2．能源 3．环境保护与可持续发展-【金版教程】2025-2026学年高中物理必修第三册创新导学案全书Word（教科版2019）

物理 必修 第三册(教科) 2．能源 3．环境保护与可持续发展 1．了解能量转化和转移的方向性。2.了解环境保护与可持续发展的意义。 一　能源 1．能量的品质 (1)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，但能量的转化和转移都是需要一定的条件的。在自然界，一切自发的过程都有一定的方向性。 (2)从人类对能量的利用的角度看，能量是有品质高低之分的，内能(热能)是品质最低的能量。 2．能源　能源的分类 (1)能源：我们把能够提供人类所需能量的自然资源称为能源。 (2)分类方法 ①一次能源和二次能源：一次能源又称为初级能源，是指那些直接取自自然界的未经加工、转换的能源。如原煤、原油、天然气、生物燃料、水流、风力、太阳能、地热能、海洋能等。 二次能源是指由一次能源经过加工、转换而形成的能源。如由原煤而生成的焦炭、煤气，由原油提炼而成的汽油、航空煤油，由各种形式的发电站产生的电能，生产出来的高压蒸气、热水等。 ②可再生能源和非再生能源：一次能源中有些具有天然的自我恢复能力，称为可再生能源。如风能、水流能、太阳能、地热能等。 在短期内无法再生的能源是非再生能源。 例如煤炭、石油、天然气等。由于它们都是古代的生物经过地质变动深埋在地下，经过亿万年才生成的，又称为化石能源。 ③传统能源和新能源 已大规模使用的能源主要是煤炭、石油、天然气，即化石能源，它们被称为传统能源。 最近才开始大规模开发利用的能源，则称为新能源。 3．解决能源问题的出路 (1)节流，就是减少消耗。 (2)开源，即开发新能源，以替代传统能源。 二　环境保护与可持续发展 1．发展与能源消耗 (1)三次科技革命 ①第一次科技革命：以蒸汽技术为代表的革命。 ②第二次科技革命：以电力技术为代表的革命。 ③第三次科技革命：以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志。 (2)三次科技革命能源的消耗 ①第一次科技革命：以煤炭、石油和天然气为主。 ②第二次科技革命：以消耗大量的化石能源转化为电能为主。 ③第三次科技革命：注意减少能源的消耗，大力开发节省能源的新技术和新产业。 2．环境保护与可持续发展 (1)可持续发展：大量开发利用可再生能源，逐步减少不可再生能源的消耗，才是人类的出路所在。 (2)环境的污染、破坏与能源的大量消耗和一些人类的活动有关。 判一判 (1)人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造。(　　) (2)由能量守恒定律知，能量是取之不尽、用之不竭的，也不必要节约能源。(　　) (3)热量可以自发地由高温物体传向低温物体，也可以自发地从低温物体传向高温物体。(　　) (4)核能属于新能源，所以是可再生能源。(　　) (5)大量消耗化石能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源。(　　) (6)能源开发和利用时，必须考虑到对生态环境的保护。(　　) 提示：(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√ 探究　能量的品质　能量转化和转移的方向性 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：如图所示，燃料的化学能能够全部转化为有用的机械能吗？ 提示：不能。 活动2：燃料的化学能有些转化为其他形式的能量，如废气内能、散热损失、机械损失，这些能量能够再全部转化为有用的机械能吗？ 提示：不能。 活动3：废气内能可以再全部转化为燃料的化学能吗？ 提示：不可以。 活动4：能量是守恒的，为什么还要节约能源？ 提示：能量虽然是守恒的，但是根据上述分析，可以利用的能源会越来越少，所以要节约能源。 1．对能量转化和转移的方向性的理解 (1)一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。 例如，把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会儿，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。假设达到相同温度的鸡蛋和水能自发地变成原来的温度的热鸡蛋和冷水，那么原来的过程就是可逆的。但事实上这个现象是不可逆的。 (2)虽然能量是守恒的，但是，在自然界中，能量的转化过程有些是可以自然发生的，有些则不能。 例如，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。又如，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。 2．能量的耗散 (1)认识：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的现象叫作能量耗散。 (2)理解 ①能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。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。 ②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。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。 (多选)下列对能量的耗散的理解正确的有(　　) A．能量的耗散说明能量在不断减少 B．能量的耗散遵守能量守恒定律 C．能量的耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失 D．能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 (1)能量的耗散导致能量越来越少吗？ 提示：能量是守恒的，总量不会减少。能量的耗散导致能量的品质降低。 (2)能量的耗散反映出什么？ 提示：能量转化具有方向性，需要节约能源。 [规范解答]　在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会转化为周围环境的内能，很难再回收利用，这种现象叫能量的耗散。能量的耗散并不违背能量守恒定律，宇宙的能量既没有减少，也没有消失，它只从能量转化的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确。 [答案]　BD (1)能量的耗散是高品质能量向低品质能量转化的过程。 (2)能量的耗散是指能量的可利用程度降低。 [变式训练1]　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 答案　D 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后使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D正确。 探究　能源的分类　能源与社会发展 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：人类社会能离开能源吗？ 提示：人的衣食住行离不开能源，人类社会的存在和发展离不开能源。 活动2：能源的使用会对环境带来破坏吗？都有哪些破坏？ 提示：会的，如大气污染、温室效应、酸雨等。 活动3：为什么要开发新能源？目前开发的新能源都有哪些？ 提示：因为化石能源的资源有限，而且对环境有很大破坏，所以我们要开发新能源。目前开发的新能源有太阳能、风能、水流能、核能等。 1．能源的分类 能源分类方法 能源分类名称 特点 举例 按是否经过加工、转换分 一次能源 直接取自自然界的未经加工、转换 原煤、原油、天然气 二次能源 由一次能源经过加工、转换 焦炭、煤气、汽油、航空煤油、电能 按可否再生分 可再生能源 具有天然的自我恢复能力 水流能、风能、太阳能、地热能 不可再生能源 短期内无法再生 煤、石油、天然气 按使用时间的长短分 传统能源 从第一次工业革命到现在人类主要使用的能源 煤炭、石油、天然气 新能源 最近才开始大规模开发利用 水流能、风能、太阳能、地热能 2.开发新能源 常规能源的有限和其对环境的污染，都促使人类加紧新型能源的开发和利用，这些新型能源如水流能、太阳能、风能、核能等的优点是能量丰富，环境污染小。 核能发电：蕴藏在原子核内部的能量，也是一种重要的新能源。核电站就是利用可控核裂变来发电的，但不能从根本上解决能源危机问题；另一类可以释放更巨大能量的核反应是轻核聚变，如果能够实现可控热核反应，将从根本上解决能源问题。 3．可持续发展 (1)核心是追求发展与资源、环境的平衡：既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。 (2)要求：树立新的能源安全观，并转变能源的供需模式。一方面要大力提倡节能，另一方面要发展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的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。 关于开发能源和节约能源，你认为以下观点错误的是(　　) 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 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。 [规范解答]　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。在利用能源的同时，还应注意保持与环境的平衡，应选B。 [答案]　B 能量与能源的区别 (1)能量是守恒的，既不会增加也不会减少。 (2)能源是可以提供可利用能量的物质。因为能量的耗散，能源会逐渐减少，所以要节约能源和开发新能源。 [变式训练2]　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。那么这样做能使该市在夏季节省多少电能？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 解析　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 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。 1．(综合)能源利用的过程实质上是(　　) A．能量的消失过程 B．能量的创造过程 C．能量的转化和转移过程 D．能量的转化、传递并且逐渐消失的过程 答案　C 解析　能源利用的过程是做功或传热的过程，前者是能量的转化，后者是能量的转移，故C正确。 2．(能量转移或转化的方向性)(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再也不能被人类利用 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 答案　BCD 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；耗散的内能无法再被利用，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。 3．(综合)(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 答案　BC 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。 4．(能源和环境)(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 答案　BD 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。 5．(节约能源)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 答案　B 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。 6.(风力发电)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 答案　B 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。 7.(太阳能发电)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% 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＝ W≈370.4 W。 (3)太阳能节能灯利用太阳能的效率： η＝×100%≈ 10%。 8．(能源的开发和利用)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 答案　D 解析　玻璃板的主要作用是让日光进入热水器的内部，光进入后，要让这些光尽可能被吸收，若是将除了玻璃板之外的内壁涂上一层反射膜，则会有部分光反射出去，将会有一部分能量散发出去，D错误。 9．(综合)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 (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。 答案　(1)B　(2)A关、B开　B关、A开　重力势能 解析　(1)涨落潮一次水减少的重力势能ΔEp＝mg＝ρShg，一天涨落潮两次，发电两次，转化成的电能E＝2ΔEp×10%，所以P＝≈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。 10．(综合)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 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mv2， 转变的电能为E＝mv2×10% 故该风车带动的发电机功率为 P＝＝πr2ρv3×10%≈3.4 kW。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$