物理必修 第三册4 能源与可持续发展精品学案及答案

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一、能量守恒定律
1．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。
2．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。
(1)任何能量之间的转化都遵循能量守恒定律。( √ )
(2)因为能量守恒，所以我们不需要节能。( × )
(3)根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的。( × )
(4)由于能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，总是守恒的，所以节约能源的意义不大。 ( × )
例1 (多选)下列说法正确的是( )
A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C．能量既不会创生也不会消失
D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了
答案 ABC
解析 选项A、B、C对应着能量守恒定律的内容；石子的机械能发生了转化，而不是消失，A、B、C正确。
针对训练1 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。
二、能量转移或转化的方向性
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。
1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，即一切与热现象有关的宏观过程具有方向性。
(1)能量的转移具有方向性：如热量可以自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体。
(2)能量的转化具有方向性：如电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。
2．能量耗散
在能量转化过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。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。
3．能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。这是能源危机的深层次的含义，也是自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源的根本原因。
(1)摩擦生热的过程是不可逆过程。( √ )
(2)汽车散失的热量不能收集起来再次开动汽车，说明能量的转化或转移具有方向性。( √ )
(3)能量在转化过程中变少的现象叫能量的耗散。( × )
(4)能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量的数量不但减少，而且可利用的品质降低了。 ( × )
例2 (多选)(2022·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，如热传递，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。
针对训练2 (多选)(2022·慈溪中学高一阶段练习)把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。但是相反的过程，即原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升，这样的现象我们从来没看到过。燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集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内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这些现象说明( )
A．在能源的利用过程中，能量会减少，能量守恒定律不成立
B．我们在利用能源时，能量会耗散，自然界可利用的能源会越来越少
C．与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性
D．自然界中发生的能量转化都是不可逆的，各种能量最终都会转化为内能
答案 BC
解析 在能源的利用过程中，能量在数量上不会减少，能量守恒定律依然成立，但是能量会发生耗散，在可利用的品质上会降低，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，自然界可利用的能源会越来越少，故A错误，B正确；与热现象有关的宏观过程都是不可逆的，能量转化具有方向性，故C正确；
自然界中发生的能量转化在自发情况下都是不可逆的，但在其他外在条件介入的情况下可以发生逆过程，能量的转移和转化具有方向性，各种能量最终都会转化为内能，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
(1)不可再生能源：像煤炭、石油和天然气这类无法在短时间内再生的化石能源。
(2)可再生能源：像水能、风能这类在自然界可以再生的能源。
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成就，如太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电等。
3．能源与社会发展
(1)能源利用的三个时期：柴薪时期、煤炭时期、石油时期。
(2)能源是人类社会活动的物质基础。
4．煤炭和石油的燃烧对环境的危害
(1)燃烧时增加了大气中二氧化碳的含量，加剧了温室效应。
(2)因为煤炭和石油中常常含有硫，燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水的酸度升高，形成“酸雨”。
(3)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。
5．能源的开发与环境的关系
(1)人类的生存与发展需要能源，能源的开发与使用又会对环境造成影响。
(2)一方面要大力提倡节能，另一方面要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。
例3 (多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是( )
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的二氧化碳的含量，由此加剧了“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、海平面上升等，故B、C正确。
例4 风力是清洁能源，我国的风力发电技术已经走在世界的前列。如图所示为某公司独立研发并制造的风力发电机，单机设计功率为5 000 kW，叶片长度为64 m，已知空气的密度为1.29 kg/m3，如果该风力发电机利用风的动能转化为电能的效率约为20%，则该风力发电机正常工作时，风速值应接近( )
A．8 m/s B．10 m/s
C．15 m/s D．20 m/s
答案 C
解析 以叶片长l＝64 m为半径的圆面积S＝πl2，在时间t内通过叶片所在圆区域的空气柱长度x＝vt，该柱形体积内风的动能为Ek＝eq \f(1,2)ρSxv2＝eq \f(1,2)ρπl2v3t，则该风力发电机的电功率P＝eq \f(ηEk,t)＝eq \f(1,2)ηρπl2v3，代入数据，解得v≈14.4 m/s，故C正确。
课时对点练
考点一 能量守恒定律 能量转化或转移的方向性
1．(2023·扬州中学高二期中)在能源消耗的过程中，我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。对于能量耗散理解正确的是( )
A．能量耗散说明能量在不断的减少
B．能量耗散不遵循能量守恒定律
C．能量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 D
解析 能量耗散是能量变成了无法收集利用的内能，能量不会减少，故A错误；能量守恒定律适用于整个自然界，物质能量变化遵循能量守恒定律，故能量耗散遵循能量守恒定律，故B错误；能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，故C错误；能量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，反映出自然界中的宏观过程具有方向性，故D正确。
2．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。
3．(多选)(2023·哈师大附中高二阶段练习)下列关于能量转化或转移过程的说法中不正确的是 ( )
A．所有能量守恒的过程都能自发地发生
B．摩擦生热的过程是不可逆过程
C．人们对太阳能的开发和利用，说明能量可以凭空产生
D．能的转化过程符合能量守恒定律，因此不会发生能源危机
答案 ACD
解析 并非所有能量守恒的过程都能自发地进行，如在没有引起其他变化的情况下，热量不能自发地从低温向高温传递，A错误，符合题意；根据能量的转化或转移具有方向性可知，摩擦生热的过程是不可逆过程，B正确，不符合题意；能量是不能凭空产生的，此说法违背了能量守恒定律，C错误，符合题意；能的转化过程虽然符合能量守恒定律，但是在转化过程中存在着“能量耗散”和“品质降低”，能量向品质低的大气内能转化，不能再重复利用，因此会发生能源危机，D错误，符合题意。
4．(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，D错误。
5．(2023·汉寿县第一中学高二阶段练习)我国自古有“昼涨称潮，夜涨称汐”的说法。潮汐主要是由太阳和月球对海水的引力造成的，以月球对海水的引力为主。如图是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸门，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门。落潮时开闸门放水发电。设海湾水库的面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨、落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，水的密度为1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2，则一天内发电的平均功率约为( )
A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW
C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW
答案 B
解析 发电时水减少的重力势能ΔEp＝mgeq \f(h,2)＝ρShgeq \f(h,2)，一天发电两次，转化成的电能E＝2ΔEp×10%，所以P＝eq \f(E,t)＝5.2×104 kW，故B正确，A、C、D错误。
考点二 能源的分类与利用 能源与社会发展
6．自然界存在多种能为人类提供生活、生产所需能量的能源，在下列几组能源中，属于可再生能源的一组是( )
A．水能、石油、核燃料
B．风能、煤炭、天然气
C．煤炭、石油、天然气
D．风能、水能、太阳能
答案 D
解析 煤炭、石油、天然气属于不可再生能源，风能、水能、太阳能属于可再生能源，故选D。
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．用太阳能灶供热
答案 D
8．下列有关风能的说法正确的是( )
①风能其实是太阳能的一种转换形式
②风能和水能、太阳能等都是清洁能源
③风力发电由风能转换为机械能，再转化为电能
④推广可利用太阳能、风能的城市照明系统，发展低碳经济和循环经济，有利于改善环境质量
A．①②③④ B．②③④
C．①②③ D．①②④
答案 A
解析 地球表面大量空气流动所产生的动能叫风能，而空气流动主要是由两地受阳光照射的强度不同而导致的温度差异引起的，故风能是太阳能的一种转换形式，故①正确；风能和水能、太阳能等是可再生的绿色能源，故②正确；风力发电的原理是：风力带动风车叶片旋转，发电机在风车叶片转轴的带动下发电，实现能量从风能转换成机械能，再转化为电能，故③正确；发展低碳经济和循环经济，推广利用太阳能、风能的城市照明系统，降低发电用的能耗，符合低碳环保理念，故④正确，综上所述，故选A。
9．(多选)(2023·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结底来自太阳能
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·嘉兴市高二期末)如图所示是新型“风光互补”景观照明灯，它“头顶”小风扇，“肩扛”光电池板，“腰挎”照明灯，“脚踩”蓄电池。下列说法正确的是( )
A．照明灯利用的风能属于不可再生能源
B．夜晚蓄电池放电，将化学能转化为电能
C．小风扇利用风力发电，将电能转化为机械能
D．太阳能为可再生能源，光电池板将电能转化为光能
答案 B
解析 照明灯利用的风能属于可再生能源；夜晚蓄电池放电，将化学能转化为电能；小风扇利用风力发电，将机械能转化为电能；太阳能为可再生能源，光电池板将光能转化为电能，故选B。
11．(2022·滕州十一中期末)风能是一种潜力很大的新能源，国内外都很重视利用风力来发电。地球上可开发的风能大约是可开发水能的10倍，风能与水能、生物能一样，实际上都是间接来自太阳能。已知太阳照射到地球上的能量大约有1%转化为风能，而地球上可开发利用的风能只占全部风能的1%左右，已知太阳每秒种释放出的能量约为2.86×1026 J，这些能量中，约有二十二亿分之一到达地球，则每年地球上拥有可开发利用的风能约为( )
A．1.3×1013 J B．1.1×1018 J
C．4.1×1020 J D．2.1×1020 J
答案 C
解析 太阳每秒钟释放出的能量约为2.86×1026 J，则太阳每年释放的太阳能约为2.86×1026×365×24×3 600 J≈9.0×1033 J；这些能量中，约有二十二亿分之一到达地球，则每年到达地球的太阳能约为9.0×1033×eq \f(1,2.2×109) J≈4.1×1024 J；太阳照射到地球上的能量，大约有1%转化为风能，而地球上可开发利用的风能只占全部风能的1%左右，则每年地球上拥有可开发利用的风能约为4.1×1024×eq \f(1,100)×eq \f(1,100) J＝4.1×1020 J，故选C。
12.(多选)(2023·长兴县教育研究中心高二期中)如图为装在屋顶上的太阳能电池板，每块电池板的面积为2 m2。晴天时，电池板每平方米每分钟接收到的太阳能为6×104 J。电池板的光电转化效率为25%。以下说法不正确的是( )
A．太阳能为可再生能源
B．电池板的光电转化效率25%表示此过程能量不守恒
C．晴天时太阳照射2 h，每块电池板产生的电能为1.44×107 J
D．晴天时的一天(日照按8 h计算)，一块电池板产生的电能可以提供十盏60 W的白炽灯正常工作20小时
答案 BCD
解析 太阳能可以从自然界里源源不断的得到补充，属于可再生能源，故A正确；电池板的光电转化效率25%只是表示太阳能有25%能转化为电能，并不代表能量不守恒，故B错误；由题可知晴天时太阳照射2 h，每块电池板的产生的电能E＝2×6×104×2×60×25% J＝0.36×107 J，故C错误；晴天时的一天，日照按8 h计算，一块电池板产生的电能为E′＝4E＝1.44×107 J，能让十盏60 W的白炽灯工作的时间t＝eq \f(E′,P)＝eq \f(1.44×107 J,10×60 W)＝2.4×104 s≈6.7 h，故D错误。
13．(2023·定州一中期中)十三陵抽水蓄能电站是利用十三陵水库为下库，在蟒山顶上修建上库(又名“天池”)，上下库落差h＝430 m。其工作原理是：白天用电高峰期，将天池中的水引向下游水库，经过水轮机带动发电机产生电；晚上用电低谷期，则用抽水机将水由下游水库引向天池，由此循环来发电。假设某时刻将下游水库的水抽入天池，用电动机带动效率为η＝60%的离心水泵工作，工作电压为U＝380 V，此时输入电动机的电功率为P＝19 kW，电动机的内阻为r＝0.4 Ω。已知水的密度为ρ＝1×103 kg/m3，重力加速度g取10 m/s2。求：
(1)电动机内阻消耗的热功率Pr；
(2)如果有10台这样的水泵同时工作，将540 m3水蓄入天池，需多长时间。(不计进、出水口的水流速度)
答案 (1)1×103 W (2)2.15×104 s
解析 (1)根据I＝eq \f(P,U)＝eq \f(19×103,380) A＝50 A，电动机内阻消耗的热功率Pr＝I2r＝502×0.4 W＝1×103 W。
(2)540 m3水蓄入天池，增加的重力势能为ρVgh，一台水泵工作时间t做的有用功为0.6×(P－Pr)t，则ρVgh＝10×0.6×(P－Pr)t，将已知数据代入可知t＝2.15×104 s。