第四章 2 能源 3 环境保护与可持续发展(Word教参)-【步步高】2024-2025学年高一物理必修第三册学习笔记（教科版）

本高中物理讲义聚焦能源与环境保护核心内容，先阐释能量转化的方向性及能量耗散导致品质降低的原理，再系统梳理能源分类（一次/二次、可再生/非再生等）及节流开源的解决路径，最后衔接环境保护与可持续发展，搭建完整知识支架。 资料以问题驱动（如永动机可行性、锅炉污染分析）引导探究，通过节能计算例题（空调调温省煤量）培养科学推理能力，结合温室效应等案例渗透社会责任，课时练习覆盖选择与计算，课中辅助教学，课后助力查漏补缺。

2　能源 3　环境保护与可持续发展 [学习目标]　1.了解能量转化和转移的方向性，认识提高能量利用效率的重要性(重点)。2.了解能源及其分类，了解解决能源问题的方法。3.了解能源与人类生存和社会发展的关系，认识能源的合理利用与环境保护对可持续发展的重要意义。 一、能源 能量守恒定律提出以后，人们认识到能量不可能凭空产生，但也不会消失，于是有人设计了这样一种装置：该装置可以从海水中收集热能，并将这些内能作为驱动电动机的动力，从而实现永动的目的。这种设备可以做出来吗？ 答案　不能。因为能量的转化具有方向性，热量一旦释放出来，就会散失到周围的环境中，就很难再聚集起来供人类重新使用了。 1．能量的品质 (1)在自然界，一切自发的过程都有一定的方向性。 (2)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。 (3)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。 由此可知，能量的耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不太可用的形式。能量的耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。 2．能源　能源的分类 (1)我们把能够提供人类所需能量的自然资源称为能源。 (2)能源的分类 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，二次能源是指由一次能源经过加工、转换而形成的能源。 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，在短期内无法再生的能源，称为非再生能源。 ③传统能源和新能源，化石能源被称为传统能源，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。要改进技术来减少能耗，要做到消耗更少的能源而生产出更多更好的产品。 (2)开源，即开发新能源，以替代传统能源。新能源中包括那些可再生能源，例如太阳能、风能、水流能、海洋能、地热能等。 深化提升 1．对“能量耗散和品质降低”的理解 (1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也只能使地球、大气稍稍变暖一点。却再也不能驱动机器做功了。 (2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量。 2．地球上和绝大部分能源来源于太阳的辐射能 例1　(2024·佛山市南海区第一中学高三月考)下列对能量耗散的理解正确的是(　　) A．能量耗散说明能量不断减少 B．能量耗散遵守能量守恒定律 C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失 D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程没有方向性 答案　B 解析　能量耗散的过程是能量向品质低的大气内能转变的过程，但是总的能量是守恒的，能量不能凭空产生，也不能凭空消失，故A、C错误，B正确； 宏观自然过程自发进行是有其方向性，能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性，故D错误。 例2　(2023·招远市第一中学高二期中)下列说法中错误的是(　　) A．水能和风能叫作可再生能源 B．化石能源叫作不可再生能源 C．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 D．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 答案　C 解析　水能、风能、潮汐能等能源在自然界可以再生，叫作可再生能源，A正确；化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源叫作不可再生能源，B正确；能量耗散是指在能源的利用过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，能量在数量上并未减少，但是在可利用的品质上降低了，C错误，D正确。 例3　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个夏季节约多少吨标准煤？(结果均保留两位有效数字) 答案　2.1×1013 J　2.4×103 t 解析　设可节省的电能为E，则E＝8×6%×60×20×104 kW·h＝5.76×106 kW·h≈2.1×1013 J， 设1个夏季节约的标准煤的质量为m，则由能量守恒定律有2.92×107 J/kg×m×30%＝E， 解得m≈2.4×106 kg≈2.4×103 t。 二、环境保护与可持续发展 如图所示是锅炉工作时的外景，从节约能源和环境保护角度来看，分析存在的主要问题是什么？ 答案　题图中的浓烟滚滚，可以发现存在主要问题有两个：一是燃料燃烧不充分，且烟气带走大量的热量，造成能量损失；二是造成大气污染。 1．环境破坏的原因 (1)能源的大量消耗； (2)过量的人类活动。 2．怎样做到可持续发展 大量开发利用可再生能源，逐步减少不可再生能源的消耗。 深化提升 1．能源的开发与利用关系图 2．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，在降雨过程中溶于雨水，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阳光中强烈的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。 例4　(多选)关于能源的开发和利用，下列观点正确的是(　　) A．能源是有限的，无节制地使用传统能源，是一种盲目的短期行为 B．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的 C．能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响 D．不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径 答案　ACD 解析　能源是有限的，比如传统能源，所以无节制地利用传统能源是一种盲目的短期行为，故A正确；能量会转化为不能利用或不易利用的能源，所以可利用资源的数量会减少，因此应该节约能源，故B错误；能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响，故C正确；不断开发新能源是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径，也是根本途径，故D正确。 例5　(多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是(　　) A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应” B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中的二氧化碳的含量，由此加剧了“温室效应” C．“温室效应”使得地面气温上升、两极冰雪融化 D．“温室效应”使得土壤酸化 答案　BC 解析　“温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时增加了大气中二氧化碳的含量，它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升等，故B、C正确。 课时对点练 1～7题每题6分，共42分 考点一　能源 1．(多选)下列关于能量转化的说法中，正确的是(　　) A．能量在转化过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用 B．各种形式的能量在转化时，总能量是不变的 C．在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的 D．各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的 答案　ABC 解析　根据能量守恒定律可知，无论在能量的转化还是在能量的转移过程中，能量的总量都是不变的。由能量的耗散知，在能量转化的过程中，有一部分能量转化为周围环境中的内能，而我们很难把这些内能收集起来重新利用，这表明，在能源的利用过程中，能量的总量并未减少，但是在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的，而自然界的总能量仍是守恒的，故选项A、B、C正确，D错误。 2．(多选)下列过程中，可能实现的是(　　) A．水的温度下降时释放的内能全部转化为机械能 B．利用海水的波浪能发电 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 3．(多选)下列能源中，哪些属于不污染环境的新能源(　　) A．太阳能 B．天然气 C．风能 D．沼气 答案　AC 解析　目前，人类应用较多的能源是煤炭、石油、天然气等传统能源，正在大力发展的新能源有核能、太阳能、风能、沼气等。太阳能和风能都是无污染的能源，故选A、C。 4．如图是一幅“能源分类相关图”，以下四组能源中，全部符合图中阴影部分的是(　　) A．煤炭、石油、沼气 B．水能、潮汐能、天然气 C．太阳能、风能、生物能 D．地热能、海洋能、核能 答案　C 解析　符合题图中阴影部分的应是来自太阳辐射能的可再生新能源。煤炭、石油、沼气都是不可再生能源，故A错误；天然气是一种化石燃料，是不可再生能源，故B错误；太阳能、风能、生物能都是可再生新能源，都来自于太阳能，故C正确；地热能来源于地球内部的热量，核能是指核裂变或聚变时产生的光能和热能，不是源于太阳能的辐射，故D错误。 考点二　环境保护与可持续发展 5．(多选)(2023·包头市高一统考期末)现代社会倡导“绿色、低碳、节能”的新型生活方式。下列做法符合节能要求的是(　　) 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　ACD 6．利用下列能源，可以减少污染环境的气体排放的是(　　) A．太阳能 B．煤炭 C．石油 D．天然气 答案　A 解析　使用太阳能不污染环境，太阳能是一种清洁能源，故A正确；煤炭燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等物质，污染环境，故B错误；石油燃烧时产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮等物质，污染环境，故C错误；天然气燃烧时生成大量的二氧化碳、一氧化碳等物质，污染环境，故D错误。 7.风力是清洁能源，我国的风力发电技术已经走在世界的前列。如图所示为某公司独立研发并制造的风力发电机，单机设计功率为5 000 kW，叶片长度为64 m，已知空气的密度为1.29 kg/m3，如果该风力发电机利用风的动能转化为电能的效率约为20%，则该风力发电机正常工作时，风速值应接近(　　) A．8 m/s B．10 m/s C．15 m/s D．20 m/s 答案　C 解析　以叶片长l＝64 m为半径的圆面积S＝πl2，在时间t内通过叶片所在圆区域的空气柱长度x＝vt，该柱形体积内风的动能为Ek＝ρSxv2＝ρπl2v3t，则该风力发电机的电功率P＝＝ηρπl2v3，代入数据，解得v≈14.4 m/s，故C正确。 8、9题每题9分，共18分 8．(多选)能源短缺和环境恶化指的是(　　) A．煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限度的，这叫能源短缺 B．煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺 C．煤炭和石油具有大量的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚存在空气中污染空气，使环境恶化 D．大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气，使环境恶化 答案　BD 解析　能源短缺简单地说就是能源储备量不能满足人类的需求。它可以分为相对性短缺(技术性短缺)和绝对性短缺(资源性短缺)。相对性短缺是指由于人的使用方式不恰当，使用效率不高造成的短缺；绝对性短缺是由于存储总量有限造成的。环境恶化是指资源破坏、生态破坏、土地沙化、物种减少、生活环境恶化、沙尘暴、水土流失等等。故选B、D。 9．(多选)二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，地球表面发出的长波辐射到大气层以后被二氧化碳截获，最后使大气升温。大气中的二氧化碳像温室的玻璃一样，只准太阳的热辐射进来，不让室内的长波辐射出去，大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应。这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法能成立的是(　　) A．在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量二氧化碳，当时地球上的气温很高 B．经过漫长的时间，地壳的岩石和二氧化碳发生了化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命 C．由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高 D．现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加，使电能和其他形式的能转化为内能 答案　ABC 解析　地球形成的早期，火山活动频繁，由于火山的喷发，排出大量的二氧化碳，进而导致当时的地球气温升高，A正确；由于多种原因，其中包括岩石中的矿物成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使地球上的岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了适合生命生存的条件，B正确；由于工业的发展和人类的活动，大量地使用化石能源，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高，C正确；生活用电和工业用电是电能向其他形式的能的转化，会产生热，但不是温室效应的主要原因，D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $