第2、3、4节 能源的利用方式 能量的转化与守恒 能源与环境（课件PPT）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（粤教版）

第二、三、四节　能源的利用方式 能量的转化与守恒 能源与环境 核心素养导学 物理观念 (1)列举各种实例，说明能量是如何转化的，解释能量守恒定律的含义。 (2)通过实例分析知道能量耗散，认识自然界中能量转化的方向性。 科学态度与责任 (1)收集资料，讨论能源的开发与利用所带来的环境污染问题，认识环境污染的危害，思考科学、技术、社会、环境协调发展的关系，具有环境保护的意识和行动。 (2)了解太阳能、水能、核能和风能等能源的开发利用，知道利用能源是人类生存和社会发展的必要条件之一。 (3)知道人类利用的能源有可再生能源和不可再生能源，认识合理使用能源的重要性，具有可持续发展观念，养成节能的习惯。 一、能源的利用方式 1．水能：是一种能源，是指水体的______、势能和压力能等能量资源，主要用于_________。水能资源最显著的特点是可再生、_______。 2．风能：是因空气流动而提供给人类的一种可利用的能量。风力发电是利用_____带动风车叶片旋转，把风的动能转变为风车叶片的________。风能是一种清洁、安全、_______的绿色能源。 3．太阳能：对太阳能的利用主要有太阳能的__________、光电转换和光化学转换。利用太阳能发电，可省去费用庞大的输电设备，随着___________转换效率的提高及制作成本的降低，前景非常诱人。 动能 水力发电 无污染 风力 可再生 光热转换 太阳能电池 机械能 4．核能：是一种储存在____________的能量，原子核发生核反应时，会释放巨大的能量。目前核能主要用于______。 二、能量的转化与守恒 1．各式各样的能量：自然界中存在不同形式的能量，有机械能、_____、电能、电磁能、核能、化学能。 2．能量的转化和转移：能量的存在形式多种多样，不同形式的能量可以相互_____。 3．能量守恒：能量既不会凭空产生，也不会凭空_____，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_________；在转化和转移过程中其_________。 原子核内部 发电 内能 转化 消失 别的物体 总量不变 4．能量转化(转移)的方向性：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是能自发进行的，而其相反方向的过程是_____自发进行的。在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有_______的，但都不违反能量守恒定律。 三、能源与环境 1．能源的分类：按能源的基本形态分类，有_________和二次能源；根据能源消耗后是否造成环境污染，可分为____________和清洁型能源；根据能源使用的类型，可分为_________和新型能源等。 2．能源与环境：对_________的影响，对_________的影响，对_________的影响。 不能 方向性 一次能源 污染型能源 常规能源 大气环境 生态环境 居住环境 1．(1)请你将两手手心对着压紧，用力来回快速摩擦10～15 s(如图)， 有什么感觉？想想看，在这一过程中能量发生了怎样的转化或 转移？这些能量的转化或转移是有方向性的吗？ 提示：发热；机械能转化为内能；有。 (2)平时生活中我们常说，热量能从高温物体传给低温物体，这体现 了能量传递的方向性，而电冰箱是让“热”由低温环境传递到高温 环境。这是不是与能量传递的方向性矛盾呢？说明理由。 提示：不矛盾，电冰箱能够把热量从低温环境传递到高温环境，在该过程中电冰箱要消耗电能。一旦切断电源，电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了，相反，外界的热量会自发地传给电冰箱，使其温度逐渐升高。 2．可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，1 m3 的可燃冰可转化为164 m3的天然气和0.8 m3的水。试对以下结论作出判断。 (1)可燃冰是不可再生能源。 ( ) (2)1 m3的可燃冰比0.8 m3的水质量小。 ( ) (3)不可再生能源在利用过程中加剧了温室效应现象。 ( ) √ × √ 新知学习(一)|对能量守恒定律的理解 [任务驱动] (1)在验证机械能守恒定律的实验中，计算结果发现，重物减少的重力势能的值总大于增加的动能的值，即机械能的总量在减少。机械能减少的原因是什么？减少的部分机械能是消失了吗？ 提示：机械能减少的原因是由于要克服摩擦阻力和空气阻力做功，机械能转化成了内能；减少的部分机械能并没有消失。 (2)请说明下列现象中能量是如何转化或转移的？ ①植物进行光合作用。 ②放在火炉旁的冰融化变热。 ③电流通过灯泡，灯泡发光。 提示：①光能转化为化学能。 ②内能由火炉转移到冰。 ③电能转化为光能。　　　　 [重点释解] 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，例如流动的河水、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。 [针对训练] 1．据报道，一位设计师设计出一款以可乐来发电的概念手机，手机设计的核心是一片生物电池，利用酵素把碳水化合物转化为电力。下列说法正确的是 (　 ) A．“可乐手机”是将可乐的化学能转化为电能 B．“可乐手机”是将电能转化为水和氧气的化学能 C．在能量转化过程中，必须摇动手机，否则不发生转化 D．“可乐手机”虽然用到了可乐，但是工作过程直接利用了充电后的电能，不存在能量转化问题 解析： “可乐手机”是将可乐的化学能转化为电能，对手机供电，故A正确，B、D错误；“可乐手机”是将可乐的化学能转化为电能，是利用化学反应，不需要摇动手机，故C错误。 答案：A　 2． (2023·广东珠海调研)(多选)下面设想符合能量守恒定律的是(　 ) A．利用核动力，驾驶地球离开太阳系 B．做一条船，利用流水的能量逆水行舟 C．通过太阳照射飞机，即使飞机不带燃料也能飞行 D．利用永久磁铁间的作用力，造一台永远转动的机械 12 解析：利用核动力，核能提供能量，驾驶地球离开太阳系，符合能量守恒定律，故A正确；让船先静止在水中，设计一台水力发电机使船获得足够电能，然后把电能转化为船的动能使船逆水航行，符合能量守恒定律；同理可利用光能的可转化性和电能的可收集性，使光能转化为飞机的动能，实现飞机不带燃料也能飞行，符合能量守恒定律，故B、C正确；利用永久磁铁间的相互作用，制成一台机器，不消耗能量而不停地转动，不符合能量守恒定律，故D错误。 答案： ABC 　 13 新知学习(二)|能量及其开发和利用 [重点释解] 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 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、潮汐能 污染能源 会严重污染环境 煤、石油、天然气 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。 (4)常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物。 [典例体验] [典例]　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 [解析]　煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源无法在短期内再生，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。 [答案]　D [针对训练] 1．(2022·广东1月学考)我国计划在2060年达到“碳中和”目标，到时生产、生活排放的碳总量与植被吸收的碳总量将达到平衡，为了实现这一目标。 未来四十年我国应减少使用的能源是 (　 ) A．水能 B．石油能源 C．太阳能 D．风能 解析：水能、风能、太阳能属于清洁能源，使用过程污染少，环保；而石油能源属于污染能源，使用过程中向空气中排碳，污染严重，所以我国应减少使用石油能源，A、C、D错误，B正确。 答案：B 2．下面所列电池或电站，能把光能转换成电能的是 (　 ) A．干电池 B．太阳能电池 C．核电站 D．水电站 解析：干电池将化学能转化为电能，故A错误；太阳能电池可以直接将光能转化为电能，故B正确；核电站将核能转化为电能，故C错误；水电站将水的机械能转化为电能，故D错误。 答案：B 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 物理观念——能量转化与守恒 1．(选自鲁科版教材“物理聊吧”)如图是用一台蒸汽机和一台发 电机建立的模型发电站，将这个模型发电站与小灯泡连接起来， 就可以供电了。 请分析该模型发电站工作时各种形式的能量是如何转化的。 提示：蒸汽机将蒸汽的内能转化为蒸汽轮机的机械能，蒸汽轮机带动发电机转动，将机械能转化为电能使小灯泡发光，小灯泡发光将电能转化为光能和内能。 科学思维——能量守恒定律的应用 2．(选自沪科版教材课后练习)人体在最佳状态下只能把其化学能的25%转化为有用的机械能。假设一位质量为60 kg的同学有这样的转化效率，他登山时平均每小时登高400 m，那么，在3 h内，该同学共消耗了多少化学能？g取10 m/s2。 答案：2.88 ×106 J 科学态度与责任——西电东送 3．(选自教科版教材“发展空间”)“西电东送”工程是西部大开发的标志性工程，也是西部大开发的骨干工程。“西电东送”指开发贵州、云南、广西、四川、内蒙古、山西、陕西等西部省区的电力资源，将其输送到电力紧缺的广东、上海、江苏、浙江和京津唐地区。 我们国家地域辽阔，能源资源分布极不均匀，煤炭资源的69% 集中在“三西”地区(即山西、陕西和内蒙古西部)和云南、贵州，水能资源的77%分布在西南和西北地区。经济较发达的东部沿海地区能源资源匮乏，用电负荷却相对集中。开发西部的水电和煤炭资源，实施“西电东送”是中国电力工业发展的必然选择，是变西部资源优势为经济优势，满足东部地区电力需求，促进东、西部地区协调发展的重要举措。 “西电东送”形成北、中、南三路送电线路。北线由内蒙古、陕西等省区向华北电网输电，尤其向京津唐地区送电；中线由四川、重庆等省市向华中、华东电网输电；南线由云南、贵州、广西等省区向华南输电。 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1． 1．白鹤滩水电站是我国实施“西电东送”的国家重大工程。电站装机总容量为1 600万千瓦，仅次于三峡工程，位居世界第二。下列理解正确的是(　 ) A．水电站发电过程中凭空产生了能量 B．水电站发电过程中机械能转化为电能 C．水能是可再生能源，不需要节约能源 D．水电站发电过程中能量是守恒的，不需要节约能源 解析：根据能量守恒定律可知，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，A错误；水电站发电过程中机械能转化为电能，B正确；水能是可再生能源，可循环利用，但地球上可以利用的淡水资源是有限的，因此需要节约水资源，C错误；水电站发电过程中能量是守恒的，但不是所有能量都能被人类利用，自然资源也是有限的，因此需要节约能源，D错误。 答案：B　 2．(2023·浙江1月学考) 如图所示，我国东海大桥两侧将建成海上风力发电场。每台风力发电机的叶片转动时可形成半径为r的圆面，当地风向可视为与叶片转动的圆面垂直，发电机将此圆面内气流动能转化为输出电能的效率为η＝20%。风速在15～20 m/s范围内，η可视为不变。已知风速v＝15 m/s 时每台发电机输出电功率为3 000 kW，空气的密度为ρ＝1.3 kg/m3，则(　 ) 答案：B　 解析：登山时，60 kg的同学3 h内增加的重力势能为： Ep＝mgh＝60×10×400×3 J＝7.2×105 J。 消耗的化学能E＝＝2.88 ×106 J。 A．单位时间内经过每台发电机叶片圆面的气流动能为ρπr2v2 B．当风速为20 m/s时每台发电机的输出电功率约为7 100 kW C．每台发电机叶片转动时形成的圆面半径r约为21 m D．若每年有4 000 h风速在15～20 m/s，则每台发电机年发电量至少为1.2×106 kW·h 解析：单位时间内经过每台发电机叶片圆面的气流动能为Ek＝mv2＝ρVv2＝ρπr2v3t，选项A错误；风速v＝15 m/s时每台发电机输出电功率为3 000 kW，当风速为20 m/s时每台发电机的输出电功率约为P′＝×3 000 kW≈7 100 kW，选项B正确；由Ek＝ρπr2v3t，可得发电机输出电功率为P＝ρπr2v3η，则r＝，代入数据可得r≈47 m，选项C错误；每年有4 000 h风速在15～20 m/s，则每台发电机年发电量至少为E＝Pt＝1.2×107 kW·h，选项D错误。 $$