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高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第五章 电能与能源的可持续发展第二节 能源的利用方式导学案
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这是一份高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第五章 电能与能源的可持续发展第二节 能源的利用方式导学案，共18页。
知识点一 能源的利用方式
1．化石能源包括：石油、煤炭、天然气等。
2．新能源包括：水能、风能、太阳能、核能等。此外，还有生物质能、地热能、海洋能、氢能、可燃冰等能源。
知识点二 能量的转化与守恒
1．各种各样的能量
2．能量的转化和转移
(1)太阳能是地球上最主要的能量源泉。
(2)能量的存在形式多种多样，而且不同形式的能量可以相互转化。能量在被利用的过程中，可利用的效率不断下降。
3．能量守恒：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；在转化和转移的过程中其总量不变。
4．能量转化(转移)的方向性
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，但都不违反能量守恒定律。
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间可以发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律。
思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)能量是守恒的，既不会增加，也不会减少。(√)
(2)由能量守恒定律可知，能量是取之不尽用之不竭的，不必要节约能源。(×)
知识点三 能源与环境
1．可再生能源和不可再生能源
(1)煤、石油、天然气等在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，称为不可再生能源。
(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源，称为可再生能源。
2．能源与环境
能源开发对环境的影响
(1)对大气环境的影响。
(2)对生态环境的影响。
(3)对居住环境的影响。
3．环境保护的三个主要方面
(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。
(1)如图是小型汽油机模型，汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？
(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？
[提示] (1)汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。
(2)不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能。
能量守恒定律的应用
1．能量的形式
(1)含义：一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，比如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功，因此这些物体都具有能量，流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。
(2)能量的转化与能量的转移：各种不同形式的能量可以相互转化，而且在转化过程中总量保持不变，也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物体的能量增加。
(3)功是能量转化的量度：不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是各种形式的能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)，因此，功是能量转化(或转移)的量度。
2．能量守恒定律的表达式
(1)E初＝E终。
(2)ΔE增＝ΔE减。
3．自然界中的宏观现象具有方向性
(1)能量耗散：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。
(2)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。
【典例1】 如图甲、乙是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸，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(见图甲)。当落潮时，开闸放水发电(见图乙)。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg)( )
甲 乙
A．2.6×104kW B．5.2×104kW
C．2.6×105kWD．5.2×105kW
思路点拨：先求出重力势能的变化，再分析转变成了多少电能，最后根据平均功率的定义求出。
B [利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh为水的重心下降的高度，即：Δh＝32m，则水的势能可转变为电能：W电＝W水×10%＝1.0×103kg/m3×5.0×108m2×3.0m×10N/kg×1.5m×0.1＝2.25×1012J。每天两次涨潮，则该发电站一天能发电4.5×1012J，所以每天的平均功率为P＝W电t≈5.2×104kW，故B项正确。]
运用能量守恒定律解题的基本思路
[跟进训练]
1．抽水蓄能电站结构如图所示。抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余的电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，再将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水蓄能电站下列说法正确的是( )
A．抽水蓄能的过程中，能量守恒
B．放水发电的过程中，机械能守恒
C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了
A [抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为内能，机械能不守恒，B错误；抽水蓄能，并不能使能量增多，总的能量保持不变，C错误；抽水蓄能电站，能够合理调节用电高峰期和低峰期的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我们仍面临着能源危机，还需节约能源，D错误。]
能源的分类与应用
1．地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能
2．能源的分类
3．能源和环境污染
(1)温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应。
(2)酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤。
(3)光化学烟雾：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，产生氮氧化合物和碳氢化合物。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。这些物质有毒，能引起人的多种疾病。
【典例2】 (多选)可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，我国的海域“可燃冰”试采已经成功。1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和0.8m3的水，下列关于可燃冰说法正确的是( )
A．“可燃冰”是不可再生能源
B．“可燃冰”属于可再生能源
C．1m3可燃冰比0.8m3的水质量小
D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多
AD [可燃冰是一次能源，属于不可再生能源，故A正确，B错误；1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和0.8m3的水；故C错误，D正确。故选A、D。]
[跟进训练]
2．(多选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是( )
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
BD [可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放；植树造林可以吸收空气中的CO2，所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效，但并不可行。]
1．如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰，此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是( )
A．流星同空气摩擦时机械能全部转化为内能
B．引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒
C．当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动
D．流星物体进入大气层后做斜抛运动
C [流星同空气摩擦时只有部分机械能转化为内能，A错误；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。]
2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图乙所示。这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化，下列说法中正确的是( )
甲 乙
A．都是把机械能转化为电能
B．都是把光能转化为电能
C．甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能
D．甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能
C [甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，故是光能转化为电能，故C项正确。]
3．某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能，则用上述已知量计算电功率的公式为( )
A．P＝12ρSv B．P＝12ρSv2
C．P＝12ρSv3D．P＝12ρSv4
C [风能转化为电能，由能量守恒定律得12mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，联立解得P＝ρv3tS2t＝12ρSv3，A、B、D错误，C正确。]
4．(新情境题，以“新能源”为背景，考查能量守恒定律)氢气是一种清洁能源，它燃烧后只生成水，对环境无污染，某同学设想了一个利用氢能的方案，如图是它的示意图，请你判断这一方案的可行性，并说明理由。
判断：________(选填“可行”或“不可行”)，理由：_______________________。
[答案] 不可行 违背能量守恒定律
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．试写出能源的分类。
[提示] 可分为一次能源和二次能源。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源。
2．写出能量守恒定律的内容。
[提示] 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，在转化和转移的过程中其总量不变。
课时分层作业(十六) 能源的利用方式
能量的转化与守恒 能源与环境
题组一 能源与环境
1．煤、石油、天然气和生物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，故C项正确。]
2．下列关于能源的说法正确的是( )
A．石油、天然气、核能都是新能源
B．新能源是指新开采出来的能源
C．一次能源是直接来源于自然界的能源
D．石油是可再生能源
C [石油、天然气属于常规能源，不是新能源，故A错误；新能源是指新近才开始使用的能源，故B错误；一次能源是直接来自自然界而未经加工转化的能源，如石油，故C正确；石油属于化石能源，不可再生，故D错误。]
3．关于“节约能源”，下面的说法中正确的是( )
A．浪费能源，只是浪费个人的金钱，所以节约能源是毫无意义的
B．浪费能源，只是浪费个人的金钱，对整个社会和自然界来讲，反正能量是守恒的，所以就社会而言，节约能源毫无意义
C．自然界中人类能利用的资源有限，且能源的利用过程对环境有污染，所以“节约能源”对人类社会发展有很大的影响
D．上述说法都是错误的
C [能量是守恒的，但人类能应用的能源是有限的，若能源减少，个人钱再多也无法买到能源，故A错误；由于人类能利用的能源非常有限，节约能源不仅能使我们长久利用，并且可以减小由于常规能源在使用中带来的污染等，故“节约能源”对人类社会发展有很大的影响，故C正确，故B、D错误。]
4．(多选)针对图中工厂烟囱向空中排放大量废气的现象，下列说法正确的是( )
A．排放废气不仅浪费能源，而且严重违反能量守恒定律
B．排放废气引起能量的耗散，但并没有违反能量守恒定律
C．当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理
D．能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化
BCD [排放废气浪费能源，引起能量的耗散，但不违反能量守恒定律，故A错误，B正确；当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理，故C正确；能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化，故D正确。]
5．(多选)下列说法正确的是( )
A．水能和风能是“可再生能源”
B．太阳能是一种清洁能源
C．沼气是一种新能源
D．核能对环境的污染比常规能源对环境的污染更大
ABC [水能和风能是“可再生能源”，A正确；太阳能是清洁能源，B正确；沼气是人们开发的新能源，C正确；核能对环境的污染比常规能源较小，D错误。]
题组二 能量的转化与守恒
6．(多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( )
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
AD [这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确；四个物体的运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之机械能转化成了其他形式的能，D正确，B、C错误。]
7．下列说法中正确的是( )
A．随着科技的发展，永动机是可以制成的
B．某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加
C．能量耗散表明，在能量的转化过程中能的总量逐渐减少
D．不用电池，也不用上发条的“全自动”手表，说明能量可以凭空产生
B [永动机违背了能量守恒定律，是不可能制造成功的，故A错误；根据能量守恒定律，某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，故B正确；能量耗散表明，能量的总量虽然守恒，但其转化和转移具有方向性，故C错误；能量是不可能凭空产生的，故D错误。]
8．有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度。他的办法是：关好房间的门窗然后打开冰箱的所有门让冰箱运转，且不考虑房间内外热量的传递，则开机后，室内的温度将( )
A．逐渐有所升高
B．保持不变
C．开机时降低，停机时又升高
D．开机时升高，停机时降低
A [冰箱工作，会产生热量，即消耗电能，产生了内能，且房间与外界没有能量交换，所以房内温度会升高，故A项正确。]
9．风能是一种很好的可再生能源，而且对环境的污染较小，近年来我国在西北地区，建立了许多风力发电厂。如图所示为风力发电的情景。通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。已知：空气的密度为ρ，风轮机叶片的长度为r，若风速为v0，每台风力发电机输出的电功率为P，求此过程中：
(1)单位时间内每台风力发电机获得风能的表达式；
(2)风力发电机利用风能的效率表达式。
[解析] (1)由能量转化和守恒定律可知
12mv02＝P总t ①
而m＝πr2v0tρ ②
把②代入①解得P总＝12πr2ρv03。
(2)η＝PP总＝2Pπr2ρv03。
[答案] (1)P总＝12πr2ρv03 (2)η＝2Pπr2ρv03
10．(多选)一蹦极运动员身系弹性蹦极绳，从水面上方高台下落，到最低点时距水面还有数米距离，假定空气阻力可以忽略，运动员可视为质点，下列说法正确的是( )
A．运动员到达最低点前的重力势能始终减小
B．蹦极绳张紧后的下落过程中，弹力做负功，弹性势能增加
C．蹦极过程中，运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒
D．蹦极过程中，重力势能的改变量与重力势能零点的选取有关
ABC [运动员到达最低点前，因高度一直在减小，故重力势能始终减小，A正确；蹦极绳张紧后的下落过程中，蹦极绳的弹力向上，弹力做负功，弹性势能增加，B正确；蹦极过程中，因为只有重力与弹力做功，故运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒，C正确；蹦极过程中，重力势能的改变量与重力势能零点的选取无关，D错误。]
11．在日常生活中，人们习惯于用几何相似性放大(或缩小)的倍数去得出结论，例如一个人身体长高了50%，做衣服用的布料也要多50%，但实际上这种计算方法是错误的。若物体的几何限度为l，当l改变时，其他因素按怎样的规律变化？这类规律可称之为标度律，它们是由量纲关系决定的。在上例中，物体的表面积S∝l2。所以身高变为原来的1.5倍，所用的布料变为原来的1.52倍，即2.25倍。如果一只跳蚤的身长为2mm，质量为0.2g，往上跳的高度可达0.3m。可假设其用来跳高的能量E∝l3，在其平均密度不变的情况下，若身长变为2m，则这只跳蚤往上跳的最大高度最接近( )
A．0.3m B．3m
C．30mD．300m
A [由题意知能量E∝l3，设E＝kl3，k是常数，跳蚤上升过程中，根据能量守恒定律有E＝kl3＝mgh＝ρgl3h，可得k＝ρgh，由于ρ、g不变，k是常数，所以高度h不变，仍为0.3m，选项A正确。]
12．如图所示中的路灯为太阳能路灯，每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3×106J。如果每天等效日照时间约为6h，光电池一天产生的电能可供30W的路灯工作8h。光电池的光电转换效率约为多少？
[解析] 每天(6h)太阳能电池板吸收的太阳能
W总＝0.3×3×106×6J＝5.4×106J
路灯正常工作，P＝P额＝30W
正常工作8h消耗的电能
W＝Pt＝30W×8×3600s＝8.64×105J
利用太阳能的效率η＝WW总＝8.64×1055.4×106×100%＝16%。
[答案] 16%
13．一质量为8.00×104kg的太空飞船从其飞行轨道返回地面。飞船在离地面高度1.60×105m处以7.50×103m/s的速度进入大气层，逐渐减慢至速度为100m/s时下落到地面。取地面为重力势能零点，在飞船下落过程中，重力加速度可视为常量，大小取为9.8m/s2。(结果保留两位有效数字)
(1)分别求出该飞船着地前瞬间的机械能和它进入大气层时的机械能；
(2)求飞船从离地面高度600m处至着地前瞬间的过程中克服阻力所做的功，已知飞船在该处的速度大小是其进入大气层时速度大小的2.0%。
[解析] (1)飞船着地前瞬间的机械能为
Ek0＝12mv02①
式中，m和v0分别是飞船的质量和着地前瞬间的速率。由①式和题给数据得Ek0＝4.0×108J②
飞船进入大气层时的机械能为
Eh＝12mvh2＋mgh③
式中，vh是飞船在高度1.6×105m处的速度大小。由③式和题给数据得Eh≈2.4×1012J。④
(2)方法一(利用功能关系求解)
飞船在高度h′＝600m处的机械能为
Eh′＝12m(2.0100vh)2＋mgh′⑤
由功能关系得W＝Eh′－Ek0⑥
式中，W是飞船从高度600m处至着地前瞬间的过程中克服阻力所做的功。
由②⑤⑥式和题给数据得W≈9.7×108J。
方法二(利用能量守恒定律求解)
飞船从离地面高度600m处至着地前瞬间的过程中，飞船的一部分机械能通过摩擦生热转化为内能，设产生的内能为Q，根据能量守恒定律，可知飞船减少的机械能等于产生的内能，即Q＝Eh'-Ek0
飞船克服阻力做的功W阻等于产生的内能Q，则
W阻＝Q＝Eh′－Ek0≈9.7×108J。
[答案] (1)4.0×108J 2.4×1012J
(2)9.7×108J
学习任务
1．知道能量有多种形式，知道能量守恒定律，但转化是有方向性的，能解释相关自然现象。
2．能对能源的使用和环境保护提出自己的观点，会用能量守恒、能量转化方向性相关的证据证明自己关于环境保护的观点，提出有创意的改进建议。
3．通过上网查询，提出如何保护环境，节约能源的问题，完成与能源和可持续发展相关的调研报告并进行交流，具有力所能及的节约能源、保护环境的自觉行为。
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
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按是否可再生
可再生能源
可循环使用、不断补充
水能、风能、潮汐能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气
按对环境污染情况
清洁能源
对环境基本没有污染
太阳能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
煤、石油、天然气
知识点一 能源的利用方式
1．化石能源包括：石油、煤炭、天然气等。
2．新能源包括：水能、风能、太阳能、核能等。此外，还有生物质能、地热能、海洋能、氢能、可燃冰等能源。
知识点二 能量的转化与守恒
1．各种各样的能量
2．能量的转化和转移
(1)太阳能是地球上最主要的能量源泉。
(2)能量的存在形式多种多样，而且不同形式的能量可以相互转化。能量在被利用的过程中，可利用的效率不断下降。
3．能量守恒：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；在转化和转移的过程中其总量不变。
4．能量转化(转移)的方向性
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，但都不违反能量守恒定律。
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间可以发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律。
思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)能量是守恒的，既不会增加，也不会减少。(√)
(2)由能量守恒定律可知，能量是取之不尽用之不竭的，不必要节约能源。(×)
知识点三 能源与环境
1．可再生能源和不可再生能源
(1)煤、石油、天然气等在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，称为不可再生能源。
(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源，称为可再生能源。
2．能源与环境
能源开发对环境的影响
(1)对大气环境的影响。
(2)对生态环境的影响。
(3)对居住环境的影响。
3．环境保护的三个主要方面
(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。
(1)如图是小型汽油机模型，汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？
(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？
[提示] (1)汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。
(2)不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能。
能量守恒定律的应用
1．能量的形式
(1)含义：一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，比如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功，因此这些物体都具有能量，流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。
(2)能量的转化与能量的转移：各种不同形式的能量可以相互转化，而且在转化过程中总量保持不变，也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物体的能量增加。
(3)功是能量转化的量度：不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是各种形式的能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)，因此，功是能量转化(或转移)的量度。
2．能量守恒定律的表达式
(1)E初＝E终。
(2)ΔE增＝ΔE减。
3．自然界中的宏观现象具有方向性
(1)能量耗散：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。
(2)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。
【典例1】 如图甲、乙是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸，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(见图甲)。当落潮时，开闸放水发电(见图乙)。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg)( )
甲 乙
A．2.6×104kW B．5.2×104kW
C．2.6×105kWD．5.2×105kW
思路点拨：先求出重力势能的变化，再分析转变成了多少电能，最后根据平均功率的定义求出。
B [利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh为水的重心下降的高度，即：Δh＝32m，则水的势能可转变为电能：W电＝W水×10%＝1.0×103kg/m3×5.0×108m2×3.0m×10N/kg×1.5m×0.1＝2.25×1012J。每天两次涨潮，则该发电站一天能发电4.5×1012J，所以每天的平均功率为P＝W电t≈5.2×104kW，故B项正确。]
运用能量守恒定律解题的基本思路
[跟进训练]
1．抽水蓄能电站结构如图所示。抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余的电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，再将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水蓄能电站下列说法正确的是( )
A．抽水蓄能的过程中，能量守恒
B．放水发电的过程中，机械能守恒
C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了
A [抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为内能，机械能不守恒，B错误；抽水蓄能，并不能使能量增多，总的能量保持不变，C错误；抽水蓄能电站，能够合理调节用电高峰期和低峰期的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我们仍面临着能源危机，还需节约能源，D错误。]
能源的分类与应用
1．地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能
2．能源的分类
3．能源和环境污染
(1)温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应。
(2)酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤。
(3)光化学烟雾：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，产生氮氧化合物和碳氢化合物。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。这些物质有毒，能引起人的多种疾病。
【典例2】 (多选)可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，我国的海域“可燃冰”试采已经成功。1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和0.8m3的水，下列关于可燃冰说法正确的是( )
A．“可燃冰”是不可再生能源
B．“可燃冰”属于可再生能源
C．1m3可燃冰比0.8m3的水质量小
D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多
AD [可燃冰是一次能源，属于不可再生能源，故A正确，B错误；1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和0.8m3的水；故C错误，D正确。故选A、D。]
[跟进训练]
2．(多选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是( )
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
BD [可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放；植树造林可以吸收空气中的CO2，所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效，但并不可行。]
1．如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰，此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是( )
A．流星同空气摩擦时机械能全部转化为内能
B．引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒
C．当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动
D．流星物体进入大气层后做斜抛运动
C [流星同空气摩擦时只有部分机械能转化为内能，A错误；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。]
2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图乙所示。这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化，下列说法中正确的是( )
甲 乙
A．都是把机械能转化为电能
B．都是把光能转化为电能
C．甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能
D．甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能
C [甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，故是光能转化为电能，故C项正确。]
3．某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能，则用上述已知量计算电功率的公式为( )
A．P＝12ρSv B．P＝12ρSv2
C．P＝12ρSv3D．P＝12ρSv4
C [风能转化为电能，由能量守恒定律得12mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，联立解得P＝ρv3tS2t＝12ρSv3，A、B、D错误，C正确。]
4．(新情境题，以“新能源”为背景，考查能量守恒定律)氢气是一种清洁能源，它燃烧后只生成水，对环境无污染，某同学设想了一个利用氢能的方案，如图是它的示意图，请你判断这一方案的可行性，并说明理由。
判断：________(选填“可行”或“不可行”)，理由：_______________________。
[答案] 不可行 违背能量守恒定律
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．试写出能源的分类。
[提示] 可分为一次能源和二次能源。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源。
2．写出能量守恒定律的内容。
[提示] 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，在转化和转移的过程中其总量不变。
课时分层作业(十六) 能源的利用方式
能量的转化与守恒 能源与环境
题组一 能源与环境
1．煤、石油、天然气和生物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，故C项正确。]
2．下列关于能源的说法正确的是( )
A．石油、天然气、核能都是新能源
B．新能源是指新开采出来的能源
C．一次能源是直接来源于自然界的能源
D．石油是可再生能源
C [石油、天然气属于常规能源，不是新能源，故A错误；新能源是指新近才开始使用的能源，故B错误；一次能源是直接来自自然界而未经加工转化的能源，如石油，故C正确；石油属于化石能源，不可再生，故D错误。]
3．关于“节约能源”，下面的说法中正确的是( )
A．浪费能源，只是浪费个人的金钱，所以节约能源是毫无意义的
B．浪费能源，只是浪费个人的金钱，对整个社会和自然界来讲，反正能量是守恒的，所以就社会而言，节约能源毫无意义
C．自然界中人类能利用的资源有限，且能源的利用过程对环境有污染，所以“节约能源”对人类社会发展有很大的影响
D．上述说法都是错误的
C [能量是守恒的，但人类能应用的能源是有限的，若能源减少，个人钱再多也无法买到能源，故A错误；由于人类能利用的能源非常有限，节约能源不仅能使我们长久利用，并且可以减小由于常规能源在使用中带来的污染等，故“节约能源”对人类社会发展有很大的影响，故C正确，故B、D错误。]
4．(多选)针对图中工厂烟囱向空中排放大量废气的现象，下列说法正确的是( )
A．排放废气不仅浪费能源，而且严重违反能量守恒定律
B．排放废气引起能量的耗散，但并没有违反能量守恒定律
C．当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理
D．能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化
BCD [排放废气浪费能源，引起能量的耗散，但不违反能量守恒定律，故A错误，B正确；当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理，故C正确；能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化，故D正确。]
5．(多选)下列说法正确的是( )
A．水能和风能是“可再生能源”
B．太阳能是一种清洁能源
C．沼气是一种新能源
D．核能对环境的污染比常规能源对环境的污染更大
ABC [水能和风能是“可再生能源”，A正确；太阳能是清洁能源，B正确；沼气是人们开发的新能源，C正确；核能对环境的污染比常规能源较小，D错误。]
题组二 能量的转化与守恒
6．(多选)行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是( )
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
AD [这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确；四个物体的运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之机械能转化成了其他形式的能，D正确，B、C错误。]
7．下列说法中正确的是( )
A．随着科技的发展，永动机是可以制成的
B．某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加
C．能量耗散表明，在能量的转化过程中能的总量逐渐减少
D．不用电池，也不用上发条的“全自动”手表，说明能量可以凭空产生
B [永动机违背了能量守恒定律，是不可能制造成功的，故A错误；根据能量守恒定律，某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，故B正确；能量耗散表明，能量的总量虽然守恒，但其转化和转移具有方向性，故C错误；能量是不可能凭空产生的，故D错误。]
8．有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度。他的办法是：关好房间的门窗然后打开冰箱的所有门让冰箱运转，且不考虑房间内外热量的传递，则开机后，室内的温度将( )
A．逐渐有所升高
B．保持不变
C．开机时降低，停机时又升高
D．开机时升高，停机时降低
A [冰箱工作，会产生热量，即消耗电能，产生了内能，且房间与外界没有能量交换，所以房内温度会升高，故A项正确。]
9．风能是一种很好的可再生能源，而且对环境的污染较小，近年来我国在西北地区，建立了许多风力发电厂。如图所示为风力发电的情景。通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。已知：空气的密度为ρ，风轮机叶片的长度为r，若风速为v0，每台风力发电机输出的电功率为P，求此过程中：
(1)单位时间内每台风力发电机获得风能的表达式；
(2)风力发电机利用风能的效率表达式。
[解析] (1)由能量转化和守恒定律可知
12mv02＝P总t ①
而m＝πr2v0tρ ②
把②代入①解得P总＝12πr2ρv03。
(2)η＝PP总＝2Pπr2ρv03。
[答案] (1)P总＝12πr2ρv03 (2)η＝2Pπr2ρv03
10．(多选)一蹦极运动员身系弹性蹦极绳，从水面上方高台下落，到最低点时距水面还有数米距离，假定空气阻力可以忽略，运动员可视为质点，下列说法正确的是( )
A．运动员到达最低点前的重力势能始终减小
B．蹦极绳张紧后的下落过程中，弹力做负功，弹性势能增加
C．蹦极过程中，运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒
D．蹦极过程中，重力势能的改变量与重力势能零点的选取有关
ABC [运动员到达最低点前，因高度一直在减小，故重力势能始终减小，A正确；蹦极绳张紧后的下落过程中，蹦极绳的弹力向上，弹力做负功，弹性势能增加，B正确；蹦极过程中，因为只有重力与弹力做功，故运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒，C正确；蹦极过程中，重力势能的改变量与重力势能零点的选取无关，D错误。]
11．在日常生活中，人们习惯于用几何相似性放大(或缩小)的倍数去得出结论，例如一个人身体长高了50%，做衣服用的布料也要多50%，但实际上这种计算方法是错误的。若物体的几何限度为l，当l改变时，其他因素按怎样的规律变化？这类规律可称之为标度律，它们是由量纲关系决定的。在上例中，物体的表面积S∝l2。所以身高变为原来的1.5倍，所用的布料变为原来的1.52倍，即2.25倍。如果一只跳蚤的身长为2mm，质量为0.2g，往上跳的高度可达0.3m。可假设其用来跳高的能量E∝l3，在其平均密度不变的情况下，若身长变为2m，则这只跳蚤往上跳的最大高度最接近( )
A．0.3m B．3m
C．30mD．300m
A [由题意知能量E∝l3，设E＝kl3，k是常数，跳蚤上升过程中，根据能量守恒定律有E＝kl3＝mgh＝ρgl3h，可得k＝ρgh，由于ρ、g不变，k是常数，所以高度h不变，仍为0.3m，选项A正确。]
12．如图所示中的路灯为太阳能路灯，每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3×106J。如果每天等效日照时间约为6h，光电池一天产生的电能可供30W的路灯工作8h。光电池的光电转换效率约为多少？
[解析] 每天(6h)太阳能电池板吸收的太阳能
W总＝0.3×3×106×6J＝5.4×106J
路灯正常工作，P＝P额＝30W
正常工作8h消耗的电能
W＝Pt＝30W×8×3600s＝8.64×105J
利用太阳能的效率η＝WW总＝8.64×1055.4×106×100%＝16%。
[答案] 16%
13．一质量为8.00×104kg的太空飞船从其飞行轨道返回地面。飞船在离地面高度1.60×105m处以7.50×103m/s的速度进入大气层，逐渐减慢至速度为100m/s时下落到地面。取地面为重力势能零点，在飞船下落过程中，重力加速度可视为常量，大小取为9.8m/s2。(结果保留两位有效数字)
(1)分别求出该飞船着地前瞬间的机械能和它进入大气层时的机械能；
(2)求飞船从离地面高度600m处至着地前瞬间的过程中克服阻力所做的功，已知飞船在该处的速度大小是其进入大气层时速度大小的2.0%。
[解析] (1)飞船着地前瞬间的机械能为
Ek0＝12mv02①
式中，m和v0分别是飞船的质量和着地前瞬间的速率。由①式和题给数据得Ek0＝4.0×108J②
飞船进入大气层时的机械能为
Eh＝12mvh2＋mgh③
式中，vh是飞船在高度1.6×105m处的速度大小。由③式和题给数据得Eh≈2.4×1012J。④
(2)方法一(利用功能关系求解)
飞船在高度h′＝600m处的机械能为
Eh′＝12m(2.0100vh)2＋mgh′⑤
由功能关系得W＝Eh′－Ek0⑥
式中，W是飞船从高度600m处至着地前瞬间的过程中克服阻力所做的功。
由②⑤⑥式和题给数据得W≈9.7×108J。
方法二(利用能量守恒定律求解)
飞船从离地面高度600m处至着地前瞬间的过程中，飞船的一部分机械能通过摩擦生热转化为内能，设产生的内能为Q，根据能量守恒定律，可知飞船减少的机械能等于产生的内能，即Q＝Eh'-Ek0
飞船克服阻力做的功W阻等于产生的内能Q，则
W阻＝Q＝Eh′－Ek0≈9.7×108J。
[答案] (1)4.0×108J 2.4×1012J
(2)9.7×108J
学习任务
1．知道能量有多种形式，知道能量守恒定律，但转化是有方向性的，能解释相关自然现象。
2．能对能源的使用和环境保护提出自己的观点，会用能量守恒、能量转化方向性相关的证据证明自己关于环境保护的观点，提出有创意的改进建议。
3．通过上网查询，提出如何保护环境，节约能源的问题，完成与能源和可持续发展相关的调研报告并进行交流，具有力所能及的节约能源、保护环境的自觉行为。
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
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按是否可再生
可再生能源
可循环使用、不断补充
水能、风能、潮汐能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气
按对环境污染情况
清洁能源
对环境基本没有污染
太阳能、风能、水能
污染能源
会严重污染环境
煤、石油、天然气
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