5.2 能源的利用方式&5.3 能量的转化与守恒&5.4 能源与环境（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（粤教版2019）

第二节　能源的利用方式 第三节　能量的转化与守恒 第四节　能源与环境 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道自然界中能量以不同形式存在．但总的能量保持不变 2．能量的转化过程中具有一定的方向性 1.物理观念：通过对机械能守恒定律的复习，形成能量守恒定律的概念 2．科学思维：了解能量转化和转移的方向性，体会提高能量利用率的重要性 3．科学探究：通过对生活中能源利用的观察和分析，体会能量转化和转移的方向 4．科学态度与责任：了解能源对人类社会发展的重要意义，养成自觉节约能源的好习惯 [对应学生用书P112] 一、能源的利用方式 1．水能：水能是一种能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源，水电站是利用水能的重要方式． 2．风能：风能是因空气流动而提供给人类可利用的能量．“风车田”是利用风能的重要方式． 3．太阳能：太阳能的利用方式主要有光热转换、光电转换、光化学转换三种． 4．核能：核能是一种储存在原子核内部的能量．原子核发生核反应时，会释放出巨大能量．核裂变和核聚变是核反应的两种方式． 二、能量的转化与守恒 1．能量守恒：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其他形式，或者从一个物体转移到别的物体；在转化和转移过程中其总量保持不变． 2．能量转化(转移)的方向性 (1)在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有方向性的，但都不违反能量守恒定律． (2)能量转化的过程是有方向性的，在能源利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了． 三、能源与环境 1．能源的分类 能源 2．环境的污染与危害 温室效应、酸雨和臭氧层破坏，就是因大气污染衍生的环境效应． 3．环境保护 (1)防治生产和生活的污染 (2)防止建设和开发的破坏 (3)保护自然环境 [判断] (1)天然气属于化石能源．(√) (2)化石能源利用过程中加剧了温室效应现象．(√) (3)核能发电不会对环境产生危害．(×) (4)能量遵从守恒定律，所以能源是取之不尽，用之不竭的，不需要节约能源．(×) (5)能量耗散会导致总能量减少，也会导致能量品质降低．(×) (6)大量消耗常规能源会使环境恶化，故应提倡开发利用新能源．(√) [对应学生用书P113] 1．(能量转化的方向性)下列说法正确的是(　　) A．从甲物体自发传递热量给乙物体，说明甲物体的内能比乙物体多 B．热机的效率从原理上讲可达100% C．因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能的 D．以上说法均不正确 D　[发生热传递的条件是两物体间存在温度差，选项A错误．热机的效率不能达到100%，选项B错误．由于能量耗散后不可收集，依然要珍惜现有能源，选项C错误．] 2．(能源与环境)(多选)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．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 BC　[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，选项A错误，选项B正确．常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大，选项C正确，选项D错误．] 3．(环境保护)下列供热方式最有利于环境保护的是(　　) A．用煤作燃料供热 B．用石油作燃料供热 C．用天然气或煤气作燃料供热 D．用太阳能灶供热 D　[煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能．但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含有粉尘、一氧化碳、二氧化硫等物质污染了大气．而太阳能是一种无污染的能源，应大力推广，故选项D正确．] 4．(能源的利用)关于能源的利用，下列说法中不正确的是(　　) A．由于我国煤炭和石油的储量无限，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，实质是能量的转化和转移过程 C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气 D．煤炭、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能 A　[石油、煤炭等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然能量的总量不变，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积极研究的课题，A错误，B、C、D正确．] 5．(能源的开发)(多选)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 AD　[可燃冰是一次能源，属于不可再生能源，A正确，B错误；1 m3的可燃冰可转化为164 m3的天然气和0.8 m3的水，C错误，D正确．] 6．(能量转化的方向性)热现象过程中会不可避免地出现能量耗散的现象，所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把流散的内能重新收集利用．关于能量的耗散，下列说法中正确的是(　　) A．能量耗散是指在一定条件下，能量在转化过程中总量减少了 B．能量耗散表明，能量守恒定律具有一定的局限性 C．能量耗散表明，在能源的利用过程中，在可利用的品质上降低了 D．以上说法都不对 C　[能量不能凭空产生，也不能凭空消失，能量耗散的过程中总的能量是守恒的，但是在能源的利用过程中，能量向品质低的内能转变，即在可利用的品质上降低了，选项A、B、D错误，C正确．] 7．(水能的利用)浙江最大抽水蓄能电站2016年在缙云开建，抽水蓄能电站结构如图所示．抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，再将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用．一抽一放起到了均衡电网负荷的作用．关于抽水蓄能电站，下列说法正确的是(　　) A．抽水蓄能的过程中，能量守恒 B．放水发电的过程中，机械能守恒 C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多 D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了 A　[抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为内能，机械能不守恒，B错误；抽水蓄能，并不能使能量增多，总的能量保持不变，C错误；抽水蓄能电站能够合理调节用电高峰期和低谷期，但是能量总量并没有增加，我们仍然面临着能源危机，需要节约能源，D错误．] 8．(能量守恒的应用)瀑布从20 m高处以Q＝103 m3/s的流量竖直落下，流进底部的水轮机后再以2 m/s的速度流出，水轮机再带动发电机发电．如果水的机械能转化为电能的效率是80%，那么发电机发电的电功率有多大？(水在山顶的速度可忽略不计，取g＝10 m/s2，结果保留三位有效数字，水的密度为1×103 kg/m3) 解析　每秒钟流过水轮机的水的质量为 m＝ρV＝1×106 kg， 每秒钟水流机械能损失为 ΔE＝mgh－mv2＝1×106×10×20 J－×1×106×22 J＝1.98×108 J， 每秒钟发电机产生的电能E＝80%ΔE＝1.584×108 J， 发电机发电的电功率P＝≈1.58×108 W. 答案　1.58×108 W 章末强化练(五)　电能与能源的可持续发展 (时间：90分钟　满分：100分) [对应学生用书P199] 一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的．) 1．关于能源的开发和利用，下列说法正确的是(　　) A．能源是无限的，煤、石油、天然气是足够人们开采的 B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭就是杞人忧天 C．能源的开发和利用不必考虑对环境的影响 D．通过核裂变和平利用核能是目前开发新能源的一种途径 D　[能源是有限的，如果无节制地开采，能源终有一日会枯竭，故A、B项均错误；在能源开发、利用过程中必须考虑对环境的影响，故C项错误；通过核裂变和平利用核能是目前开发新能源的一种途径，D项正确．] 2．小芳家正在使用的电器有电灯、洗衣机、电冰箱，小芳从家里的总电能表中测得在时间t内消耗的电能为W.设小芳家的供电电压为U，总电流为I，上述电器的总电阻为R，总功率为P.下列关系式正确的是(　　) A．P＝ B．W＝I2Rt C．I＝ D．P＝ D　[由于洗衣机、电冰箱是非纯电阻用电器，欧姆定律不适用，所以I＝不适用，所以关系式P＝不适用，故A、C错误；公式W＝I2Rt只能用来求电热，不能用来求非纯电阻用电器消耗的电能，故B错误；公式P＝普遍适用，故D正确．] 3．汽车电动机启动时车灯会瞬间变暗，如图所示，在打开车灯的情况下，电动机未启动时电流表读数为10 A，电动机启动时电流表读数为58 A，若电源电动势为12.5 V，内阻为0.05 Ω，电流表内阻不计，则因电动机启动，车灯的电功率降低了(　　) A．35.8 W B．43.2 W C．48.2 W D．76.8 W B　[电动机未启动时，由E＝I1(R＋r)得车灯的电阻为：R＝＝1.2 Ω，车灯消耗的功率为：P1＝IR＝120 W；电动机启动时，路端电压为：U2＝E－I2r＝9.6 V，则车灯消耗的功率为：P2＝＝76.8 W，车灯的电功率降低了ΔP＝P1－P2＝43.2 W，故B项正确．] 4．如图a、b是某类潮汐发电示意图．涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门(见图a)．当落潮时，开闸放水发电(见图b)．设海湾水库面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10 %，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103 kg/m3，g取10 N/kg)(　　) 图a　　　　　　　　图b A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW B　[利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10 %，一次涨潮，退潮后水坝内水的势能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水 VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh为水的重心下降的高度，即：Δh＝ m，则水的势能可转变为电能：W电＝W水×10 %＝1.0×103 kg/m3×5.0×108 m2×3.0 m×10 N/kg×1.5 m×0.1＝2.25×1012 J．每天两次涨潮，则该发电站一天能发电4.5×1012 J，所以每天的平均功率为P＝≈5.2×104 kW，故B正确．] 5．如图所示电路中，定值电阻R2＝r(r为电源内阻)，滑动变阻器的最大阻值为R1，且R1>R2＋r.在滑动变阻器的滑片P由左端a向右滑动的过程中，以下说法正确的是(　　) A．电源的输出功率变小 B．R2消耗的功率先变大后变小 C．滑动变阻器消耗的功率先变大后变小 D．以上说法都不对 C　[滑片向右移动，滑动变阻器接入电路部分电阻变小，电路中的电流变大，电源内阻和电阻R2都是定值电阻，所以消耗的功率变大，故B项错误；在滑动的过程中内阻始终小于外电阻，所以电源的输出功率增大，故A项错误；考虑滑动变阻器上的功率消耗时可以把R2看成电源的一部分，当滑动变阻器的阻值等于2r时，消耗的功率最大，当滑动变阻器阻值小于2r时，消耗的功率变小，故C项正确．] 6．如图所示的电路中，两平行金属板之间的带电液滴处于静止状态，电流表和电压表均为理想电表，由于某种原因灯泡L的灯丝突然烧断，其余用电器均不会损坏，则下列说法正确的是(　　) A．电流表、电压表的读数均变小 B．电源内阻消耗的功率变大 C．液滴将向上运动 D．电源的输出功率变大 C　[当L的灯丝突然烧断可知电路中总电阻增大，则总电流减小，电源的内电压和R1两端的电压减小，由两端闭合电路的欧姆定律可知，路端电压增大，故电容器C两端的电压增大，板间场强增大，带电液滴所受的电场力增大，则该液滴将向上运动，故C项正确；由于C两端的电压增大，R2、R3中的电流增大，则电流表、电压表的读数均变大，故A项错误；因干路电流减小，则电源内阻消耗的功率变小，故B项错误；由于电源的内外电阻的关系未知，不能判断电源的输出功率如何变化，故D项错误．] 7．如图所示，图线AB是某电源的路端电压随电流变化的关系图线，OM是固定电阻R两端的电压随电流变化的图线，由图可知(　　) A．该电源的电动势为6 V，内阻是2 Ω B．固定电阻R的阻值为1 Ω C．该电源的最大输出功率为9 W D．当该电源只向电阻R供电时，其效率约为33.3% C　[由图线AB可知电源的电动势E＝6 V，短路电流为I短＝6 A，则r＝＝1 Ω，故A项错误；由图线OM可知，R＝＝2 Ω，故B项错误；当外电路电阻等于内阻时，电源的输出功率最大，所以该电源的最大输出功率P＝＝9 W，故C项正确；当该电源只向电阻R供电时，电源效率η＝＝×100%≈66.7%，故D项错误．] 二、多项选择题(本题共3小题，每小题6分，共18分．在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求，全部选对得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分．) 8．用标有“6 V　3 W”的灯泡L1、“6 V　6 W”的灯泡L2与理想电压表和理想电流表连接成如图甲所示的实验电路，其中电源电动势E＝9 V．图乙是通过两个灯泡的电流随两端电压变化的曲线．当其中一个灯泡正常发光时(　　) 甲　　　　　　　　　　乙 A．电流表的示数为0.5 A B．电压表的示数为6 V C．电路输出功率为4 W D．电源内阻为1 Ω AC　[因为两个灯泡串联，所以通过两灯泡的电流相等，L1的额定电流为I1＝＝0.5 A，L2的额定电流为I2＝＝1 A，电路中电流为0.5 A，所以只有L1正常发光，故A项正确；从图像中可以看出，电流为0.5 A时，L1两端电压为6 V，L2两端电压为2 V，所以电压表示数为2 V，故B项错误；电路中输出功率为P＝UI＝(2 V＋6 V)×0.5 A＝4 W，故C项正确；电源内阻r＝＝2 Ω，故D项错误．] 9．如图所示，直线A为电源a的路端电压与电流的关系图线；直线B为电源b的路端电压与电流的关系图线；直线C为一个电阻R两端电压与电流的关系图线．将这个电阻分别接到a、b两电源上，那么(　　) A．R接到b电源上时电源的效率高 B．R接到b电源上时电源的输出功率较大 C．R接到a电源上时电源的输出功率较大，但电源效率较低 D．R接到a电源上时电阻的发热功率较大，电源效率也较高 AC　[由图像可知，电源a给电阻R供电时，R两端的电压大，通过R的电流大．由P出＝IU知，R接到a电源上，电源的输出功率大．因为电源的效率η＝＝＝，而ra>rb，所以电源a的效率低，选项A、C正确．] 10．小明同学尝试用图甲所示的电路图进行实验，定值电阻R1＝8 Ω，在滑动变阻器由a端向b端移动的过程中，分别用两个电流传感器测量了电流I1与I2关系，并得到完整图像如图乙所示，其中C点为图线最低点，则由图可知(　　) 甲　　　　　　　　乙 A．当滑动头P滑到b点时得到图乙中B点 B．图乙中A点纵坐标为0.375 A C．滑动变阻器总阻值为16 Ω D．电源电动势为6 V BD　[滑动头P滑到a点时，R和R1并联；滑动头P滑到b点时，R1被短路，只有电阻R接入电路，由闭合电路欧姆定律知，滑到b点时电流小于滑到a点时的电流，所以滑动头滑到b点时得到图乙中的A点，故A项错误；滑动头滑到b点时，电阻R1被短路，电流表A1和A2示数相等，根据题图乙知I1＝0.375 A，所以I2＝0.375 A，即题图乙中A点纵坐标为0.375 A，故B项正确；根据闭合电路欧姆定律，当滑动头P位于b点时，E＝0.375(R＋r)①，题图乙中的C点，I1＝0.5 A，I2＝0.25 A，并联部分两支路电流相等，根据并联电路的特点，得RPb＝R1＝8 Ω，则并联电阻为R并＝＝4 Ω，设滑动变阻器的最大电阻为R，则有：E＝0.5(r＋R－8＋R并)＝0.5(r＋R－8＋4)②，联立①②得：E＝6 V，r＋R＝16 Ω，故C项错误，D项正确．] 三、非选择题(本题共5小题，共54分．) 11．(7分)如图所示电路中，A为电解槽，N为电炉子，恒定电压U＝12 V，电解槽内阻rA＝2 Ω，当S1闭合、S2断开时，电流表的示数为6 A；当S2闭合、S1断开时，电流表的示数为4 A，求： (1)电炉子的电阻及发热功率各多大？ (2)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率为多少？ 解析　(1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律I1＝得：R＝＝＝2 Ω，其发热功率为：PR＝UI1＝72 W. (2)电解槽为非纯电阻元件，发热功率为： P热＝IrA＝32 W. 总功率为：P总＝UI2＝48 W. 故电能转化为化学能的功率为： P化＝P总－P热＝16 W. 答案　(1)2 Ω　72 W　(2)16 W 12．(9分)风能是一种环保型能源，目前我国风力发电总装机容量已达2 640 MW，风力发电是将风的动能转化为电能．设空气的密度为ρ，水平风速为v，风力发电机每个叶片的长度为L，风力发电机将风能转化为电能的效率为η. (1)求该风力发电机的发电功率P的表达式． (2)若某地平均水平风速为v＝10 m/s，空气密度ρ＝1.3 kg/m3，所用风力发电机的叶片长度L＝4 m，效率η＝25 %，平均每天发电20 h，则平均每天能获得多少电能？(结果保留三位有效数字) 解析　(1)叶片旋转所形成的圆面积为S＝πL2， t时间内流过该圆面积的空气柱体积为V＝Svt＝πL2vt， 空气柱的质量为m＝pV＝ρπL2vt， 空气柱的动能为 Ek＝mv2＝ρπL2v3t， 转化成的电能为 E＝ηEk＝ηρπL2v3t， 发电功率P＝＝ηρπL2v3. (2)将已知数据代入可求得平均每天获得的电能为 E＝Pt1＝×0.25×1.3×3.14×42×103×20×3 600 J≈5.88×108 J. 答案　(1)P＝ηρπL2v3　(2)5.88×108 J 13．(11分)在如图所示的电路中，两平行正对金属板A、B水平放置，两板间的距离d＝4.0 cm.电源电动势E＝400 V，内电阻r＝20 Ω，电阻R1＝1 980 Ω.闭合开关S，待电路稳定后，将一带正电的小球(可视为质点)从B板上的小孔以初速度v0＝1.0 m/s竖直向上射入两板间，小球恰好能到达A板．若小球所带电荷量q＝1.0×10－7C，质量m＝2.0×10－4 kg，不考虑空气阻力，忽略射入小球对电路的影响，取g＝10 m/s2.求： (1)A、B两金属板间的电压的大小U； (2)滑动变阻器消耗的电功率P； (3)电源的效率η. 解析　(1)小球从B板上的小孔射入恰好到达A板的过程中，在电场力和重力作用下做匀减速直线运动，设A、B两极板间电压为U，根据动能定理有： －qU－mgd＝0－mv， 解得：U＝200 V. (2)设此时滑动变阻器接入电路中的电阻值为R，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中的电流I＝， 而U＝IR， 解得：R＝2×103Ω， 滑动变阻器消耗的电功率 P＝＝20 W. (3)电源的效率 η＝＝＝99.5%. 答案　(1)200 V　(2)20 W　(3)99.5% 14．(12分)如图甲所示，用电动势为E、内阻为r的电源，向滑动变阻器R供电，改变变阻器R的阻值，路端电压U与电流I均随之变化． 甲　　　　　　　乙 (1)以U为纵坐标，I为横坐标，在图乙中画出变阻器阻值R变化过程中U­I图像的示意图，并说明U­I图像与两坐标轴交点的物理意义． (2)①请在图乙画好的U­I关系图线上任取一点，画出带网格的图形，以其面积表示此时电源的输出功率； ②请推导该电源对外电路能够输出的最大电功率及条件． (3)请写出电源电动势定义式，并结合能量守恒定律证明：电源电动势在数值上等于内、外电路电势降落之和． 解析　(1)根据闭合电路的欧姆定律可得E＝U＋Ir，解得U＝E－Ir. 画出的U­I图像如图所示； 图线与纵轴交点的U为电源电动势，与横轴交点的I表示短路电流． (2)①如图中网格图形所示； ②电路中的电流为I＝， 输出电功率P＝I2R＝2R＝， 当R＝时，即R＝r时输出功率最大，最大电功率Pm＝. (3)电动势的定义式为E＝， 根据能量守恒，在图甲中，非静电力做的功W产生的电能等于外电路和内电路产生的电热，即W＝I2rt＋I2Rt， 所以EIt＝U内It＋U外It， 解得E＝U内＋U外． 答案　见解析 15．(15分)如图所示电路，电源内阻r＝1 Ω，R1＝2 Ω，R2＝5 Ω，灯L标有“3 V 1.5 W”字样，滑动变阻器最大值为R，当滑片P滑到最右端A时，电流表读数为1 A，此时灯L恰好正常发光，试求： (1)电源电动势E. (2)当滑片P滑到最左端B时，电流表读数． (3)当滑片P位于滑动变阻器的中点时，滑动变阻器上消耗的功率． 解析　(1)当P滑到A时，R2被短路，如图甲所示，由闭合电路欧姆定律得： E＝UL＋I(R1＋r)＝6 V. 甲　　　　　　　　乙 (2)当P滑到B点时，电路如图乙所示，此时电流表的读数为I′＝＝2 A. (3)当滑片P位于滑动变阻器中点时等效电路如图丙所示， 丙 由图丙知R2与右侧被电流表短接， 在图甲所示电路中总电流为I＝1 A， 通过灯L的电流为IL＝＝0.5 A， 通过变阻器R的电流为 IR＝I－IL＝0.5 A， 由并联电路的特点可得R＝RL＝＝6 Ω， 在图丙所示电路中并联部分电路的总电阻为 R并＝＝2 Ω， 并联部分电路的电压为U并＝E＝2.4 V， 滑动变阻器上消耗的功率为 PR＝＝1.92 W. 答案　(1)6 V　(2)2 A　(3)1.92 W 学科网（北京）股份有限公司 $$