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2020-2021学年第三节 能量的转化与守恒学案及答案
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这是一份2020-2021学年第三节 能量的转化与守恒学案及答案，共11页。
[学习目标] 1.知道自然界各种形式的能量可以相互转化，知道能量转化(转移)的方向性.2.理解能量守恒定律.3.知道能源的分类，知道能源的利用对环境的影响.4.知道环境污染的危害和环境保护的方式方法．
一、各种各样的能量 能量的转化和转移
1．各种各样的能量
2.能量的转化和转移
不同形式的能量可以相互转化：
①水力发电→水的机械能转化为电能．
②化学电池充电→电能转化为化学能；化学电池使用→化学能转化为电能．
③光合作用→光能转化为化学能；木材燃烧→化学能转化为光能和内能．
二、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其总量不变．
三、能量转化(转移)的方向性
1．热传导过程是有方向性的．热量从高温物体向低温物体的热传导过程能自发进行，而相反方向的过程不能自发进行．
2．机械能全部转化为内能的过程能自发进行，而内能全部转化为机械能的过程不能自发进行．
3．在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有方向性的，但都遵守能量守恒定律．
四、能源的分类
1．可再生能源：能够在短期内重新形成的或循环利用的能源．如太阳能、风能、水能、地热能等．
2．不可再生能源：短期内不可以再次得到、一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源．如煤炭、石油、天然气等．
五、能源与环境
1．能源的利用对环境的影响
(1)对大气环境的影响：
能源开发利用排出的有害气体改变原有空气的组成，引起污染，造成全球气候变化．化石燃料的开采、运输、加工、转换和利用都会污染大气环境．
(2)对生态环境的影响
不合理开发利用能源造成生态环境破坏，随意砍伐森林、过度开采矿产造成生物多样性减少、水土流失以及土地荒漠化．
(3)对居住环境的影响
能源开发利用造成人类生存环境的恶化，如空气能见度低、引起酸雨、抑制植物生长、加剧温室效应等．
2．环境保护
在生产、生活中注意从以下方面保护环境：
(1)防治生产和生活的污染．
(2)防止建设和开发的破坏．
(3)保护自然环境．
判断下列说法的正误．
(1)人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造．( × )
(2)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．( × )
(3)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．( × )
一、能量守恒定律
导学探究
近几年流行一种“自发电电动车”(如图1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？
图1
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
1．能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁辐射能、化学能、核能等．
(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化．例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．
2．能量守恒的两种表达
(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等．
(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．
3．应用能量转化与守恒解题的步骤
(1)首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式．
(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)依据ΔE减＝ΔE增列式求解．
如图2所示，一个粗细均匀的U形管内装有同种液体，液体质量为m.在管口右端用盖板A密闭，两边液面高度差为h，U形管内液体的总长度为4h，先拿去盖板，液体开始运动，由于管壁的阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为( )
图2
A.eq \f(1,16)mgh B.eq \f(1,8)mgh
C.eq \f(1,4)mgh D.eq \f(1,2)mgh
答案 A
解析 去掉右侧盖板之后，液体向左侧流动，最终两侧液面相平，液体的重力势能减少，减少的重力势能转化为内能．如图所示，
最终状态可等效为右侧eq \f(1,2)h的液柱移到左侧管中，即增加的内能等于该液柱减少的重力势能，则Q＝eq \f(1,8)mg·eq \f(1,2)h＝eq \f(1,16)mgh，故A正确．
针对训练1 (多选)下列对能量转化和守恒定律的认识正确的是( )
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
答案 ABC
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．
针对训练2 瀑布从20 m高处以Q＝103 m3/s的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以2 m/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%，那么发电机输出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2，水的密度ρ＝1.0×103 kg/m3，结果保留三位有效数字)
答案 1.58×105 kW
解析 根据能量的转化分析可得，瀑布竖直下落后减少的机械能为mgh－eq \f(1,2)mv2，水的机械能转化为电能的功率为P＝eq \f(W,t)＝eq \f(mgh－\f(1,2)mv2×80%,t)＝Qρeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(gh－\f(v2,2)))×80%＝103×1.0×103×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(10×20－\f(1,2)×22))×80% W≈1.58×105 kW.
二、能量转化(转移)的方向性
(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
答案 BCD
解析 电流具有热效应，电流的电能可能全部转化为内能，故A错误；在火力发电中，燃气的内能不可能全部转化为电能，还有一部分内能损失了，故B正确；热机的效率不可能达到100%，故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．
针对训练3 (多选)下列过程中，可能实现的是( )
A．水的温度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
答案 BC
三、能源与环境
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．
2．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．
(多选)为了减缓大气中CO2浓度的增加，可以采取的措施有( )
A．禁止使用煤、石油和天然气
B．开发使用核能、太阳能
C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D．植树造林
答案 BD
解析 能源利用与环境保护是相互制约的，要尽量节约常规能源的使用，大力开发新能源，植树造林．选B、D.
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，则由能量守恒定律有2.92×107 J/kg×m×30%＝E，
解得m≈2.4×106 kg≈2.4×103 t.
1．(能量的转化与守恒)(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，不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了，而自然界的能量仍是守恒的，故选项A、B、C正确，D错误．
2．(能源的开发利用)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到底来自太阳能
答案 A
3．(能源与环境)(多选)关于“温室效应”，下列说法中正确的是( )
A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”
B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”
C．“温室效应”使得地面气温上升，两极冰雪融化
D．“温室效应”使得土壤酸化
答案 BC
解析 “温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量；它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升、淹没沿海城市、海水河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C正确．
4．(能源的开发利用)如图3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0.4×106 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：
图3
(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 W (3)10%
解析 (1)能量转化：太阳能→电能→热能(光能)
(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率：
P＝eq \f(W,St)＝eq \f(0.4×106,0.3×1×3 600) W≈370 W.
(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率：
η＝eq \f(W输出,W总)×100%＝eq \f(9×10×3 600,0.4×106×8)×100%≈10%.
考点一 能量的转化与守恒
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)下列说法正确的是( )
A．能量只是以势能和动能两种形式存在
B．能量只是存在于具有一定高度或运动状态的物体中
C．任何物质均具有能量
D．能量存在形式多种多样，且不同形式之间可以相互转化，并且转化过程中总能量是守恒的
答案 CD
3．(多选)关于能量和能源，下列说法正确的是( )
A．自然界的能量是守恒的，但仍需要节约能源
B．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但能量品质降低了
C．能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
答案 AB
解析 能量既不会被创造，也不会消失，自然界中的能量是守恒的，但能量的转化过程有方向性，能量品质越来越低，故A、B正确，C、D错误．
4．关于能源的利用和节能，下列说法正确的是( )
A．根据能量守恒定律，能源的利用率应该是100%
B．由于能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，总是守恒的，所以节约能源的意义不大
C．节约能源只要提高节能意识就行，与科学进步无关
D．在能源的利用中，总会有一部分能量未被利用而损失掉
答案 D
解析 能源的使用在任何情况下都不可能达到理想状态，做到没有任何损失，虽然遵从能量守恒定律，但它指的是损失部分和被利用部分总和与原来的能量总量相等，选项A错误，D正确；根据能量转化的方向性可知，能量经转化后，可利用的能只可能减少，不可能增加，因此节能的意义重大，同时，只有节能意识是不够的，必须利用科技手段来提高能源的利用率，不断开发新能源，以满足人类社会可持续发展的需要，选项B、C错误．
考点二 能源与环境
5．(多选)下列能源中，哪些属于不污染环境的新能源( )
A．太阳能 B．天然气
C．风能 D．沼气
答案 AC
解析 目前，人类应用较多的能源是煤炭、石油、天然气等常规能源，正在大力发展的新能源有核能、太阳能、风能、沼气等．太阳能和风能都是无污染的能源，故选A、C.
6．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．
7．利用下列能源，可以减少污染环境的气体排放的是( )
A．太阳能 B．煤炭
C．石油 D．天然气
答案 A
解析 使用太阳能不污染环境，太阳能是一种清洁能源，故A正确；煤炭燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等物质，污染环境，故B错误；石油燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮等物质，污染环境，故C错误；天然气燃烧时生成大量的二氧化碳、一氧化碳等物质，污染环境，故D错误．
8．(多选)下列做法中，能提高能源利用效率的是( )
A．采用联合热电技术为居民小区供热
B．禁止使用煤炭资源
C．将煤制成煤浆
D．关闭火力发电厂
答案 AC
解析 禁止使用煤炭资源和关闭火力发电厂在目前来说是不切实际的．
9．抽水蓄能电站可以在用电低谷时，将电网中多余的电能转化为水的重力势能；在用电高峰时，再将水的重力势能转化为电能输回电网，假定多余电能为5×104 kW·h，这部分多余的电能经储存再回到电网过程中将损失44%，则此蓄能电站能给电网补充的电能为( )
A．2.2×104 kW·h B．2.8×104 kW·h
C．3.5×104 kW·h D．5×104 kW·h
答案 B
解析 由题意可知，这部分电能在转化过程中要损失44%，则此蓄能电站能给电网补充的电能为5×104×(1－44%) kW·h＝2.8×104 kW·h，B正确．
10．某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆面内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？
答案 3.4 kW
解析 时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ，这些气流的动能为Ek＝eq \f(1,2)mv2，
故风车带动发电机发电的功率为P＝eq \f(10%Ek,t)＝eq \f(1,2)πr2ρv3×10%
代入数据得P≈3.4 kW.
11．能源问题是人类面临的重大课题．寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即为一例．如图1所示的是利用潮汐发电的简单示意图．左边为陆地和海湾，中间为大坝，其下有通道，水经通道可带动发电机．涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同，堵住通道，如图甲所示；潮落至最低点时放水发电，如图乙所示；待内外水面高度相同，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又放水发电，如图丙所示．设海湾面积为5.0×107 m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，则一天内水流的平均功率为多少兆瓦．(g取10 m/s2，ρ＝1.0×103 kg/m3，每天两次涨潮，四个发电时间段)
图1
答案 104 MW
解析 每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力mg＝ρShg＝1.5×1012 N
其高度变化为h′＝1.5 m
每次落潮海水重力势能的减少量ΔEp＝mgh′＝2.25×1012 J
一天内水流做功的功率P＝eq \f(4ΔEp,t)≈1.04×108 W＝104 MW.能量形式
含义
示例
机械能
机械能是与物体的运动或位置高度、形变相关的能量，可以表现为动能，也可以表现为势能
行驶的汽车、被拉开的弓、声音等
内能
物质中分子的动能和势能总和
自然界的一切物质
电能
电能是与电有关的能量
工作中的发电机、电池等
电磁能
电磁场所具有的能量
无线电波、可见光、紫外线、红外线等
核能
通过核反应(裂变或聚变)由原子核释放的能量
原子弹、氢弹等
化学能
发生化学变化时释放出来的能量
石油、煤、天然气等
[学习目标] 1.知道自然界各种形式的能量可以相互转化，知道能量转化(转移)的方向性.2.理解能量守恒定律.3.知道能源的分类，知道能源的利用对环境的影响.4.知道环境污染的危害和环境保护的方式方法．
一、各种各样的能量 能量的转化和转移
1．各种各样的能量
2.能量的转化和转移
不同形式的能量可以相互转化：
①水力发电→水的机械能转化为电能．
②化学电池充电→电能转化为化学能；化学电池使用→化学能转化为电能．
③光合作用→光能转化为化学能；木材燃烧→化学能转化为光能和内能．
二、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其总量不变．
三、能量转化(转移)的方向性
1．热传导过程是有方向性的．热量从高温物体向低温物体的热传导过程能自发进行，而相反方向的过程不能自发进行．
2．机械能全部转化为内能的过程能自发进行，而内能全部转化为机械能的过程不能自发进行．
3．在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有方向性的，但都遵守能量守恒定律．
四、能源的分类
1．可再生能源：能够在短期内重新形成的或循环利用的能源．如太阳能、风能、水能、地热能等．
2．不可再生能源：短期内不可以再次得到、一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源．如煤炭、石油、天然气等．
五、能源与环境
1．能源的利用对环境的影响
(1)对大气环境的影响：
能源开发利用排出的有害气体改变原有空气的组成，引起污染，造成全球气候变化．化石燃料的开采、运输、加工、转换和利用都会污染大气环境．
(2)对生态环境的影响
不合理开发利用能源造成生态环境破坏，随意砍伐森林、过度开采矿产造成生物多样性减少、水土流失以及土地荒漠化．
(3)对居住环境的影响
能源开发利用造成人类生存环境的恶化，如空气能见度低、引起酸雨、抑制植物生长、加剧温室效应等．
2．环境保护
在生产、生活中注意从以下方面保护环境：
(1)防治生产和生活的污染．
(2)防止建设和开发的破坏．
(3)保护自然环境．
判断下列说法的正误．
(1)人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造．( × )
(2)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．( × )
(3)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．( × )
一、能量守恒定律
导学探究
近几年流行一种“自发电电动车”(如图1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？
图1
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
1．能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有诸如电磁辐射能、化学能、核能等．
(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化．例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能．
2．能量守恒的两种表达
(1)某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等．
(2)某个物体的能量减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等．
3．应用能量转化与守恒解题的步骤
(1)首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式．
(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)依据ΔE减＝ΔE增列式求解．
如图2所示，一个粗细均匀的U形管内装有同种液体，液体质量为m.在管口右端用盖板A密闭，两边液面高度差为h，U形管内液体的总长度为4h，先拿去盖板，液体开始运动，由于管壁的阻力作用，最终管内液体停止运动，则该过程中产生的内能为( )
图2
A.eq \f(1,16)mgh B.eq \f(1,8)mgh
C.eq \f(1,4)mgh D.eq \f(1,2)mgh
答案 A
解析 去掉右侧盖板之后，液体向左侧流动，最终两侧液面相平，液体的重力势能减少，减少的重力势能转化为内能．如图所示，
最终状态可等效为右侧eq \f(1,2)h的液柱移到左侧管中，即增加的内能等于该液柱减少的重力势能，则Q＝eq \f(1,8)mg·eq \f(1,2)h＝eq \f(1,16)mgh，故A正确．
针对训练1 (多选)下列对能量转化和守恒定律的认识正确的是( )
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
答案 ABC
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．
针对训练2 瀑布从20 m高处以Q＝103 m3/s的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以2 m/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%，那么发电机输出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2，水的密度ρ＝1.0×103 kg/m3，结果保留三位有效数字)
答案 1.58×105 kW
解析 根据能量的转化分析可得，瀑布竖直下落后减少的机械能为mgh－eq \f(1,2)mv2，水的机械能转化为电能的功率为P＝eq \f(W,t)＝eq \f(mgh－\f(1,2)mv2×80%,t)＝Qρeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(gh－\f(v2,2)))×80%＝103×1.0×103×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(10×20－\f(1,2)×22))×80% W≈1.58×105 kW.
二、能量转化(转移)的方向性
(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
答案 BCD
解析 电流具有热效应，电流的电能可能全部转化为内能，故A错误；在火力发电中，燃气的内能不可能全部转化为电能，还有一部分内能损失了，故B正确；热机的效率不可能达到100%，故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．
针对训练3 (多选)下列过程中，可能实现的是( )
A．水的温度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
答案 BC
三、能源与环境
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．
2．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．
(多选)为了减缓大气中CO2浓度的增加，可以采取的措施有( )
A．禁止使用煤、石油和天然气
B．开发使用核能、太阳能
C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D．植树造林
答案 BD
解析 能源利用与环境保护是相互制约的，要尽量节约常规能源的使用，大力开发新能源，植树造林．选B、D.
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，则由能量守恒定律有2.92×107 J/kg×m×30%＝E，
解得m≈2.4×106 kg≈2.4×103 t.
1．(能量的转化与守恒)(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，不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了，而自然界的能量仍是守恒的，故选项A、B、C正确，D错误．
2．(能源的开发利用)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到底来自太阳能
答案 A
3．(能源与环境)(多选)关于“温室效应”，下列说法中正确的是( )
A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”
B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”
C．“温室效应”使得地面气温上升，两极冰雪融化
D．“温室效应”使得土壤酸化
答案 BC
解析 “温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量；它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升、淹没沿海城市、海水河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C正确．
4．(能源的开发利用)如图3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0.4×106 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：
图3
(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 W (3)10%
解析 (1)能量转化：太阳能→电能→热能(光能)
(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率：
P＝eq \f(W,St)＝eq \f(0.4×106,0.3×1×3 600) W≈370 W.
(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率：
η＝eq \f(W输出,W总)×100%＝eq \f(9×10×3 600,0.4×106×8)×100%≈10%.
考点一 能量的转化与守恒
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)下列说法正确的是( )
A．能量只是以势能和动能两种形式存在
B．能量只是存在于具有一定高度或运动状态的物体中
C．任何物质均具有能量
D．能量存在形式多种多样，且不同形式之间可以相互转化，并且转化过程中总能量是守恒的
答案 CD
3．(多选)关于能量和能源，下列说法正确的是( )
A．自然界的能量是守恒的，但仍需要节约能源
B．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但能量品质降低了
C．能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
答案 AB
解析 能量既不会被创造，也不会消失，自然界中的能量是守恒的，但能量的转化过程有方向性，能量品质越来越低，故A、B正确，C、D错误．
4．关于能源的利用和节能，下列说法正确的是( )
A．根据能量守恒定律，能源的利用率应该是100%
B．由于能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，总是守恒的，所以节约能源的意义不大
C．节约能源只要提高节能意识就行，与科学进步无关
D．在能源的利用中，总会有一部分能量未被利用而损失掉
答案 D
解析 能源的使用在任何情况下都不可能达到理想状态，做到没有任何损失，虽然遵从能量守恒定律，但它指的是损失部分和被利用部分总和与原来的能量总量相等，选项A错误，D正确；根据能量转化的方向性可知，能量经转化后，可利用的能只可能减少，不可能增加，因此节能的意义重大，同时，只有节能意识是不够的，必须利用科技手段来提高能源的利用率，不断开发新能源，以满足人类社会可持续发展的需要，选项B、C错误．
考点二 能源与环境
5．(多选)下列能源中，哪些属于不污染环境的新能源( )
A．太阳能 B．天然气
C．风能 D．沼气
答案 AC
解析 目前，人类应用较多的能源是煤炭、石油、天然气等常规能源，正在大力发展的新能源有核能、太阳能、风能、沼气等．太阳能和风能都是无污染的能源，故选A、C.
6．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．
7．利用下列能源，可以减少污染环境的气体排放的是( )
A．太阳能 B．煤炭
C．石油 D．天然气
答案 A
解析 使用太阳能不污染环境，太阳能是一种清洁能源，故A正确；煤炭燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等物质，污染环境，故B错误；石油燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮等物质，污染环境，故C错误；天然气燃烧时生成大量的二氧化碳、一氧化碳等物质，污染环境，故D错误．
8．(多选)下列做法中，能提高能源利用效率的是( )
A．采用联合热电技术为居民小区供热
B．禁止使用煤炭资源
C．将煤制成煤浆
D．关闭火力发电厂
答案 AC
解析 禁止使用煤炭资源和关闭火力发电厂在目前来说是不切实际的．
9．抽水蓄能电站可以在用电低谷时，将电网中多余的电能转化为水的重力势能；在用电高峰时，再将水的重力势能转化为电能输回电网，假定多余电能为5×104 kW·h，这部分多余的电能经储存再回到电网过程中将损失44%，则此蓄能电站能给电网补充的电能为( )
A．2.2×104 kW·h B．2.8×104 kW·h
C．3.5×104 kW·h D．5×104 kW·h
答案 B
解析 由题意可知，这部分电能在转化过程中要损失44%，则此蓄能电站能给电网补充的电能为5×104×(1－44%) kW·h＝2.8×104 kW·h，B正确．
10．某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆面内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？
答案 3.4 kW
解析 时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ，这些气流的动能为Ek＝eq \f(1,2)mv2，
故风车带动发电机发电的功率为P＝eq \f(10%Ek,t)＝eq \f(1,2)πr2ρv3×10%
代入数据得P≈3.4 kW.
11．能源问题是人类面临的重大课题．寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即为一例．如图1所示的是利用潮汐发电的简单示意图．左边为陆地和海湾，中间为大坝，其下有通道，水经通道可带动发电机．涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同，堵住通道，如图甲所示；潮落至最低点时放水发电，如图乙所示；待内外水面高度相同，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又放水发电，如图丙所示．设海湾面积为5.0×107 m2，高潮与低潮间高度差为3.0 m，则一天内水流的平均功率为多少兆瓦．(g取10 m/s2，ρ＝1.0×103 kg/m3，每天两次涨潮，四个发电时间段)
图1
答案 104 MW
解析 每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力mg＝ρShg＝1.5×1012 N
其高度变化为h′＝1.5 m
每次落潮海水重力势能的减少量ΔEp＝mgh′＝2.25×1012 J
一天内水流做功的功率P＝eq \f(4ΔEp,t)≈1.04×108 W＝104 MW.能量形式
含义
示例
机械能
机械能是与物体的运动或位置高度、形变相关的能量，可以表现为动能，也可以表现为势能
行驶的汽车、被拉开的弓、声音等
内能
物质中分子的动能和势能总和
自然界的一切物质
电能
电能是与电有关的能量
工作中的发电机、电池等
电磁能
电磁场所具有的能量
无线电波、可见光、紫外线、红外线等
核能
通过核反应(裂变或聚变)由原子核释放的能量
原子弹、氢弹等
化学能
发生化学变化时释放出来的能量
石油、煤、天然气等
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