4.能源与可持续发展-【金版教程】2025-2026学年高中物理必修第三册创新导学案课件PPT（人教版2019）

第十二章　电能 能量守恒定律 4.能源与可持续发展 1．理解能量守恒定律。2.理解能量转移或转化的方向性，了解什么是能量的耗散和品质降低，增强节约能源的意识。3.知道什么是不可再生能源和可再生能源，了解新能源的开发和利用，及其对人们生产、生活的影响。4.认识能源与社会发展的关系，知道可持续发展的重大意义和要求，增强保护环境的意识。 2 目录 1 课后课时作业 任务 2 任务 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_______为其他形式，或者从一个物体_______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量______________。 转化 转移 任务1　能量守恒定律 保持不变 任务 5 1．能量守恒定律的适用范围 能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是在各种自然现象中普遍适用的一条规律。 2．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。 任务 6 例1　(多选)下列对能量守恒定律的认识，正确的是(　　) A．一杯热水在教室中慢慢变凉，说明能量会凭空消失 B．一杯热水在教室中慢慢变凉，能量的总量保持不变 C．太阳已经持续发光45亿年，说明能量可以凭空产生 D．太阳已经持续发光45亿年，一定有其他能量转化为太阳的光和热 解析　一杯热水在教室中慢慢变凉，能量并没有凭空消失，而是从水中转移到周围的空气中，能量的总量保持不变，A错误，B正确；太阳已经持续发光45亿年，不能说明能量可以凭空产生，根据能量守恒定律，一定有其他能量转化为太阳的光和热，C错误，D正确。 任务 7 例2　李白的《秋登宣城谢脁北楼》中写道：“人烟寒橘柚，秋色老梧桐。”一质量为2 kg的柚子从离地5 m高处落下，测得柚子落地的速度大小为8 m/s，取重力加速度大小g＝10 m/s2，则柚子在下落过程中产生的内能为(　　) A．64 J B．36 J C．50 J D．40 J 任务 8 把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。是否可能发生这样的现象：原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升？ 提示：不可能发生上述现象。 任务2　能量转移或转化的方向性 任务 9 1．一切与热现象有关的宏观自然过程都是_________的。 2．能量的耗散 (1)定义：燃料燃烧时一旦把热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用；电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为_____能和_______能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的______能，很难把这些______能收集起来重新利用。这种现象叫作能量的耗散。 不可逆 内 光 内 内 任务 10 (2)能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未______，但在可利用的品质上______了，从____________的能源变成____________的能源。 这是能源危机的深层次的含义，也是自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源的根本原因。 (3)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_____性。 减少 降低 便于利用 不便于利用 方向 任务 11 1．能量转移的方向性：一切与热现象有关的宏观自然过程都具有方向性。如热量可以自发地从高温物体传递给低温物体，但不能自发地从低温物体传递给高温物体。 2．能量转化的方向性：其他形式的能转化为环境的内能后，很难把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量耗散。能源的利用受这种方向性的制约，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的。 任务 12 例3　(多选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气，下列说法正确的是(　　) A．热量能自发地从低温物体传到高温物体 B．在一定条件下，热量可以从低温物体传到高温物体 C．热量的传递过程不具有方向性 D．在自发的条件下热量的传递过程具有方向性 解析　热量总是由高温物体自发地传到低温物体，具有方向性，在外界帮助下，热量可以从低温物体传到高温物体，电冰箱就是借助压缩机做功把热量从低温物体传到高温物体，故选B、D。 任务 13 例4　下列现象属于能量的耗散的是(　　) A．利用水流能发电转化为电能 B．电能通过灯泡中的电阻丝转化为光能 C．电池的化学能转化为电能 D．火炉把房子烤暖 解析　能量的耗散是指其他形式的能转化为内能，最终流散在周围环境中很难重新收集并加以利用的现象，转化为能够重新收集并加以利用的能不属于能量的耗散。本题中的电能、光能都可以重新收集并加以利用，如用光作能源的手表等，故不属于能量的耗散，只有火炉把房子烤暖是燃料的化学能转化成内能并流散在周围的环境中，很难重新收集并加以利用，属于能量的耗散。故选D。 任务 14 1．能源的分类 (1)不可再生能源：______、______和_________是目前人类生产、生活中使用的主要能源，这类能源又叫作_________能源。_______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。 (2)可再生能源：_________和_________等能源，归根结底来源于_______能。这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。 2．新能源：_________能、水能、风能、_________能。 煤炭 石油 任务3　能源的分类与应用　能源与社会发展 天然气 化石 化石 水能 风能 太阳 太阳 核 任务 15 3．能源与社会发展 (1)人类对能源的利用大致经历了______时期、_______时期、______时期。 (2)环境问题：过度使用化石能源带来的环境问题有__________、_______、_____________等。 (3)可持续发展：核心是追求发展与________、________的平衡：既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。需要树立新的能源安全观，并转变能源的___________。一方面要大力提倡________，另一方面要发展_________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的污染程度低的________能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明。 柴薪 煤炭 石油 温室效应 酸雨 光化学烟雾 资源 环境 供需模式 节能 可再生 清洁 任务 16 例5　关于开发能源和节约能源，以下观点错误的是(　　) A．能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为 B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭实在是一种杞人忧天的表现 C．能源的开发利用，必须同时考虑对环境的影响 D．利用核能是目前开发新能源的一种有效途径 任务 17 能量是守恒的，因此可以无节制地利用各种能源吗？ 提示：不能。能量的耗散会导致能量品质降低，不加节制地利用能源也会造成环境和安全问题。 解析　能量虽然守恒，但在利用过程中，其形式在不断向低品质转化，可见能源是有限的，故A正确，B错误；在利用能源的同时，还应注意保持与环境的平衡，利用核能是目前开发新能源的一种有效途径，故C、D正确。本题选观点错误的，故选B。 任务 18 例6　某市有20万台空调机，每台空调机在夏季平均使用60天，每天耗电8 kW·h。为了节约能源，该市政府建议大家都把室内设定温度提高1 ℃，这样每台空调机每天可节省6%的电能。 (1)这样做能使该市在夏季节省多少电能？ (2)已知标准煤的热值是2.92×107 J/kg。发电厂的发电效率是30%。请计算一下，这项节能建议的实现能在1年内节约多少吨标准煤？(结果均保留两位有效数字) 答案　2.1×1013 J　2.4×103 t 任务 19 (1)节省的电能E与煤完全燃烧产生的热量Q有什么关系？ (2)煤完全燃烧产生的热量Q的计算公式是什么？ 提示：E＝ηQ。 提示： Q＝qm。 解析　(1)设该市在夏季节省的电能为E， 则E＝8×6%×60×20×104 kW·h＝5.76×106 kW·h＝2.1×1013 J。 (2)设1年内节约的标准煤的质量为m，有2.92×107 J/kg×m×30%＝E 解得m＝2.4×103 t。 任务 20 课后课时作业 知识点一　能量守恒定律 1．(多选)下列说法正确的是(　　) A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加 B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加 C．能量既不会创生也不会消失 D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 解析：选项A、B、C对应能量守恒定律的内容，选项D中，石子的机械能发生了转化，而不是消失。故选A、B、C。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 2．电动自行车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接，当骑车者用力蹬车或电动自行车自动滑行时，自行车就可以通过发电机向蓄电池充电，将其他形式的能转化成电能储存起来。现有某人骑车以600 J的初动能在粗糙的水平路面上滑行，第一次关闭自动充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化关系如图线①所示；第二次启动自动充电装置，其动能随位移变化关系如图线②所示，则第二次向蓄电池所充的电能是(　　) A．600 J B．360 J C．300 J D．240 J 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析：设水平路面对电动自行车的阻力大小为f，第二次向蓄电池所充的电能为E，根据能量守恒定律，在这两个过程中，分别有Ek＝fx1，Ek＝fx2＋E，其中x1＝10 m，x2＝6 m，Ek＝600 J，解得E＝240 J，故选D。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 知识点二　能量转移或转化的方向性 3．(多选)关于能量的转化与守恒，下列说法中正确的是(　　) A．摩擦生热的过程是不可逆的 B．所有能量守恒的过程都是可逆的 C．空调既能制热又能制冷，说明热传递不存在方向性 D．可再生能源和不可再生能源一样，在利用的过程中同样存在能量耗散 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析：摩擦生热过程是将物体的机械能转化为内能，但内能不能再转化为物体的机械能，所以摩擦生热的过程是不可逆的，A正确；一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的，故B错误；热传递存在方向性的含义是指热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，而不能自发地从低温物体传递到高温物体，但若有其他影响也可以将热量从低温物体传递到高温物体，空调制冷时必须通过压缩机做功才能实现热量从低温物体传递到高温物体，因此热传递仍然存在方向性，故C错误；可再生能源和不可再生能源一样，在利用的过程中同样存在能量耗散，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 4．(多选)下列关于能量的耗散的说法，正确的是(　　) A．能量的耗散使能的总量减少，违背了能量守恒定律 B．能量的耗散是指耗散在环境中的内能不便于被人类利用 C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的 D．能量的耗散导致能量品质的降低 解析：能量的耗散是能量在转化的过程中有一部分以内能的形式被周围环境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，故A错误，D正确；耗散的内能不便于再被利用，B正确；各种形式的能向内能的转化，是能够自动全额发生的，C正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 知识点三　能源的分类与应用　能源与社会发展 5．(多选)下面关于能源的说法中正确的是(　　) A．一切能源是取之不尽、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 解析：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，A错误，B正确；常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大，C正确，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 6．(多选)为了减缓大气中CO2浓度的增加，可以采取的措施有(　　) A．禁止使用煤、石油和天然气 B．开发利用核能、太阳能 C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气 D．植树造林 解析：为了减缓大气中CO2浓度的增加，可行且有效的措施是开发新型能源以减少对常规能源的利用，减少CO2的排放，A、C错误，B正确；通过植树造林，可以把太阳辐射到地球的能量转化为生物的能量储存起来，又能吸收大气中的CO2，释放出O2，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 7．现代社会倡导“绿色、低碳、节能”的新型生活方式。下列做法不符合节能要求的是(　　) A．电脑使用完毕后关机并切断电源 B．电视机长时间处于待机状态 C．长时间外出需要切断热水器电源 D．手机充电结束后拔掉充电器 解析：电脑使用完毕后关机并切断电源，长时间外出需要切断热水器电源，手机充电结束后拔掉充电器，这三种做法符合节能要求，电视机在待机状态也要消耗电能，电视机长时间处于待机状态不符合节能要求。故选B。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 8．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2240万千瓦的三峡水电站，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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析：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2240万千瓦，即2.24×1010 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 9．如图所示是一种太阳能草坪节能灯，太阳能电池板供一只“10 V　9 W”的电子节能灯工作。若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3 m2，平均1小时得到的太阳能为4×105 J，太阳光按平均一天照8小时计算，恰好可以供电子节能灯工作10小时。问： (1)太阳能节能灯的能量转化情况； (2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率为多少？ (3)太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？ 答案：(1)见解析　(2)370.4 W　(3)10% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 10．某同学决定利用身边的材料制作一个简易的太阳能热水器，容器壁的其中两个面用玻璃板替代，以利于日光射入，其设计结构如图所示。为了更有效地利用太阳能，提高热水温度，下列措施中不可行的是(　　) A．容器容积一定时，增大日光入射的有效面积 B．尽量使有效采光面与日光垂直 C．将除了玻璃板之外的内壁涂黑 D．将除了玻璃板之外的内壁涂上一层反射膜 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 解析：A项和B项措施可以让更多的日光射入容器，从而提高热水温度，可行；日光射入后，C项措施可以让这些光尽可能被吸收，D项措施会让部分光反射出去，将会有一部分能量散发出去，故C可行，D不可行。本题选不可行的措施，故选D。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 11．我国自古有“昼涨称潮，夜涨称汐”的说法。潮汐主要是由太阳和月球对海水的引力造成的，以月球对海水的引力为主。 (1)下图是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸门，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。当落潮时，开闸门放水发电。设海湾水库的面积为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%，水的密度为1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2，则一天内发电的平均功率约为________(填选项前的字母)。 A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 (2)如图所示为双水库潮汐电站原理示意图。 两个水库之间始终保持着水位差，可以全天发电。涨潮时，闸门的开关情况是___________；落潮时，闸门的开关情况是___________。从能量的角度说，该电站是将海水的___________转化为水轮机的动能，再推动发电机发电的。 A关、B开 B关、A开 重力势能 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 12．某地的平均风速为5 m/s，空气密度是1.2 kg/m3。有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆面内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多少？ 答案：3.4 kW 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课后课时作业 　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　 R 解析　下落过程中减少的机械能转化成了内能，根据能量守恒定律，产生的内能为E＝mgh－eq \f(1,2)mv2＝36 J，故选B。 解析：(1)能量转化：太阳能→电能→光能(热能)。 (2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率：P＝eq \f(4×105,0.3×1×3600) W≈370.4 W。 (3)太阳能节能灯利用太阳能的效率： η＝eq \f(9×10×3600,4×105×8)×100%≈10%。 解析：(1)涨落潮一次水减少的重力势能ΔEp＝mgeq \f(h,2)＝ρShgeq \f(h,2)，一天涨落潮两次，发电两次，转化成的电能E＝2ΔEp×10%，所以P＝eq \f(E,t)≈5.2×104 kW。 (2)涨潮时，高水位水库储存水，因此闸门的开关情况为A关、B开；落潮时，低水位水库放水，所以闸门应B关、A开。从能量转化的角度来说，该电站是将海水的重力势能转化为水轮机的动能，再发电。 解析：在时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ 这些气流的动能为eq \f(1,2)mv2 转变的电能为E＝eq \f(1,2)mv2×10% 故该风车带动的发电机功率为P＝eq \f(E,t)＝eq \f(1,2)πr2ρv3×10%≈3.4 kW。 $$