第四章 2 能源 3 环境保护与可持续发展（配套教参Word）-【步步高】2025-2026学年高二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，从能量转化的方向性切入，系统梳理能源的分类（一次/二次、可再生/非再生等）、解决能源问题的节流与开源方法，构建能量观与可持续发展的知识支架。 资料以问题驱动（如永动机可行性、锅炉污染分析）引导科学探究，结合空调节能计算、风力发电功率等实例培养科学思维，渗透环境保护的科学态度与责任。课中辅助教师突破重难点，课后助力学生巩固知识、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。这种设备能做出来吗？ 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。 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量 例1　(多选)(2024·达州市高二期中)中央提出了“推进绿色发展、循环发展、低碳发展”的理念，下列有关新能源和能量观的描述中，正确的是(　　) A.外出旅游时，尽可能选择自驾出行 B.根据能量守恒，担心能源危机是杞人忧天 C.水能和风能等能源来源于太阳能，是可再生能源 D.能量的利用过程就是能量的转化、转移和耗散过程 答案　CD 解析　外出旅游时，尽可能选择公共交通工具出行，可以减小污染，节约能源，故A错误；能量虽然守恒，但可利用能源转化为不可利用或难以利用的能源，减少了可利用能源的储量，因此担心能源枯竭并非杞人忧天，故B错误；水能和风能等能源来源于太阳能，是可再生能源，故C正确；能量的利用过程就是能量的转化、转移和耗散过程，故D正确。 例2　(2024·四川省合江县马街中学高二月考)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。 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。 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)近年来，我国能源开发取得了很大成就，下列关于能源和可持续发展的说法正确的是(　　) A.可以通过太阳能电池将太阳能转化成电能加以利用 B.水电站是利用水能的重要形式，水能是可再生资源 C.在自然界中，能量的转化过程都是可以自然发生的 D.能量不会凭空产生和凭空消失，不存在能源危机 答案　AB 解析　可以通过太阳能电池将太阳能转化成电能加以利用，故A正确；水电站是利用水能的重要形式，水能是可再生资源，故B正确；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，故C错误；能源危机的根本原因不是能量的产生和消失问题，而是能量转化和转移的过程具有方向性，即能量的转化和转移可能无法有效地控制或利用，故D错误。 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”的产生是因为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 [分值：60分] [1~6题，每题4分] 1.(多选)下列说法正确的是(　　) A.能量只能以势能和动能两种形式存在 B.能量只能存在于具有一定高度或运动速度的物体中 C.任何物质均具有能量 D.能量存在形式多种多样，且不同形式能量之间可以相互转化，并且转化过程中总能量是守恒的 答案　CD 2.(多选)(2024·雅安市高二期末)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、太阳能、风能、水流能、海洋能、地热能等。太阳能和风能都是无污染的能源，故选A、C。 3.(2024·眉山市高二期中)如图所示，撑竿跳高运动包括三个阶段：助跑、撑竿起跳、越横竿，其中发生了弹性势能转化为重力势能的阶段是(　　) A.助跑阶段 B.越横竿阶段 C.撑竿起跳阶段 D.越横竿阶段和助跑阶段 答案　C 题点　机械能的守恒与不守恒 4.(2024·宜宾市高一期末)李白诗句“君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回”，从物理学的角度理解，对于一定质量的黄河水在奔流过程中(　　) A.只有重力对流水做功 B.动能越来越大 C.重力势能全部转化为动能 D.经发电站时，水的机械能减小 答案　D 解析　水在奔流过程中，既有重力做功又有河道阻力做功，故选项A错误；水的动能根据地形有可能增加也有可能减小，也有可能不变，故选项B错误；水的重力势能一部分转化为动能，还有一部分转化内能，故选项C错误；经发电站时，水的机械能有一部分转化为电能，故机械能减小，故选项D正确。 题点　能量守恒定律 5.某人设计了一个“超级推进器”，该推进器由超导体、激光器、制冷剂以及计算机控制系统组成，其神奇之处在于能通过自身的循环工作，源源不断地获得动力，而不需要消耗任何能源。事实上，这是不可能实现的，因为他的设计违背了(　　) A.能量守恒定律 B.电荷守恒定律 C.机械能守恒定律 D.质量守恒定律 答案　A 题点　能量守恒定律 6.(2024·广安市高一期末)某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能，则用上述已知量计算转化为电能的功率的公式为(　　) A.P=ρSv B.P=ρSv2 C.P=ρSv3 D.P=ρSv4 答案　C 解析　风的动能完全转化为电能，由能量守恒定律得mv2=Pt，其中m=ρV=ρvtS，联立解得P=ρSv3，A、B、D错误，C正确。 题点　能量守恒定律 [7~9题，每题7分] 7.某广场音乐喷泉其中一个喷水管单位时间竖直喷出体积V=0.04 m3的水，喷高可达13层楼的高度，已知水的密度ρ=1.0×103 kg/m3，不计空气阻力，重力加速度g取10 m/s2，电动机用于该喷水管的功率约为(　　) A.1.6×104 W B.8.0×104 W C.1.0×105 W D.2.0×105 W 答案　A 解析　根据生活常识，每层楼高约为h=3 m，所以喷水的高度H=13h=39 m，设电动机用于该喷水管的功率为P，在接近管口很短一段时间Δt内水柱的质量为m=ρVΔt，由能量守恒定律，电动机使水具有动能后，水的动能转化为水的重力势能，可得PΔt=Ek=mgH，解得P≈1.6×104 W，故A正确，B、C、D错误。 题点　能量守恒定律 8.(2024·泸州市泸县第五中学高二月考)风能是一种洁净、无污染、可再生的能源，临海括苍山山顶上建有全国第四大风力发电场，如图所示。已知该地区的风速约为6 m/s，空气密度约为1.3 kg/m3，已知风力发电机的风叶叶片长度为40 m，且风能的30%可转化为电能，则一台发电机发电功率约为(　　) A.3.6×103 W B.2.1×105 W C.1.5×107 W D.3×109 W 答案　B 解析　在1 s内经过叶片的空气体积为V=Svt=πR2vt=3.14×402×6×1 m3=30 144 m3， 空气的质量为m=ρV=1.3×30 144 kg=39 187.2 kg， 空气的动能为Ek=mv2=×39 187.2×62 J=705 369.6 J， 风能的30%可转化为电能，则E电=Ek×30%=705 369.6×0.3 J=211 610.88 J， 1 s内的电能等于发电功率，约为2.1×105 W，故选B。 题点　能量守恒定律 9.嘉兴火车站被誉为“森林中的火车站”，还是一座会发电的火车站。车站屋顶铺设了1.2万块面积均为0.72 m2的光伏组件，发电总功率最大约为1.2×106 W。已知太阳辐射的总功率约为4×1026 J/s，太阳与地球之间的距离约为1.5×1011 m，因大气的影响，阳光垂直射到地面附近的能量约为太阳辐射到地球能量的一半，则(　　) A.一块光伏组件接收到的太阳辐射功率约为100 W B.单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量约为2 800 J C.该光伏组件的光电转换效率约为20% D.一块光伏组件工作一天可发电约2.4 kWh 答案　C 解析　单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量为E== J≈708 J， 一块光伏组件接收到的太阳辐射功率为P1=S1=×0.72 W≈510 W，A、B错误；一块光伏组件的发电功率为P1'= W=100 W， 该光伏组件的光电转换效率为η=×100%≈20%，C正确；一块光伏组件工作一天可发电E电=100 W×12 h=1.2 kWh，D错误。 题点　实际生活中关于能量转化的计算 10.(15分)瀑布从20 m高处以Q=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%，那么发电机输出的电功率有多大？(瀑布在山顶的速度可忽略不计，g取10 m/s2，水的密度ρ=1.0×103 kg/m3，结果保留三位有效数字) 答案　1.58×105 kW 解析　根据能量的转化分析可得，瀑布减少的机械能为mgh-mv2，水的机械能转化为电能的功率为P===Qρ×80%=103×1.0×103××80% W≈1.58×105 kW。 学科网（北京）股份有限公司 $