1 1.能量 能量守恒定律 2.能源 3.环境保护与可持续发展-【金版新学案】2024-2025学年高中物理必修第三册同步课堂高效讲义配套课件（教科版2019）

1.能量　能量守恒定律　 2.能源　 3.环境保护与可持续发展 　　　　 第四章 能源与可持续发展 1.了解不同形式的能，如水能、风能、核能、太阳能。2.了解可再生能源和不可再生能源，一次能源和二次能源的分类。3.知道不同形式的能量可以相互转化，在转化过程中总能量保持不变。4.知道能量转化具有方向性。5.了解熵的概念。 素养目标 知识点一　能量、能量守恒定律 1 知识点二　能源 2 课时测评 4 随堂达标演练 3 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 知识点一　能量、能量守恒定律 返回 自主学习 情境导学　近几年流行一种“自发电电动车”(如图所示)，基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车，你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？ 提示：不能。 教材梳理(阅读教材P144－P147完成下列填空) 1．机械能的守恒与不守恒 (1)系统的机械能守恒的条件：只有______或弹力做功。 (2)系统的机械能不守恒的条件：除了重力和弹力做功外，还有其他力______。 (3)做功和机械能的变化 ①一个系统除重力或弹力以外，还有______做功，系统的机械能就会发生变化：如果外力做正功，系统的机械能______；反之则系统的机械能______。 ②一个系统除重力或弹力以外，还有其他______做功，系统的机械能会变化。 重力 做功 外力 增加 减少 内力 2．能量守恒定律 能量既不会凭空产生，也不会凭空______，它只能从一种形式______为另一种形式，或者从一个物体______到另一个物体，在转化或转移过程中其总量不变。这就是能量守恒定律。 消失 转 化 转移 合作探究 问题探究　 “神舟十一号”飞船返回舱进入地球大气层以后，由于它的高速下落，而与空气发生剧烈摩擦，返回舱的表面温度达到1 000摄氏度。 (1)进入大气层很长一段时间，返回舱加速下落，返回舱表面温度逐渐升高。该过程动能和势能怎么变化？机械能守恒吗？ 提示：势能减少；动能增加。机械能不守恒。 (2)返回舱表面温度越高，内能越大。该过程中什么能向什么能转化？机械能和内能的总量变化吗？ 提示：机械能转化为内能；不变。 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，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 例1 √ 1．能量守恒定律的重要意义 (1)能量守恒定律是普遍适用的，对宏观世界与微观世界、高速运动与低速运动等都成立。 (2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系，对人类认识自然、改造自然起着重要的指导作用。 (3)能量守恒定律彻底否定了第一类永动机的存在，即不需要任何动力和燃料，却能不断对外做功的机械是不可能存在的。 探究归纳 2．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。 3．利用能量守恒定律解题的基本思路 (1)分清有哪几种形式的能(如机械能、内能等)在变化。 (2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。 (3)列等式ΔE减＝ΔE增求解。 探究归纳 针对练1.如图是城市照明中常使用的“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。下列解释合理的是 A．光电池板是将电能转化为光能 B．照明灯是将内能转化为电能 C．小风扇利用风力发电，将机械能转化为电能 D．蓄电池夜晚放电，将电能转化为化学能 √ 这种新能源的路灯，“肩扛”太阳能电池板可以把太阳能转化为电能，A错误；照明灯消耗电能而发光，是将电能转化为光能，B错误；“头顶”的小风扇利用风力发电，是将机械能转化为电能，C正确；蓄电池在夜晚放电时，将化学能转化为电能，D错误。 针对练2.某偏远山区为了实现供电，自己修建了小型水利发电站，如图所示，若该发电站蓄水池平均每天蓄水的有效总库容量为786 m3，发电过程中上下水库平均水位差为64 m。则下列说法正确的是 A．若每天发电40 kW·h，则能源利用效率约为35% B．发电时下水库出水口的水流速度可达到36 m/s C．蓄水池中水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约139 kW·h D．平均每天所发电能可供10户居民同时用电(每户电功率为1.4 kW)约10 h √ 蓄水池中能用于发电的水的重力势能全部转化为电能，则每天能发电约 kW·h≈139 kW·h，故C正确；若重力势能全部转化为电能，平均每天所发电能可供10户居民同时用电时间t＝ ≈10 h，由于效率不可能达到100%，可供给10户居民用电时间小于10 h，D错误。 返回 知识点二　能源 返回 自主学习 情境导学　 (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？ 提示：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)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？ 提示：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。 教材梳理(阅读教材P149－P153完成下列填空) 1．能源的品质 (1)一切自发的过程都有一定的方向性。 ①地球表面的水都是从高处流向低处，除非由于某种作用而使水具有一定的向上的初速度。 ②热量总是从______物体传向______物体，或从物体的高温部分传向低温部分，除非有外界的某种作用存在，如空调机。 ③做功消耗的机械能可以全部转化为内能，但不能把消耗在空间的内能全部收集起来并重新全部转化为机械能，如摩擦生热。 (2)从人类对能量的利用的角度看，能量是有品质______之分的，内能(热能)是品质最低的能量。 高温 低温 高低 2．能源　能源的分类 (1)一次能源和______能源 ①一次能源又称为初级能源，是指那些直接取自自然界的未经加工、转换的能源，如原煤、______、天然气等。 ②二次能源：是指由一次能源经过加工、转换而形成的能源，如由原煤而生成的焦炭、______，由原油提炼而成的汽油等。 二次 原油 煤气 (2)可再生能源和非再生能源 ①可再生能源：如风能、水流能、太阳能等。 ②非再生能源：如______、______、________等，又称为化石能源。 (3)传统能源和新能源 ①传统能源：如煤炭、______、________等。 ②新能源：如水流能、风能、太阳能、地热能、______等。 煤炭 石油 天然气 石油 天然气 核能 合作探究 问题探究　仔细观察下列两幅图片，回答下面问题。 (1)人类社会能离开能源吗？ 提示：人的衣食住行离不开能源，人类社会的存在和发展离不开能源。 (2)能源的使用会对环境带来破坏吗？都有哪些破坏？ 提示：会；如大气污染、温室效应、酸雨等。 (3)为什么要开发新能源？目前开发的新能源都有哪些？ 提示：因为化石能源的资源有限，而且对环境有很大破坏，所以我们要开发新能源。目前开发的新能源有太阳能、风能、水流能、核能等。 (多选)(2024·江苏沭阳高二检测)2017年5月，我国首次海域“可燃冰”试采成功。可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，1 m3可燃冰可转化为164 m3的天然气和0.8 m3的水。下列关于可燃冰的说法正确的是 A．“可燃冰”是不可再生能源 B．“可燃冰”属于可再生能源 C．1 m3可燃冰比0.8 m3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 例2 √ √ 可燃冰属于不可再生能源，A正确，B错误；1 m3可燃冰可转化为164 m3的天然气和0.8 m3的水，C错误，D正确。 下列对“能量的耗散”理解正确的是 A.能量在转化过程中变少的现象叫作能量的耗散 B.能量的耗散表明，各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守 恒的 C.能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量的数量不断减少，而且可利用的品质降低了 D.能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散 √ 例3 能量的耗散过程中能量向品质低的能量转变，但是总的能量是守恒的，能量的数量并未减少，能量不能凭空产生，也不能凭空消失，但有方向性，机械能转化为内能后，我们无法将它们收集起来重新利用，D正确，A、B、C错误。 1．对“能量耗散和品质降低”的理解 (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，内能较机械能、电能等，是一种低品质的能量。由此可见，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。 探究归纳 2．地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能 探究归纳 针对练．(多选)以下说法正确的是 A．汽油是一种清洁能源 B．煤、石油、天然气是非再生能源 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 √ √ 汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成，A错误；水是可再生能源，C正确；煤、石油等储量是有限的，是非再生能源，B正确，D错误。 返回 随堂达标演练 返回 √ 1．不同的物理现象往往反映出相同的物理规律。如图所示的现象中在能量转化方面的共同点是 A．物体的机械能转化为其他形式的能量 B．物体的动能全部转化为重力势能 C．其他形式的能量转化为物体的机械能 D．物体的重力势能转化为其他形式的能量 题图中几种现象的共同特点是物体的机械能转化为其他形式的能量，选项A正确。 √ 2．(多选)下面关于能源的说法正确的是 A．一切能源是取之不尽，用之不竭的 B．能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等 C．大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源 D．核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大 √ 尽管能量守恒，但耗散的内能无法重新收集利用，所以能源是有限的，特别是常规能源，故A错误，B正确；常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大，故C正确，D错误。 √ 3．下列说法正确的是 A．随着科技的发展，永动机是可以制成的 B．太阳照射到地球上的光能转化成其他能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了 C．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的 D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生 永动机是不消耗或少消耗能量，可以大量对外做功的装置，违背能量守恒定律，A错误；能量不可能凭空消失，B错误；能量也不可能凭空产生，D错误；由能量守恒定律可知C正确。 4．某地平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的风叶转动时可形成半径为12 m的圆面。如果这个风车能将圆面内10%的气流动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？ 答案：3.4 kW 在t时间内作用于风车的气流质量m＝πr2vtρ 这些气流的动能为 mv2 转变成的电能E＝ mv2×10% 所以风车带动发电机的功率为P＝ ＝ πr2ρv3×10% 代入数据解得P＝3.4 kW。 返回 课 时 测 评 返回 1.下列有关能量的描述正确的是 A．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律 B．工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，该过程能量不守恒 C．滑块在粗糙的水平面上减速滑行，最终停了下来，动能消失，能量不守恒 D．同时做自由落体运动的物体，质量越大，势能减少越快，机械能减少也越快 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 “既要马儿跑，又让马儿不吃草”，其中的“草”其实是马儿的能量，这当然是不科学的，违背了能量的转化和守恒定律，故A正确；工作中的电风扇，消耗的电能大于输出的机械能，是因为电风扇电机有内阻，工作时发热也要消耗电能，但总的过程能量守恒，故B错误；滑块在粗糙的水平面上减速滑行，通过克服摩擦力做功，动能转化成滑块与地面的内能散失在空气中，最终停了下来，该过程能量守恒，故C错误；做自由落体运动的物体，在下落过程中，物体减少的重力势能转化成物体的动能，质量越大，下落过程中势能减少越快，但机械能守恒，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 2.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 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。故选A。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 3．下列能源中，不是“可再生”能源的是 A．太阳能 B．天然气 C．风能 D．潮汐能 根据可再生和非再生能源的区别，可知：煤、石油、天然气等化石能源是短时间内不能再次产生的，是非再生能源；太阳能、潮汐能、风能等在短时间内可以再次产生，是可再生能源，故A、C、D错误，B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 4．下列哪些现象属于能源的耗散 A．利用水流的机械能发电产生电能 B．电能在电动机中变成机械能 C．电池的化学能变成电能 D．火炉把屋子烤暖 能量耗散主要指其他形式的能量最终转化为环境的内能后，不能再被收集起来重新利用。故选D。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 5．关于能源的利用和节约，下列说法正确的是 A．根据能量守恒定律，能源的利用率应该是100% B．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 C．节约能量只要提高节能意识就行，与科学进步无关 D．在能源的利用中，总会有一部分能源未被利用而损失掉 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 能源的使用在任何情况下都不可能达到理想状态，做到没有任何损失，虽然遵从能量守恒定律，但它指的是损失部分和被利用部分总和与原来的能量总量相等，A错误，D正确；根据能量转化的方向性可知，能量经转化后，可利用的能只可能减少，不可能增加，因此节能的意义重大，同时，只有节能意识是不够的，必须利用科技手段来提高能源的利用率，不断开发新能源，以满足人类社会可持续发展的需要，B、C错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 6．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 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错误，B、C、D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 7．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 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，A正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ 8. (2024·四川泸州高二校考期末)如图是一幅“能源分类相关图”，以下四组能源中，全部符合图中阴影部分的是 A．煤炭、石油、沼气 B．水能、潮汐能、天然气 C．太阳能、风能、生物能 D．地热能、海洋能、核能 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 符合图中阴影部分的应是来自太阳辐射能的可再生新能源。煤炭、石油、沼气都是非再生能源，故A错误；天然气是一种化石燃料，是非再生能源，故B错误；太阳能、风能、生物能都是可再生新能源，都来自于太阳能，故C正确；地热能来源于地球内部的热量，核能是指核裂变或聚变时产生的光能和热能，不是源于太阳能的辐射，故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 9．现有一显示屏是由某种型号的LED灯组成的，每只灯在不同电压下发出不同颜色的光，发光时的工作电流均为20 mA，当电压为1.4 V时发红光；当电压为1.8 V时发黄光；当电压为3.2 V时发蓝光。已知该显示屏面积为3 m2，1 m2灯的数量为1.0×104个，则当整个显示屏所有LED灯都发光时，LED灯的总功率最接近 A．1.0×102 W　 B．1.0×103 W C．1.0×104 W　 D．1.0×106 W √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 当LED灯发蓝光时，两端的电压U＝3.2 V，通过的电流I＝20 mA＝0.02 A，则每个LED灯的电功率P＝UI＝3.2×0.02 W＝0.064 W。1 m2灯的数量为1.0×104个，若电压为3.2 V，则总功率P总＝nP＝3.0×104×0.064 W＝1 920 W，可知在四个选项中，最接近的是B选项。故B正确，A、C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 √ √ 10．(多选)石油、煤、天然气等是非再生的能源，人类无节制地使用和开采这些能源，不但破坏环境，还会导致能源枯竭。下列措施有助于缓解能源危机的有 A．用木材代替煤，进行火力发电 B．将高能耗企业从发达地区转移到欠发达地区 C．少开汽车，多骑自行车或搭乘公共交通工具出行 D．大力开发风力发电，减少火力发电 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 用木材代替煤，进行火力发电，不能减少电能的消耗，也不能减少燃料的使用，不能做到节能减排，无助于缓解能源危机、保证可持续发展，故A错误；将高能耗企业从发达地区转移到欠发达地区，不能减少化石燃料的使用，也不能做到节能减排，无助于缓解能源危机、保证可持续发展，故B错误；少开汽车，采取骑自行车或搭乘公交车，可减少污染物的排放，减少化石能源的使用，有助于缓解能源危机，保证可持续发展，故C正确；大力开发风力发电，减少火力发电，可减少污染物的排放，减少化石能源的使用，有助于缓解能源危机，故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 11.质量为m的物体以初速度v0沿水平面向左开始运动，起始点A与一轻弹簧O端相距s，如图所示。已知物体与水平面间的动摩擦因数为μ，物体与弹簧相碰后，弹簧的最大压缩量为x。则从开始碰撞到弹簧被压缩至最短，物体克服弹簧弹力所做的功为 A． mv －μmg(s＋x)　 B． mv －μmgx C．μmgs　 D．μmg(s＋x) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 12．(6分)如图表示的是利用潮汐发电的简单示意图，左方为陆地和海湾，中间为大坝，其下有通道，水经通道可带动发电机。涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同，堵住通道如图甲所示；潮落至最低点时放水发电，如图乙所示；待内外水面高度相同，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又放水发电，如图丙所示。设海湾面积为1.0×108 m2，高潮与低潮间高度差为4.0 m，则一天内水流的平均功率为______ MW。(g取10 m/s2，每天两次涨潮，四个发电时间段) 370 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力mg＝ρShg＝1.0×103×1.0×108×4×10 N＝4×1012 N。 其重心高度变化为h′＝ ＝2 m 每次落潮海水重力势能的减少量 ΔEp＝mgh′＝4×1012×2 J＝8×1012 J 一天内水流的平均功率 P＝ ＝ W≈3.7×108 W＝370 MW。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 13．(10分)如图是一种太阳能草坪节能灯，太阳能电池板供一只“10 V　9 W”电子节能灯工作，若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3 m2，平均1小时得到的太阳辐射能为4×105 J，太阳光平均一天按8小时计算，恰好可以供电子节能灯工作10小时。求：(结果保留整数) (1)太阳能节能灯的能量转化情况； 能量转化：太阳能→电能→光能(热能)。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率大约是多少？ 答案：370 W 太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率 P＝ W≈370 W。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 (3)太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？ 答案：10% 节能灯利用太阳能的效率 η＝ ×100%≈10%。 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 谢 谢 观 看 ！ 第四章 能源与可持续发展 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 蓄水池中能用于发电的水的重力势能为Ep＝ mgh＝ρVgh＝1.0×103×786×10×64 J≈5.0 ×108 J，则能源利用效率η＝＝ ＝28.8%，A错误；若没有任何阻力，由机械能守恒得mgh＝mv2，可得v＝＝ m/s≈36 m/s，由题知，水流下的过程中受到阻力，所以发电时流入下水库的水流速度小于36 m/s，故B错误； 由能量守恒定律可知，物体的初动能mv一部分用于克服弹簧弹力做功，另一部分用于克服摩擦力做功，故物体克服弹簧弹力所做的功为mv－μmg(s＋x)，故A正确。 $$