2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理必修3 第12章电能 能量守恒定律12.4能源与可持续发展课件

第4节　能源与可持续发展\n知识点一　能量守恒定律[观图助学](1)一个叫丹尼斯·李(DennisLee)的美国人在《美国今日》《新闻周刊》等全国性报刊上刊登大幅广告,在全美各地表演,展示其号称无需任何能源的发电机.你认为这种发电机能造出来吗？\n(2)如图所示,是自制水轮机.能量的转化是如何实现的？遵循什么规律呢？能量会被永久地利用吗？\n1.能量守恒定律内容能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种________转化为另一种形式,或者从一个物体________到别的物体,在________或________的过程中,能量的总量____________.2.能量守恒定律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.形式转移转化转移保持不变普遍重要可靠\n[思考判断](1)自然界中的任何变化过程都满足能量守恒.()(2)当一个物体的能量减少时,一定有其他物体的能量增多.()(3)技术足够发达后,永动机就可以制成.()(4)能量永远不会增加或减少,只能转化或转移.()√√×√\n知识点二　能量转移或转化的方向性[观图助学]各种形式的能量都可以互相转化,你能说出下列现象(如图所示)中,能量是如何转化的吗？\n1.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\n3.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\n[思考判断](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.()××√√\n知识点三　能源的分类与应用[观图助学]如图所示是我国能源结构的统计图.请根据此图数据完成下面两个问题：(1)总结出我国能源结构或能源现状的规律.(2)试着提出解决这种现状的合理化建议.\n1.能源开发：能量的利用过程是不可逆的,自然界中的常规能源的储量是________的,并且是不可再生的,所以我们要珍惜现有的能源,尽力提高现有能源的利用效率.注意研究和开发新能源,目前,正在开发的新能源有风能、海洋能、________、地热能、氢能、生物质能及________等.2.常规能源和新能源的转化途径有限太阳能核能\n3.能源的分类能源分类方法能源分类名称特点举例按形式或转换特点分一次能源自然形成,未经加工太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能二次能源由一次能源经加工转换而成焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能按利用技术分常规能源已大规模正常使用煤、石油、天然气、水能新能源正在开发,或有新的利用方式太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能\n按可否再生分可再生能源可循环使用水能、风能、生物质能、地热能不可再生能源短期内无法转换获得煤、石油、天然气、核燃料按对环境污染情况分清洁能源对环境基本上没有污染太阳能、海洋能、风能、水能污染能源会严重污染环境化石燃料(煤、石油、天然气)\n[思考判断](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.()√√×\n知识点四　能源与社会发展[观图助学](1)观察下列两幅图,回答问题：\n①既然能量是守恒的,为什么当今社会会出现能源危机？②解决能源危机的途径是什么？(2)如图所示是锅炉工作时的外景,从节约能源和环境保护角度来看,分析存在的主要问题是什么？\n1.人类对能源的利用大致经历了三个时期,即柴薪时期、____________和____________.自工业革命以来,________和________成为人类的主要能源.2.____________和____________已成为关系到人类社会能否持续发展的大问题.3.____________反映了能量转化的宏观过程具有方向性,所以自然界的能量虽然________,但还是很有必要节约能源.煤炭时期石油时期煤石油能源短缺环境恶化能量耗散守恒\n4.人类与能源的关系(1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善,人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命,都与新的能源和动力机械的利用密切相关,能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志.(2)不利方面：能源的大量使用会给环境带来极大的破坏,如大气污染、温室效应、酸雨等,对人类造成很大的危害.\n[思考判断](1)煤自古至今都是人类的主要能源.()(2)根据能量守恒定律可知,节约能源是没有必要的.()(3)世上总能量虽然不变,但我们仍需要有节能意识.()××√\n[观察探究]近几年流行一种“自发电电动车”(如图所示),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？核心要点对能量守恒定律的理解\n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.\n[探究归纳]1.能量守恒定律的重要意义(1)能量守恒定律是普遍适用的,对宏观世界与微观世界、高速运动与低速运动等都成立.(2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系,对人类认识自然、改造自然起着重要的指导作用.(3)能量守恒定律彻底否定了第一类永动机的存在,即不需要任何动力和燃料,却能不断对外做功的机械是不可能存在的.\n2.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,能量的增加量等于能量的减少量.\n[试题案例][例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”违背了能量转化和守恒定律,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\n解析永动机是指不消耗或少消耗能量,而可以大量对外做功的装置,违背了能量转化和守恒定律,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,一定是转化成了别的能量,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质能,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.答案C\n[例2]风能是一种很好的再生能源,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.如图所示为风力发电的情景.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电功率为P,求此过程中：(1)单位时间内每台风力发电机获得的风能表示式；(2)风力发电机利用风能的效率表示式.\n思路点拨　解答本题时应明确以下两点(1)风能就是空气定向流动的动能.(2)发电效率等于电功率与总功率的比值.\n而m＝πr2v0tρ②\n方法凝炼　利用能量守恒定律解题的基本思路(1)分清有哪几种形式的能(如机械能、内能等)在变化.(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式.(3)列等式ΔE减＝ΔE增求解.\n[针对训练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\n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大；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,违反了能量的转化和守恒定律,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,能量并没有消失,故D错误.答案D\n[针对训练2]瀑布从20m高处以103m3/s的流量竖直落下,流进底部的水轮机后再以2m/s的速度流出,水轮机再带动发电机发电.如果水的机械能转化为电能的效率是80%,那么发电机发出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计,g取10m/s2)解析设t时间内流下的水的质量为m,以m为研究对象,转化为电能的功率为\n答案1.58×105kW\n[观察探究]如图所示,把小球拉到一定角度后释放,小球在竖直平面内来回摆动,我们观察到它的摆动幅度越来越小,最后停止摆动.机械能消失了吗？若没有消失,转化成了什么？能否让这种能自发的转化为机械能使小球动起来呢？答案机械能没有消失,而是转化为小球和空气的内能,不可能使内能自发转化为机械能使小球摆动.核心要点对能量耗散的理解\n[探究归纳]1.各种形式的能最终都转化为内能,耗散到周围的环境中,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.\n[试题案例][例3]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,能量守恒定律具有一不定期的局限性C.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\n解析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,故A、B错误,C正确；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的方向性,机械能可以自发地转化为内能,但内能不可能全部转化为机械能而不引起其他变化,故D错误.答案C\n[针对训练3](多选)下列哪些现象属于能量耗散()A.利用水能发电转变成电能B.电能通过电灯中的电阻丝放出热量和光能C.电池的化学能转变成电能D.火炉把房间的温度升高解析水力发电、化学能转变成电能,电能可以利用,不属于能量耗散,可再进一步利用,直到都转变成不可回收的内能,就是能量耗散了,故B、D正确.答案BD\n[要点归纳]核心要点能量转化和转移的方向性\n[试题案例][例4](多选)根据能量转化和转移的方向性,下列判断正确的是()A.电流的电能不可能全部转化为内能B.在火力发电机中,燃气的内能不可能全部转化为电能C.热机中,燃气的内能不可能完全转化为机械能D.能量不能被创造或被消灭\n解析根据能量转化和转移的方向性可知,凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性,电流的电能可全部转化为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知),而内能不可能全部转化为电能而不引起其他变化；机械能可全部转化成内能,而内能不可能全部转化成机械能而不引起其他变化；在热传递中热量只能自发地从高温物体传递给低温物体,而不能自发地从低温物体传递给高温物体,故选项B、C正确；根据能量守恒定律可知,能量不能被创造或被消灭,故D正确.答案BCD\n[针对训练4](多选)下列过程中,可能实现的是()A.水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能B.利用不同深度的海水温度不同来制造一种机器,把海水的内能转化为机械能C.在粗糙水平面上运动的物体,它的动能转化为内能,使物体温度升高D.静止在光滑水平面上的物体,温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能,使物体运动起来解析根据能量转化和转移的方向性可知,物体温度下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能,因此选项A、D是错误的,而选项B、C都是可能实现的过程.答案BC\n[要点归纳]1.能源开发人类社会要发展,能源是必不可少的资源,但现有的煤、石油、天然气等化石燃料都是远古时期储存的太阳能,不可再生,不久的将来都要枯竭.同时,大量使用这类燃料对环境的破坏非常严重,所以迫切需要找到新的替代能源.现有条件下,可供利用的新能源主要有地热能、太阳能、海洋能、生物能等.核心要点能源和环境问题\n2.环境问题(1)温室效应：由于大气中温室气体(二氧化碳、甲烷等)含量增大而形成的.主要原因是煤炭和石油的大量消耗而产生的废气.(2)酸雨：大气中的酸性物质,如二氧化硫、氮氧化物等,在降雨过程中溶入雨水,使其成为酸雨.(3)光化学烟雾：氮氧化物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强烈的紫外线照射后产生的二次污染物质.(4)浮尘：常规能源燃烧时会产生大量的浮尘.\n[试题案例][例5](多选)二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用,地球表面发出的长波辐射到大气层以后被二氧化碳截获,最后使大气升温.大气中的二氧化碳像温室的玻璃一样,只准太阳的热辐射进来,不让室内的长波辐射出去,大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应.这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点,根据这种观点,以下说法能成立的是()A.在地球形成的早期,火山活动频繁,排出大量二氧化碳,当时地球的温度很高B.经过漫长的时间,地壳的岩石和二氧化碳发生了化学反应,导致二氧化碳减少,地球上出现了生命\nC.由于工业的发展和人类的活动,导致二氧化碳在空气中的含量增大,地球上的气温正在升高D.现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加,使电能和其他形式的能转化为内能思路点拨　解答本题应该抓住以下两个条件(1)温室效应的本质及原理.(2)地球变暖的主要原因是温室效应.\n解析地球形成的早期,地壳不如现在牢固,地球不如现在稳定,火山活动频繁,符合地质的发展规律.由于火山的喷发,排出大量的二氧化碳,进而导致当时的地球气温升高,选项A正确；由于多种原因,其中包括岩石中的矿物成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应,使地球上的岩石进一步分化,最后形成土壤,二氧化碳减少,形成了适合生命生存的条件,则选项B正确；由于工业的发展和人类的活动,大量地使用常规能源,导致二氧化碳在空气中的含量增大,地球上的气温正在升高,故选项C正确；生活用电和工业用电是电能向其他形式的能的转化,会产生热,但不是温室效应的主要原因,选项D错误.答案ABC\n[针对训练5]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十分丰富,所以太阳能和核能的开发在我国并不十分重要B.能源的利用过程,实质上是能的转化和传递过程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到底来自太阳能答案A