高中物理人教版 (2019)必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律4 能源与可持续发展精品达标测试

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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)．
例1 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．下列说法正确的是( )
A．因为能量守恒，所以能量可以随意使用
B．不同形式的能量之间可以相互转化
C．因为能量不会消失，所以不可能有能源危机
D．能量可以被消灭，也可以被创生
答案 B
解析 能量是守恒的，但在利用能量的过程中有能量耗散，耗散的能量不可再利用，符合自然界中一切与热现象有关的宏观过程都有方向性，是不可逆的，应节约能源，故A、C错误；自然界中的能量可以从一种形式转化为另一种形式，不同形式的能量间可以相互转化，故B正确；能量不能被创生，也不能被消灭，故D错误．
例2 (2021·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＝eq \f(1,2)ρSv B．P＝eq \f(1,2)ρSv2
C．P＝eq \f(1,2)ρSv3 D．P＝eq \f(1,2)ρSv4
答案 C
解析 风能完全转化为电能，由能量守恒定律得eq \f(1,2)mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，联立解得P＝eq \f(ρv3tS,2t)＝eq \f(1,2)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．
例3 (多选)(2021·昆明一中期中)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，下列说法正确的是( )
A．热量能自发地从低温物体传到高温物体
B．在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体
C．热量的传递过程不具有方向性
D．在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
答案 BD
解析 自然界一切自发过程都有方向性，如热传导，热量总是由高温物体自发地传向低温物体；又如扩散，气体总是自发地由密度大的地方向密度小的地方扩散．在外界帮助下气体可以由密度小的地方向密度大的地方扩散，热量可以从低温物体传向高温物体，电冰箱就是借助外界做功把热量从低温物体传向高温物体，故选B、D.
例4 热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象．所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把耗散的能量重新收集、重新加以利用．下列关于能量耗散的说法中正确的是( )
A．能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了
B．能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了
C．能量耗散表明，能量守恒定律不一定正确
D．能量不可能耗散，能量守恒定律反映了自然界中能量转化的宏观过程可以有任意的方向性
答案 B
解析 能量虽然有耗散但总的能量是守恒的，在转化的过程中总量不会减少，故A、C错误；能量耗散表明在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但是在可利用的品质上降低了，故B正确；自然界中的宏观过程具有方向性，能量耗散就是从能量转化的角度反映了这种方向性，故D错误．
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．
例5 (多选)(2021·杭州市学军中学高一期末)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
例6 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)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映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，物质能量变化一定遵循能量守恒定律，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．
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．(2021·宁波二中周测)热现象过程中不可避免地会出现能量耗散的现象，所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用，则下列关于能量耗散的说法中正确的是( )
A．能量耗散说明能量不守恒
B．火炉把房子烤暖不属于能量耗散
C．能量耗散过程中能量不守恒
D．能量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
答案 D
解析 能量耗散满足能量守恒定律，A、C错误；火炉把房子烤暖，能量转化为内能流散到环境中，根据能量耗散的定义，可知B错误；能量耗散从能量转化的角度反映了自然界的宏观过程具有方向性，D正确．
5．(多选)电池给灯泡供电与人将球抛出在能量转化方面有相似之处，我们可以将电势能类比于重力势能，如图所示，下列说法正确的是( )
A．可以将电流通过灯泡时电流做功与抛球时人对球做的功相类比
B．可以将电池的非静电力做功与抛球时人对球做的功类比
C．可以将电流通过灯泡时做的功与球下落时重力对球做的功类比
D．可以将电池的非静电力做功与球下落时重力对球做功类比
答案 BC
解析 电流通过灯泡时，电流做功将电能转化为其他形式的能，与之对应的是球下落时重力做功将重力势能转化为其他形式的能，故A错误，C正确；电池的非静电力做功将其他形式的能转化为电能，与之对应的是人将球向上抛出对球做功将其他形式的能转化为重力势能，故B正确．
6．(2021·绍兴一中期中)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的摩擦力大小不变，从题图看出，第二次的位移是第一次的eq \f(3,5)，故没被转化为内能的能量为初动能的eq \f(2,5)，由能量守恒定律得所充的电能为eq \f(2,5)Ek0＝eq \f(2,5)×500 J＝200 J，A正确．
考点二 能源的分类与应用
7．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
8．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．
9．(多选)(2021·广州一中期中)关于能源的利用，下列说法中正确的是( )
A．由于我国煤和石油的储量十分丰富，所以太阳能和核能的开发并不十分重要
B．能源的利用过程，实质上是能的转化和转移过程
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、天然气的化学能归根到底来自太阳能
答案 BCD
解析 煤、石油和天然气是由千百万年前的动植物在长期的地质变迁中形成的．千百万年前的动物食用植物，而植物是靠吸收太阳的能量成长的，可以说煤、石油、天然气的化学能来自太阳能．目前人类使用的能源主要是煤、石油和天然气．能源燃烧时，将化学能转化为内能，内能又可转化为机械能和电能，人类在生产和生活中需要各种形式的能，我们可以根据需要把能源的能量转化成多种形式的能量，以供利用，所以能源的利用过程，实质上是能的转化和转移过程，我们的煤和石油尽管储量丰富，但终究有限，且利用后不能再生，所以开发和利用新能源，特别是核能和太阳能是解决能源问题的出路，故B、C、D正确．
10.(2022·揭阳市高二期末)如图所示是我国某风能发电基地，全球可利用的风能为2×107 MW
(1 MW＝106 W)，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，我国风能资源总储量约1.6×105 MW.2012年7月4日装机容量达到2 250万千瓦的三峡水电站，已成为全世界最大的水力发电站和清洁能源生产基地．下列说法正确的是( )
A．风力发电是把风的内能转化为电能
B．我国风能资源总储量约为7个三峡水电站的装机容量
C．风力发电过程违反能量守恒定律
D．水能和风能都是清洁能源且都是不可再生能源
答案 B
解析 风力发电是把风的机械转化为电能，A错误；我国风能资源总储量约1.6×105 MW＝1.6×1011 W，三峡水电站的装机容量为2 250万千瓦，即2.25×1010 W，因此我国风能资源总储量约为7个三峡水电站的装机容量，B正确；风力发电是把风的机械能转化为电能，不违反能量守恒定律，C错误；水能和风能都是清洁能源且都是可再生能源，D错误．
11.如图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：
(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＝eq \f(4×105,0.3×1×3 600) W≈370.4 W.
(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率：
η＝eq \f(9×10×3 600,4×105×8)×100%≈10%.
12.(2022·广东高二期末)太阳能及风能是清洁能源，我国已经建成众多的太阳能及风力发电场．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．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燃烧多少标准煤产生的热量？
答案 (1)1.57×105 W (2)3.30×105 kg
解析 (1)设单位时间(t0＝1 s)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＝eq \f(1,2)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.