第4章 1 能量 能量守恒定律 2 能源 3 环境保护与可持续发展-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理必修第三册同步导学案配套PPT课件（教科版）

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 [学习目标]　1.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。2.了解不同形式的能:水能、风能、核能、太阳能。3.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。4.知道能量转化具有方向性。 课时作业 巩固提升 要点1　能量、能量守恒定律 要点2　能量的分类 要点3　环境保护与可持续发展 内容索引 要点1　能量、能量守恒定律 一 4 梳理 必备知识 自主学习 1.机械能的守恒与不守恒 (1)守恒条件:对系统,只有重力或　　　做功。  (2)机械能不守恒的情形 除重力、弹力外其他力做　　　,机械能增加,  除重力、弹力外其他力做　　　,机械能减少。  弹力 正功 负功 2.能量守恒定律 能量既不会凭空产生,也不会凭空　　　,它只能从一种形式转化为另一种形式,或者从一个物体　　　到别的物体,在转化或转移的过程中其总量　　　。这就是能量守恒定律。  3.能量守恒定律意义 (1)是整个自然科学的　　　规律,是19世纪自然科学的三个伟大发现之一。  (2)它指出永动机不可能成功。 消失 转移 不变 基本 [思考与讨论] 有人发明了一种“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:仅靠这种方式,不能使电动车持续运动下去。因为靠这种方式,只能将电动车的一部分能量收集起来,但电动车运动时受到的摩擦力不断把电动车的机械能转化为内能,根据能量守恒定律,要想使电动车持续运动下去,必须给电动车补充新的能量。 1.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。 2.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。 归纳 关键能力 合作探究 [典例1]　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 C 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,故A项错误;能量不可能凭空消失,故B项错误;能量也不可能凭空产生,故C项正确,D项错误。 [针对训练]　1.(多选)关于“能量耗散”的下列说法中,正确的是(　　) A.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 B.能量在转化过程中变少的现象叫能量的耗散 C.能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量的数量并未减少,但是能量可利用的品质降低了 D.能量耗散表明,各种能量在不转化时是守恒的,但在转化时是不守恒的 AC 能量耗散的过程中能量向品质低的大气内能转变,但是总的能量是守恒的,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,故A、C项正确。 二 要点2　能量的分类 14 1.根据研究对象划分 (1)在力学中,讨论和研究的是宏观物体的运动,对应的能量是　　　　。  (2)在热学中,我们讨论和研究的是由大量微观粒子(分子)组成的热力学系统,对应的能量主要是　　　(包括分子动能和　　　 　　)。  (3)在电磁学中,我们讨论和研究的是电场、磁场及其与电荷、电流的相互作用,对应的能量主要是　　　　。  梳理 必备知识 自主学习 机械能 内能 分子势能 电磁能 2.根据物质的运动形式划分 机械运动对应着　　　　;热运动,即分子的无规则运动对应着　　　;电磁运动对应着　　　　;化学变化,即原子的外层电子变动,对应着　　　　　;原子核的变化对应着　　　。  机械能 内能 电磁能 化学能 核能 [思考与讨论] 如图所示是我国能源结构的统计图。请总结出我国能源结构或能源现状的规律,并提出解决这种现状的合理化建议。 提示:我国的能源结构主要以煤为主;我国的能源消耗中,不可再生能源占据的比例过大,结构不合理;我国能源消耗中可再生能源的比例过小。建议:节能降耗;开发新能源;开发可再生能源(如太阳能、风能等)。 [典例2]　关于能源的开发和应用,下列说法正确的是(　　) 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,又能节约大量能源 D.随着科学技术的发展,煤炭资源将取之不尽、用之不竭 归纳 关键能力 合作探究 C 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,故A项错误;化石能源的能量虽然来自太阳能,但要经过很长时间的地质演变才能形成,且储量有限,为不可再生能源,故B项错误;在广大农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大,故C项正确;无论技术先进与否,煤炭资源不可能取之不尽、用之不竭,故D项错误。 [针对训练]　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意。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 太阳能电池板将太阳能转化为电能,然后对小电动机供电,小电动机再将电能转化为小电扇快速转动的机械能,故A正确,B、C、D错误。 三 要点3　环境保护与可持续 发展 23 1.人类对能源的利用大致经历了三个时期,即　　　时期、　　　时期、　　　时期。  2.人类社会可持续发展的核心是追求发展与　　　、　　　的平衡。人类要树立新的能源　　　　,转变能源的供需模式:既要提倡　　　,又要发展　　　　能源以及天然气、清洁煤和核能等　　　能源。  梳理 必备知识 自主学习 柴薪 煤炭 石油 资源 环境 安全观 节能 可再生 清洁 [思考与讨论] 如图所示是锅炉工作时的外景,从节约能源和环境保护角度来看,分析存在的主要问题是什么? 提示:从题图中的浓烟滚滚,可以发现存在主要问题有两个:一是燃料燃烧不充分,且烟气带走大量的热量,造成能量损失;二是造成大气污染。 1.能源的开发与利用关系图 归纳 关键能力 合作探究 2.环境问题 (1)温室效应:由于大气中温室气体(二氧化碳、甲烷等)含量增大而形成的。主要原因是煤炭和石油的大量消耗而产生的废气。 (2)酸雨:大气中的酸性物质,如二氧化硫、氮氧化物等,在降雨过程中溶入雨水,使其成为酸雨。 (3)光化学烟雾:氮氧化物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强烈的紫外线照射后产生的二次污染物质。 (4)浮尘:常规能源燃烧时会产生大量的浮尘。 [典例3]　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。 [针对训练]　3.(多选)二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用,地球表面发出的长波辐射到大气层以后被二氧化碳截获,最后使大气升温。大气中的二氧化碳像温室的玻璃一样,只准太阳的热辐射进来,不让室内的长波辐射出去,大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应。这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点,根据这种观点,以下说法能成立的是(　　) A.在地球形成的早期,火山活动频繁,排出大量二氧化碳,当时地球的温度很高 B.经过漫长的时间,地壳的岩石和二氧化碳发生了化学反应,导致二氧化碳减少,地球上出现了生命 C.由于工业的发展和人类的活动,导致二氧化碳在空气中的含量增大,地球上的气温正在升高 D.现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加,使电能和其他形式的能转化为内能 答案:ABC 地球形成的早期,地壳不如现在牢固,地球不如现在稳定,火山活动频繁,符合地质的发展规律,由于火山的喷发,排出大量的二氧化碳,进而导致当时的地球气温升高,选项A正确;由于多种原因,其中包括岩石中的矿物成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应,使地球上的岩石进一步分化,最后形成土壤,二氧化碳减少,形成了适合生命生存的条件,选项B正确;由于工业的发展和人类的活动,大量的使用常规能源,导致二氧化碳在空气中的含量增大,地球上的气温正在升高,选项C正确;生活用电和工业用电是电能向其他形式的能的转化,会产生热,但不是温室效应的主要原因,选项D错误。 四 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [A组　基础巩固练] 1.崔先生向客户推荐他设计的“超级推进器”,该推进器由超导体、激光器、制冷剂以及计算机控制系统组成,其神奇之处在于能通过自身的循环工作,源源不断地获得动力,而不需要消耗任何能源。事实上,这是不可能实现的,因为他的设计违反了(　　) A.质量守恒定律　　　　　 B.电荷守恒定律 C.机械能守恒定律 D.能量守恒定律 D 13 任何机器只能转换能量存在的形式,并不能制造能量,题目中的装置是一种永动机,它违背了能量守恒定律,故D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 2.目前,共享单车作为绿色出行的交通工具,成为一种时尚。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, 下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 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 答案:C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 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,故是将光能转化为电能。故A、B、D错误,C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 3.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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 13 小孩加速滑下,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,导致小孩机械能总量减少,故B正确,A、C、D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 4.下列关于能源的说法正确的是(　　) A.由于能量不会凭空消失,也不会凭空产生,总是守恒的,所以节约能源意义不大 B.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能 C.节约能源只要提高节能意识就行,与科技进步无关 D.水能是不可再生能源 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 13 高度可用的能量会转化为不能利用或不易利用的能源,这样会减少可利用能源的数量,因此应该节约能源;煤、石油、天然气等是化石燃料,是由古代动植物遗体转化来的,而动植物体内的能量最初都可以追溯到太阳能;加强发展科技,提高能源的利用率,可以更多地节约能源;水具有循环性,水能属于可再生能源,综上,B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 5.关于“节约能源”下列说法正确的是(　　) A.由于自然界的能量的总和是守恒的,所以节约能源是毫无意义的 B.浪费能源只是浪费个人金钱,对整个社会和自然界是无关紧要的,因为能量是守恒的 C.从能量转化的角度看,自然界中宏观过程是有方向性的,能量的利用受这种方向性的制约,所以“节约能源”对人类社会发展有很大影响 D.上述说法都是错误的 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 13 能量虽然守恒,但能量耗散现象表明能量的转化具有方向性,在利用能量的过程中能量的品质降低了,故需要节约能源,A、B、D错误,C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 [B组　综合强化练] 6.关于能源的利用,下列说法不正确的是(　　) A.由于我国煤和石油的储量十分丰富,所以太阳能和核能的开发在我国并不十分重要 B.能源的利用过程,实质上是能的转化和传递过程 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 13 煤、石油、天然气等化石燃料都可追溯至远古时期储存的太阳能,不可再生,不久的将来都要枯竭,同时,大量使用这类燃料对环境的破坏非常严重,所以太阳能和核能的开发十分重要,故A不正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 7.作为新型燃料,从环保的角度来看,氢气具有的突出特点是(　　) A.氢气存在自然界里 B.氢气轻且便于携带 C.氢气燃烧污染较小 D.氢气燃烧发热量高 氢气燃烧生成物是水,所以对环境污染较小,A、B、D错误,C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 13 8.(多选)煤是重要的能源和化工原料,直接燃烧既浪费资源又污染环境。最近,某企业利用“煤粉加压气化制备合成新技术”,让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%),把煤“吃干榨尽”。下列有关说法正确的是(　 　) A.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化 B.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化 C.该技术实现了煤的清洁利用 D.该技术实现了煤的高效利用 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 ACD 13 煤粉加压气化制备合成气中既有物理变化,又有化学变化,A正确,B错误;该技术使煤得以良好利用又环保,C、D正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 9.针对图中工厂烟囱向空中排放大量废气的现象, 下列说法中,错误的是(　　) 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 13 排放废气浪费能源,引起能量耗散但不违反能量守恒定律,故A错误,符合题意,B正确,不符合题意;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,不符合题意;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,不符合题意。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 10.(2024·扬州期中)PM2.5主要来自化石燃料、生活物资、垃圾的焚烧,为了控制污染,要求我们节约及高效利用资源。关于能源和能量,下列说法正确的是(　　) A.自然界的石油、煤炭等资源可供人类永久使用 B.能量被使用后就消灭了,所以要节约资源 C.人类应多开发与利用太阳能、风能等新能源 D.能量耗散说明自然界的能量正在不断减少 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 13 煤炭、石油虽然是当今人类利用的主要能源,但不能短期内从自然界得到补充,是不可再生能源,故A错误;能量被使用后转化为其他形式的能,能量并没有消失,故B错误;太阳能和风能,包括水能等都是可再生能源且为清洁能源,应该尽量开发与利用,故C正确;能量是不会减少,也不会被消灭掉的,只是形式发生转变,故D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 11.如图所示是我国某风能发电基地,全球可利用的风能为2×107 MW(1 MW=106 W),比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍,我国风能资源总储量约1.6×105 MW。2012年7月4日装机容量达到2 250万千瓦的三峡水电站,已成为全世界最大的水力发电站和清洁能源生产基地。下列说法正确的是(　　) A.风力发电是把风的内能转化为电能 B.我国风能资源总储量约为7个三峡水电站 的装机容量 C.风力发电过程违反能量守恒定律 D.水能和风能都是清洁能源且都是不可再生能源 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 13 风力发电是把风的机械能转化为电能,A错误;我国风能资源总储量约1.6×105 MW=1.6×1011 W,三峡水电站的装机容量为2 250万千瓦,即2.25×1010 W,因此我国风能资源总储量约为7个三峡水电站的装机容量,B正确;风力发电是把风的机械能转化为电能,不违反能量守恒定律,C错误;水能和风能都是清洁能源且都是可再生能源,D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 13 [C组　培优选做练] 12.抽水蓄能电站是利用用电低谷期的多余清洁能源进行抽水,在用电高峰期的时候代替部分火力发电。浙江是抽水蓄能电站已建和在建较多的省份,其中丽水缙云的抽水蓄能电站预计2026年全部投产发电,该电站设计年抽水电量24亿千瓦时,设计年发电量为18亿千瓦时,大大减少了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等排放,具有显著的环境效益和经济效益,被称为“超级绿色蓄电池”。若火力发电厂平均每千瓦时供电耗煤约为320 g标准煤,而每吨标准煤产生的二氧化碳为2 620 kg,则该蓄电站建成后每年可减少二氧化碳的排放量约为(　　) A.15万吨 B.150万吨 C.20万吨 D.200万吨 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 13 根据题意可知抽水蓄能电站年发电量为18亿千瓦时,若使用煤供电,则这些电量需要煤的质量为m=18×108×0.32 kg=5.76×108 kg,抽水蓄能电站建成后每年可减少二氧化碳的排放量为M=2 620×5.76×108×10-3 kg ≈1.5×109 kg=150万吨,B正确。 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.(2024·广东深圳期末)太阳能及风能是清洁能源,我国已经建成众多的太阳能及风力发电场。风力发电是利用风的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的。某风力发电场安装有2台超大型风力发电机,每片扇叶长达80 m,该地区常年的平均风速v=5.0 m/s,风向跟叶片转动的圆面垂直,空气的密度ρ=1.25 kg/m3,风力发电机的叶片转动时可形成半径R=80 m的圆面。已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的10%转化为电能。 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (1)求每台风力发电机的发电功率P。 答案:(1)1.57×105 W　 (1)设单位时间(t0=1 s)内通过每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气的体积为V、动能为Ek,则有V=πR2vt0,Ek=ρVv2,Pt0=10%Ek 解得P=1.57×105 W。 13 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (2)已知标准煤的热值q=3.0×107 J/kg,则该风力发电场年发电量相当于燃烧多少标准煤产生的热量? 答案: (2)3.30×105 kg (2)2台风力发电机发电的功率为2P,年发电时间t=365×24×3 600 s 设年发电量为E,则有E=2Pt,E=qm 解得m≈3.30×105 kg。 13 $$