四、 能源与可持续发展（培优教学课件）物理新教材苏科版九年级下册

该初中物理课件聚焦“能源与可持续发展”，核心知识点涵盖能量转化效率及能源与可持续发展。从钻木取火到新能源开发的历程导入，通过动滑轮、小轿车等实例衔接机械效率旧知，构建“实例-公式-应用”学习支架，帮助学生理解效率计算与能源问题。 亮点在于以科学思维建构能量转化模型（如小轿车能量分配分析），结合科学态度与责任融入“双碳”目标等实例，采用“实例-推导-应用”教学法。课堂总结梳理要点，助力学生形成能量观念与环保意识，教师可借实例与练习提升教学效果。

江苏凤凰科学技术出版社 九年级物理 下册 义务教育教科书 第十八章 能源与可持续发展 从钻木取火到化石能源的利用，再到新能源开发， 能源的更迭推动着时代的进步。 伴随着蒸汽机、内燃机、电动机等的使用， 人类社会发生了日新月异的变化。 但大量非清洁能源的使用，也引发了严重的大气污染、水污染...... 节约能源、保护环境、呵护地球， 人类才能走上可持续发展的道路! 四、能源与可持续发展 1. 理解能量在转移和转化过程中的效率，会对相关问题进行分析与计算。 2. 了解我国和世界的能源状况，对于能源的开发和利用有可持续发展的意识。 学习目标 第四节 能源与可持续发展 重点与难点 教学重点： 能量在转移和转化过程中的效率。 教学难点： 对能量转化的效率问题进行分析与计算。 第四节 能源与可持续发展 学习内容 1. 能量转化的效率 2. 能源与可持续发展 3. 实践与练习 4. 综合提升训练 第四节 能源与可持续发展 一、能量转化的效率 第四节 能源与可持续发展 一、能量转化的效率 1. 动滑轮工作时的能量转化情况 输出 机械能 和内能 我们在学习“简单机械”一章时，知道了机械效率。在利用动滑轮提升重物的过程中，从能量转化的角度来看，输入的能量来源于人体的化学能，它等于手拉绳所做的功，输出的能量是重物及滑轮被提升后获得的机械能和此过程中因摩擦而产生的内能，如图所示。 输入 化学能 一、能量转化的效率 2. 小轿车正常工作时能量的转化情况 一辆利用热机做功的小轿车，输入的能量是燃油的化学能，输出的能量是小轿车的动能、声能和内能等。其能量的转化关系如图所示。 一、能量转化的效率 3. 节能灯正常工作时的能量转化情况 某节能灯在使用过程中输入的是电能，输出的是光能和内能，其能量的转化关系如图所示。 一、能量转化的效率 4. 能量转换的效率 大量事实表明，任何机械或装置都可看成能量转换器，输入的能量只有部分转化为有用的能量，还有一部分在转化过程中损失掉了。 例如，机械因摩擦而生热，内燃机做功必然要散热等。因此，能量转化的过程存在效率问题。由于转化过程中能量损失不可避免，所以任何机械或装置的能量转换效率都不可能达到100%。 一、能量转化的效率 （1）能量转换装置的效率可用下式计算： ×100％ 一、能量转化的效率 （2）计算小轿车正常工作时的效率 ×100％ = 15％ 2000J化学能 300J动能 1700J内能和声能 小轿车 一、能量转化的效率 （3）计算节能灯正常工作时的效率 ×100％= 32％ 可见，一盏100W的这种节能灯正常工作，1s产生的光能约为32J，而过去使用的白炽灯效率只有10%左右，即相同功率的白炽灯1s产生的光能只有约10J，其他的电能都转化成了内能。 正因为如此，如今白炽灯已经逐渐被各类节能灯所取代。 一、能量转化的效率 5. 热机的效率 对于热机来说，转化为有用功的能量与燃料完全燃烧所释放的能量之比叫作热机的效率。 热机的效率 热机类型 效 率 蒸汽机 6%～15% 汽油机 20%～30% 柴油机 30%～45% 喷气发动机 50%～60% 为了提高热机的效率，人们一直在努力地减少热机工作过程中各种能量的损失。由蒸汽机发展为喷气发动机，能源利用效率从6%提高到50%以上。 可见，能源利用效率的提高离不开科学技术的进步。 η 一、能量转化的效率 【例题1】某辆行驶的小轿车，其正常工作时的能量转化情况如图所示。若输入的化学能为2000J，输出的动能为300J，则输出的内能和声能共计______J； 输出的有用能量是动能，则小轿车正常工作时的效率为______。 15% 1700 【解析】据题意，E总=2000J，E有用=300J，则据能量守恒定律: 输出的内能和声能共计为 E总-E有用=2000J-300J=1700J 小轿车正常工作时的效率 η= E有用/E总= 300J/2000J =15%. 动能 内能和声能 化学能 二、能源与可持续发展 第四节 能源与可持续发展 二、能源与可持续发展 1. 能源的开发和利用对人类社会的影响 从人类社会发展的进程看，每次能源变革都无一例外地把人类社会推向一个新的发展阶段。能源为人类文明发展作出了重大贡献。但是，当前能源的开发与利用问题也使人类产生了深深的忧虑与困惑。 从19世纪开始，随着化石能源的使用，大气中二氧化碳等温室气体浓度不断增加，导致地球气温升高、全球变暖。 二、能源与可持续发展 地球气候变暖导致冰川加速熔化 联合国政府间气候变化专门委员会预测，到2100年，全球平均气温将比工业化前上升1.5~4.8℃。若气温上升2℃ ，则极地冰川和冰层熔化，导致海平面上升，将会淹没全球大批沿海城市，对图地球气候变暖导致冰川加速熔化数以亿计的居民造成威胁。此外，气候变化还会导致生物多样性下降、水资源短缺等严重问题。 二、能源与可持续发展 2015年，在各国的共同努力下，第21届联合国气候变化大会通过了《巴黎协定》，首次提出让所有国家共同致力于实现以下目标：与前工业化时期相比，将全球平均温度升幅控制在2 ℃以内，并继续争取把温度升幅限定在1.5℃以内。 （1）“碳达峰”与“碳中和” 2020年9月，我国在第75届联合国大会上发言，将力争于2030年前实现“碳达峰”，争取在2060年前实现“碳中和”。 2. 能源与可持续发展 “碳达峰”是指二氧化碳年排放的总量在某一个时期达到历史最高值，之后逐步降低。 “碳中和”是指在一定时期内，通过植树造林、节能减排等方式抵消人为产生的二氧化碳。 二、能源与可持续发展 要实现碳排放持续大幅下降，一方面要优化能源结构，加快发展太阳能、水能、风能等清洁能源； 另一方面要大力提倡低碳消费，落实节能举措，降低能耗。 让我们从力所能及的小事做起，积极践行“绿水青山就是金山银山”的发展理念，实现社会可持续发展，共创人类美好未来。 （2）实现碳排放持续大幅下降的举措 二、能源与可持续发展 【例题2】如图所示，碳的耗用量称为“碳足迹”。一般情况下，排放的二氧化碳越多，碳足迹就越大。碳足迹的计算包括用于电力、建设、运输等方面的能源，以及我们所使用的消耗品。以下做法可以减少“碳足迹”的是（　　） A．减少一次性餐具的使用 B．以私家车出行代替公共交通工具 C．大量使用天然气等燃料 D．将生活垃圾进行焚烧处理 A 二、能源与可持续发展 【解析】 A．一次性餐具在生产、运输和废弃处理过程中都会消耗大量的能源，并产生二氧化碳排放。因此，减少一次性餐具的使用，可以有效降低这些过程中的能源消耗和二氧化碳排放，从而减少“碳足迹”。故A符合题意； B．以私家车出行代替公共交通工具。私家车相比公共交通工具，其载客量小，但能源消耗和二氧化碳排放却相对较大。因此，以私家车出行代替公共交通工具，实际上会增加能源消耗和二氧化碳排放，从而增大“碳足迹”。故B不符合题意； C．大量使用天然气等燃料。天然气等化石燃料在燃烧过程中会产生大量的二氧化碳排放。因此，大量使用天然气等燃料，会显著增加二氧化碳的排放，从而增大“碳足迹”。故C不符合题意； D．将生活垃圾进行焚烧处理。虽然焚烧处理可以减少生活垃圾的体积和重量，但焚烧过程中会产生大量的二氧化碳和其他有害气体排放。因此，将生活垃圾进行焚烧处理，并不能有效减少“碳足迹”，反而可能增加二氧化碳的排放。故D不符合题意。 故选A。 二、能源与可持续发展 【例题3】如图是某内燃机的能量流向图。下列有关说法正确的是（　　） A．①是废气带走的热量 B．该内燃机是在压缩冲程获得动力 C．该内燃机的效率为29% D．改进构造减小摩擦可提高热机效率 A 二、能源与可持续发展 【解析】 A．在热机的能量损失中，废气带走的热量占据了很大一部分，这是内燃机能量损失的主要原因之一。而①中能量损失是最小的，故A错误； B．做功冲程中高温高压的燃气推动活塞向下运动，使机器获得动力，故B错误； C．热机效率是指有效利用的能量与燃料完全燃烧放出的热量的比值，输出有用机械能所占比例为100%﹣36%﹣30%﹣6%＝28% 故C错误； D．机械摩擦消耗了一部分能量， 因此，改进构造减小摩擦可以提高 热机效率，故D正确。故选D。 三、课堂总结 第四节 能源与可持续发展 课堂总结 能源的利用 作用：推动了人类社会发展，为人类文明发展作出了重大贡献。 能源与可 持续发展 能量转化 的效率 能源与可 持续发展 优化能源结构、开发清洁能源；提倡低碳消费，落实节能措施。 问题：化石能源导致地球气温升高全球变暖；水资源短缺。 四、实践与练习 第四节 能源与可持续发展 实践与练习 1. 未来的理想能源，应该是来源丰富、可再生、洁净安全、获取方便且经济的能源。试比较各种能源的特点，议一议：哪些能源将成为人类优先开发和利用的能源?哪些能源有望成为未来促进人类社会可持续发展的主体能源? 实践与练习 核能、氢能、地热能、风能、太阳能、潮汐能、生物能等将成为人类优先开发和利用的能源。 风能和太阳能会成为促进人类社会可持续发展的主体能源。 煤炭 石油和天然气 水 电 核电 储量 储量大 储量有限 受地形、气候限制 储量有限 可否再生 不可再生 不可再生 可再生 不可再生 发热量 较 低 较高 能量密集 开发技术 与成本 较易 较易 首期投资大， 运转费用低 技术难度大， 运转费用低 环境污染 烟尘、废渣、 大气污染 大气污染 清洁 潜在核污染 其他效益 化工原料 化工原料 防洪、生态等 综合效益好 _____ 实践与练习 2. 三峡水电站是世界上最大的水力发电站，2020年累计生产清洁电能1.118×1011kW·h。该发电量相当于一个每年消耗3.44×1010kg标准煤的火力发电站的年发电量。 （1）已知标准煤的热值为2.9×107J/kg，则3.44×1010kg标准煤完全燃烧会放出多少热量? （2）向大气中排放过量的二氧化碳等气体，是造成“温室效应”的主要原因。三峡水电站建成以来，累计发电超过1.6×1012kW·h，至少减少排放二氧化碳1.32×1012kg。已知在通常情况下，二氧化碳气体的密度为1.98kg/m3，这些二氧化碳气体的体积约为多大？ （3）根据上述资料计算火力发电站的效率。 【解析】（1）Q=mg=3.44×1010kg×2.9×107J/kg=9.976×1017J. （2）这些二氧化碳气体的体积 V=m/ρ=1.32×1012kg/（1.98 kg/m3 ）=6.7×1011 m3 （3）由题意知，火力发电站的年发电量与三峡水电站的年发电量相等，即 E=1.118×1011kW·h=1.118×1011×3.6×106J=4.03×1017J 燃烧煤放出的总热量 Q=9.976×1017J 所以火力发电站的效率为 η =E/Q×100%=4.03×1017J/9.976×1017J×100%=40% 实践与练习 实践与练习 3. 燃油小轿车的能量来自燃油燃烧释放的化学能，小轿车消耗的化学能除了转化为动能，还通过哪些途径转化为其他哪些形式的能量?哪些能量是有用的?哪些物质会对环境产生不利影响? 参考：燃油小轿车在行驶过程中，消耗的化学能主要转化为动能，同时伴随以下能量转化形式： （1）‌内能‌：燃油燃烧释放的化学能有一部分转化为内能，通过冷却系统和尾气以废热形式散失。 ‌（2）电能‌：部分能量通过发电机转化为电能（如车载电器使用），但此部分占比通常较低。 ‌（3）有用的能量：动能、电能。 （4）燃油小轿车尾气排放中对环境产生不利影响的主要物质包括一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、二氧化硫（SO₂）、颗粒物（PM2.5/PM10）以及二氧化碳（CO₂）。 五、综合提升训练 第四节 能源与可持续发展 综合提升训练 1. 以下各种形式的能源中可作为理想能源的是（　　） A．太阳能 B．天然气 C．石油 D．煤炭 【解析】太阳能取之不尽、用之不竭，清洁无污染，是一种理想的能源；天然气燃烧会产生二氧化碳等温室气体，且属于不可再生能源，不是理想能源；石油燃烧会产生大量的污染物，如二氧化硫、氮氧化物等，并且是不可再生能源，不是理想能源；煤炭燃烧会释放出大量的烟尘、二氧化硫等污染物，对环境造成严重污染，同时也是不可再生能源，不是理想能源。故BCD不符合题意，A符合题意。 A 故选A。 综合提升训练 2. “双碳”目标指的是二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，并努力争取在2060年前实现碳中和。这一目标是中国向国际社会作出的承诺，旨在减少温室气体排放，应对气候变化， 推动经济社会高质量发展。为了实现双碳目标，我们应重视下列哪种能源的利用（ ） A．太阳能 B．天然气 C．石油 D．煤炭 A 【解析】A．太阳能是清洁能源，在使用过程中几乎不产生二氧化碳等温室气体，有利于减少温室气体排放，符合 “双碳” 目标要求，故A符合题意； B．天然气属于化石能源，燃烧会产生大量二氧化碳，不利于减少温室气体排放，故B不符合题意；C．石油属于化石能源，燃烧会产生大量二氧化碳，不利于减少温室气体排放，故C不符合题意； D．煤炭属于化石能源，燃烧会产生大量二氧化碳，不利于减少温室气体排放，故D不符合题意。故选A。 3．新能源的开发和利用在中国发展势头强劲，是东方巨龙腾飞的助推器，如图是我国生产的某品牌氢动力汽车。关于新能源，下列说法错误的是（　　） A．水能、氢燃料和天然气都属于新能源 B．核电站利用核裂变释放的能量来发电 C．氢燃料发动机将化学能转化为机械能 D．新能源的开发可以有效缓解能源危机 A 【解析】A．水能、氢燃料属于新能源，天然气属于化石能源，故A错误，符合题意； B．核电站利用核裂变释放的能量发电，将核能转化为电能，故B正确，不符题意； C．氢燃料发动机将氢燃料的化学能最终转化为机械能，故C正确，不符合题意； D．不断地开发新能源代替传统能源，能有效缓解能源危机，故D正确，不符题意。 故选A。 综合提升训练 综合提升训练 4. 为践行“低碳理念”，LED节能灯在生活中使用越来越广泛，它可以直接把电能转化为光能。现有一盏标有“24V 12W”LED灯，其亮度与“220V 100W”的普通白炽灯相当。 12WLED灯与100W白炽灯的亮度相同 （1）若上述LED灯和白炽灯都正常工作相同时间，两灯消耗的电能之比是______； （2）某种白炽灯工作时的能量转化情况如图所示，则该白炽灯的发光效率是______ ； （3）12WLED灯与100W白炽灯照明效果相同，是指______ 。 3∶25 10% 【解析】（1）因为两灯正常工作，所以PLED=12W，P白炽灯=100W，时间t相同，由𝑃=𝑊/𝑡可得，两灯消耗的电能之比 WLED∶W白炽灯=PLEDt∶P白炽灯t=PLED∶P白炽灯=12W∶100W=3∶25 （2）白炽灯的发光效率 （3）由于LED灯的发光效率高于白炽灯发光效率，则功率较小的LED灯的亮度与功率较大的白炽灯亮度相同，二者照明效果相同。 综合提升训练 综合提升训练 5．城市一些路段安装了太阳能LED照明路灯，如图所示，LED是一种发光二极管，它是由_______材料制成的，灯杆顶端是太阳能电池板，白天它可以将_____能转化为_____能，并向灯杆下方的蓄电池充电，供夜晚路灯照明。若某段时间内，太阳光辐射到该太阳能电池板的能量为2.4×107J ，这些能量经转化后，可供功率为120W的路灯工作20h，则该太阳能路灯的能量转化效率为_____ %。 半导体 太阳能是_____ （填“可再生”或“不可再生”）能源、清洁无污染，它是在太阳内部氢原子核发生_____ （填“裂变”或“聚变”）释放出的巨大的能量。 聚变 电 36 可再生 太阳 【解析】是一种发光二极管，它是由半导体材料制成的，发光二极管具有单向导电性。 太阳能电池板白天吸收太阳能，产生电能，把太阳能转化为电能，并向灯杆下方的蓄电池充电。 路灯工作20h消耗的电能为 则该太阳能路灯的能量转化效率为 太阳能可以从自然界源源不断获取，属于可再生能源；利用核能的方式是核裂变和核聚变，太阳能是在太阳内部氢原子核发生聚变释放出的巨大的能量。 综合提升训练 综合提升训练 6．我国第一款自主品牌的高端豪华轿车“红旗HQ3”在某段平直公路上进行测试，汽车以18m/s的速度匀速行驶了5min，消耗燃油0.3kg，汽车发动机的牵引力是1000N。燃油的热值为4.5×107J/kg。求： （1）消耗的燃油完全燃烧产生的热量Q放； （2）发动机所做的功W； （3）发动机的能量转化效率η。 1.35×107J 5.4×106J 40% 【解析】消耗的燃油完全燃烧产生的热量 Q放=mq=0.3kg×4.5×107J/kg=1.35×107J 发动机牵引力的功率 P=Fv=1000N×18m/s=1.8×104W 发动机做的功W=Pt=1.8×104W×5×60s=5.4×106J 发动机的能量转化效率 综合提升训练 $