4能源與可持續發展[學習目標]1.掌握能量守恒定律的內容，知道其重要意義。2.了解什么是能量耗散和能源品質降低，認識自然界中能量轉移或轉化的方向性(重點)。3.認識當前環境問題，增強環境保護和可持續發展的意識。一、能量守恒定律能量轉移或轉化的方向性1．能量守恒定律(1)能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。(2)能量守恒定律是貫穿物理學的基本規律，是在各種自然現象中普遍適用的一條規律。(3)能量守恒定律的表達式①E初＝E末，初狀態各種能量的總和等于末狀態各種能量的總和。②ΔE增＝ΔE減，某些能量的增加量等于其他能量的減少量。2．能量轉移或轉化的方向性(1)一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的，即一切與熱現象有關的宏觀過程具有方向性。①能量的轉移具有方向性：如熱量可以自發地從高溫物體傳給低溫物體，但不能自發地從低溫物體傳給高溫物體。②能量的轉化具有方向性：如電池中的化學能轉化為電能，電能又通過燈泡轉化為內能和光能，熱和光被其他物質吸收之后變成周圍環境的內能，我們很難把這些內能收集起來重新利用。(2)能量耗散在能量轉化過程中，散失到環境中的內能很難收集起來重新利用，這種現象叫能量的耗散。能量的耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性。(3)能量的耗散表明，在能源的利用過程中，能量在數量上雖未減少，但在可利用的品質上降低了，從便于利用的能源變成不便于利用的能源。這是能源危機的深層次的含義，也是自然界的能量雖然守恒，但還是要節約能源的根本原因。能量耗散與能量守恒是否矛盾，該怎樣理解？答案能量耗散和能量守恒并不矛盾。能量耗散表明，在能源利用的過程中，在可利用的品質上降低了，從便于利用變為不便于利用了，但是在能量的轉化過程中，能量在數量上并沒有減少。例1(多選)下列關于能量轉化的說法中，正確的是()A．能量在轉化過程中，有一部分能量轉化為周圍環境中的內能，我們無法把這些內能收集起來重新利用B．各種形式的能量在轉化時，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．各種能量在不轉化時是守恒的，但在轉化時是不守恒的答案ABC解析根據能量守恒定律可知，無論在能量的轉化還是在能量的轉移過程中，能量的總量都是不變的；由能量的耗散知，在能量轉化的過程中，有一部分能量轉化為周圍環境中的內能，而我們無法把這些內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。例2構建和諧型、節約型社會深得民心，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電機，發電機與蓄電池連接。當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電機向蓄電池充電，將其他形式的能轉化成電能儲存起來。某人騎車以500J的初動能在粗糙的水平路面上滑行。第一次關閉自動充電裝置，讓車自由滑行，其動能隨位移變化的關系如圖中圖線①所示；第二次啟動自動充電裝置，其動能隨位移變化的關系如圖中圖線②所示，則第二次向蓄電池所充的電能是()A．200JB．250JC．300JD．500J答案A解析電動車在運動過程中所受摩擦力大小不變，從題圖看出，第二次的位移是第一次的eq\f(3,5)，故沒被轉化為內能的能量為初動能的eq\f(2,5)，由能量守恒定律得所充的電能為eq\f(2,5)Ek0＝eq\f(2,5)×500J＝200J，A正確。例3(多選)把剛煮好的熱雞蛋放在冷水中，過一會，雞蛋的溫度降低，水的溫度升高，最后水和雞蛋的溫度相同。但是相反的過程，即原來溫度相同的水和雞蛋，過一會兒水的溫度自發地降低，而雞蛋的溫度上升，這樣的現象我們從來沒看到過。燃料燃燒時一旦把熱量釋放出去，就不會再次自動聚集起來供人類重新利用。電池中的化學能轉化為電能，電能又通過燈泡轉化為內能和光能，熱和光被其他物質吸收之后變成周圍環境的內能，我們很難把這些內能收集起來重新利用。這些現象說明()A．在能源的利用過程中，能量會減少，能量守恒定律不成立B．我們在利用能源時，能量會耗散，自然界可利用的能源會越來越少C．與熱現象有關的宏觀過程都是不可逆的，能量轉化具有方向性D．自然界中發生的能量轉化都是不可逆的，各種能量最終都會轉化為內能答案BC解析在能源的利用過程中，能量在數量上不會減少，能量守恒定律依然成立，但是能量會發生耗散，在可利用的品質上會降低，從便于利用的能源變成不便于利用的能源，自然界可利用的能源會越來越少，故A錯誤，B正確；與熱現象有關的宏觀過程都是不可逆的，能量轉化具有方向性，故C正確；自然界中發生的能量轉化在自發情況下都是不可逆的，但在其他外在條件介入的情況下可以發生逆過程，能量的轉移和轉化具有方向性，各種能量最終都會轉化為內能，故D錯誤。二、能源的分類與應用能源與社會發展1．能源的分類(1)不可再生能源：像煤炭、石油和天然氣這類無法在短時間內再生的化石能源。(2)可再生能源：像水能、風能這類在自然界可以再生的能源。2．能源的開發與應用近年來，我國在能源開發方面取得了很大成就，如太陽能發電、水力發電、風能發電、核能發電等。3．能源與社會發展(1)能源利用的三個時期：柴薪時期、煤炭時期、石油時期。(2)能源是人類社會活動的物質基礎。4．煤炭和石油的燃燒對環境的危害(1)燃燒時增加了大氣中二氧化碳的含量，加劇了溫室效應。(2)因為煤炭和石油中常常含有硫，燃燒時形成的二氧化硫等物質使雨水的酸度升高，形成“酸雨”。(3)內燃機工作時的高溫使空氣和燃料中的多種物質發生化學反應，產生氮的氧化物和碳氫化合物。這些化合物在大氣中受到紫外線的照射，產生二次污染物質——光化學煙霧。5．能源的開發與環境的關系(1)人類的生存與發展需要能源，能源的開發與使用又會對環境造成影響。(2)一方面要大力提倡節能，另一方面要發展可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等在生產及消費過程中對生態環境的污染程度低的清潔能源。例4(2023·江蘇省揚州中學高二月考)下列關于能源的說法中，正確的是()A．煤、石油、天然氣等燃料的最初來源可追溯到太陽能B．由于能量不會憑空消失，也不會憑空產生，總是守恒的，所以節約能源的意義不大C．節約能源只要提高節能意識就行，與科技進步無關D．水能是不可再生能源答案A解析煤、石油、天然氣等屬于化石能源，最初來源可追溯到太陽能，故A正確；能量是守恒的，但能量的品質降低了，由便于利用的變成不便于利用的，所以需要節約能源，B錯誤；科技進步能提高能源的利用率，能更充分地利用有限的能源，故C錯誤；水能在自然界可以再生，是可再生能源，D錯誤。例5某戶居民樓頂平臺安裝了12塊太陽能電池板，利用這些電池板收集太陽能發電，發電總功率可達到3kW，工作電壓為380V，平均每天發電6h；發電總功率的30%供自家使用，富余發電以0.2元/度價格并入國家電網。則下列說法正確的是()A．該光伏項目年發電量約為6.75×104kW·hB．該光伏項目的工作總電流約為0.3AC．該光伏項目富余發電的年收入約1400元D．該光伏項目平均每天的發電量可供一只60W的白熾燈正常工作300小時答案D解析發電總功率為3kW，則年發電總量為3kW×6h×365＝6.57×103kW·h，故A錯誤；工作總電流約為I＝eq\f(P,U)＝eq\f(3kW,380V)≈7.9A，B錯誤；該光伏項目富余發電的年收入約為6.57×103×70%×0.2元＝919.8元，C錯誤；該光伏項目平均每天的發電量大約可供一只60W的白熾燈正常工作的時間為t＝eq\f(W,P)＝eq\f(3×6,0.06)h＝300h，D正確。課時對點練[分值：60分]1～8題每題4分，共32分考點一能量守恒定律能量轉移或轉化的方向性1．(2023·江蘇省揚州中學高二期中)在能源消耗的過程中，我們無法把一些能源消耗產生的內能收集起來重新利用，這種現象叫作能量的耗散。對于能量耗散理解正確的是()A．能量耗散說明能量在不斷地減少B．能量耗散不遵循能量守恒定律C．能量耗散說明能量不能憑空產生，但能量卻可以憑空消失D．能量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D解析能量耗散是能量變成了無法收集利用的內能，能量不會減少，故A錯誤；能量守恒定律適用于整個自然界，物質能量變化遵循能量守恒定律，故能量耗散遵循能量守恒定律，故B錯誤；能量既不能憑空產生，也不能憑空消失，故C錯誤；能量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化，反映出自然界中的宏觀過程具有方向性，故D正確。2．(2024·廈門市高二期中)關于能量的轉化，下列說法中不正確的是()A．水力發電機把機械能轉化為電能B．燃氣熱水器把化學能轉化為水的內能C．洗衣機把電能轉化為機械能D．太陽能電池把太陽能轉化為內能答案D解析水力發電機把機械能轉化為電能，選項A正確，不符合題意；燃氣熱水器把化學能轉化為水的內能，選項B正確，不符合題意；洗衣機把電能轉化為機械能，選項C正確，不符合題意；太陽能電池把太陽能轉化為電能，選項D錯誤，符合題意。3．(2024·佛山市聯考)有關能量守恒定律，下列說法正確的是()A．從廣州開往深圳的動車停了下來，說明能量會憑空消失B．按照能量守恒定律，能量總和不會增減C．一塊石頭從羅浮山上滾下，其機械能沒有變化D．珠江的水能是用之不竭的答案B解析從廣州開往深圳的動車停了下來，只是能量從一種形式的能轉化為另一種形式的能，并不是能量會憑空消失，故A錯誤；按照能量守恒定律，能量總和不會增減，故B正確；一塊石頭從羅浮山上滾下，由于受到各種阻力的影響，其機械能會減小，故C錯誤；受各種自然和社會因素的影響，水能并不是用之不竭的，故D錯誤。4．(2023·湖南省漢壽縣第一中學高二月考)我國自古有“晝漲稱潮，夜漲稱汐”的說法。潮汐主要是由太陽和月球對海水的引力造成的，以月球對海水的引力為主。如圖是某類潮汐發電示意圖。漲潮時開閘門，水由通道進入海灣水庫蓄水，待水面升至最高點時關閉閘門。落潮時開閘門放水發電。設海灣水庫的面積為5.0×108m2，平均潮差為3.0m，一天漲、落潮兩次，發電的平均能量轉化率為10%，水的密度為1.0×103kg/m3，g取10m/s2，則一天內發電的平均功率約為()A．2.6×104kW B．5.2×104kWC．2.6×105kW D．5.2×105kW答案B解析發電時水減少的重力勢能ΔEp＝mgeq\f(h,2)＝ρShgeq\f(h,2)，一天發電兩次，轉化成的電能E＝2ΔEp×10%，所以P＝eq\f(E,t)＝5.2×104kW，故B正確，A、C、D錯誤。考點二能源的分類與利用能源與社會發展5．自然界存在多種能為人類提供生活、生產所需能量的能源，在下列幾組能源中，屬于可再生能源的一組是()A．水能、石油、核燃料 B．風能、煤炭、天然氣C．煤炭、石油、天然氣 D．風能、水能、太陽能答案D解析煤炭、石油、天然氣屬于不可再生能源，風能、水能、太陽能屬于可再生能源，故選D。6.為了節能減排，我國大力發展新能源汽車。如圖所示電源正在給電動汽車中的鋰電池充電，下列說法正確的是()A．充電時電能全部轉化為汽車的機械能B．充電時電能全部轉化為鋰電池的化學能C．汽車加速運動時鋰電池減少的化學能部分轉化為汽車動能D．汽車勻速運動時鋰電池減少的化學能全部轉化為汽車動能答案C解析充電時電能部分轉化為鋰電池的化學能，不是全部，選項A、B錯誤；汽車加速運動時鋰電池減少的化學能部分轉化為汽車動能，部分轉化為其他形式的能，選項C正確；汽車勻速運動時動能不變，鋰電池減少的化學能全部轉化為其他形式的能，選項D錯誤。7．下列有關風能的說法正確的是()①風能其實是太陽能的一種轉換形式②風能和水能、太陽能等都是清潔能源③風力發電由風能轉換為機械能，再轉化為電能④推廣可利用太陽能、風能的城市照明系統，發展低碳經濟和循環經濟，有利于改善環境質量A．①②③④ B．②③④C．①②③ D．①②④答案A解析地球表面大量空氣流動所產生的動能叫風能，而空氣流動主要是由兩地受陽光照射的強度不同而導致的溫度差異引起的，故風能是太陽能的一種轉換形式，故①正確；風能和水能、太陽能等是可再生的綠色能源，故②正確；風力發電的原理是：風力帶動風車葉片旋轉，發電機在風車葉片轉軸的帶動下發電，實現能量從風能轉換成機械能，再轉化為電能，故③正確；發展低碳經濟和循環經濟，推廣利用太陽能、風能的城市照明系統，降低發電用的能耗，符合低碳環保理念，故④正確，綜上所述，故選A。8．(多選)(2023·廣東省廣州一中期中)關于能源的利用，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并不十分重要B．能源的利用過程，實質上是能的轉化和轉移過程C．現在人類社會使用的能源主要是煤、石油和天然氣D．煤、石油、天然氣的化學能歸根結底來自太陽能答案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，將化學能轉化為內能，內能又可轉化為機械能和電能，人類在生產和生活中需要各種形式的能，我們可以根據需要把能源的能量轉化成多種形式的能量，以供利用，所以能源的利用過程，實質上是能的轉化和轉移過程，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。9、10題每題6分，11題10分，共22分9.(2024·重慶市高二期中)2022年7月13日，我國用長征三號乙型運載火箭成功將天鏈二號03星發射升空，衛星順利進入預定軌道，發射任務取得圓滿成功。如圖所示，衛星兩翼的太陽能電池板把太陽能轉化為電能供衛星使用。關于電源、能源與可持續發展，下列說法正確的是()A．干電池、蓄電池對外供電時，電能轉化為化學能B．在能的轉化和轉移的過程中，能量的總量減少C．能量的轉移或轉化過程中，是具有方向性的D．修建水電站利用水能發電更清潔、安全，有百利而無一害答案C解析干電池、蓄電池對外供電時，電池內部發生化學變化，化學能轉化為電能，故A錯誤；在能的轉化和轉移的過程中，能量的總量保持不變，這就是能量守恒定律，故B錯誤；能量的轉移或轉化過程中，總量是不變的，但是具有方向性，故C正確；修筑攔河壩建造水電站也會對沿河的水域環境造成影響，給河流通航造成影響等，因此不利影響也是存在的，故D錯誤。10．(多選)“可燃冰”是一種藏在深海海底的新型能源，1m3“可燃冰”可轉化為164m3的天然氣和0.8m3的水，下列關于“可燃冰”的說法正確的是()A．“可燃冰”是不可再生能源B．“可燃冰”屬于可再生能源C．1m3“可燃冰”比0.8m3的水質量小D．相同體積的“可燃冰”和天然氣完全燃燒后，“可燃冰”釋放的熱量多答案AD解析“可燃冰”可轉化為天然氣和水，屬于不可再生能源，故A正確，B錯誤；由1m3“可燃冰”能轉化為0.8m3的水和164m3的天然氣可知，1m3“可燃冰”比0.8m3的水質量大，故C錯誤；由題意可知，“可燃冰”熱值大于天然氣熱值，相同體積的條件下，完全燃燒時“可燃冰”比天然氣放出的熱量多，故D正確。11．(10分)(2023·深圳市高二期末)太陽能及風能是清潔能源，我國已經建成眾多的太陽能及風力發電場。風力發電是利用風的動能推動風力發電機的葉片轉動而產生電能的。如圖所示，某風力發電場安裝有2臺超大型風力發電機，每片扇葉長達80m，該地區常年的平均風速v＝5.0m/s，風向跟葉片轉動的圓面垂直，空氣的密度ρ＝1.25kg/m3，風力發電機的葉片轉動時可形成半徑r＝80m的圓面。已知風力發電機能將通過圓面的空氣的動能的10%轉化為電能。(1)(5分)求每臺風力發電機的發電功率P；(2)(5分)已知標準煤的熱值q＝3.0×107J/kg，則該風力發