第五章 第二节 能源的利用方式 第三节 能量的转化与守恒 第四节 能源与环境(Word教参)-【步步高】2024-2025学年高一物理必修第三册学习笔记（粤教版）

本高中物理讲义围绕能源的分类、利用方式、能量转化与守恒及能源与环境展开，系统梳理从化石能源到新能源的分类，水能、风能等的能量转化，能量守恒定律及方向性，以及能源利用对环境的影响，形成完整知识脉络。 资料通过风力发电机功率计算、太阳能帽子能量转化等例题培养科学思维（模型建构、科学推理），结合温室效应、酸雨等内容渗透社会责任（环保意识），课中辅助教师教学，课后练习助力学生巩固能量观念，弥补知识盲点。

第二节　能源的利用方式 第三节　能量的转化与守恒 第四节　能源与环境 [学习目标]　1.了解各种能源的开发和利用的现状与前景。2.会分析、计算简单的水能、风能、太阳能的有关问题。3.知道自然界各种形式的能量可以相互转化，知道能量转化(转移)的方向性和能量守恒定律(重点)。4.知道能源的分类，知道能源的利用对环境的影响。5.知道环境污染的危害和环境保护的方式方法。 一、能源及能源的分类 一、能源及能源的分类 1．能源 能源指能够提供可利用能量的物质，它是人类社会生活的物质基础。 2．能源的分类 (1)化石能源：如石油、煤炭、天然气等。 现状：①环境污染②能源短缺。 (2)新能源：如水能、风能、太阳能、核能等。 二、能源的利用 1．水能包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等，主要利用水的动能与重力势能，属于清洁可再生能源。 2．风能主要利用风的动能发电，属清洁可再生能源。 3．太阳能利用方式较多，主要有太阳能的光热转换，光电转换和光化学转换，也可发电，属清洁可再生能源。 4．核能 (1)核能是一种储存在原子核内部的能量，原子核发生核反应时，会释放巨大的能量，核裂变和核聚变是核反应的两种方式。 (2)核裂变：由较重的原子核分裂成两个或多个质量较轻的原子核的反应叫作核裂变。 核聚变：由两个质量较轻的原子核在一定条件下聚合成一个较重的原子核的反应叫作核聚变。 (1)水能的利用主要利用其重力势能，将重力势能转化为水轮机的动能，然后转化为电能。(　√　) (2)风力发电是将风能转化为电能。(　√　) (3)家庭用的太阳能热水器是将太阳能转化为水的内能。(　√　) 例1　市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图所示)。在阳光的照射下，小电扇快速转动，能给炎热的夏季带来一丝凉爽。该装置的能量转化情况是(　　) A．太阳能→电能→机械能 B．太阳能→机械能→电能 C．电能→太阳能→机械能 D．机械能→太阳能→电能 答案　A 解析　帽子上的太阳能电池板将太阳能转化为电能，供小电扇工作，小电扇工作时消耗电能，将电能转化为扇叶的机械能，故A正确。 例2　(多选)如图是某地一风力发电机，它的叶片转动时可形成直径为40 m的圆面。若该地区的风速是5.0 m/s，风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为1.2 kg/m3，风力发电机能将此圆内10%的空气动能转化为电能，则(π取3.14)(　　) A．每秒冲击风力发电机叶片圆面的气流的体积约为6.28×103 m3 B．每秒冲击风力发电机叶片圆面的气流的体积约为2.51×104 m3 C．此风力发电机发电的功率约为9.42×103 W D．此风力发电机发电的功率约为1.89×103 W 答案　AC 解析　每秒冲击风力发电机叶片圆面的气流的体积约为V0＝vS＝vπR2≈5×3.14×()2 m3＝6.28×103 m3，故A正确，B错误；每秒内冲击风力发电机叶片圆面的气流的动能约为Ek＝ρV0v2≈×1.2×6.28×103×52 J＝9.42×104 J，依题意可知此风力发电机的功率约为P＝Ek×10%＝9.42×103 W，故C正确，D错误。 二、能量的转化与守恒 1．能量种类有：机械能、内能、电能、电磁能、核能、化学能等。 2．能量的转化和转移 不同形式的能量可以相互转化： ①水力发电→水的机械能转化为电能。 ②化学电池充电→电能转化为化学能；化学电池使用→化学能转化为电能。 ③光合作用→光能转化为化学能；木材燃烧→化学能转化为光能和内能。 3．能量守恒定律 (1)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，在转化和转移过程中其总量不变。 (2)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，是普遍适用的一条规律。 (3)能量守恒定律的表达式 ①E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。 ②ΔE增＝ΔE减，某些能量的增加量等于其他能量的减少量。 (4)应用步骤 ①明确研究对象及研究过程。 ②明确该过程中，哪些形式的能量在变化。 ③确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少。 ④列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)。 4．能量转化的方向性 (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)热传导过程是有方向性的。热量从高温物体向低温物体的热传导过程能自发进行，而相反方向的过程不能自发进行。 (3)机械能全部转化为内能的过程能自发进行，而内能全部转化为机械能的过程不能自发进行。 (4)在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有方向性的，但都遵守能量守恒定律。 (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。(　×　) 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。 例4　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，水的密度为1×103 kg/m3，g取10 m/s2结果保留三位有效数字) 答案　1.58×105 kW 解析　设t时间内流下的水的质量为m，以t时间内流下的水为研究对象， 竖直下落后减少的机械能为 E＝mgh－mv2 转化为电能的功率为 P＝＝＝(gh－)×80%＝103×103×(10×20－×22)×0.8 W＝1.58×108 W≈1.58×105 kW。 三、能源与环境 1．能源的分类 (1)按人类开发能源的历史划分 ①常规能源：煤、石油、天然气、水力等。 ②新能源：核能、太阳能、风能、地热能等。 (2)按能源的基本形态划分 ①一次能源：自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能源，如煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能、生物质能、地热能等。 ②二次能源：一次能源经过加工转化而成的能源，如电能、氢能、焦炭等。 (3)按对环境的影响划分 ①清洁能源(也称“绿色能源”)：太阳能、风能等。 ②非清洁能源：煤、石油等。 2．能源与环境 (1)对大气环境的影响： 能源开发利用排出的有害气体改变原有空气的组成，引起污染，造成全球气候变化。化石燃料的开采、运输、加工、转换和利用都会污染大气环境。 (2)对生态环境的影响 不合理开发利用能源造成生态环境破坏，随意砍伐森林、过度开采矿产造成生物多样性减少、水土流失以及土地荒漠化。 (3)对居住环境的影响 能源开发利用导致人类生存环境的恶化，如能源的过度开发利用、空气能见度低、引起酸雨、抑制植物生长、加剧温室效应等。 3．环境污染的危害 (1)温室效应：化石燃料燃烧放出大量的二氧化碳，使大气中二氧化碳的含量大幅增高，产生温室效应，造成地面温度上升，两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海地区等不良影响。 (2)酸雨污染：排入大气中的大量二氧化硫和氮氧化物等在降水过程中溶入雨水，形成酸雨。酸雨进入地表、江河，破坏土壤，影响农作物生长；使生物死亡，破坏生态平衡；同时腐蚀建筑结构、工业设备、动力和通信设备等，还直接危害人类健康。 (3)臭氧层的破坏：臭氧层的存在对防止紫外线起着举足轻重的作用，一旦臭氧层遭到破坏，对生物有害的紫外线会毫无遮挡地射到地面上，提高皮肤癌和白内障的发病率，也会影响我们的免疫系统，同时对不同生态系统中生物的生长、发育、繁殖、分布和生态循环造成一系列的危害。 另外，常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染。 4．环境保护 在生产、生活中注意从以下方面保护环境： (1)防治生产和生活的污染。 (2)防止建设和开发的破坏。 (3)保护自然环境。 例5　(多选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是(　　) A．禁止使用煤、石油和天然气 B．开发使用核能、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　可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放或植树造林也可以吸收空气中的CO2，故B、D正确；禁止使用煤、石油和天然气或将汽车燃料由汽油改为液化石油气虽然有效，但是并不可行，故A、C错误。 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)那么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　(1)2.1×1013 J　(2)2.4×103 t 解析　(1)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； (2)设1年内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。 课时对点练　[分值：90分] 1～7题每题6分，共42分 考点一　能源的分类与利用 1．一艘帆船只在风力作用下航行，该帆船动能由(　　) A．风能转化而来 B．核能转化而来 C．电能转化而来 D．化学能转化而来 答案　A 解析　一艘帆船只在风力作用下航行，通过风力对帆船做功，将风能转化为帆船的动能，故A正确。 2．如图所示，有关核电站发电过程中的能量转化情况，下列说法正确的是(　　) A．发电机是将电能转化为机械能 B．汽轮机是将内能转化为机械能 C．核电站是利用核聚变释放的核能 D．核电站是利用化学反应释放的核能 答案　B 解析　发电机将机械能转化为电能，故A错误；汽轮机将内能转化为机械能，故B正确；核电站利用的是核裂变释放的能量，核裂变属于物理反应，故C、D错误。 3.光伏发电是利用太阳能的技术之一，它利用太阳能电池板，将照射在其上的太阳能转化为电能。农村居民院落或屋顶的光伏发电装置除满足居民家庭用电，还可向电网供电获得收益。太阳光垂直照射地面，在每平方米的面积上，平均每分钟能得到8.4×104 J的太阳能量，如果我们能利用太阳能的10%，那么在面积为50 m2的屋顶上可以利用的太阳能的功率最大为(　　) A．7 kW B．8.4 kW C．70 kW D．420 kW 答案　A 解析　经过时间t，能够利用的太阳能E0＝t×50×10% J＝7t×103 J，根据功率的表达式有Pmax＝，解得Pmax＝7 kW，故A正确。 考点二　能量的转化与守恒 4．(多选)(2023·阳江市高二学业考试)下列对能量守恒定律的认识正确的是(　　) 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．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——第一类永动机是不可能制成的 D．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 答案　ABC 解析　不同形式的能量间的转化过程中能量是守恒的，即某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加，A正确；能量在不同的物体间发生转移过程中能量是守恒的，即某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，B正确；第一类永动机是不可能制成的，它违背了能量守恒定律，C正确；石子从空中落下的过程中，机械能在变化，比如受空气阻力作用使机械能减少，最后停止在地面上时机械能并没有消失，而是转化成其他形式的能，D错误。 5．(2024·佛山市联考)有关能量守恒定律，下列说法正确的是(　　) A．从广州开往深圳的动车停了下来，说明能量会凭空消失 B．按照能量守恒定律，能量总和不会增减 C．一块石头从罗浮山上滚下，其机械能没有变化 D．珠江的水能是用之不竭的 答案　B 解析　从广州开往深圳的动车停了下来，只是能量从一种形式的能转化为另一种形式的能，并不是能量会凭空消失，故A错误；按照能量守恒定律，能量总和不会增减，故B正确；一块石头从罗浮山上滚下，由于受到各种阻力的影响，其机械能会减小，故C错误；受各种自然和社会因素的影响，水能并不是用之不竭的，故D错误。 考点三　能源与环境 6．能源短缺和环境恶化指的是(　　) ①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 ②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 ③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 ④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，改变了成分使环境恶化 A．①③ B．①④ C．②③ D．②④ 答案　D 7．节约能源的主要措施是(　　) A．大力开发新能源 B．大量利用太阳能、地热能 C．大量利用风能、水能 D．采用新技术、新设备，更新改造落后的技术设备 答案　D 解析　在能源的利用中，虽然能量守恒，但可以有效利用的能量只占其中一部分，另外的一部分未被利用而散失了。因此，提高能源的利用率，节约能源是一个关系国民经济发展的重大问题，而提高能源利用率，节约能源，离不开科学技术的进步。采用新技术、新设备，更新落后的技术设备是节能的主要措施，故D正确。 8、9题每题9分，10题12分，共30分 8.(2024·重庆市高二期中)2022年7月13日，我国用长征三号乙型运载火箭成功将天链二号03星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。如图所示，卫星两翼的太阳能电池板把太阳能转化为电能供卫星使用。关于电源、能源与可持续发展，下列说法正确的是(　　) A．干电池、蓄电池对外供电时，电能转化为化学能 B．在能的转化和转移的过程中，能量的总量减少 C．能量的转移或转化过程中，是具有方向性的 D．修建水电站利用水能发电更清洁、安全，有百利而无一害 答案　C 解析　干电池、蓄电池对外供电时，电池内部发生化学变化，化学能转化为电能，故A错误；在能的转化和转移的过程中，能量的总量保持不变，这就是能量守恒定律，故B错误；能量的转移或转化过程中，总量是不变的，但是具有方向性，故C正确；修筑拦河坝建造水电站也会对沿河的水域环境造成影响，给河流通航造成影响等，因此不利影响也是存在的，故D错误。 9．潮汐能是海水周期性涨落运动中所具有的能量，是一种可再生能源。现建立一个简化模型，某发电站大坝内储水水库的有效面积为S＝4×106 m2，涨潮时，当大坝外侧海平面高度为h＝4 m时(以海水流入前的水库水面为参考系)，打开大坝下面通道的闸门海水流入，此过程中通道处的水轮机利用水流的动能发电，直至大坝内外水面等高，关闭闸门。等到完全退潮后，开闸放水，再次发电，直至大坝内外水面再次相同，关闭闸门，等待下一次涨潮发电(此时的水库水面高度即为涨潮前的水库水面高度)。由于海洋很大，大坝外的海平面高度在海水流入、流出水库过程中几乎不变，潮水一天涨落各两次，海水的势能有25%转化为电能，则这个发电站一天的发电量约为(设海水的密度为1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2)(　　) A．4.0×1010 J B．1.5×1010 J C．3.0×1011 J D．1.5×1011 J 答案　C 解析　根据题意可得电能为E电＝Ep×25%＝4×106×4×1.0×103×10×4×2×25% J＝3.2×1011J，故日发电量约为3.0×1011 J，A、B、D错误，C正确。 10．(12分)(2023·深圳市高二期末)太阳能及风能是清洁能源，我国已经建成众多的太阳能及风力发电场。风力发电是利用风的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的。如图所示，某风力发电场安装有2台超大型风力发电机，每片扇叶长达80 m，该地区常年的平均风速v＝5.0 m/s，风向跟叶片转动的圆面垂直，空气的密度ρ＝1.25 kg/m3，风力发电机的叶片转动时可形成半径r＝80 m的圆面。已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的10%转化为电能。 (1)(6分)求每台风力发电机的发电功率P； (2)(6分)已知标准煤的热值q＝3.0×107 J/kg，则该风力发电场年发电量相当于完全燃烧多少标准煤产生的热量？(结果保留三位有效数字) 答案　(1)1.57×105 W　(2)3.30×105 kg 解析　(1)设单位时间内通过每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气的体积为V、动能为Ek，则有V＝πr2vt0，Ek＝ρVv2，Pt0＝10%Ek 解得P＝1.57×105 W。 (2)2台风力发电机发电的功率为2P，年发电时间t＝365×24×3 600 s，设年发电量为E 则有E＝2Pt，E＝qm 解得m≈3.30×105 kg。 11．(18分)节能混合动力车是一种可以利用汽油及所储存电能作为动力来源的汽车。有一质量为m＝1 000 kg的混合动力轿车，在平直公路上以v1＝90 km/h匀速行驶，发动机的输出功率为P＝50 kW。当驾驶员看到前方有80 km/h的限速标志时，保持发动机功率不变，立即启动利用电磁阻尼带动的发电机工作给电池充电，使轿车做减速运动，运动L＝72 m后，速度变为v2＝72 km/h。此过程中发动机功率的用于轿车的牵引，用于供给发电机工作，发动机输送给发电机的能量最后有50%转化为电池的电能。假设轿车在上述运动过程中所受阻力保持不变。求： (1)(6分)轿车以90 km/h在平直公路上匀速行驶时，所受阻力F阻的大小； (2)(6分)轿车从90 km/h减速到72 km/h过程中，获得的电能E电； (3)(6分)轿车仅用其在上述减速过程中获得的电能E电维持72 km/h匀速运动的距离L′。 答案　(1)2×103 N　(2)6.3×104 J　(3)31.5 m 解析　(1)轿车牵引力与输出功率关系为P＝F牵v 将P＝50 kW，v1＝90 km/h＝25 m/s代入得 F牵＝＝2×103 N 当轿车匀速行驶时，牵引力与阻力大小相等， 有F阻＝2×103 N (2)在减速过程中，发动机功率的用于轿车的牵引。根据动能定理有Pt－F阻L＝mv22－mv12，其中v2＝72 km/h＝20 m/s 代入数据得Pt＝1.575×105 J 电池获得的电能为E电＝0.5×Pt＝6.3×104 J (3)根据题设，轿车在平直公路上匀速行驶时受到的阻力仍为F阻＝2×103 N，在此过程中，由能量守恒定律可知，仅有电能用于克服阻力做功，有E电＝F阻L′，代入数据得L′＝31.5 m。 学科网（北京）股份有限公司 $