第12章 能源与可持续性发展-2025-2026学年高二物理同步导学案（沪科版2020必修第三册）

第十二章 能源与可持续性发展 课程标准 1. 了解能源的基本分类利用中的能量守恒定律。 2. 了解能源利用中的能量守恒定律。 3. 了解能量转换中的方向性、能量耗散。 物理素养 物理观念：了解能量守恒和能量转换的方向性的概念。 科学思维：会结合所学知识分析计算实际能源使用场景下的问题。 科学探究：能源转换的方向性在现实生活中有哪些事例？ 科学态度与责任：通过对实验现象的分析和总结，培养学生实事求是的科学态度。 一、能源的分类 1．能源的基本认识： 能够提供能量的一切物体叫能源，能量来自能源。 自然界中的常规能源的储量是有限的，并且是不可再生的。 目前，正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核能等。 2．能源的分类 能源分类方法 能源分类名称 举例 按形式或转换特点分 来自太阳 太阳能 来自地球 石油，煤炭 天体相互作用 潮汐 按形式或转换特点分 一次能源 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能 二次能源 木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能 按利用技术分 常规能源 煤、石油、天然气、水能 新能源 太阳能、核能、地热能、海洋能、风能 按可否再生分 可再生能源 水能、风能、生物质能、地热能 不可再生能源 煤、石油、天然气、核燃料 按对环境污染情况分 清洁能源 太阳能、海洋能、风能、水能 污染能源 化石燃料(煤、石油、天然气) 3．新能源的开发 水能：三峡水电站。 风能：风力发电，上海中心大厦“垂直轴涡轮”风力发电机。 太阳能：光伏电池板，太阳能路灯。 核能：核电站利用核裂变，核裂变利用铀的链式反应，链式反应需要的核原料达到临界体积。 人造小太阳利用核聚变。 【思考判断】 (1)由于能源危机，所以要不断开发新能源。（ ） (2)煤、石油、天然气属于常规能源。（ ） (3)电能、焦炭、核能属于一次能源。（ ） 例1. 以下四种能源中属于二次能源的是（　　） A. 电能 B. 风能 C. 水能 D. 太阳能 二、能量守恒定律 【观察思考】 如图所示，网络上称永不停止的球，真的能够永不停止运动吗？试从能量的转化的角度分析一下。 1．能量守恒定律内容 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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2．能量守恒定律意义 能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。 它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。 【思考判断】 (1)自然界中的任何变化过程都满足能量守恒。（ ） (2)当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多。（ ） 例2.（多选）在最近几年的空调市场上出现一个新宠——变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5~7倍。空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多，而变频空调启动时有一个由低到高的过程，而运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机。而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，探究以下说法中合理的是（　　） A．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律 B．变频空调运行中做功少，转化能量多 C．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电 D．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能 三、能量转移或转化的方向性 【观察探究】 如图所示，把小球拉到一定角度后释放，小球在竖直平面内来回摆动，我们观察到它的摆动幅度越来越小，最后停止摆动。机械能消失了吗？若没有消失，转化成了什么？能否让这种能自发的转化为机械能使小球动起来呢？ 1．能量转化：自然界中存在着各种不同形式的能量，并且各种形式的能量是可以相互转化的。 但在大多数情况下，各种形式的能量最终都转化为内能。 2．能量转化的方向性： 能量转化的特点：从有序到无序，即单向性。热运动是大量分子的无序运动。 机械能等可以自发地全部转化为内能，但内能不可能无条件、自发地全部转化为机械能。 热量能自发从高温物体传递给低温物体，但不可能无条件从低温物体传递给高温物体。 3．能量的耗散： 其它形式能可以完全转化为内能，但无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。 4．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。 能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了。 【思考判断】 (1)能量耗散不会导致总能量的减少，但会导致能量品质降低。（ ） (2)能量耗散表明能量正在逐渐消失。（ ） (3)能量不能创造，不能再生，能量只能进行转化或转移，但能量间的转化或转移具有方向性。（ ） (4)能量是守恒的，但能量的利用过程是不可逆的。（ ） 例3.（多选）根据能量转化和转移的方向性，下列判断正确的是（ ） A.电流的电能不可能全部转化为内能 B.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化为电能 C.热机中，燃气的内能不可能完全转化为机械能 D.能量不能被创造或被消灭 题型01 能量耗散、能量转化和转移的方向性 例4.（多选）下列哪些现象属于能量耗散（ ） A.利用水能发电转变成电能 B.电能通过电灯中的电阻丝放出热量和光能 C.电池的化学能转变成电能 D.火炉把房间的温度升高 题型02 　能量转化效率等相关计算 例5. 风能是一种很好的再生能源，而且对环境的污染较小，近年来我国在西北地区，建立了许多风力发电厂。如图所示为风力发电的情景。通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。已知：空气的密度为ρ，风轮机叶片的长度为r，若风速为v0，每台风力发电机输出电功率为P，求此过程中： (1)单位时间内每台风力发电机获得的风能表示式； (2)风力发电机利用风能的效率表示式。 例6. 瀑布从20 m高处以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%，那么发电机发出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2) 1．（多选）以下说法正确的是（ ） A.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能 B.汽油是一种清洁能源 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 2．（多选）下列属于一次能源的是（ ） A.太阳能 B.焦炭 C.核能 D.汽油 3． 关于能量和能源，下列说法正确的是（ ） A.由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源 B.在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但能量品质降低了 C.能量在转化过程中没有方向性 D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 4． 在能源消耗的过程中，我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。对于能量耗散理解正确的是（　　） A. 能量耗散说明能量在不断的减少 B. 能量耗散不遵循能量守恒定律 C. 能量耗散说明能量不能凭空产生，但能量却可以凭空消失 D. 能量耗散从能量的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 5．（多选）下列过程中，可能实现的是（ ） A.水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能 B.利用不同深度的海水温度不同来制造一种机器，把海水的内能转化为机械能 C.在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高 D.静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来 6． 风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机转化效率可视为不变，该风力发电机将空气动能转化为电能的效率为，该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。则风力发电机发电的功率为（　） A. B. C. D. 7． 水库上建筑一条拦河坝，利用水库水位与拦河坝下游水位之间的落差，使水轮机转动，可以带动发电机发电。若水的重力势能有60%转化为电能，已知每分钟5 000 t的水流量可以得到发电机的发电功率为4.9×107 W。求：水的落差是多少？ 8． 风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能(气流的动能)转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等。如图所示。 (1)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为r。求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm； (2)已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机在风速v1＝9 m/s时能够输出电功率P1＝540 kW。我国某地区风速不低于v2＝6 m/s的时间每年约为5 000小时。试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。 9． 阅读如下资料并回答问题： 自然界中的物体由于具有一定的温度，会不断向外辐射电磁波，这种辐射因与温度有关，称为热辐射。热辐射具有如下特点： ①辐射的能量中包含各种波长的电磁波； ②物体温度越高，单位时间从物体表面单位面积上辐射的能量越大； ③在辐射的总能量中，各种波长所占的百分比不同。 处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时，也要吸收由其他物体辐射的电磁能量，如果它处在平衡状态，则能量保持不变。若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响，我们定义一种理想的物体，它能 100％地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体。单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比，即P0＝σT4，其中常量σ＝5.67×10-8 W/（m2·K4）。在下面的问题中，把研究对象都简单地看作黑体。 有关数据及数学公式：太阳半径 Rs＝696000 km，太阳表面温度 T＝5770 K，地球半径 r＝6371 km，球面积 S＝4πR2，其中 R 为球半径。 （1）太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为 2×10-7 m~1×10-5 m 范围内，求相应的频率范围。 （2）每小时从太阳表面辐射的总能量为多少？ （3）已知太阳到地球的距离约 1.49×108 km，忽略太阳辐射能量在传播过程中的损失，地球表面受到来自太阳的辐射能量的总功率约为多少？ （2024·上海青浦二模）能源 能源，是指能够提供能量的资源。这里的能量通常指热能、电能、光能、机械能、化学能等。 10．“能源分类相关图”如图甲所示，下列选项中全部符合图中阴影部分的能源是（　　） A．太阳能、风能 B．水能、天然气 C．地热能、核能 D．煤炭、潮汐能 11．关于能量和能源，下列表述中正确的是（　　） A．只要能量守恒的过程就一定能自发进行 B．能量是守恒的，所以能源永不枯竭 C．能量可以从一种形式转化为另一种形式 D．能量的可利用价值变小，能的总量会不断减少 12．一辆新能源小汽车在水平路面上由静止启动，在前5s内做匀加速直线运动，5s末达到额定功率，之后保持额定功率运动，其v-t图像如图乙所示。已知汽车的质量为，汽车受到地面的阻力为车重的0.1倍（g取10m/s2），则汽车在前5s内的牵引力为___________N，汽车的最大速度为___________m/s。 13．今年我国新能源纯电车“800V高压平台”车型开始逐渐普及。相比原“400V”车型，不但补能时间大大缩短，同时降低了整车的能耗，缓解了车主续航的焦虑。如图丙是新能源汽车驱动电路简单示意图，高压动力电池总功率为P，内阻不计，电池两端电压为U，整个回路的电阻为r。试用所学知识阐述当高压动力电池总功率P不变时，随着动力电池两端电压U的提升，驱动系统上功率的变化情况：____________。 14．质量为1500kg的新能源汽车以10m/s的速度在水平面匀速直线前进，通过激光雷达和传感器检测到正前方22m处有静止障碍物时，系统立即自动控制汽车，首先使之做加速度大小为1m/s2的匀减速直线运动，并向驾驶员发出警告。当汽车继续前行至某处时自动触发“紧急制动”，汽车切断动力系统，同时提供12000N的总阻力使其做匀减速直线运动，最终该汽车恰好没有与障碍物发生碰撞。求： （1）汽车在“紧急制动”过程的加速度大小； （2）汽车在上述22m的运动全过程中的平均速度的大小。 15.（25虹口二模）虽然台风有破坏性，但风力可以发电。已知发电机可将风动能的20%转化为电能，空气密度ρ1.3kg/m3，三个叶片与风力作用的总有效面积S30m2，当地常态风速v10m/s。 （1）台风来袭时，风速可达40m/s，其发电功率是常态下功率的___________倍。 （2）若发电机常态下平均每天工作20h，每户居民平均每天用电2.6kW·h，则每台发电机可供___________户居民用电。 16.（25嘉定二模）如图所示为一台微型水力发电机，其进水口接到家里的水龙头。打开水龙头阀门，发电机输出的电能恰好使额定功率为的小灯泡正常发光。测得进水口水的流速为，其横截面积为，水的密度为，发电机内阻不计。则发电机1分钟输出的电能为_____J，该发电机将水的动能转化为电能的效率为_____（保留三位有效数字）。 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第十二章 能源与可持续性发展 课程标准 1. 了解能源的基本分类利用中的能量守恒定律。 2. 了解能源利用中的能量守恒定律。 3. 了解能量转换中的方向性、能量耗散。 物理素养 物理观念：了解能量守恒和能量转换的方向性的概念。 科学思维：会结合所学知识分析计算实际能源使用场景下的问题。 科学探究：能源转换的方向性在现实生活中有哪些事例？ 科学态度与责任：通过对实验现象的分析和总结，培养学生实事求是的科学态度。 一、能源的分类 1．能源的基本认识： 能够提供能量的一切物体叫能源，能量来自能源。 自然界中的常规能源的储量是有限的，并且是不可再生的。 目前，正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核能等。 2．能源的分类 能源分类方法 能源分类名称 举例 按形式或转换特点分 来自太阳 太阳能 来自地球 石油，煤炭 天体相互作用 潮汐 按形式或转换特点分 一次能源 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能 二次能源 木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能 按利用技术分 常规能源 煤、石油、天然气、水能 新能源 太阳能、核能、地热能、海洋能、风能 按可否再生分 可再生能源 水能、风能、生物质能、地热能 不可再生能源 煤、石油、天然气、核燃料 按对环境污染情况分 清洁能源 太阳能、海洋能、风能、水能 污染能源 化石燃料(煤、石油、天然气) 3．新能源的开发 水能：三峡水电站。 风能：风力发电，上海中心大厦“垂直轴涡轮”风力发电机。 太阳能：光伏电池板，太阳能路灯。 核能：核电站利用核裂变，核裂变利用铀的链式反应，链式反应需要的核原料达到临界体积。 人造小太阳利用核聚变。 【思考判断】 (1)由于能源危机，所以要不断开发新能源。（ ） (2)煤、石油、天然气属于常规能源。（ ） (3)电能、焦炭、核能属于一次能源。（ ） 【答案】(1) √ (2) √ (3) × 例1. 以下四种能源中属于二次能源的是（　　） A. 电能 B. 风能 C. 水能 D. 太阳能 【答案】A 【解析】只能通过消耗其他能源经过加工转换而得到的能源为二次能源，其中电能属于二次能源。故选A。 二、能量守恒定律 【观察思考】 如图所示，网络上称永不停止的球，真的能够永不停止运动吗？试从能量的转化的角度分析一下。 1．能量守恒定律内容 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别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。 2．能量守恒定律意义 能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。 它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。 【思考判断】 (1)自然界中的任何变化过程都满足能量守恒。（ ） (2)当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多。（ ） 【答案】(1) √ (2) √ 例2.（多选）在最近几年的空调市场上出现一个新宠——变频空调，据专家介绍变频空调比定频的要节能，因为定频空调开机时就等同于汽车启动时，很耗能，是正常运行的5~7倍。空调在工作时达到设定温度就停机，等温度高了再继续启动。这样的频繁启动，耗电多，而变频空调启动时有一个由低到高的过程，而运行过程是自动变速来保持室内温度，从开机到关机中间不停机。而是达到设定温度后就降到最小功率运行，所以比较省电。阅读上述介绍后，探究以下说法中合理的是（　　） A．变频空调节能，运行中不遵守能量守恒定律 B．变频空调运行中做功少，转化能量多 C．变频空调在同样工作条件下运行效率高，省电 D．变频空调与定频空调做同样功时，消耗同样电能 【答案】CD 【详解】A．自然界的一切过程都遵守能量守恒定律，A错误； BD．功是能量转化的量度，做同样功，消耗同样电能，B错误，D正确； D．由变频空调的工作特点可知省电的原理是效率高，C正确。 故选CD。 三、能量转移或转化的方向性 【观察探究】 如图所示，把小球拉到一定角度后释放，小球在竖直平面内来回摆动，我们观察到它的摆动幅度越来越小，最后停止摆动。机械能消失了吗？若没有消失，转化成了什么？能否让这种能自发的转化为机械能使小球动起来呢？ 【答案】机械能没有消失，而是转化为小球和空气的内能，逆过程则不可能，即空气和小球的内能自发转化为机械能使小球摆动。 1．能量转化：自然界中存在着各种不同形式的能量，并且各种形式的能量是可以相互转化的。 但在大多数情况下，各种形式的能量最终都转化为内能。 2．能量转化的方向性： 能量转化的特点：从有序到无序，即单向性。热运动是大量分子的无序运动。 机械能等可以自发地全部转化为内能，但内能不可能无条件、自发地全部转化为机械能。 热量能自发从高温物体传递给低温物体，但不可能无条件从低温物体传递给高温物体。 3．能量的耗散： 其它形式能可以完全转化为内能，但无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。 4．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。 能量耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了。 【思考判断】 (1)能量耗散不会导致总能量的减少，但会导致能量品质降低。（ ） (2)能量耗散表明能量正在逐渐消失。（ ） (3)能量不能创造，不能再生，能量只能进行转化或转移，但能量间的转化或转移具有方向性。（ ） (4)能量是守恒的，但能量的利用过程是不可逆的。（ ） 【答案】(1) √ (2) × (3)√ (4) √ 例3.（多选）根据能量转化和转移的方向性，下列判断正确的是（ ） A.电流的电能不可能全部转化为内能 B.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化为电能 C.热机中，燃气的内能不可能完全转化为机械能 D.能量不能被创造或被消灭 【答案】 BCD 【解析】 电流具有热效应，电流的电能可能全部转化为内能，故A错误； 在火力发电中，燃气的内能不可能全部转化为电能，还有一部分内能损失了，故B正确； 热机的效率不可能达到100%，故C正确； 根据能量守恒定律可知，能量不能被创造或被消灭，故D正确。 题型01 能量耗散、能量转化和转移的方向性 例4.（多选）下列哪些现象属于能量耗散（ ） A.利用水能发电转变成电能 B.电能通过电灯中的电阻丝放出热量和光能 C.电池的化学能转变成电能 D.火炉把房间的温度升高 【答案】 BD 【解析】 水力发电、化学能转变成电能，电能可以利用，不属于能量耗散，可再进一步利用，直到都转变成不可回收的内能，就是能量耗散了，故BD正确，AC错误。故选:BD。 当机械能、电能、化学能等，转变为周围环境的内能后，我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用，这些弥散到空间的能量可利用程度很低，即能源的利用品质降低了。 题型02 　能量转化效率等相关计算 例5. 风能是一种很好的再生能源，而且对环境的污染较小，近年来我国在西北地区，建立了许多风力发电厂。如图所示为风力发电的情景。通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。已知：空气的密度为ρ，风轮机叶片的长度为r，若风速为v0，每台风力发电机输出电功率为P，求此过程中： (1)单位时间内每台风力发电机获得的风能表示式； (2)风力发电机利用风能的效率表示式。 【答案】　(1)πr2ρv　(2) 【解析】　解答本题时应明确以下两点： (a)风能就是空气定向流动的动能。 (b)发电效率等于电功率与总功率的比值。 (1)由能量转化和守恒定律可知mv＝P总t　① 而m＝πr2v0tρ　② 把②代入①解得P总＝πr2ρv。 (2)η＝＝。 例6. 瀑布从20 m高处以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%，那么发电机发出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2) 【答案】 1.58×105 kW 【解析】 设t时间内流下的水的质量为m，以m为研究对象， 竖直下落后减少的机械能为mgh－mv2 转化为电能的功率为：P＝＝＝(gh－)×0.8 ＝103×103×(10×20－×22)×0.8 W≈1.58×108 W＝1.58×105 kW。 1．（多选）以下说法正确的是（ ） A.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能 B.汽油是一种清洁能源 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 【答案】 AC 【解析】 太阳能被地球上植物吸收，转化为煤、石油、天然气等燃料，A正确； 汽油燃烧产生二氧化碳和废气，不是清洁能源，B错误； 水能是地球表面水循环中不断产生的，是可再生能源，C正确； 煤、石油的形成需要很长时间，不是取之不尽的，D错误。 2．（多选）下列属于一次能源的是（ ） A.太阳能 B.焦炭 C.核能 D.汽油 【答案】 AC 【解析】 太阳能、核能是直接被利用属于一次能源，焦炭、汽油由矿石经过二次加工是二次能源，AC正确，BD错误。 3． 关于能量和能源，下列说法正确的是（ ） A.由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源 B.在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但能量品质降低了 C.能量在转化过程中没有方向性 D.人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 【答案】 B 【解析】 能量守恒，但可利用能源并非源源不尽，A错误； 所有能量最终都会变成内能，而内能不能全部被利用，具有方向性，同时利用品质降低，B正确，C错误； 能量守恒不能被创造，D错误。 4． 在能源消耗的过程中，我们无法把一些能源消耗产生的内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。对于能量耗散理解正确的是（　　） A. 能量耗散说明能量在不断的减少 B. 能量耗散不遵循能量守恒定律 C. 能量耗散说明能量不能凭空产生，但能量却可以凭空消失 D. 能量耗散从能量的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 【答案】D 【详解】A．能量耗散是能量变成了无法收集利用的内能，能量不会减少，故A错误； B．能量守恒定律适用于整个自然界，物质能量变化遵循能量守恒定律，故能量耗散遵循能量守恒定律，故B错误； C．能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，故C错误； D．能量耗散是一个宏观过程，代表着能量向不可收集利用的方向转化，反映出自然界中的宏观过程具有方向性，故D正确。 5．（多选）下列过程中，可能实现的是（ ） A.水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能 B.利用不同深度的海水温度不同来制造一种机器，把海水的内能转化为机械能 C.在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高 D.静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来 【答案】 BC 【解析】 内能不能全部转化为机械能，A错误； 海水的内能可以利用，B正确；摩擦生热，C正确； 温度降低不能自发转化为动能，不符合事实，D错误。 6． 风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机转化效率可视为不变，该风力发电机将空气动能转化为电能的效率为，该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。则风力发电机发电的功率为（　） A. B. C. D. 【答案】B 【详解】建立模型，类比电流的微观表达式 设时间t内，风能转化为电能，转化效率为η=E电/Ek=Pt//Ek， 则该时间内吹向叶片的风的动能为： 其中 则转化的电能为E=Pt=ηEk， 则风力发电机发电的功率为：P=W/t，联立得 故选B。 7． 水库上建筑一条拦河坝，利用水库水位与拦河坝下游水位之间的落差，使水轮机转动，可以带动发电机发电。若水的重力势能有60%转化为电能，已知每分钟5 000 t的水流量可以得到发电机的发电功率为4.9×107 W。求：水的落差是多少？ 【答案】 100 m　 【解析】 由P＝＝， 得h＝＝ m＝100 m。 8． 风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能(气流的动能)转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等。如图所示。 (1)风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为r。求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm； (2)已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机在风速v1＝9 m/s时能够输出电功率P1＝540 kW。我国某地区风速不低于v2＝6 m/s的时间每年约为5 000小时。试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。 【答案】 (1)πρr2v3　(2)8×105 kW·h 【解析】 (1)风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大。 单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为：m＝ρvS，S＝πr2 风能的最大功率可表示为：Pm＝＝mv2＝(ρvS)v2＝ρvπr2v2＝πρr2v3。 （单位时间t被省略） (2)P和Pm成正比，而Pm和v3成正比，所以：P2＝()3·P1＝()3×540 kW＝160 kW 最小年发电量约为：W＝P2t＝160×5 000 kW·h＝8×105 kW·h。（注意能量单位用kW·h，不需要转为J） 9． 阅读如下资料并回答问题： 自然界中的物体由于具有一定的温度，会不断向外辐射电磁波，这种辐射因与温度有关，称为热辐射。热辐射具有如下特点： ①辐射的能量中包含各种波长的电磁波； ②物体温度越高，单位时间从物体表面单位面积上辐射的能量越大； ③在辐射的总能量中，各种波长所占的百分比不同。 处于一定温度的物体在向外辐射电磁能量的同时，也要吸收由其他物体辐射的电磁能量，如果它处在平衡状态，则能量保持不变。若不考虑物体表面性质对辐射与吸收的影响，我们定义一种理想的物体，它能 100％地吸收入射到其表面的电磁辐射，这样的物体称为黑体。单位时间内从黑体表面单位面积辐射的电磁波的总能量与黑体绝对温度的四次方成正比，即P0＝σT4，其中常量σ＝5.67×10-8 W/（m2·K4）。在下面的问题中，把研究对象都简单地看作黑体。 有关数据及数学公式：太阳半径 Rs＝696000 km，太阳表面温度 T＝5770 K，地球半径 r＝6371 km，球面积 S＝4πR2，其中 R 为球半径。 （1）太阳热辐射能量的绝大多数集中在波长为 2×10-7 m~1×10-5 m 范围内，求相应的频率范围。 （2）每小时从太阳表面辐射的总能量为多少？ （3）已知太阳到地球的距离约 1.49×108 km，忽略太阳辐射能量在传播过程中的损失，地球表面受到来自太阳的辐射能量的总功率约为多少？ 【答案】　(1) f=c/λ f1=1.5×1015Hz f2=3×1013Hz 　(2) E=P0tS=5.67×10-8×57704×3600×4×π×(696000000)2 =1.38×1030J (3) P = = 1.75×1017W （地球接受的能量跟接受面积成正比） （2024·上海青浦二模）能源 能源，是指能够提供能量的资源。这里的能量通常指热能、电能、光能、机械能、化学能等。 10．“能源分类相关图”如图甲所示，下列选项中全部符合图中阴影部分的能源是（　　） A．太阳能、风能 B．水能、天然气 C．地热能、核能 D．煤炭、潮汐能 11．关于能量和能源，下列表述中正确的是（　　） A．只要能量守恒的过程就一定能自发进行 B．能量是守恒的，所以能源永不枯竭 C．能量可以从一种形式转化为另一种形式 D．能量的可利用价值变小，能的总量会不断减少 12．一辆新能源小汽车在水平路面上由静止启动，在前5s内做匀加速直线运动，5s末达到额定功率，之后保持额定功率运动，其v-t图像如图乙所示。已知汽车的质量为，汽车受到地面的阻力为车重的0.1倍（g取10m/s2），则汽车在前5s内的牵引力为___________N，汽车的最大速度为___________m/s。 13．今年我国新能源纯电车“800V高压平台”车型开始逐渐普及。相比原“400V”车型，不但补能时间大大缩短，同时降低了整车的能耗，缓解了车主续航的焦虑。如图丙是新能源汽车驱动电路简单示意图，高压动力电池总功率为P，内阻不计，电池两端电压为U，整个回路的电阻为r。试用所学知识阐述当高压动力电池总功率P不变时，随着动力电池两端电压U的提升，驱动系统上功率的变化情况：____________。 14．质量为1500kg的新能源汽车以10m/s的速度在水平面匀速直线前进，通过激光雷达和传感器检测到正前方22m处有静止障碍物时，系统立即自动控制汽车，首先使之做加速度大小为1m/s2的匀减速直线运动，并向驾驶员发出警告。当汽车继续前行至某处时自动触发“紧急制动”，汽车切断动力系统，同时提供12000N的总阻力使其做匀减速直线运动，最终该汽车恰好没有与障碍物发生碰撞。求： （1）汽车在“紧急制动”过程的加速度大小； （2）汽车在上述22m的运动全过程中的平均速度的大小。 【答案】10．A 11．C 12．7.5×103 30 13．驱动系统的功率增大。 14．（1）；（2） 【解析】10．A．太阳能、风能符合图中阴影部分的能源，故A正确； B．水能不是一次能源，故B错误； C．核能不是来自太阳辐射的能源，故C错误； D．潮汐能不是来自太阳辐射的能源，故D错误。 故选A。 11．A．自然界的宏观热现象的过程都有方向性，满足能量守恒定律的物理过程不一定能自发进行，故A错误； BD．能量与能源不同，能量是守恒的，但随着能量的耗散，能量可以利用的品质会下降，则依然要节约能源，故BD错误； C．根据能量守恒定律，能量可以从一种形式转化为另一种形式，也可以从一个物体转移到另一个物体，故C正确； 故选C。 12．[1]汽车受到的阻力 前5s内，由图可得，由牛顿第二定律 解得 [2]末功率达到额定功率 当牵引力等于阻力时，汽车达最大速度，则最大速度 13．由可知，功率一定时，随着动力电池两端电压U的提高，电路中电流I将减小，根据焦耳定律可得电路上损耗的功率将减小，所以驱动系统的功率将增大。 14．（1）由牛顿第二定律可得，“紧急制动”过程的加速度 其中，，代入解得 ； （2）设触发“紧急制动”时汽车的速度大小为v，其到障碍物的距离为，则有 已知“紧急制动”前的加速度为，位移为 且有 已知总位移，，解得 ， 紧急制动前的时间为 紧急制动后的时间为 总时间为 所以 15.（25虹口二模）虽然台风有破坏性，但风力可以发电。已知发电机可将风动能的20%转化为电能，空气密度ρ1.3kg/m3，三个叶片与风力作用的总有效面积S30m2，当地常态风速v10m/s。 （1）台风来袭时，风速可达40m/s，其发电功率是常态下功率的___________倍。 （2）若发电机常态下平均每天工作20h，每户居民平均每天用电2.6kW·h，则每台发电机可供___________户居民用电。 【答案】64 30 【解析】[1]根据风能公式（为空气质量，为风速） 又 则风能（） 发电机的发电功率 故 则台风来袭时与常态时的发电功率之比为 故台风来袭时，其发电功率是常态下功率的64倍。 [2]常态下发电功率 每天都发电量为 可供居民户数 16.（25嘉定二模）如图所示为一台微型水力发电机，其进水口接到家里的水龙头。打开水龙头阀门，发电机输出的电能恰好使额定功率为的小灯泡正常发光。测得进水口水的流速为，其横截面积为，水的密度为，发电机内阻不计。则发电机1分钟输出的电能为_____J，该发电机将水的动能转化为电能的效率为_____（保留三位有效数字）。 【答案】 120 【解析】[1]根据W=Pt 可得发电机1分钟输出的电能为； [2] 一分钟流入发电机的水的质量为 故一秒钟进入发电机的水的动能为 一分钟发电机输出的电能为 故该发电机将水的动能转化为电能的效率为 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $$