第6章 第1～3节 能量的多种形式 能量的转化与守恒 珍惜大自然（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理必修第三册（鲁科版2019）

第6章 能源与可持续发展 能量的多种形式 能量的转化与守恒 珍惜大自然 第 1~3 节 (强基课——逐点理清物理观念) 课标要求 1.了解利用水能、风能、太阳能和核能的方式。初步了解核裂变与核聚变。 2.了解可再生能源和不可再生能源的分类。 3.知道不同形式的能量可互相转化,在转化过程中能量总量保持不变,能量转化是有方向性的。 4.认识能源的过度开发和利用对环境的影响。 5.认识环境污染的危害,了解科学·技术·社会·环境协调发展的重要性,具有环境保护的意识和行为。 层级达标 学考 层级 1.了解能量的多种形式,能在实际问题中解决有关问题。 2.了解可再生能源与不可再生能源的分类方式,具有节约能源、保护环境的行为。 3.了解能量守恒定律,知道能量的转化与转移。 4.了解自然过程及能量转化具有方向性,了解熵的概念。 5.了解技术与社会及环境的关系。 选考 层级 1.知道能量的多种形式,综合应用所学的物理知识解决实际问题。 2.能对能源的使用和环境保护问题构建模型,进行研究,具有节约能源、保护环境的责任感。 3.理解能量守恒定律,能用能量守恒定律分析相关事实或结论。 4.能用能量转化的方向性分析解决实际问题。 1 逐点清(一)　能量及能源的分类 2 逐点清(二)　能量的转化　能量守恒定律 3 逐点清(三)　自然过程的方向性与熵 4 课时跟踪检测 CONTENTS 目录 3 模块综合检测 逐点清(一)　能量及能源的分类 1.多种形式的能量 (1)机械能:包括动能、_________、弹性势能等。 (2)内能:一切物体都具有内能,同一物体温度越高,具有的内能就______。 (3)电能:指电以各种形式_____的能力。 (4)光能:光具有的_____。 多维度理解 重力势能 越大 做功 能量 (5)化学能:储存在_____或燃料等物质中的能量。 (6)核能:由于物质的原子核结构__________而释放的能量。 2.可再生能源与不可再生能源 (1)能源的分类: ①一次能源:直接取自自然界、_____加工转化的能源。 ②二次能源:由一次能源_____转化而成的能源。 食物 发生变化 未经 加工 (2)可再生能源:在自然界____________的能源。 (3)不可再生能源:自然界中短期内__________的能源。 (4)光转化为能:光电转换、__________和光化学转换。 (5)发电方式:风能发电、地热发电、海洋能发电、生物发电、核能发电、氢燃烧发电等。 可循环再生 无法恢复 光热转换 [微点拨] 1.各种形式的能量 (1)动能:物体运动所具有的能量,均为正值,其变化量等于合外力对物体所做的功。 (2)重力势能:物体和地球组成的系统所具有的能量,其改变量等于重力所做的功。 (3)弹性势能:弹簧自身发生形变所储存的能量,其大小与弹簧的劲度系数和形变量有关。 (4)电势能:电荷和电场共有的能量,其性质与重力势能类似。 (5)分子势能:分子间具有的势能,由分子间的作用力和相互距离决定。 (6)内能:物体内所有分子无规则运动的动能和分子势能之和,温度越高,分子平均动能(所有分子动能的平均值)越大。 2.能源输出的能量 (1)化学能:人类最早利用的能量之一,如燃烧(产生内能)、食物(产生维持动物生命的能量)。 (2)电能:发电机将其他形式的能量转化为电能,输电线输送电能,用电器将电能转化为其他形式的能量。 (3)风能、太阳能、潮汐能、地热能等,均可利用技术手段转化为电能供人类使用。 (4)核能:原子核内部的能量,用于军事(核武器)和民用(核电站)。 1.判断下列说法是否正确。 (1)太阳能可以转化为内能。 ( ) (2)运转的发电机产生电能,它是一次能源。 ( ) (3)风能、水能都是可再生能源。 ( ) 全方位练明 √ × √ 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。 √ 3.可燃冰是一种天然气水合物的俗称,每立方米可燃冰可释放164 m3甲烷。那么可燃冰所含有的能量形式是 (　 ) A.核能　　 B.化学能　 C.风能　 D.太阳能 解析:可燃冰在燃烧的时候释放出内能,故可燃冰含有化学能,故B正确。 √ 逐点清(二)　 能量的转化　能量守恒定律 1.能量守恒定律:在一个孤立系统里,能量既不能凭空______,也不能凭空_____,它只能从一种式形______为其他形式,或者从一个物体______到其他物体,在转化或转移的过程中,能量的总量__________。 2.第一类永动机:不需要任何______或_____就能不停地运动,甚至对外做功的机器。 多维度理解 产生 消失 转化 转移 保持不变 动力 燃料 [微点拨] 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。 2.能量转化或转移的判断 3.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,一个物体增加的能量等于其他物体减少的能量。 [典例]　关于下列现象中的能量转化的说法正确的是 (　 ) A.在水平公路上行驶的汽车,发动机熄火之后,速度越来越小,最后停止,是机械能转化为内能 B.电风扇通电后开始转动,断电后转动着的风扇又慢慢停下来,是电能转化为机械能 √ C.火药爆炸产生燃气,子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去,射穿一块钢板,速度减小,是化学能转化为内能 D.用柴油机带动发电机发电,供给电动水泵抽水,把水从低处抽到高处,是电能转化为机械能 [解析]　在水平公路上行驶的汽车,发动机熄火之后,速度越来越小,最后停止,这一过程中,汽车所受的阻力做负功,机械能转化为内能,选项A正确;电风扇通电后开始转动,电流做功,电能一部分转化为机械能,另一部分转化为内能;断电后转动着的风扇又慢慢停下来,阻力做负功,机械能转化为内能,选项B错误;火药爆炸产生燃气,化学能转化为内能;子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去,推力做功,内能转化为机械能;子弹射穿一块钢板,速度减小,阻力做负功,机械能转化为内能,选项C错误;柴油的化学能转化为柴油机的机械能,再转化为发电机的电能,电能又通过电动水泵转化为机械能,选项D错误。 1.如图所示,一小孩从公园中粗糙的滑梯上自由加速滑下,其能量的变化情况是 (　 ) A.重力势能减少,动能不变,机械能减少 B.重力势能减少,动能增加,机械能减少 C.重力势能减少,动能增加,机械能增加 D.重力势能减少,动能增加,机械能守恒 全方位练明 √ 解析:小孩从粗糙滑梯上加速滑下,高度不断减小,重力做正功,重力势能减少,速度增大,动能增加。小孩在下滑过程中与滑梯摩擦生热,一部分机械能转化成内能,导致机械能总量减少,故A、C、D错误,B正确。 2.潮汐能是海水周期性涨落运动中所具有的能量,是一种可再生能源。现建立一个简化模型,某发电站大坝内储水水库的有效面积为S=4×106 m2,涨潮时,当大坝外侧海平面高度为h=4 m时(以海水流入前的水库水面为参考系),打开大坝下面通道的闸门,海水流入,此过程中通道处的水轮机利用水流的动能发电,直至大坝内外水面等高,关闭闸门。等到完全退潮后,开闸放水,再次发电,直至大坝内外水面再次相同,关闭闸门,等待下一次涨潮发电(此时的水库水面高度即为涨潮前的水库水面高度)。 A.4.0×1010 J　　　　　 B.1.5×1010 J C.3.0×1011 J D.1.5×1011 J √ 由于海洋很大,大坝外的海平面高度在海水流入、流出水库过程中几乎不变,潮水一天涨落两次,海水的势能有25%转化为电能,则这个发电站一天的发电量约为(取海水的密度ρ=1.0×103 kg/m3,重力加速度g=10 m/s2)(　 ) 解析:根据题意可得电能为E电=Ep×25%=4×106×4×1.0×103 ×10×2×4×25% J=3.2×1011 J,故日发电量约为3.0×1011 J,A、B、D错误,C正确。 逐点清(三)　自然过程的方向性与熵 1.自然过程的方向性 (1)能量转化和转移的方向性 ①在大多数自发情况下,能量最终都转化为_______,说明能量的转化具有________。 ②内能总是________从高温物体向低温物体转移,而不可能自动地、不引起任何变化地从_____物体向______物体转移。 多维度理解 内能 方向性 自动地 低温 高温 (2)第二类永动机 从单一热源中吸热使之__________有用功而不产生其他影响。 (3)自然过程的方向性 自然发生的与热现象有关的一切宏观过程都是有_______的不可逆过程。机械能可______转化为内能,反过来,内能不可能_______、不引起__________地完全转化为机械能。 完全变成 方向性 自动 自动地 任何变化 2.熵与地球家园 (1)熵的定义:处于不同状态的物体,分子运动的___________也不一样,为了描述这种差异,物理学中引入了熵。 (2)熵的作用:熵越高,就意味着系统越_____;熵越低,就意味着系统越______。 (3)能量中熵的含义:熵的增加就意味着______能量的增加,______ 能量的减少。 无序程度 无序 有序 无效 有效 [微点拨] 1.关于方向性的理解 (1)机械能与内能转化的方向性:机械能可以全部转化为内能,但内能不可以全部转化为机械能而不引起其他变化。机械能转化为内能不需要特定的装置,而内能要转化为机械能却很复杂。 机械能 内能 (2)热传递的方向性:内能总是自发地从高温物体向低温物体转移,而不能自发地从低温物体向高温物体转移。 高温物体 低温物体 2.对于“自发”的理解 (1)“自发”是指不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响,也就是指没有任何外界的影响或帮助。热量会从高温物体传向低温物体,这就是“自发”的方向。 (2)机械能可以全部转化为内能,这个过程是“自发”的方向,但相反的过程不可能自发地进行而不引起任何其他变化。 3.热机的效率 任何热机都不可能把从高温热源吸收的热量全部用来对外做功,总要向低温热源放出一部分热量,因此热机的效率一定小于100%。 4.对熵的理解 (1)熵的含义: ①熵是反映系统无序程度的物理量,系统越混乱,无序程度越大,这个系统的熵就越大。 ②在任何自然过程中,一个孤立系统的总熵不会减小,如果过程可逆,则熵不变;如果过程不可逆,则熵增加。 (2)对熵增的理解:熵值越大代表着越无序,所以自发的宏观过程总是向无序程度更大的方向发展。 (3)熵和系统内能一样都是一个状态函数,仅由系统的状态决定。从分子运动论的观点来看,熵是分子热运动无序(混乱)程度的定量量度。 (4)熵的增加意味着无效能量的增加。 1.判断下列说法是否正确。 (1)热量都自动地从高温物体向低温物体传递。 ( ) (2)热量不能从低温物体向高温物体传递。 ( ) (3)热量要从低温物体传到高温物体,必然要引起其他变化。 ( ) 全方位练明 √ × √ 2.关于能量的转化,下列说法正确的是 (　 ) A.因为能量守恒,所以“永动机”是存在的 B.摩擦生热的过程是不可逆过程 C.空调既能制热又能制冷,说明热传递不存在方向性 D.由于能量的转化过程符合能量守恒定律,所以不会发生能源危机 √ 解析:因为能量守恒及能量转化具有方向性,所以“永动机”是不存在的,A错误;机械能向内能转化时具有方向性,内能不可能自发地、不引起任何变化地转化为机械能,即摩擦生热的过程是不可逆过程,B正确;热传递在自发进行时有方向性,总是从高温物体传递到低温物体,空调既能制冷又能制热是因为消耗了电能,C错误;能量的转化过程虽然符合能量守恒定律,但是能量的转化过程是能量从一个较高的程度转化到一个较低的程度,可再次使用的能量减少了,因此要节约能源,D错误。 3.如图所示,在第一幅图片中积木按照一定的排列规则搭建成一个城堡的样子;在第二幅图片中积木无序排列。 (1)从有序性和无序性的角度说明两幅图片有何不同? 提示:在第一幅图片中所有的积木都是有序排列的,第二幅图片中积木都是无序排列的。 (2)两幅图片对应的宏观态有何不同? 提示:第一幅图片对应的宏观态是唯一的,第二幅图片对应的宏观态可能具有无数种。 课时跟踪检测 1 2 3 4 5 6 1.关于能源的开发和应用,下列说法中正确的是 (　 ) A.能源应用的过程就是内能转化为机械能的过程 B.化石能源的能量归根结底来自太阳能,因此化石能源永远不会枯竭 C.在广大的农村推广沼气前景广阔、意义重大,既能变废为宝、减少污染,又能大量节约能源 D.随着科学技术的发展,煤炭资源将取之不尽、用之不竭 √ 6 解析:能源应用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程,各种转化形式均可为人类服务,A错误;化石能源的能量虽然来自太阳能,但要经过数亿年的地质演变才能形成,且储量有限,为不可再生能源,B错误;在广大农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大,C正确;无论技术先进与否,煤炭资源都不可能取之不尽、用之不竭,D错误。 1 2 3 4 5 1 5 6 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 解析: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 3 4 √ 1 5 6 3.关于能量和能源,下列说法正确的是 (　 ) A.化石能源是清洁能源,水能是可再生能源 B.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创造 C.在能源的利用过程中,由于能量在数量上并未减少,所以不需要节约能源 D.能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能量的总量并不减小,但能量品质降低了 2 3 4 √ 1 5 6 解析:化石能源不是清洁能源,水能是可再生能源,A错误;人类在不断地开发和利用新能源,但是能量是不可以被创造的,B错误;能量耗散现象说明:在能量转化的过程中,虽然能量的总量并不减小,但能量品质降低了,所以仍需要节约能源,C错误,D正确。 2 3 4 1 5 6 4.共享单车是一种绿色出行的交通工具。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁,车锁内集成了卫星定位模块与联网模块等,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1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2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 (　 ) 2 3 4 1 5 6 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 2 3 4 √ 1 5 6 解析: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,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,是将光能转化为电能,故C项正确。 2 3 4 1 5 6 5.负重爬楼是消防队员的日常训练项目之一。某次“10层负重登顶”比赛中,质量为70 kg的消防员背着30 kg的重物,在50 s内由地面冲上了10层楼顶。假设每层楼高为3 m,重力加速度g取10 m/s2。下列说法正确的是 (　 ) A.楼梯对消防员的支持力做正功 B.消防员对重物做功为9 000 J C.消防员克服自身重力做功为3.0×104 J D.消防员登楼的平均功率为180 W 2 3 4 √ 1 5 6 解析:整个过程中,支持力的作用点没有发生位移,楼梯对消防员的支持力不做功,故A错误;重物重力势能增加ΔEp=mg·Δh=30×10×30 J= 9 000 J,则消防员对重物做功为9 000 J,故B正确;消防员重力势能增加ΔEp1=m1g·Δh=70×10×30 J=21 000 J,则消防员克服自身重力做功为21 000 J,故C错误;消防员登楼的平均功率为P= W=600 W,故D错误。 2 3 4 1 5 6 6.(20分)随着我国经济的发展,汽车数量迅猛增加,汽车排放的尾气造成的空气污染越来越严重。据有关资料统计,汽车尾气排放造成的空气污染目前已占整个污染源的一半以上。在这种情况下,目前正在研制开发的太阳能汽车具有更好的发展前景。如图所示是某研究所研制的太阳能汽车,它是利用太阳能电池板将接收到的太阳能转化为电能,再利用电动机来驱动的一种新型汽车。设太阳光照射到电池板上的辐射功率为7 kW。在晴朗的天气里,电池板对着太阳时产生的电压为160 V,并对车上的电动机提供 12 A 的电流,求: 2 3 4 1 5 6 (1)在这种情况下电动机消耗的电功率是多大; 答案:1 920 W 解析:电动机消耗的电功率 P=UI=160 V×12 A=1 920 W。 2 3 4 1 5 6 (2)如果这辆汽车的电动机将电能最终转化为机械能的效率为75%,当汽车在水平路面上匀速行驶时,受到的牵引力为180 N,则在1 min内这辆车行驶的距离。 答案:480 m 解析:由P=得,W电=Pt=1 920 W×60 s=115 200 J 由题意W机=ηW电=115 200 J×75%=86 400 J 2 3 4 1 5 6 又由W=Fs得,汽车行驶的距离 s== m=480 m。 2 3 4 模块综合检测 (单击进入电子文档) $$