12.4 能源与可持续发展 课件-2025-2026学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

该高中物理课件聚焦能量守恒定律、能量转化方向性、能源分类及可持续发展，通过“自发电电动车”可行性分析、“能量守恒为何节约能源”等问题讨论导入，衔接能量知识，搭建学习支架。 其亮点在于以科学思维（能量耗散分析、能源转化实例推理）和科学态度与责任（环保意识、可持续发展）为核心，结合风力发电效率计算、水力发电优缺点探究等实例，提供能量守恒解题方法指导，帮助学生深化物理观念，提升问题解决能力，为教师提供结构化教学支持。

第十二章　电能　能量守恒定律 4. 能源与可持续发展 学 习 目 标 1.列举各种实例,说明能量是如何转化的,解释能量守恒定律的含义。 (物理观念) 2.通过实例分析能量耗散,认识自然界中能量转化的方向性。(科学思维) 3.收集资料,讨论能源的开发和利用所带来的环境问题,认识环境污染的危害,具有环境保护的意识和行动。(科学态度与责任) 4.了解太阳能、水能、核能和风能等能源的开发利用,知道利用能源是人类生存和社会发展的必要条件之一。知道人类利用的能源来自可再生能源和不可再生能源,认识合理使用能源的必要性,具有可持续发展观念,养成节能的习惯。(科学态度与责任) 基础落实·必备知识全过关 一、能量守恒定律与能量转化方向 1.能量守恒定律:能量既不会凭空　　　　,也不会凭空　　　　,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,在转化或转移的过程中,能量的　　　　保持不变。  2.能量转移或转化的方向性 (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:其他形式的能转化为内能后很难再重复利用,这种现象叫作能量的耗散。 (3)能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有______　　　　性。 不违背能量守恒定律 产生 消失 总量 不可逆 方向 二、能源的分类与应用 1.能源的分类 (1)不可再生能源:煤炭、　　　　和　　　　等能源又叫作化石能源,化石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:水能和　　　　等能源,归根结底来源于太阳能,这些能源在自然界可以再生,叫作可再生能源。  2.能源的开发与应用 近年来,我国在能源开发方面取得了很大的成就。如太阳能发电、水利发电、　　　　发电、　　　　发电。 石油 天然气 风能 风能 核能 三、能源与社会发展 1.人类对能源的利用大致经历了三个时期,即柴薪时期、　　　　 _________、________。 自工业革命以来,　　　和　　　成为人类的主要能源。 3.可持续发展 (1)可持续发展的核心是追求发展与　　　　、环境的平衡: 2.　　　　　　和过度使用化石能源带来的　　　　　　已成为关系到 人 求,又不损害子孙后代的需求。 类的主要能源。 既满足当代人的 (2)需要做好两方面:①要大力提倡　　　　;②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_____　　　　 煤炭时期 石油时期 煤 石油 能源短缺 环境恶化 资源 节能 可再生 清洁 能 源,推动形成人与自然和谐发展的生态文明。 情境链接 通过教科书、图书馆、网络等途径,就以下问题,提出你的看法。 1.既然能量是守恒的,为什么我们还要节约能源? 2.水力发电有哪些优点和缺点? 提示:在能源的利用过程中,能量的数量未减少,但能源的品质降低了,从便于利用的能源变成不便于利用的能源,因此,我们还要节约能源。 提示:优点:发电量多、价格实惠和可再生性。缺点:建设周期长、污染风险高、保障技术发展复杂等。 教材拓展 阅读教材第93页 “能量转移或转化的方向性”,能量转移或转化是自然界中普遍存在的现象,请你再举一例。 提示:将红墨水滴入杯中的清水中,混合均匀后,不可能发生红墨水与清水自动分离变成原来的状态的现象。 易错辨析 (1)由能量守恒定律知,能量是取之不尽、用之不竭的,不用节约能源。(　　) (2)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。(　　) (3)能量的耗散就是能量的总量在减少。(　　) 提示: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。所以自然界的能量虽然守恒,但还是要节约能源。 提示:热量可以自发地由高温物体传向低温物体,但是不可以自发地、不引起任何变化地从低温物体传向高温物体。 提示:能量的耗散是指在能源的利用过程中,能量的数量未减少,但从便于利用的能源变成不便于利用的能源。 × × × (4)大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源。 (　　) (5)煤炭、石油和天然气属于不可再生能源。 (　　) (6)能量不能创造,不能再生,能量只能进行转化或转移,但能量间的转化或转 移具有方向性。 (　　) √ √ √ 重难探究·能力素养全提升 探究点一　对能量守恒定律的理解 导学探究 有人发明了一种“自发电电动车”(如图所示),基本原理是将一 小型发电机紧靠车轮处,车轮转动时,带动发电机运转,发出的 电又继续供给电动车,你认为仅靠这种方式,电动车能持续运 动下去吗? 提示:仅靠这种方式,不能使电动车持续运动下去。因为靠这种方式,只能将电动车的一部分能量收集起来,但电动车运动时受到的摩擦力不断把电动车的机械能转化为内能,根据能量守恒定律,要想使电动车持续运动下去,必须给电动车补充新的能量。 知识归纳 1.能量守恒定律的重要意义 (1)能量守恒定律是普遍适用的,对宏观世界与微观世界、高速运动与低速运动等都成立。 (2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系,对人类认识自然、改造自然起着重要的指导作用。 (3)能量守恒定律彻底否定了第一类永动机的存在,即不需要任何动力和燃料,却能不断对外做功的机械是不可能存在的。 2.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,能量的增加量等于能量的减少量。 典例剖析 【例1】风能是一种很好的再生能源,而且对环境的污染较小,近年来我国在西北地区建立了许多风力发电厂。风力发电的情形如图所示。已知:空气的密度为ρ,风轮机叶片的长度为r,若风速为v0,每台风力发电机输出电功率为P,风能就是空气定向流动的动能,通过风轮机叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。求此过程中: (1)每台风力发电机获得的可利用风能的功率表达式; (2)风力发电机利用风能的效率表达式。 答案:P总=πr2ρ　 答案:η=c 解析:(1)由能量守恒定律可知12mv02=P总t① 而m=πr2v0tρ② 把②代入①解得P总=12πr2ρv03。 (2)η=。 教你析题 读取题干 获取信息 若风速为v0,…,风能就是空气定向流动的动能 动能Ek=,即为风能 空气的密度为ρ,风轮机叶片的长度为r,…,通过风轮机叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能 t时间内通过风轮机的空气位于底面积为πr2、高为v0t的“圆柱体”内,空气的质量为m=ρV 每台风力发电机输出电功率为P 利用风能的效率η= 教你破题 方法技巧　利用能量守恒定律解题的基本思路 1.分清研究系统在确定的运动变化过程中有哪几种形式的能(如机械能、内能、电能等)在变化。 2.分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。 3.列等式ΔE减=ΔE增求解。 对点演练 1.瀑布从20 m高处以1×103 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,g取10 m/s2,水的密度为1×103 kg/m3) 答案 :1.584×108 W 解析:设t时间内流下的水的质量为m,以m为研究对象,竖直下落后减少的机械能为mgh-mv2 发电机发出的电功率为 P= gh- ×0.8=1.584×108 W。 探究点二　能源和可持续发展 导学探究 说明下列能源利用方式中的能量转化过程是怎样的? (1)水力发电; (2)电动水泵抽水; 提示:水力发电是将水的机械能转化为电能。 提示:电动水泵抽水是将电能转化为水的机械能。 (3)柴油机牵引列车前进; (4)火箭发射人造卫星。 提示:柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能先转化为内能,再转化为列车的机械能。 提示:火箭发射人造卫星是将燃料的化学能转化为卫星的机械能。 知识归纳 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。由此可知,能量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大可用的形式。 (3)能量耗散导致可利用能源减少,所以要节约能源。 2.能源的分类 按可否再生分为可再生能源与不可再生能源。 (1)不可再生能源:无法在短时间内再生,例如煤、石油、天然气。 (2)可再生能源:在自然界可以再生,例如水能、风能、潮汐能、生物能、地热能等。 3.能源的开发与利用关系图 典例剖析 【例2】(多选)下列关于能量耗散的说法正确的是(　　 ) A.能量耗散使能的总量减少,违背了能量守恒定律 B.能量耗散是指耗散在环境中的内能很难再被人类利用 C.各种形式的能量都可以转化为内能 D.能量耗散导致能量品质降低 BCD 解析:能量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,A错误,D正确;耗散的内能很难再被利用,B正确;各种形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能,C正确。 方法技巧　能量耗散不仅遵循能量守恒定律,而且从能量转化的角度反映出自然界与热现象有关的宏观过程具有方向性。 对点演练 2.(多选)下面关于能源的说法正确的是(　　) A.一切能源都是取之不尽、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 BC　 解析:尽管能量守恒,但耗散的内能很难重新收集利用,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等新能源的利用对环境的影响大,C正确,D错误。 学以致用·随堂检测全达标 1.(能量耗散和能量转移)下列说法正确的是(　　) A.能量耗散说明能量在不断减少 B.能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 C.热量不可能从低温物体传给高温物体 D.在火力发电机中,燃气的内能会全部转化为电能 B 解析:能量耗散是指能量的可利用率越来越低,由于能量守恒,故能量不会减少,A错误;与热现象有关的宏观自然过程有其方向性,能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性,B正确;能量转化和转移具有方向性,热量不能自发地从低温物体传给高温物体,但可以借助其他办法实现,C错误;火力发电机发电时,能量转化的过程为化学能—内能—机械能—电能,因为内能—机械能的转化过程中会对外放出热量,故燃气的内能不会全部变为电能,D错误。 2.(能源的可持续发展)水电站的发电原理图如图所示,则下列说法错误的是(　　) A.水力发电不会造成污染 B.该装置将机械能转化为电能 C.要加大发电的功率,可采用仅“增大水位落差”的方法 D.该装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能 D 解析:该装置是将水的重力势能转化为电能,不会造成污染,A、B正确;据能量守恒定律知P电=,C正确;不可能将水库中储存水的机械能全部转化为电能,D错误。故选D。 3.(能源的分类和利用)某种新型“风光互补”节能路灯如图所示。它“头顶”小风扇,“肩扛”太阳能电池板,“腰挎”节能灯。下列说法正确的是(　　) A.节能路灯利用的风能属于不可再生能源 B.小风扇利用风力发电,将电能转化为机械能 C.太阳能电池板是将光能转化为电能 D.太阳能电池板只能白天工作,风力发电机只能夜间工作 C 解析:风能是可再生能源,故A错误;小风扇利用风力发电,将机械能转化为电能,故B错误;太阳能电池板是将光能转化为电能,故C正确;风力发电机既可以在白天工作也可以在夜间工作,故D错误。 $