第4章 第1、2、3节 （Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（教科版2019）

第1节　能量　能量守恒定律 第2节　能源 第3节　环境保护与可持续发展 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.知道各种形式的能量。 2．知道什么是能源。 3．知道能量守恒定律的内容。 1.探究自然过程中能量转化方式。 2．能够利用能量转化和守恒定律分析实际问题。 3．探究永动机不可能制成的原因。 1.树立环境保护意识，知道可再生能源和非再生能源对人类的作用。 2．树立可持续发展，与大自然和谐相处的意识。 一、系统的机械能 1．物体的机械能：物体的动能和重力势能之和。 2．物体与弹簧组成的系统的机械能：物体的动能和弹簧的弹性势能之和。 3．物体、弹簧、地球组成的系统的机械能：物体的动能、弹簧的弹性势能、重力势能之和。 二、系统机械能守恒条件 1．物体与地球组成的系统：只有重力做功。 2．物体与弹簧组成的系统：只有弹簧的弹力做功。 3．物体、弹簧和地球系统：只有重力、弹簧弹力做功。 三、机械能变化 1．除重力外，其他力做的功等于物体的机械能的增量，其他力做正功，机械能增加，做负功，机械能减少。机械能的增加量和减少量等于其他力做的功。 2．除弹簧弹力外，其他力做的功等于物体动能和弹性势能之和的增量。 3．除重力和弹簧弹力外，其他力做功等于动能、弹性势能和重力势能之和的增量。 四、能量的分类 1．宏观物体的运动：动能和重力势能、弹性势能。 2．热力学系统的内能：大量微观粒子的分子动能和分子势能之和。 3．电磁学：电磁能。 4．化学变化：化学能。 5．核反应：核能。 五、能量守恒定律：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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中其总量不变。 六、自然过程的方向性：在自然界，一切自发的过程都有一定的方向性。 七、能源：能够提供人类所需能量的自然资源称为能源。能源的分类方法： 1．一次能源和二次能源(一次能源指直接取自自然的能源；二次能源指经过人为加工后的能源)。 2．可再生和非再生能源(可再生能源：具有自我恢复能力的能源；非再生能源：如石油等不能自我修复的能源)。 3．传统能源和新能源。 八、解决能源问题的出路：一方面是节流，另一方面是开源。 判断下列说法的正误。(对的画“√”，错的画“×”) (1)根据能量守恒定律，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，能量的总量不变，因此不必节约能源。(　　×　　) (2)重力势能是物体与地球组成的系统共有的能量，因此重力做功不能改变系统的机械能。(　　√　　) (3)在只有重力做功时，系统内只发生动能和重力势能的相互转化。(　　√　　) (4)一个分子的动能和势能之和称为这个分子的内能。(　　×　　) (5)热量可以自发的由高温物体向低温物体传递。(　　√　　) (6)未来科技高度发展，第一类永动机一定可以制成。(　　×　　) (7)解决能源问题的方法之一是将机械的能量利用率提高到100%。(　　×　　) 备课札记 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 探究点一___能量、能量守恒定律 人们很早就想制成一种不需要消耗能量就能不停做功的机械，即第一类永动机。为此人们设计了各种不同的机械，上图就是其中一种。如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。 [问题设计] 为什么第一类永动机永远不会被制造出来？ 提示：因为第一类永动机违背了能量转化和守恒定律。 一、机械能的守恒与不守恒 1．系统的机械能 (1)物体与地球组成的系统的机械能，简称物体的机械能，等于物体的动能和重力势能之和。 (2)物体和弹簧组成的系统的机械能，等于物体的动能和弹性势能之和。 (3)物体、弹簧和地球组成的系统机械能，等于物体动能、弹性势能和重力势能之和。 2．机械能守恒：重力和弹簧的弹力是系统的内力，如果只有重力和弹簧弹力做功，系统的机械能守恒，即只发生动能和势能的相互转化。 3．机械能不守恒：除重力和弹簧的弹力外，系统之外的物体对系统内的物体做功，系统的机械能不守恒。即系统的外界发生能量交换，外力做正功，系统的机械能增加，外力做负功，系统的机械能减少(系统需克服外力做功而消耗能量)。 二、能量转化和守恒定律： (一)能量的分类： 中学阶段常见的能量： 动能 Ek＝mv2 速度为相对于地面的速度 变化量等于合外力对物体做的功 重力势能 Ep＝mgh 物体和地球共有的能量，确定物体在某个位置的重力势能需规定零势面 变化量等于重力做功，大小与零势面选取无关 弹性势能 Ep＝kx2 弹簧由于发生弹性形变而具有的能量 变化量等于弹力做功 电势能 Ep＝qφ 电荷在电场中与电场共有的能量，确定电势能大小需规定零势面 变化量等于电场力做功。与零势面选取无关 电磁能 电磁场具有的能量 — — 内能 物质内大量分子的动能和分子势能之和 宏观上与物质结构和温度有关 内能的改变量为热量 化学能 化学反应中释放的能量 — — 核能 核反应中释放的能量 E＝mc2 — (二)能量转化和守恒定律： 1．能量的转化需要做功完成，不同形式的能量转化对应不同的力做功：如合外力做功对应于动能的变化；重力势能的转化对应于重力做功；电势能转化对应电场力做功；滑动摩擦力做功(滑动摩擦力与滑动的相对位移乘积)等于摩擦生热而产生的内能等。 2．能量转化和守恒定律： 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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中其总量不变。 (1)能量转化和守恒定律证明第一类永动机不可能制成。 第一类永动机是指不消耗燃料而做功的机械，这是违背能量转化和守恒定律的。 (2)利用能量转化和守恒定律解题思路与方法： a：选取确定研究的系统，分析系统内部与外界是否存在能量交换，以判断系统内的运动或变化过程是否满足能量转化和守恒定律。 b：如果系统内能量守恒，则可以根据初态能量等于末态能量的方法书写方程或者进行分析；如果不守恒，则需分析题目中涉及的所有能量形式，那么根据能量转化和守恒定律，减少的能量一定大于增加的能量。 【例1】 如图所示是安装在列车车厢之间的摩擦缓冲器结构图，图中①和②为楔块，③和④为垫板，楔块与弹簧盒、垫板间均有摩擦，在车厢相互撞击使弹簧压缩的过程中(　　) A．缓冲器的机械能守恒 B．摩擦力做功消耗机械能 C．垫板的动能全部转化为内能 D．弹簧的弹性势能全部转化为动能 B　解析：由于楔块与弹簧盒、垫板间有摩擦力，即摩擦力做负功，则部分机械能转化为内能，A错误，B正确；垫板动能转化为内能和弹性势能，C错误；而弹簧弹性势能也转化为动能和内能，D错误。 [练1] 如图，一质量为m，长度为l的均匀柔软细绳PQ竖直悬挂。用外力将绳的下端Q缓慢地竖直向上拉起至M点，M点与绳的上端P相距l。重力加速度大小为g。在此过程中，外力做的功为(　　) A．mgl B．mgl C．mgl D．mgl A　解析：将绳的下端Q缓慢地竖直向上拉起至M点，PM段绳的机械能不变，MQ段绳的机械能的增加量为ΔE＝mg(－l)－mg(－l)＝mgl，由功能关系可知，在此过程中，外力做的功W＝mgl。A正确。 探究点二___能源 一、在自然界一切自发的过程都有一定的方向性 1．热量只能自发的由高温向低温传递。 2．不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。 3．第二类永动机不可能制成。(第二类永动机：从单一热原吸收热量全部做功，即能量转化效率是100%) 二、能源的分类 1．一次能源和二次能源 一次能源是指直接取自自然界未经加工和转换的能源，如煤、石油、天然气、生物燃料、水流、风力、太阳能、地热能等。二次能源指由一次能源加工转换而成的能源，如煤炭、汽油、电能等。 2．可再生能源和非再生能源：可再生能源指具有天然自我恢复能力的能源，如风能、太阳能等。非再生能源是指短时间不能无法再生的能源，如石油、煤、天然气等。 3．传统能源和新能源：传统能源是指人类已经使用多年的能源，如石油、煤、天然气等。新能源指最近才开发和使用的能源，如水流能、太阳能、核能等。 三、解决能源问题的出路 1．节流：减少消耗。节约能源，减少不必要的消耗。 2．开源：开发新能源。如开发核能。 四、环境的保护和可持续发展 1．工业革命与能源消耗：第一次工业革命以蒸汽机的出现为代表，第二次工业革命以电力技术为代表，第三次工业革命以计算机和信息技术为代表。每一次工业革命都极大地增加了能源的消耗，尤其是石油、煤大量的使用，所产生的温室气体给环境造成不可逆转的破坏。 2．国家和社会的发展离不开能源的使用，只有大量开发可再生能源，逐步减少非再生能源的消耗，才是可持续发展的出路。 【例2】 下列关于能量的说法，正确的是(　　) A．能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们可以容易地把这些内能收集起来重新利用 B．在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的 C．科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是可逆的 D．各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的 B　解析：能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们可以容易地把这些内能的一部分收集起来重新利用，不能全部收集起来重新利用，A错误；在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的，B正确；科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，C错误；各种能量在不转化时是守恒的，在转化时也是守恒的，D错误。 [练2] 下列关于能源的说法中正确的是(　　) A．电能是一次能源　　　　 B．汽油是二次能源 C．天然气是二次能源 D．水煤气是一次能源 B　解析：一次能源是从自然界直接获取的，由一次能源经过加工转化得到的能源为二次能源；所以电能是二次能源，A错误；汽油是二次能源，B正确；天然气是一次能源，C错误；水煤气是二次能源，D错误。 1．第19届亚运会于9月23日晚在杭州盛大开幕。此次亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示，通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景，传递出中国绿色低碳环保且负责任的发展中大国形象。以下说法正确的是(　　) 中总量保持不变，故无需节约用电，可尽情燃放电子烟花 B．不断开发新能源，发展新技术，是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段 C．电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能，过程中不存在能量耗散 D．相比于传统烟花，使用电子烟花完全无污染 B　解析：能量在使用过程中虽然总量保持不变，但品质越来越差，即可利用率越来越低，所以必需节约能源，A错误；不断开发新能源，发展新技术，是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段，B正确；电子烟花技术将电能不能全部转化为光能和内能，过程中也存在能量耗散，C错误；相比于传统烟花，使用电子烟花污染较少，但也不是完全无污染，D错误。 2．北京时间2022年11月1日4时27分，梦天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口，形成“T”字基本构型。12块太阳能电池板为中国空间站的正常工作提供能量。下列说法正确的是(　　) A．太阳能电池板能将太阳能100%转化为电能 B．能量守恒的过程不一定能自发地发生 C．人们对太阳能的开发和利用，说明能量可以凭空产生 D．能的转化过程符合能量守恒定律，因此不会发生能源危机 B　解析：能量的转化存在能量耗散，能量的转化达不到100%，A错误；能量守恒的过程不一定能自发地发生，自然发生的热学现象具有方向性，比如摩擦生热就不能自发转化成机械能，B正确；能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，能量可以相互转化，C错误；能量在利用和转化的过程中是有方向性的，有些能量很难被重新利用，所以还是存在能源危机，D错误。 3．下列说法正确的是(　　) A．能量的耗散反映出自然界的宏观过程是没有方向性的 B．能量守恒表明，节约能源是无意义的 C．随着科技的发展，永动机是可以制成的 D．能量守恒定律是自然界遵循的普遍规律 D　解析：能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，A错误；热力学第二定律表明，能量虽然守恒，但可利用的品质降低了，B错误；永动机违背了热力学定律，故是无法制造成功的，C错误；能量守恒定律是19世纪自然科学的三大发现之一，也是自然界最普遍、最重要的基本规律之一，小到原子世界，大到宇宙天体，只要有能的变化，无论是什么变化，都遵循它，D正确。 4．下列关于能源的说法正确的是(　　) A．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．常规能源对环境的影响很小，故是否开发利用新能源无关紧要 D．核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大 B　解析：尽管能量守恒，但耗散的能量无法重新收集利用，故能源是有限的，特别是常规能源，A错误，B正确；常规能源的利用比新能源核能的利用对环境影响大，需要大力开发利用新能源，CD错误。 5．一辆汽车以80 km/h的速度匀速行驶，每10 km耗油约1 L，根据汽油的热值进行简单的计算可知，此时消耗的功率约为70 kW。如图为汽车行驶时功率分配的大致比例图，具体来说，在70 kW中，约有1 kW由于汽油的蒸发而“消失”，化学能无法利用成为化学污染源，大约只有17 kW用于做功，而其余的52 kW包括了排气管排出的废热和散热器的热量，两者约各占一半，用于做功的17 kW也有不少损耗，约5 kW用于发动机的水箱循环和空调，约3 kW消耗于传动装置，最后只有9 kW到达驱动轮。下列说法正确的是(　　) A．汽油属于可再生能源 B．整辆车的总效率仅有13%左右 C．汽车匀速行驶时所受的阻力约为3 150 N D．每1 s中消耗的燃料最终转化为内能的大约为5.2×104 J B　解析：根据能源的分类可知，汽油属于非再生能源，A错误；发动机的输出功率就是发动机克服各种阻力做功消耗的机械功率，由题意可知，9 kW的功率推动汽车前进，所以发动机的输出功率为9 kW，从而算出发动机的总的效率：η＝×100%＝×100%＝13%，B正确；当汽车的牵引力等于阻力时，速度达到最大，汽车做匀速直线运动，根据P出＝fvm可知，f＝＝ N＝405 N，C错误；由题意可知，有69 kW的功率进入发动机，最终只有9 kW用于驱动轮做功，其它功率均以燃烧的方式从不同渠道完全转化为内能，所以1 s钟消耗燃料转化为的内能为：Q＝Pt＝(69 000－9 000)×1 J＝6.0×104 J，D错误。 [课时梯级训练(29)见P202] [章末综合检测(四)见P204] 学科网（北京）股份有限公司 $$