人教版高中物理新教材同步講義 必修第三冊 第12章　4　能源與可持續(xù)發(fā)展（含解析）

4能源與可持續(xù)發(fā)展[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1.掌握能量守恒定律的內(nèi)容和重要意義.2.了解什么是能源的耗散和品質(zhì)降低，認(rèn)識自然界中能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性.3.了解能源的分類與應(yīng)用.4.認(rèn)識當(dāng)前環(huán)境問題，增強環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的意識．一、能量守恒定律能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變．二、能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性1．一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程都是不可逆的．2．能量的耗散：其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能后不能再重復(fù)利用，這種現(xiàn)象叫作能量的耗散．3．能量的耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性．三、能量的分類與應(yīng)用1．能源的分類(1)不可再生能源：煤炭、石油和天然氣是目前人類生產(chǎn)、生活中使用的主要能源，這類能源又叫作化石能源．化石能源無法在短時間內(nèi)再生，所以這類能源叫作不可再生能源．(2)可再生能源：水能和風(fēng)能等能源，歸根結(jié)底來源于太陽能．這些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源．2．能源的開發(fā)與應(yīng)用近年來，我國在能源開發(fā)方面取得了很大的成就：如：太陽能發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、核能發(fā)電．四、能源與社會發(fā)展1．隨著人口迅速增長、經(jīng)濟快速發(fā)展以及工業(yè)化程度的提高，能源短缺和過度使用化石能源帶來的環(huán)境惡化已經(jīng)成為關(guān)系到人類社會能否持續(xù)發(fā)展的大問題．2．可持續(xù)發(fā)展(1)可持續(xù)發(fā)展的核心：追求發(fā)展與資源、環(huán)境的平衡：既滿足當(dāng)代人的需求，又不損害子孫后代的需求．(2)需要做好兩方面：①要大力提倡節(jié)能；②發(fā)展可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等在生產(chǎn)及消費過程中對生態(tài)環(huán)境的污染程度低的清潔能源．1．判斷下列說法的正誤．(1)由能量守恒定律知，能量是取之不盡、用之不竭的，也不必要節(jié)約能源．(×)(2)熱量可以自發(fā)地由高溫物體傳向低溫物體，也可以自發(fā)地從低溫物體傳向高溫物體．(×)(3)大量消耗常規(guī)能源會使環(huán)境惡化，故提倡開發(fā)利用新能源．(√)(4)能量的耗散就是能量的總量在減少．(×)2．除了常見的煤炭、石油外，可利用的能源還有哪些？答案水能、風(fēng)能、潮汐能、太陽能、核能等.一、能量守恒定律導(dǎo)學(xué)探究近幾年流行一種“自發(fā)電電動車”，基本原理是將一小型發(fā)電機緊靠車輪處，車輪轉(zhuǎn)動時，帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，發(fā)出的電又繼續(xù)供給電動車，你認(rèn)為僅靠這種方式，電動車能持續(xù)運動下去嗎？答案僅靠這種方式，不能使電動車持續(xù)運動下去．因為靠這種方式，只能將電動車的一部分能量收集起來，但電動車運動時受到的阻力做負(fù)功，不斷把電動車的機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，根據(jù)能量守恒定律，要想使電動車持續(xù)運動下去，必須不斷地給電動車補充新的能量，如用腳蹬電動車或給電動車的電源充電．知識深化能量守恒定律的理解與應(yīng)用1．自然界中不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，一種形式的能量減少一定伴隨著其他形式的能量增加，能量的總量保持不變．2．能量守恒定律的適用范圍能量守恒定律是貫穿物理學(xué)的基本規(guī)律，是在各種自然現(xiàn)象中普遍適用的一條規(guī)律．3．能量守恒定律的表達(dá)式(1)E初＝E末，初狀態(tài)各種能量的總和等于末狀態(tài)各種能量的總和．(2)ΔE增＝ΔE減，某些能量的增加量等于其他能量的減少量．4．應(yīng)用步驟(1)明確研究對象及研究過程；(2)明確該過程中，哪些形式的能量在變化；(3)確定參與轉(zhuǎn)化的能量中，哪些能量增加，哪些能量減少；(4)列出增加的能量和減少的能量之間的守恒式(或初、末狀態(tài)能量相等的守恒式)．例1能量守恒定律的建立是人類認(rèn)識自然的一次重大飛躍，它是最普遍、最重要、最可靠的自然規(guī)律之一．下列說法正確的是()A．因為能量守恒，所以能量可以隨意使用B．不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化C．因為能量不會消失，所以不可能有能源危機D．能量可以被消滅，也可以被創(chuàng)生答案B解析能量是守恒的，但在利用能量的過程中有能量耗散，耗散的能量不可再利用，符合自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都有方向性，是不可逆的，應(yīng)節(jié)約能源，故A、C錯誤；自然界中的能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，不同形式的能量間可以相互轉(zhuǎn)化，故B正確；能量不能被創(chuàng)生，也不能被消滅，故D錯誤．例2(2021·濟南一中學(xué)業(yè)考試)某地強風(fēng)的風(fēng)速約為v，空氣的密度為ρ，如果把通過橫截面積S的風(fēng)的動能完全轉(zhuǎn)化為電能，則用上述已知量計算電功率的公式為()A．P＝eq\f(1,2)ρSv B．P＝eq\f(1,2)ρSv2C．P＝eq\f(1,2)ρSv3 D．P＝eq\f(1,2)ρSv4答案C解析風(fēng)能完全轉(zhuǎn)化為電能，由能量守恒定律得eq\f(1,2)mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，聯(lián)立解得P＝eq\f(ρv3tS,2t)＝eq\f(1,2)ρSv3，A、B、D錯誤，C正確．二、能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性導(dǎo)學(xué)探究內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為電能，電能可以轉(zhuǎn)化為光能、內(nèi)能、機械能……既然能量是守恒的，不會憑空消失，為什么還要節(jié)約能源呢？答案雖然能量的總量沒有減少，但由于能量轉(zhuǎn)化的方向性，使能量從便于利用的形式轉(zhuǎn)化為不便于利用的形式，導(dǎo)致了可利用的能源減少，因此我們?nèi)砸?jié)約能源．知識深化對“能量的耗散和品質(zhì)降低”的理解(1)各種形式的能最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，流散到周圍的環(huán)境中，分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大，它也不過只能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能驅(qū)動機器做功了．(2)從可被利用的價值來看，內(nèi)能較之機械能、電能等，是一種低品質(zhì)的能量．由此可知，能量的耗散雖然不會導(dǎo)致能量的總量減少，卻會導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低，實際上是將能量從高度有用的形式降級為不太可用的形式．(3)能量的耗散導(dǎo)致可利用能源減少，所以要節(jié)約能源．例3(多選)(2021·昆明一中期中)電冰箱能夠不斷地把熱量從溫度較低的冰箱內(nèi)部傳給溫度較高的外界空氣，下列說法正確的是()A．熱量能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體B．在一定條件下，熱量可以從低溫物體傳到高溫物體C．熱量的傳遞過程不具有方向性D．在自發(fā)的條件下熱量的傳遞過程具有方向性答案BD解析自然界一切自發(fā)過程都有方向性，如熱傳導(dǎo)，熱量總是由高溫物體自發(fā)地傳向低溫物體；又如擴散，氣體總是自發(fā)地由密度大的地方向密度小的地方擴散．在外界幫助下氣體可以由密度小的地方向密度大的地方擴散，熱量可以從低溫物體傳向高溫物體，電冰箱就是借助外界做功把熱量從低溫物體傳向高溫物體，故選B、D.例4熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象．所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把耗散的能量重新收集、重新加以利用．下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是()A．能量耗散是指在一定條件下，能量在轉(zhuǎn)化過程中總量減少了B．能量耗散表明，在能源的利用過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了C．能量耗散表明，能量守恒定律不一定正確答案B解析能量雖然有耗散但總的能量是守恒的，在轉(zhuǎn)化的過程中總量不會減少，故A、C錯誤；能量耗散表明在能源的利用過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但是在可利用的品質(zhì)上降低了，故B正確；自然界中的宏觀過程具有方向性，能量耗散就是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映了這種方向性，故D錯誤．三、能源的分類與應(yīng)用能源與社會發(fā)展1．能源的分類按可否再生分為可再生能源與不可再生能源(1)不可再生能源：人們把煤炭、石油、天然氣叫作化石能源．化石能源無法在短時間內(nèi)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、風(fēng)能、潮汐能、生物能、地?zé)崮艿龋?．能源和環(huán)境污染(1)溫室效應(yīng)：石油和煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量，因此加劇了溫室效應(yīng)．溫室效應(yīng)使得兩極的冰雪融化，海平面上升，淹沒沿海城市，使海水倒流入河流，從而使耕地鹽堿化；溫室效應(yīng)使全球降水量變化，影響氣候和植被變化，影響人體健康．(2)酸雨：酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪或其他形式的大氣降水．形成酸雨的主要原因是燃燒煤炭和石油，以及工業(yè)生產(chǎn)等釋放到大氣中的二氧化硫等物質(zhì)使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蝕建筑物、酸化土壤．(3)光化學(xué)煙霧：內(nèi)燃機工作時的高溫使空氣和燃料中的多種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氮的氧化物和碳?xì)浠衔铮@些化合物在大氣中受到紫外線的照射，產(chǎn)生二次污染物質(zhì)——光化學(xué)煙霧．這些物質(zhì)有毒，會引起人的多種疾?。硗?，常規(guī)能源燃燒時產(chǎn)生的浮塵也是一種主要的污染物．3．能源與社會發(fā)展要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展就要樹立新的能源安全觀，并轉(zhuǎn)變能源的供需模式．一方面大力提倡節(jié)約能源，另一方面要發(fā)展可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等清潔能源，推動人類與自然的和諧發(fā)展．例5(多選)(2021·杭州市學(xué)軍中學(xué)高一期末)關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點正確的是()A．能源是有限的，無節(jié)制地使用常規(guī)能源，是一種盲目的短期行為B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的C．能源的開發(fā)和利用，必須同時考慮其對生態(tài)環(huán)境的影響D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機、加強環(huán)境保護(hù)的重要途徑答案ACD例6某市有20萬臺空調(diào)機，每臺空調(diào)機在夏季平均使用60天，每天耗電8kW·h.為了節(jié)約能源，該市政府建議大家都把室內(nèi)設(shè)定溫度提高1℃，這樣每臺空調(diào)機每天可節(jié)省6%的電能．那么這樣做能使該市在夏季節(jié)省多少電能？已知標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值是2.92×107J/kg.發(fā)電廠的發(fā)電效率是30%.請計算一下，這項節(jié)能建議的實現(xiàn)能在1年內(nèi)節(jié)約多少噸標(biāo)準(zhǔn)煤？(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)答案2.1×1013J2.4×103t解析設(shè)可節(jié)省的電能為E，則E＝8×6%×60×20×104kW·h＝5.76×106kW·h≈2.1×1013J，設(shè)1年內(nèi)節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量為m，由能量守恒定律有2.92×107J/kg×m×30%＝E，解得m≈2.4×106kg＝2.4×103t.考點一能量守恒定律能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的方向性1．低碳生活是一種綠色而又環(huán)保的新型生活方式，日常生活注意節(jié)電、節(jié)油、節(jié)氣、節(jié)水，從點滴做起，保護(hù)環(huán)境，保護(hù)地球．下列關(guān)于能源與能量的理解正確的是()A．能量是守恒的，沒有必要提倡節(jié)約能源B．能量的耗散表明自然界的能量在利用過程中正在不斷地消失C．自然界中石油、煤炭等能源取之不盡，用之不竭，只需不斷開發(fā)D．人類應(yīng)積極開發(fā)與利用風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生的新能源答案D解析在能源的利用過程中，雖然能量在數(shù)量上并未減少，但可利用率越來越小，故仍需節(jié)約能源，故A錯誤；能量的耗散表明自然界的能量在轉(zhuǎn)化的過程中可利用率越來越小，但總量不會減小，故B錯誤；自然界中石油、煤炭指的是億萬年前的大量生物的遺體在地層中經(jīng)過一系列生物化學(xué)變化而生成的，在短時間內(nèi)不能再生，是不可再生能源，故C錯誤；風(fēng)能、太陽能、潮汐能是可再生能源，人類應(yīng)多開發(fā)與利用，故D正確．2．(多選)對于能量的耗散理解正確的是()A．能量的耗散說明能量在不斷減少B．能量的耗散遵循能量守恒定律C．能量的耗散說明能量不能憑空產(chǎn)生，但能量卻可以憑空消失D．能量的耗散從能量的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性答案BD解析能量的耗散是能量變成了無法收集利用的內(nèi)能，能量不會不斷減少，A錯誤；能量守恒定律適用于整個自然界，物質(zhì)能量變化一定遵循能量守恒定律，B正確；能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，C錯誤；能量的耗散是一個宏觀過程，代表著能量向不可收集利用的方向轉(zhuǎn)化，D正確．3．(多選)下列關(guān)于能量轉(zhuǎn)化的說法中，正確的是()A．能量在轉(zhuǎn)化過程中，有一部分能量轉(zhuǎn)化為周圍環(huán)境中的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用B．各種形式的能量在轉(zhuǎn)化時，總能量是不變的C．在能源的利用過程中，能量的總量并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成了不便于利用的D．各種能量在不轉(zhuǎn)化時是守恒的，但在轉(zhuǎn)化時是不守恒的答案ABC解析根據(jù)能量守恒定律可知，無論在能量的轉(zhuǎn)化還是在能量的轉(zhuǎn)移過程中，能量的總量都是不變的．由能量的耗散知，在能量轉(zhuǎn)化的過程中，有一部分能量轉(zhuǎn)化為周圍環(huán)境中的內(nèi)能，而我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用，這表明，在能源的利用過程中，能量的總量并未減少，但是在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成不便于利用的，而自然界的總能量仍是守恒的，故選項A、B、C正確，D錯誤．4．(2021·寧波二中周測)熱現(xiàn)象過程中不可避免地會出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象，所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把散失的能量重新收集、加以利用，則下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是()A．能量耗散說明能量不守恒B．火爐把房子烤暖不屬于能量耗散C．能量耗散過程中能量不守恒D．能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度，反映出自然界中的宏觀過程具有方向性答案D解析能量耗散滿足能量守恒定律，A、C錯誤；火爐把房子烤暖，能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能流散到環(huán)境中，根據(jù)能量耗散的定義，可知B錯誤；能量耗散從能量轉(zhuǎn)化的角度反映了自然界的宏觀過程具有方向性，D正確．5．(多選)電池給燈泡供電與人將球拋出在能量轉(zhuǎn)化方面有相似之處，我們可以將電勢能類比于重力勢能，如圖所示，下列說法正確的是()A．可以將電流通過燈泡時電流做功與拋球時人對球做的功相類比B．可以將電池的非靜電力做功與拋球時人對球做的功類比C．可以將電流通過燈泡時做的功與球下落時重力對球做的功類比D．可以將電池的非靜電力做功與球下落時重力對球做功類比答案BC解析電流通過燈泡時，電流做功將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，與之對應(yīng)的是球下落時重力做功將重力勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，故A錯誤，C正確；電池的非靜電力做功將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，與之對應(yīng)的是人將球向上拋出對球做功將其他形式的能轉(zhuǎn)化為重力勢能，故B正確．6．(2021·紹興一中期中)構(gòu)建和諧型、節(jié)約型社會深得民心，遍布于生活的方方面面，自動充電式電動車就是很好的一例，電動車的前輪裝有發(fā)電機，發(fā)電機與蓄電池連接．當(dāng)騎車者用力蹬車或電動自行車自動滑行時，電動自行車就可以通過發(fā)電機向蓄電池充電，將其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能儲存起來．某人騎車以500J的初動能在粗糙的水平路面上滑行．第一次關(guān)閉自動充電裝置，讓車自由滑行，其動能隨位移變化的關(guān)系如圖中圖線①所示；第二次啟動自動充電裝置，其動能隨位移變化的關(guān)系如圖中圖線②所示，則第二次向蓄電池所充的電能是()A．200J B．250JC．300J D．500J答案A解析電動車在運動過程中的摩擦力大小不變，從題圖看出，第二次的位移是第一次的eq\f(3,5)，故A正確．考點二能源的分類與應(yīng)用7．下列供熱方式最有利于環(huán)境保護(hù)的是()A．用煤作為燃料供熱B．用石油作為燃料供熱C．用天然氣或煤氣作為燃料供熱D．用太陽灶供熱答案D8．節(jié)約能源的主要措施是()A．大力開發(fā)新能源B．大量利用太陽能、地?zé)崮蹸．大量利用風(fēng)能、水能D．采用新技術(shù)、新設(shè)備，更新改造落后的技術(shù)設(shè)備答案D解析在能源的利用中，雖然能量守恒，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，節(jié)約能源是一個關(guān)系國民經(jīng)濟發(fā)展的重大問題，而提高能源利用率，節(jié)約能源，離不開科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步．采用新技術(shù)、新設(shè)備，更新落后的技術(shù)設(shè)備是節(jié)能的主要措施，故D正確．9．(多選)(2021·廣州一中期中)關(guān)于能源的利用，下列說法中正確的是()A．由于我國煤和石油的儲量十分豐富，所以太陽能和核能的開發(fā)并不十分重要B．能源的利用過程，實質(zhì)上是能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程C．現(xiàn)在人類社會使用的能源主要是煤、石油和天然氣D．煤、石油、天然氣的化學(xué)能歸根到底來自太陽能答案BCD解析煤、石油和天然氣是由千百萬年前的動植物在長期的地質(zhì)變遷中形成的．千百萬年前的動物食用植物，而植物是靠吸收太陽的能量成長的，可以說煤、石油、天然氣的化學(xué)能來自太陽能．目前人類使用的能源主要是煤、石油和天然氣．能源燃燒時，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能又可轉(zhuǎn)化為機械能和電能，人類在生產(chǎn)和生活中需要各種形式的能，我們可以根據(jù)需要把能源的能量轉(zhuǎn)化成多種形式的能量，以供利用，所以能源的利用過程，實質(zhì)上是能的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程，我們的煤和石油盡管儲量豐富，但終究有限，且利用后不能再生，所以開發(fā)和利用新能源，特別是核能和太陽能是解決能源問題的出路，故B、C、D正確．10.(2022·揭陽市高二期末)如圖所示是我國某風(fēng)能發(fā)電基地，全球可利用的風(fēng)能為2×107MW(1MW＝106W)，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍，我國風(fēng)能資源總儲量約1.6×105MW.2012年7月4日裝機容量達(dá)到2250萬千瓦的三峽水電站，已成為全世界最大的水力發(fā)電站和清潔能源生產(chǎn)基地．下列說法正確的是()A．風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能B．我國風(fēng)能資源總儲量約為7個三峽水電站的裝機容量C．風(fēng)力發(fā)電過程違反能量守恒定律D．水能和風(fēng)能都是清潔能源且都是不可再生能源答案B解析風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)的機械轉(zhuǎn)化為電能，A錯誤；我國風(fēng)能資源總儲量約1.6×105MW＝1.6×1011W，三峽水電站的裝機容量為2250萬千瓦，即2.25×1010W，因此我國風(fēng)能資源總儲量約為7個三峽水電站的裝機容量，B正確；風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)的機械能轉(zhuǎn)化為電能，不違反能量守恒定律，C錯誤；水能和風(fēng)能都是清潔能源且都是可再生能源，D錯誤．11.如圖所示是一種太陽能草坪節(jié)能燈，太陽能電池板供一只“10V9W”的電子節(jié)能燈工作．若太陽能電池板接收太陽能的