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高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 能源与可持续发展教案
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这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册4 能源与可持续发展教案，共8页。
一、能量守恒定律
1．定律内容
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另一种形式，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．建立定律的两个重要事实
(1)确认了永动机的不可能性．
(2)各种自然现象之间能量的相互联系与转化．
3．机械能守恒定律与能量守恒定律的关系
机械能守恒定律是能量守恒定律的特殊背景下一种特殊的表现形式．
二、能源与可持续发现
1．能量耗散和品质降低
(1)能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象．
(2)各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的．
(3)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性．
(4)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式．
2．能源与环境
(1)常规能源：人们把煤、石油、天然气等化石能源叫作常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源．
(2)新能源：主要有太阳能、生物质能、风能、水能、核能等．
(3)环境问题：化石能源的大量消耗带来的环境问题有温室效应、酸雨、光化学烟雾等．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的．(×)
(2)能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低．(×)
(3)能源的开发和利用必须同时考虑其对环境的影响．(√)
2．煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是( )
A．都为可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．都为不可再生能源，用一点，少一点
C．都为来自太阳辐射的能量
D．都为污染环境的能源
C [煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物质能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射．因此，选项C正确，其他选项均错误．]
3．一个盛水袋，某人从侧面缓慢推装液体的袋壁使它变形至如图所示位置，则此过程中袋和液体的重心将( )
A．逐渐升高
B．逐渐降低
C．先降低再升高
D．始终不变
A [人对液体做正功，液体的机械能增加，液体缓慢移动可以认为动能不变，重力势能增加，重心升高，A正确．]
1.适用范围
能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律．
2．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，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量．
3．应用步骤
(1)明确研究对象及研究过程．
(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化．
(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少．
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)．
【例1】 如图所示，电动机带动水平传送带以速度v匀速传动，一质量为m的小木块由静止轻放在传送带上．若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ，当小木块与传送带相对静止时，求：
(1)小木块的位移；
(2)传送带转过的路程；
(3)小木块获得的动能；
(4)摩擦过程产生的热量；
(5)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量；
思路点拨：(1)在计算第(4)问时，要用滑动摩擦力乘木块相对皮带的位移，不是对地位移．
(2)要理解电动机带动传送带匀速转动输出能量的含义为：小木块获得的动能与摩擦生热的和．
[解析] 小木块刚放上传送带时，速度为0，受到传送带的滑动摩擦力作用，做匀加速直线运动，达到与传送带相同的速度后不再受摩擦力．整个过程中小木块获得一定的动能，系统内因摩擦产生一定的热量．
(1)对小木块，相对滑动时，由μmg＝ma，得a＝μg，
由v＝at，得小木块由静止到与传送带相对静止时所用的时间t＝eq \f(v,μg).
则小木块的位移l＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(v2,2μg).
(2)传送带始终匀速运动，转过的路程s＝vt＝eq \f(v2,μg).
(3)小木块获得的动能Ek＝eq \f(1,2)mv2.
(4)摩擦过程产生的热量Q＝μmg(s－l)＝eq \f(1,2)mv2.
(5)由能的转化与守恒得，电动机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的热量，所以E总＝Ek＋Q＝mv2.
[答案] (1)eq \f(v2,2μg) (2)eq \f(v2,μg) (3)eq \f(1,2)mv2 (4)eq \f(1,2)mv2 (5)mv2
(1)摩擦力做功特点
①无论是静摩擦力还是滑动摩擦力，它们都可以做负功或做正功，也可以不做功．
②互为作用力和反作用力的一对静摩擦力所做的总功为零；而互为作用力和反作用力的一对滑动摩擦力所做的总功一定为负值．
(2)因摩擦而产生的内能的计算
Q＝Ff·x相，其中Ff指滑动摩擦力的大小，x相指发生摩擦的物体间的相对位移的大小．
1．如图所示，在光滑的水平面上，有一质量为M的长木块以一定的初速度向右匀速运动，将质量为m的小铁块无初速度地轻放到长木块右端，小铁块与长木块间的动摩擦因数为μ，当小铁块在长木块上相对长木块滑动L时与长木块保持相对静止，此时长木块对地的位移为l，求这个过程中：
(1)小铁块增加的动能；
(2)长木块减少的动能；
(3)系统机械能的减少量；
(4)系统产生的热量．
[解析] 画出这一过程两物体位移示意图，如图所示．
(1)根据动能定理得μmg(l－L)＝ΔEk，即小铁块动能的增加量等于滑动摩擦力对小铁块做的功．
(2)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系得ΔEkM＝－μmgl，即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgl.
(3)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.
(4)m、M间相对滑动的位移为L，根据能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量，也等于系统减少的机械能．
[答案] (1)μmg(l－L) (2)μmgl (3)μmgL (4)μmgL
1.如何正确理解能量耗散和品质降低
(1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了．
(2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量. 由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．
(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．
2．能源的分类
【例2】 能源短缺和环境恶化指的是( )
①煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺．
②煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺．
③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化．
④大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，改变了大气成分，使环境恶化．
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
D [煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们的储量是有限的，并不是取之不尽、用之不竭的，这是所讲的能源短缺，②正确；能源在使用时会排出有害气体污染空气，这是所讲的环境恶化，④正确．故D正确．]
(1)能源的开发和利用要以人为本，要以可持续发展为前提．
(2)应优先使用新能源，新能源的共同特点：可再生、取之不尽、绿色无污染．
2．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无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要
B．能源的利用过程，实质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
A [石油、煤等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错，B、C、D对．]
1．市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)．在阳光的照射下，小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽．该装置的能量转化情况是( )
A．太阳能→电能→机械能
B．太阳能→机械能→电能
C．电能→太阳能→机械能
D．机械能→太阳能→电能
A [电池板中太阳能转化为电能，小电动机中电能转化为机械能．]
2．下列对能量耗散的理解正确的有( )
A．能量耗散说明能量在不断减少
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失
D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
E．能量耗散符合热力学第二定律
BDE [在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散，能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学第二定律，故A、C错，B、D、E正确．]
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%
代入数据以后得P＝3.4 kW.
[答案] 3.4 kW
能量守恒定律的理解与应用
能源及其开发和利用
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按形式或转换特点分
一次能源
自然形成，未经加工
太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源
由一次能源经加工转换而成
焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能
按利用技术分
常规能源
已大规模正常使用
煤、石油、天然气、水能
新能源
正在开发，或有新的利用方式
太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
按可否再生分
可再生能源
可循环使用
水能、风能、生物质能、地热能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气、核燃料
按对环境污染情况分
清洁能源
对环境基本上没有污染
太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
化石燃料(煤、石油、天然气)
一、能量守恒定律
1．定律内容
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另一种形式，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．建立定律的两个重要事实
(1)确认了永动机的不可能性．
(2)各种自然现象之间能量的相互联系与转化．
3．机械能守恒定律与能量守恒定律的关系
机械能守恒定律是能量守恒定律的特殊背景下一种特殊的表现形式．
二、能源与可持续发现
1．能量耗散和品质降低
(1)能量耗散：有序度较高(集中度较高)的能量转化为内能，流散到环境中无法重新收集起来加以利用的现象．
(2)各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的．
(3)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性．
(4)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量品质的降低，它实际上是将能量从高度有用的高品质形式降级为不大可用的低品质形式．
2．能源与环境
(1)常规能源：人们把煤、石油、天然气等化石能源叫作常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源．
(2)新能源：主要有太阳能、生物质能、风能、水能、核能等．
(3)环境问题：化石能源的大量消耗带来的环境问题有温室效应、酸雨、光化学烟雾等．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的．(×)
(2)能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低．(×)
(3)能源的开发和利用必须同时考虑其对环境的影响．(√)
2．煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是( )
A．都为可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．都为不可再生能源，用一点，少一点
C．都为来自太阳辐射的能量
D．都为污染环境的能源
C [煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物质能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射．因此，选项C正确，其他选项均错误．]
3．一个盛水袋，某人从侧面缓慢推装液体的袋壁使它变形至如图所示位置，则此过程中袋和液体的重心将( )
A．逐渐升高
B．逐渐降低
C．先降低再升高
D．始终不变
A [人对液体做正功，液体的机械能增加，液体缓慢移动可以认为动能不变，重力势能增加，重心升高，A正确．]
1.适用范围
能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律．
2．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，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量．
3．应用步骤
(1)明确研究对象及研究过程．
(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化．
(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少．
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)．
【例1】 如图所示，电动机带动水平传送带以速度v匀速传动，一质量为m的小木块由静止轻放在传送带上．若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ，当小木块与传送带相对静止时，求：
(1)小木块的位移；
(2)传送带转过的路程；
(3)小木块获得的动能；
(4)摩擦过程产生的热量；
(5)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量；
思路点拨：(1)在计算第(4)问时，要用滑动摩擦力乘木块相对皮带的位移，不是对地位移．
(2)要理解电动机带动传送带匀速转动输出能量的含义为：小木块获得的动能与摩擦生热的和．
[解析] 小木块刚放上传送带时，速度为0，受到传送带的滑动摩擦力作用，做匀加速直线运动，达到与传送带相同的速度后不再受摩擦力．整个过程中小木块获得一定的动能，系统内因摩擦产生一定的热量．
(1)对小木块，相对滑动时，由μmg＝ma，得a＝μg，
由v＝at，得小木块由静止到与传送带相对静止时所用的时间t＝eq \f(v,μg).
则小木块的位移l＝eq \f(1,2)at2＝eq \f(v2,2μg).
(2)传送带始终匀速运动，转过的路程s＝vt＝eq \f(v2,μg).
(3)小木块获得的动能Ek＝eq \f(1,2)mv2.
(4)摩擦过程产生的热量Q＝μmg(s－l)＝eq \f(1,2)mv2.
(5)由能的转化与守恒得，电动机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的热量，所以E总＝Ek＋Q＝mv2.
[答案] (1)eq \f(v2,2μg) (2)eq \f(v2,μg) (3)eq \f(1,2)mv2 (4)eq \f(1,2)mv2 (5)mv2
(1)摩擦力做功特点
①无论是静摩擦力还是滑动摩擦力，它们都可以做负功或做正功，也可以不做功．
②互为作用力和反作用力的一对静摩擦力所做的总功为零；而互为作用力和反作用力的一对滑动摩擦力所做的总功一定为负值．
(2)因摩擦而产生的内能的计算
Q＝Ff·x相，其中Ff指滑动摩擦力的大小，x相指发生摩擦的物体间的相对位移的大小．
1．如图所示，在光滑的水平面上，有一质量为M的长木块以一定的初速度向右匀速运动，将质量为m的小铁块无初速度地轻放到长木块右端，小铁块与长木块间的动摩擦因数为μ，当小铁块在长木块上相对长木块滑动L时与长木块保持相对静止，此时长木块对地的位移为l，求这个过程中：
(1)小铁块增加的动能；
(2)长木块减少的动能；
(3)系统机械能的减少量；
(4)系统产生的热量．
[解析] 画出这一过程两物体位移示意图，如图所示．
(1)根据动能定理得μmg(l－L)＝ΔEk，即小铁块动能的增加量等于滑动摩擦力对小铁块做的功．
(2)摩擦力对长木块做负功，根据功能关系得ΔEkM＝－μmgl，即长木块减少的动能等于长木块克服摩擦力做的功μmgl.
(3)系统机械能的减少量等于系统克服摩擦力做的功ΔE＝μmgL.
(4)m、M间相对滑动的位移为L，根据能量守恒定律，有Q＝μmgL，即摩擦力对系统做的总功等于系统产生的热量，也等于系统减少的机械能．
[答案] (1)μmg(l－L) (2)μmgl (3)μmgL (4)μmgL
1.如何正确理解能量耗散和品质降低
(1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了．
(2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量. 由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式．
(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．
2．能源的分类
【例2】 能源短缺和环境恶化指的是( )
①煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限的，这叫能源短缺．
②煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺．
③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化．
④大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，改变了大气成分，使环境恶化．
A．①③ B．①④
C．②③ D．②④
D [煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们的储量是有限的，并不是取之不尽、用之不竭的，这是所讲的能源短缺，②正确；能源在使用时会排出有害气体污染空气，这是所讲的环境恶化，④正确．故D正确．]
(1)能源的开发和利用要以人为本，要以可持续发展为前提．
(2)应优先使用新能源，新能源的共同特点：可再生、取之不尽、绿色无污染．
2．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无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要
B．能源的利用过程，实质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
A [石油、煤等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错，B、C、D对．]
1．市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)．在阳光的照射下，小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽．该装置的能量转化情况是( )
A．太阳能→电能→机械能
B．太阳能→机械能→电能
C．电能→太阳能→机械能
D．机械能→太阳能→电能
A [电池板中太阳能转化为电能，小电动机中电能转化为机械能．]
2．下列对能量耗散的理解正确的有( )
A．能量耗散说明能量在不断减少
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失
D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
E．能量耗散符合热力学第二定律
BDE [在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会转化为流散到周围环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散，能量耗散并不违反能量守恒定律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学第二定律，故A、C错，B、D、E正确．]
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%
代入数据以后得P＝3.4 kW.
[答案] 3.4 kW
能量守恒定律的理解与应用
能源及其开发和利用
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按形式或转换特点分
一次能源
自然形成，未经加工
太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源
由一次能源经加工转换而成
焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能
按利用技术分
常规能源
已大规模正常使用
煤、石油、天然气、水能
新能源
正在开发，或有新的利用方式
太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
按可否再生分
可再生能源
可循环使用
水能、风能、生物质能、地热能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气、核燃料
按对环境污染情况分
清洁能源
对环境基本上没有污染
太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
化石燃料(煤、石油、天然气)
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