既是一次能源，又是可再生能源．对太阳能的利用主要有太阳能的__________、__________和光化学能转化三种．其中太阳能热水器是一种将太阳能转化为______的一种加热装置．空气流动动能发电机光热转化光电转化热能5．核能：核能是储存在__________内部的一种能量，其中核聚变和________是核反应的两种方式．重核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个__________的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量；所谓轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)两个__________的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程，也称热核反应．原子核核裂变质量较轻质量较轻【答案】水能资源最显著的特点是可再生、无污染．开发水能对江河的综合治理和综合利用具有积极作用，对促进国民经济发展，改善能源消费结构，缓解由于消耗煤炭、石油资源所带来的环境污染有重要意义，因此世界各国都把开发水能放在能源发展战略的优先地位．水能资源有什么特点 ?一水电站，水流的落差为20 m，水流冲击水轮发电机后，水流能20%转化为电能．若发电机的功率为200 kW，则每分钟流下的水量为多少(g取10 m/s2)?【答案】300 m3【解析】设每分钟水的流量为Q，则在1分钟内流下的水的质量m＝Qρ.在1分钟内流下的水减少的重力势能1．自然界存在着各种不同形式的能量：机械能(动能和势能)、________、________、________、________等，各种不同形式的能量可以相互________．2．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________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体；在转化和转移的过程中，能量的总量__________．能量的转化与守恒内能电能化学能核能转化转化转移不变3．建立能量守恒定律的两个重要事实(1)确认了________的不可能性．(2)各种自然现象之间能量的____________与________．4．机械能守恒定律与能量守恒定律的关系机械能守恒定律是______________的特殊背景下一种特殊的表现形式．5．在自然界的一切自发过程中，能量的转化和转移都是有__________的，热量能自发地从________温物体传递给__________温物体，反过来则不能．永动机相互联系转化能量守恒定律方向性高低【答案】不能．能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间只能发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律．丹尼斯·李发明的发电机不消耗其他能量而源源不断地产生电能，违背了能量守恒定律，因此这种发电机不能制造出来．一个叫丹尼斯·李(Dennis Lee)的美国人在美国全国性报刊上刊登大幅广告，在全美各地表演，展示其号称无须任何能源的发电机．你认为这种发电机能造出来吗？ 一个盛水袋，某人从侧面缓慢推动装液体的袋壁使它变形至如图所示的位置，则此过程中袋和液体的重心将 (　　)A．逐渐升高 B．逐渐降低C．先降低再升高 D．始终不变【答案】A【解析】人对液体做正功，液体的机械能增加，液体缓慢移动可以认为动能不变，重力势能增加，重心升高，A正确．1．常规能源：人们把煤、________、________等化石能源叫作常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源．2．新能源：主要有________能、生物质能、风能、水能、核能等．3．环境问题：化石能源的大量消耗带来的环境问题有________效应、酸雨、光化学烟雾等．能源与环境石油天然气太阳温室【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．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？ 煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是 (　　)A．都是可再生能源，取之不尽，用之不竭B．都是不可再生能源，用一点，少一点C．都是来自太阳辐射的能量D．都是污染环境的能源【答案】C【解析】煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物质能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射．因此，C正确，A、B、D错误．多维课堂 | 素养初培图甲是太阳能发电；图乙是秦山核电站，试分析它们发电的原理是怎么样的？【答案】太阳能发电是利用光电转换来发电的．秦山核电站是核能发电的．太阳能和核能的利用精例1　开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求．太阳能的光热转换是目前技术最为成熟、应用最广泛的形式．太阳能热水器的构造示意图如图所示，下方是像日光灯管似的集热管，由导热性能良好的材料制成，黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是一块光亮的铝合金反光板，做成凹凸一定的曲面．试分析下列有关太阳能利用的问题：(1)说明太阳能热水器哪些结构与其功能相适应，水箱为何安装在顶部而非下部？(2)上图中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿________时针方向流动，这是因为_______________________________.C是辅助加热器，其作用是_____________________________.请在图中适当位置安上进水阀门和出水阀门，并说明选择位置的理由．【答案】见解析【解析】(1)日光灯管似的集热管面积较大，便于吸收较多的太阳能；外有透明玻璃管，内有黑色管，使阳光能直射入玻璃管而不易被反射；在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，减少两管间因空气对流引起的热损失，减少热传导；集热管的下方是一块光亮的铝合金反光板，做成凹凸一定的曲面，使周围及穿过管隙的阳光尽量聚集在水管内，水箱安装在顶部而非下部，便于水的对流．(2)顺时针；集热器中的水被太阳光晒热后密度变小，受浮力作用沿管向右上方运动．在阴天C装置用电加热的方式使水温升高．在封闭的环形管道的左下方安上进水阀门，在贮水容器下方竖直管道上安装出水阀门；可使热水流出，冷水得以补充．变式1　太阳能是21世纪重点发展的能源之一，太阳能汽车是利用太阳能电池将接收到的太阳能转化为电能，再利用电动机来驱动汽车的一种新型汽车．太阳能实验车上太阳能发电面板的有效面积S＝8 m2，太阳光照射到每平方米太阳能板上的辐射功率为P0＝1 kW，在晴朗的天气，电池对着太阳时产生的电压为U＝120 V，并对车上的电动机提供I＝10 A的电流，试问：(1)太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是_________．(2)如果这辆汽车的电动机将电能最终转化为机械能的效率为75%，当汽车在水平路面上匀速行驶时，受到的牵引力为150 N，则汽车的行驶速度是______m/s.【答案】(1)15%　(2)6说明下列能源利用方式中的能量转化过程是怎样的．(1)水力发电；(2)电动水泵抽水；(3)柴油机牵引列车前进；(4)火箭发射人造卫星．能量守恒定律的理解与应用【答案】(1)水力发电是将水的机械能转化为电能．(2)电动水泵抽水是将电能转化为水的机械能．(3)柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能先转化为内能，再转化为列车的机械能．(4)火箭发射人造卫星是将燃料的化学能转化为卫星的机械能．3．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)．精例2　如图所示，电动机带动水平传送带以速度v匀速传动，一质量为m的小木块由静止轻放在传送带上．若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ，当小木块与传送带相对静止时，求：(1)小木块的位移；(2)传送带转过的路程；(3)小木块获得的动能；(4)摩擦过程产生的热量；(5)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量．溜溜球是一种流行的健身玩具，具有很浓的趣味性，备受学生的欢迎．溜溜球类似“滚摆”，对称的左右两轮通过固定轴连接(两轮均用透明塑料制成)，轴上套一个可以自由转动的圆筒，圆筒上系一条长约1 m的棉线，玩时手掌向下，用力向正下方掷出溜溜球，当滚到最低处时，轻抖手腕，向上拉一下绳线，溜溜球将返回到你的手上，如图所示．溜溜球在运动过程中能量如何变化？能源及其开发和利用【答案】溜溜球向下运动时由于重力做正功，动能一定增大，势能转化为动能；溜溜球在上下运动的过程中由于有阻力做功，所以会损失一部分机械能，机械能不守恒，若不及时补充能量则上升的高度会越来越低，因此可在溜溜球运动到最低点时轻抖手腕，向上拉一下绳子，给其补充能量．(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大可用的形式．(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．2．能源的分类精例3　能源短缺和环境恶化指的是 (　　)①煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺②煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化④大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，改变了大气成分，使环境恶化A．①③　　 B．①④C．②③　 D．②④【答案】D【解析】煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们的储量是有限的，并不是取之不尽、用之不竭的，这是所讲的能源短缺，②正确；能源在使用时会排出有害气体污染空气，这是所讲的环境恶化，④正确．故D正确．变式2　关于能源的利用，下列说法中不正确的是 (　　)A．由于我国煤和石油的储量无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要B．能源的利用过程，实质是能量的转化和转移过程C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气D．煤、石油和天然气的化学能归根结底来自太阳能【答案】A【解析】石油、煤等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错误，B、C、D正确．1．能源的开发和利用要以人为本，要以可持续发展为前提．2．应优先使用新能源，新能源的共同特点：可再生、取之不尽、绿色无污染.核心素养微专题二次能源的产生发电厂又称发电站，是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能(二次能源)的工厂.19世纪末，随着电力需求的增长，人们开始提出建立电力生产中心的设想．电机制造技术的发展，使电能应用范围扩大．生产对电能需求的迅速增长，发电厂随之应运而生．发电厂有多种发电途径：靠火力发电的称火电厂，靠水力发电的称水电厂，还有些靠太阳能(光伏)、风力和潮汐发电的电厂等．而以核燃料为能源的核电厂已在世界许多国家发挥越来越大的作用．【专题】　如图是用一台蒸汽机和一台发电机建立的模型发电站，将这个模型发电站与小灯泡连接起来，就可以供电了．请分析该模型发电站工作时各种形式的能量是如何转化的．【答案】蒸汽机将蒸汽的内能转化为蒸汽轮机的机械能，蒸汽轮机带动发电机转动，将机械能转化为电能使小灯泡发光．课堂小练 | 素养达成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【答案】A【解析】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．2．人类社会发展伴随着能源的大量消耗，能源的合理开发和利用已成为人类社会可持续发展的重要前提之一．下列选项中，不属于优先研究开发的能源是 (　　)A．太阳能　　 B．风能C．矿产能　　 D．核能【答案】C【解析】太阳能、风能、核能是人类优先研究开发的能源，矿产能不属于优先研究开发的能源．所以C正确．3．(多选)煤、石油、天然气作为能源的共同特点，下列说法正确的是 (　　)A．可再生能源，取之不尽，用之不竭B．不可再生能源，用一点，少一点C．来自太阳辐射的能量D．污染环境的能源【答案】BCD【解析】煤、石油、天然气是不可再生、污染环境的能源，它是由动、植物转化而来的，其来源可追溯到太阳能，故B、C、D正确．4．某人设计出一款以可乐来发电的概念手机，手机设计的核心是一片生物电池，利用酵素把碳水化合物转化为电力．下列说法正确的是 (　　)A．“可乐手机”是将可乐的化学能转化为电能B．“可乐手机”是将电能转化为水和氧气的化学能C．在能量转化过程中，必须摇动手机，否则不发生转化D．“可乐手机”虽然用到了可乐，但是工作过程直接利用了充电后的电能，不存在能量转化问题【答案】A【解析】“可乐手机”是将可乐的化学能转化为电能，对手机供电，故A正确，B、D错误；“可乐手机”是将可乐的化学能转化为电能，是利用化学反应，不需要摇动手机，故C错误．