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人教版 (新课标)选修36 能源和可持续发展导学案及答案
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这是一份人教版 (新课标)选修36 能源和可持续发展导学案及答案，共4页。学案主要包含了例4－1，例4－2，例4－3等内容，欢迎下载使用。
1．能量耗散和品质降低
(1)能量耗散
集中度较高且有序度较高的能量如机械能、电能、化学能等，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散且无序度更大的能量，内能作为能量发展的最终形式，没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。这样的转化过程叫做能量耗散。
(2)品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。
说明：①能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。
又如流动的水带动水磨做功，由于磨盘之间的摩擦，磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用，可见，内能与机械能相比，是一种低品质的能量。
②能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源。
【例1】 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流散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是( )
A．能量耗散说明能量不守恒
B．能量耗散不符合热力学第二定律
C．能量耗散过程中能量仍守恒
D．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
解析：能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学第二定律。
答案：CD
2．能源与人类社会
(1)能源的定义：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。
(2)常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水能、风能等。
(3)能源的供需现状：石油将在几十年内采完，煤也将在二百多年内采完，故需加强新能源的开发和利用，如水能、风能等。
(4)能源的分类：①不可再生能源：如前面提到的煤、石油、天然气等常规能源；②可再生能源：如风能、水能等。
(5)新能源的开发：
开发的新能源主要有下列几种：太阳能、生物质能、风能、水能等。
①太阳能：是取之不尽、用之不竭的。同时太阳能是一种清洁能源，不会污染环境。
②生物质能：生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的太阳能，储存形式是生物分子的化学能。
③风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”。我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电。
④水能：水是可再生的。水电对环境的影响小，发电成本低。
谈重点：人类的生活离不开能源 如果没有能源，人就得吃生米、生菜、生肉，这对原始人来说，可以，对现代人来说，那不可想象。要把饭菜烧熟，就需要能源。照明需要能源，坐汽车、火车、轮船、飞机也需要能源，炼钢炼铁、开动机器都得有能源。人类能源的总来源是太阳。这就是说，不仅风能、水力能、海浪能、生物能、太阳能等自然能源来自太阳，就是矿物燃料煤、石油、天然气也来自太阳。以上这些属于一次能源，由一次能源生产的电力属于二次能源。
由于分类标准不同，同一种能源既可能作为常规能源，又可能属于可再生能源。
【例2】 以下说法正确的是( )
A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
B．汽油是一种清洁能源
C．水能是可再生能源
D．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的
解析：煤、石油、天然气等是动植物转化成的，其来源可追溯到太阳能，A对；汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成，B错；水能是可再生能源，C对；煤、石油等存储量是有限的，是不可再生能源，D错。
答案：AC
3．能源与环境
(1)常规能源对环境污染严重。
(2)新能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源，如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。
谈重点：环境污染的种类 大气污染、水污染、噪声污染，具体有温室效应、酸雨、光化学污染。
①温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量增高，导致“温室效应”，造成地面温度上升、两极的冰雪融化、海平面上升、淹没沿海地区等不良影响。
②酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡。同时腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类健康。
③臭氧层的破坏：臭氧层的存在对吸收紫外线方面起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭到破坏，对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照射到地面上，会提高皮肤癌和白内障的发病率，也会影响我们的免疫系统。同时对不同生态系统中生物的生长、发育、繁殖、分布和生物地球化学循环都会造成一系列危害。
【例3】 二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气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暖房的玻璃一样，只准太阳的热辐射进来，却不让室内的长波热辐射出去，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，以下说法成立的是( )
A．在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量的二氧化碳，当时地球的气温很高
B．经过漫长的年代，地壳的岩石和气体二氧化碳发生化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命
C．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主要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
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，进而导致当时地球的气温很高。地球上的岩石由于多种原因，其中包括岩石中的矿物质成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了适合生物生存的条件。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。生活用电和工业用电是电能和其他形式的能的转变，会产生热，但它们并不是地球正在变暖的主要原因，因此A、B、C项是正确的。
答案：ABC
点评：明确二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，使星球表面发出的长波辐射到大气层后被二氧化碳吸收产生温室效应，最后使大气温度升高这一特性是解题的关键。
4．能量守恒定律解题思路与方法
能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，不同形式的能量可以相互转化，这需要做功来实现，而能的转移是通过某种形式的能传递来完成。无论是能的转移还是转化，其能的总量保持不变。运用能量守恒定律解题关键是弄明白哪些能量参与转化和转移，在其过程中遵循怎样的规律转化和转移，然后根据能量守恒定律列等式求解。
太阳能的特点：
①数量巨大：太阳辐射功率为3.9×1026瓦。能到达地球表面的太阳能每年约为1.3×1010吨标准煤，是目前全世界所消耗的各种能量总和的1×104倍。
②时间长久：根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在大约5×109年左右，估计尚可继续维持大约1010年之久。
③清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称，它不仅毫无污染，也毫无危险。
水利发电的能流图：
风能发电原理图：
风力发电的原理：利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三千米的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。
【例4－1】 瀑布从20 m高处以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%，那么发电机发出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2)
解析：设t时间内流下的水的质量为m，以m为研究对象，竖直下落后减少的机械能为mgh－eq \f(1,2)mv2
转化为电能的功率为P＝eq \f(E,t)＝eq \f(mgh－\f(1,2)mv2×0.8,t)＝eq \f(m,t)(gh－eq \f(v2,2))×0.8
＝103×103×(10×20－eq \f(1,2)×22)×0.8 W≈1.58×108 W＝1.58×105 kW。
答案：1.58×105 kW
【例4－2】 说明下列能源利用方式中的能量转化过程：
(1)水力发电：_____________________________________________________________；
(2)电动水泵抽水：_________________________________________________________；
(3)柴油机牵引列车前进：____________________________________________________；
(4)火箭发射人造卫星：______________________________________________________。
解析：水力发电是将水的机械能转化为电能。电动水泵抽水是将电能转化为水的机械能。柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能先转化为内能，再转化为列车的机械能。火箭发射人造卫星是将燃料的化学能转化为卫星的机械能。
答案：见解析
点评：自然界中的能量可以相互转化，且转化过程中能量是守恒的。
【例4－3】 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？
解析：首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为
m＝πr2Vtρ，
这些气流的动能为eq \f(1,2)mv2；
转变的电能为E＝eq \f(1,2)mv2×10%，
故风车带动发电机发电的功率为
P＝eq \f(E,t)＝eq \f(1,2)πr2ρv3×10%
代入数据以后得P＝3.4 kW。
答案：3.4 kW
1．能量耗散和品质降低
(1)能量耗散
集中度较高且有序度较高的能量如机械能、电能、化学能等，当它们变为环境的内能后，就成为更加分散且无序度更大的能量，内能作为能量发展的最终形式，没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。这样的转化过程叫做能量耗散。
(2)品质降低：能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低。能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能。
说明：①能量耗散虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能。
又如流动的水带动水磨做功，由于磨盘之间的摩擦，磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用，可见，内能与机械能相比，是一种低品质的能量。
②能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源。
【例1】 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流散的能量重新收集、重新加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是( )
A．能量耗散说明能量不守恒
B．能量耗散不符合热力学第二定律
C．能量耗散过程中能量仍守恒
D．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
解析：能量耗散过程能量仍守恒，但可利用的能源越来越少，这说明自然界中的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学第二定律。
答案：CD
2．能源与人类社会
(1)能源的定义：能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础。
(2)常规能源：指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水能、风能等。
(3)能源的供需现状：石油将在几十年内采完，煤也将在二百多年内采完，故需加强新能源的开发和利用，如水能、风能等。
(4)能源的分类：①不可再生能源：如前面提到的煤、石油、天然气等常规能源；②可再生能源：如风能、水能等。
(5)新能源的开发：
开发的新能源主要有下列几种：太阳能、生物质能、风能、水能等。
①太阳能：是取之不尽、用之不竭的。同时太阳能是一种清洁能源，不会污染环境。
②生物质能：生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体内的太阳能，储存形式是生物分子的化学能。
③风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”。我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电。
④水能：水是可再生的。水电对环境的影响小，发电成本低。
谈重点：人类的生活离不开能源 如果没有能源，人就得吃生米、生菜、生肉，这对原始人来说，可以，对现代人来说，那不可想象。要把饭菜烧熟，就需要能源。照明需要能源，坐汽车、火车、轮船、飞机也需要能源，炼钢炼铁、开动机器都得有能源。人类能源的总来源是太阳。这就是说，不仅风能、水力能、海浪能、生物能、太阳能等自然能源来自太阳，就是矿物燃料煤、石油、天然气也来自太阳。以上这些属于一次能源，由一次能源生产的电力属于二次能源。
由于分类标准不同，同一种能源既可能作为常规能源，又可能属于可再生能源。
【例2】 以下说法正确的是( )
A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
B．汽油是一种清洁能源
C．水能是可再生能源
D．煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的
解析：煤、石油、天然气等是动植物转化成的，其来源可追溯到太阳能，A对；汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成，B错；水能是可再生能源，C对；煤、石油等存储量是有限的，是不可再生能源，D错。
答案：AC
3．能源与环境
(1)常规能源对环境污染严重。
(2)新能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源，如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等。
谈重点：环境污染的种类 大气污染、水污染、噪声污染，具体有温室效应、酸雨、光化学污染。
①温室效应：化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大量增高，导致“温室效应”，造成地面温度上升、两极的冰雪融化、海平面上升、淹没沿海地区等不良影响。
②酸雨污染：排放到大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，使其形成酸雨，酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长，使生物死亡，破坏生态平衡。同时腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等，还直接危害人类健康。
③臭氧层的破坏：臭氧层的存在对吸收紫外线方面起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭到破坏，对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照射到地面上，会提高皮肤癌和白内障的发病率，也会影响我们的免疫系统。同时对不同生态系统中生物的生长、发育、繁殖、分布和生物地球化学循环都会造成一系列危害。
【例3】 二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气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暖房的玻璃一样，只准太阳的热辐射进来，却不让室内的长波热辐射出去，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，以下说法成立的是( )
A．在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量的二氧化碳，当时地球的气温很高
B．经过漫长的年代，地壳的岩石和气体二氧化碳发生化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命
C．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主要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
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，进而导致当时地球的气温很高。地球上的岩石由于多种原因，其中包括岩石中的矿物质成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了适合生物生存的条件。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。生活用电和工业用电是电能和其他形式的能的转变，会产生热，但它们并不是地球正在变暖的主要原因，因此A、B、C项是正确的。
答案：ABC
点评：明确二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，使星球表面发出的长波辐射到大气层后被二氧化碳吸收产生温室效应，最后使大气温度升高这一特性是解题的关键。
4．能量守恒定律解题思路与方法
能量守恒定律是自然界普遍适用的规律，不同形式的能量可以相互转化，这需要做功来实现，而能的转移是通过某种形式的能传递来完成。无论是能的转移还是转化，其能的总量保持不变。运用能量守恒定律解题关键是弄明白哪些能量参与转化和转移，在其过程中遵循怎样的规律转化和转移，然后根据能量守恒定律列等式求解。
太阳能的特点：
①数量巨大：太阳辐射功率为3.9×1026瓦。能到达地球表面的太阳能每年约为1.3×1010吨标准煤，是目前全世界所消耗的各种能量总和的1×104倍。
②时间长久：根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在大约5×109年左右，估计尚可继续维持大约1010年之久。
③清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称，它不仅毫无污染，也毫无危险。
水利发电的能流图：
风能发电原理图：
风力发电的原理：利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三千米的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。
【例4－1】 瀑布从20 m高处以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%，那么发电机发出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2)
解析：设t时间内流下的水的质量为m，以m为研究对象，竖直下落后减少的机械能为mgh－eq \f(1,2)mv2
转化为电能的功率为P＝eq \f(E,t)＝eq \f(mgh－\f(1,2)mv2×0.8,t)＝eq \f(m,t)(gh－eq \f(v2,2))×0.8
＝103×103×(10×20－eq \f(1,2)×22)×0.8 W≈1.58×108 W＝1.58×105 kW。
答案：1.58×105 kW
【例4－2】 说明下列能源利用方式中的能量转化过程：
(1)水力发电：_____________________________________________________________；
(2)电动水泵抽水：_________________________________________________________；
(3)柴油机牵引列车前进：____________________________________________________；
(4)火箭发射人造卫星：______________________________________________________。
解析：水力发电是将水的机械能转化为电能。电动水泵抽水是将电能转化为水的机械能。柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能先转化为内能，再转化为列车的机械能。火箭发射人造卫星是将燃料的化学能转化为卫星的机械能。
答案：见解析
点评：自然界中的能量可以相互转化，且转化过程中能量是守恒的。
【例4－3】 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？
解析：首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为
m＝πr2Vtρ，
这些气流的动能为eq \f(1,2)mv2；
转变的电能为E＝eq \f(1,2)mv2×10%，
故风车带动发电机发电的功率为
P＝eq \f(E,t)＝eq \f(1,2)πr2ρv3×10%
代入数据以后得P＝3.4 kW。
答案：3.4 kW
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