12.4能源与可持续发展-【大单元教学】高二物理同步备课系列（人教版2019必修第三册）

第4节 能源与可持续发展 人教版（2019） 物理（必修第三册） 张二朝 第十二章 电能 能量守恒定律 学习目标 1.通过列举各种实例，知道能量是如何转化的，理解能量守恒定律； 2.知道能量转移或转化的方向性，知道能量耗散； 3.知道能量的分类与应用，知道能源与社会发展的关系； 4.了解能源的开发与利用所带来的环境污染问题，认识环境污染的危害。 课堂引入 我们知道，内能可以转化成电能，电能可以转化成光能、内能或机械能......既然能量是守恒的，不会凭空消失，为什么我们还要节约能源呢？ 能量守恒定律 　　任何人类活动都离不开能量，不同形式的能量之间可以相互转化。 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其他形式，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。这个规律叫作能量守恒定律（law of energy conservation）。 (1)能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。 (2)能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。 (3)自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。 (4)机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。 能量守恒定律的意义： 能量守恒定律 思考：把刚煮好的热鸡蛋放到冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后二者温度相同。是否可以发生这样的现象：原来温度相同的鸡蛋和水，过一会水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升？ 这一现象并不违反能量守恒定律，但是这样的过程为什么不存在哪？ 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 即一切与热现象有关的宏观过程都有方向性。 一、能量转移或转化的方向性 1.能量的转移具有方向性：如热量可以自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体。 2.能量的转化具有方向性：如机械能可以自发地完全转化为内能，但内能不能自发地且不能完全转化为机械能。 一、能量转移或转化的方向性 能量的耗散 在能量转化过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。 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。 例如，电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能。我们很难把这些内能收集起来重新利用。 一、能量转移或转化的方向性 　　火力发电厂燃烧燃料产生的热能最终只有40%左右转化为电能，如果进行供暖的话，燃烧产生的热能大约80%左右可以被人们利用到，剩余部分则会变为环境的内能散失。 　　一辆行驶的小轿车，燃料燃烧产生的内能有 37% 通过发动机散热系统排出，37% 直接由排气管排出，只有 26%变为发动机输出的机械能。 太阳能的转化 能量的耗散表明，能量在数量上虽未减少，但品质上降低了，从便于利用的能 源变成不便于利用的能源。这就是能源危机的深层次的含义，也是要节约能源 的根本原因。 能量的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。 二、能源的分类与应用 1.能源： 是指可产生各种能量或可做功的物质资源的统称。 二、能源的分类与应用 煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源，这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源被叫作不可再生能源。 二、能源的分类与应用 水能、风能、潮汐能等能源，归根结底来源于太阳能。这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。 二、能源的分类与应用 1、太阳能发电：太阳能的利用对环境的影响很小。利用太阳能最有前途的领域是通过太阳电池将太阳能直接转化成电能。目前我国是最大的光伏产品制造国。2015年年底，我国太阳能光伏发电累计并网容量达到4.158×107 kW，2022年9月底，我国光伏发电装机3.58亿千瓦，居世界第一，稳坐全球第一把交椅。 。 二、能源的分类与应用 2、水力发电：水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式。水电对环境的影响比火电小，发电成本低。到2015 年中国水电装机总量突破 3×10 8 kW， 约占全球水电装机总量的1/4，居世界第一. 葛洲坝水电站 三峡水电站 二、能源的分类与应用 3、风能发电：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”。我国风力资源丰富，尤其是西北、华北、华东、西南地区。随着新能源政策的引导及风力发电、并网等技术的发展，我国风力发电开发走在了世界前列，装机容量居全球第一。 连云港临港产业区风车田 新疆达坂城风车田 4、核能发电：一些质量较大的原子核在裂变成较轻的原子核时，会释放出惊人的能量。同样质量的化学燃料与核燃料相比，如果都进行了完全反应，核燃料释放出的能量要远远大于化学燃料释放出的能量。可控制的裂变反应所释放出的能量，可以很好地被人们所利用。核电站就是利用可控核裂变来发电的。 大亚湾核电站 防城港核电站 秦山核电站 二、能源的分类与应用 我国具有完全自主知识产权的三代百万千瓦级核电技术站——华龙一号，其安全指标和技术性能已达到国际最先进的三代水平。我国的核能发电技术已居于世界领先地位。中国核电机组数量将达到90余台，从装机容量上讲，将超过法国，成为世界第二的核电大国，仅次于美国。 二、能源的分类与应用 二、能源的分类与应用 三、能源与社会发展 　　我们的衣食住行和社会的存在与发展都离不开能源。人类历史上，社会的每一次大变革，都伴随着能源科技的突破。 人类对能源的利用大致经历了三个时期： 柴薪时期 煤炭时期 石油时期 1．火的使用是人类在能源使用上的第一个里程碑； 2．蒸汽机的出现，化石能源的大规模利用，开始了人类文明的新纪元； 3．内燃机的出现，推进了机械化和电气化的进程。 一、能量转移或转化的方向性 　　能源是人类社会活动的物质基础，然而在能源的利用过程中造成的环境恶化，已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。 “温室效应”造成冰川融化 酸雨 三、能源与社会发展 　　社会的高速发展造成了能源紧缺，过度使用化石能源也造成了环境的污染。人类的生存与发展离不开能源，能源的开发与利用又会对环境造成影响。可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡：既要满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。一方面要大力提倡节能，另一方面要发展使用可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等在生产及消费过程中对生态环境污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明。 课堂小练 1．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地减少 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．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 D 课堂小练 2.（课本99页，5）如图是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量 E0 为 7×103J/(m2 · s)。一台热水器的聚热面积为 2m2，若每天相当于太阳直射热水器 4h，太阳能的 20% 可转化为水的内能，那么这个热水器一天内最多能利用的太阳能为多少？ 课堂小练 3.风能是一种很好的可再生能源，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这台风力发电机的可利用风能。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）每台风力发电机可利用风能的功率的表达式； （2）风力发电机利用风能的效率表达式。 解析：（1）风吹动风轮机的叶片转动，风力发电机将叶片转动的动能转化为电能。由动能守恒定律可知，时间 t 内每台风力发电机可利用的风能为 ＝P总t ， 在 t 时间内流向叶片扫过区域的空气的质量 m＝πr2 v0tρ ， 联立解得 P总＝ ； （2）风力发电机利用风能的效率为 η＝　 课堂小结 能源与可持续发展 能量守恒定律 能量耗散 可持续发展 能源 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，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变. 一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的. ①能量耗散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 ②能量耗散表明，在能源的利用过程中,能量可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。 可再生能源与不可再生能源 ①提高能源的利用率，减少在能源使用中对环境的破坏。 ②发展新的理想能源， 减少对化石能源的使用。 再 见 $$