12.4 能源与可持续发展 讲义-2026-2027学年高二上学期物理人教版必修第三册

本讲义聚焦能源与可持续发展核心知识点，从能量守恒定律的内容与发展切入，系统梳理能量转移转化的方向性、耗散，延伸至能源分类与应用，最终关联能源与社会发展，构建从基础定律到实际应用的完整学习支架。 该资料以题型为框架，融合物理观念中的能量观念，通过风力发电机功率计算等典例培养科学思维的模型建构与推理能力，结合温室效应等案例渗透科学态度与责任。课中辅助教师分层教学，课后过关验收助力学生查漏补缺。

第十二章 第4节 能源与可持续发展 内 容 导 航 题型1 能量守恒定律的内容与发展 题型2 能量可以进行转移或转化 题型3 用能量守恒定律解决实际问题 题型4 能量转移或转化的方向性 题型5 能量耗散 题型6 能源的分类与应用 题型7 能源与社会发展 考 点 演 练 题型1 能量守恒定律的内容与发展 解｜题｜知｜识 1．内容：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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，叫能量守恒定律． 2．公式：E＝恒量； △E增＝△E减； E初＝E末； 3.能量守恒定律的发展历程： ‌能量守恒定律的发展历程是众多科学家经过长时间研究和实验的结晶，最终由迈尔、焦耳和亥姆霍兹等科学家共同提出和完善的。‌ 能量守恒定律的思想最初是由德国物理学家迈尔在实验的基础上于1842年提出来的。迈尔通过实验和思辨的方式，推演出多种力的转化形式，为能量守恒定律的提出迈出了重要一步。同时期，英国物理学家焦耳进行了大量实验，测定了热功当量的精确值，为能量守恒提供了坚实的实验基础。焦耳的工作，特别是他精确测定了热功当量的值，为能量守恒定律的确立提供了无可置疑的实验证据。 德国科学家亥姆霍兹也在不了解迈尔和焦耳研究的情况下，从永动机不可能出发，思考自然界不同的力之间的相互关系，并在专著《力的守恒》中提到张力（今称势能）和活力（即动能）的转换，还深刻地阐明了热的本质。他的工作进一步加深了人们对能量守恒定律的理解。 此外，还有其他科学家对这条定律作出了贡献，如卡诺在研究热机效率时提出了热力学第一定律的雏形，即热量可以转化为机械功，但机械功不能完全转化为热量，这一观点揭示了能量转换的基本规律。 最终，在19世纪中叶，物理学家鲁道夫•克劳修斯基于热力学第一定律和第二定律的研究，正式提出了能量守恒定律。他明确指出，能量不能被创造或毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。随着数学工具的发展，能量守恒定律的数学形式逐渐清晰，其基本表达式为“能量输入﹣能量输出＝能量积累”，体现了系统内能量的总量不变性。在相对论中，能量守恒定律依然成立，但形式有所变化，能量的总量等于质量和速度的函数，被称为相对论能量‌。 【典例1】下列对能量守恒定律的认识正确的是（　　） A．黄河的水能是取之不尽，用之不竭的 B．化石能源是凭空产生的 C．一块石头从嵩山上滚下后静止，说明能量会凭空消失 D．在自然界中，能量的总量保持不变 【变式1】能量守恒定律是自然界最普遍的规律之一，以下最能体现能量守恒定律的是（　　） A．闭合电路欧姆定律 B．动能定理 C．动量守恒定律 D．牛顿第三定律 题型2 能量可以进行转移或转化 解｜题｜知｜识 1．能量守恒定律的内容：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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，叫能量守恒定律． 2.能量守恒定律的内容告诉我们能量可以进行转移和转化。即能量可以由一个物体转移到另一个物体或从物体的一部分转移到另一部分；也可以从一种形式转化成另一种形式。 【典例1】关于能量和能源，下列说法中正确的是（　　） A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加 B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少 C．能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要 D．能量在转化和转移过程中具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源 题型3 用能量守恒定律解决实际问题 解｜题｜知｜识 1.能量守恒定律是自然界最基础的定律之一，可以用来解决实际的问题。 2.能量守恒定律的内容：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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，叫能量守恒定律． 【典例1】如图所示为某地一风力发电机，它的叶片转动时可形成半径为R的圆面。假定某时间内该地区的风速是v，撞击叶片后速度变为零，风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为ρ，若该风机将风能转化为电能的效率为η，下列说法正确的是（　　） A．单位时间内冲击风力发电机叶片圆面的气流的体积为 B．单位时间内冲击风力发电机叶片圆面的气流的动能为 C．此风力发电机发电的功率为 D．若风速变为原来2倍，则电功率将变为原来4倍 【变式1】下表是某共享电动汽车的主要参数，根据信息，下列说法正确的是（　　） 空车质量 800kg 电池能量 50kW•h 标准承载 200kg 最大续航（充满电最大行驶路程） 200km 所受阻力与汽车总重比值（忽略空气阻力） 0.09 A．工作时，电动汽车的电动机是将机械能转化成电池的化学能 B．电池充满电时的电荷量为1.8×108C C．标准承载下，电动汽车以72km/h的速度匀速行驶10min所用电能为2.4kW•h D．若标准承载下汽车以120km/h速度匀速行驶，汽车电动机输出功率不小于30kW 【变式2】某地区的风速为14m/s，空气的密度为1.3kg/m3。若一风力发电机叶片转动所扫过的面积（风力发电机可接受风能的面积）为400m2，且风能的20%可转化为电能，则该风力发电机的发电功率是（　　） A．1.43×105W B．1.02×104W C．1.43×106W D．7.15×105W 【变式3】如图所示，某地有一台风力发电机，它的叶片转动时可形成半径为R的圆面。某时间内该地区的风速为v，风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为ρ，假如这风力发电机将空气动能转化为电能的效率为η。则该发电机发电的功率为（　　） A．πηρR2v2 B．πηρR2v3 C．πηρR2v2 D．πηρR2v3 题型4 能量转移或转化的方向性 解｜题｜知｜识 1．能量守恒定律的内容：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生．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另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变． 2.能量转移或转化的过程具有方向性，比如在地面上运动的物体可以通过摩擦把机械能转化成内能，内能却不能反过来转化成物体的动能。 【典例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意。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 题型5 能量耗散 解｜题｜知｜识 定义：各种形式的能量通过不同的途径最终都转变为难以重新收集利用的环境内能的现象。在能量利用过程中，能量总量未变，但能量的品质在下降。能量耗散现象从能量转化的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性。 【典例1】关于能量耗散，下列说法中正确的是（　　） A．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 B．能量耗散表明能量守恒定律具有一定的局限性 C．能量耗散表明在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，因此，可利用的品质并未降低 D．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性 题型6 能源的分类与应用 解｜题｜知｜识 一、能源与人类 1．能源是提供可利用能量的物质资源或自然过程． 2．地球上的能源绝大部分直接或间接来自太阳能． （1）煤、石油和天然气是太阳能经过数亿年的地质变迁转化来的，被称为化石能源．在短期内不能再生，也被称为 不可再生能源． （2）风能、水能、波浪能、海洋能等也都是由太阳能转化来的． 3.20世纪以核能为代表的各种新能源的利用，使人类获取能量的渠道拓展到了原子微观世界． 4．随着科学技术的发展和生活水平的提高，在城市家庭中，电与燃气成了主要能源． 二、能源的开发与利用 1．常规能源的开发与利用： （1）煤、石油和天然气等常规能源的大量开采对环境造成了极大的影响． （2）常规能源在利用时也会对环境造成极大的污染，特别是温室气体大量排放，导致地球变暖． 2．可再生能源的开发与利用： （1）水能是利用最广泛的可再生能源． （2）太阳能是地球上最丰富的能源． （3）风力发电站必须建在多风场所，受到地域的限制． 三、能源的分类与特点． 能源分 类方法 能源分 类名称 特点 举例 按形成 或转换 特点分 一次 能源 自然形成， 未经加工 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能 二次 能源 由一次能源经 加工转换而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能 按利用 技术分 常规 能源 已大规模 正常使用 煤、石油、天然气、水能 新能源 正在开发、或有 新的利用方式 太阳能、核能、地热能，海洋能、沼气、风能 按可否 再生分 可再生 能源 可循环使用、 不断补充 水能、风能、生物质能、地热能 不可再 生能源 短期内无法 转换获得 煤、石油、天然气、核燃料 按对环 境污染 情况分 清洁 能源 对环境基本 上没有污染 太阳能、海洋能、风能、水能 污染 能源 会严重污 染环境 化石燃料（煤、石油、天然气） 四、新能源泉的开发和利用 1．太阳能：太阳向外辐射能量时是以太阳为球心的球状辐射． 2．风能：空气流动所形成的动能称为风能，它是太阳能转化的一种形式．风能的利用是将空气的动能转化为其他形式的能． 3．波浪能：主要的开发形式是海洋潮汐发电． 4．氢能：21世纪重要的能源载体，储量丰富，运输方便，而且不会污染环境． 5．核能：通常有两种释放方式：重核裂变和轻核聚变． 6．地热能和生物质能：两种能源也具有较大的发展前景． 【典例1】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 【变式1】关于能量和能源，下列说法正确的是（　　） A．科学研究发现，一切与热现象有关的宏观过程都具有可逆性 B．能源危机的原因是在能源的利用过程中，能量在总量不断减少 C．能量耗散是从能量转化角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 D．风能、水能和核能都属于可再生能源，因此我国近年来不断地开发利用这些新能源 题型7 能源与社会发展 解｜题｜知｜识 一、能源与环境 1．能源：是能够提供可利用能量的物质．人们把煤、石油、天然气叫常规能源，也叫化石能源．核能、太阳能、潮汐能、地热能属新能源． 能源的分类：不可再生能源，如煤、石油、天然气等；可再生能源，如风能、水能等． 2．能源带来的环境问题：大量消耗常规能源产生的大气污染对全球气候和生态环境最为突出的影响是温室效应和酸雨． 二、温室效应 1．成因：温室效应是由人类过多排放二氧化碳，干扰了地球的热平衡造成的． 2．危害：导致全球变暖，海平面上升，气候变化，疾病增多等． 3．改善措施：（1）提高能源利用率，控制二氧化碳的排放．（2）开发新能源． 三、酸雨 1．成因：大气中酸性污染物质，如二氧化硫、氮氧化合物等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨，煤炭中含有较多的硫，燃烧时产生二氧化硫等物质． 2．危害：酸雨影响人的健康，危害生态系统，使土壤酸化和贫瘠，腐蚀建筑和艺术品等． 3．防止：（1）健全法规，强化管理，控制排放． （2）发展清洁煤技术，减少燃烧过程中SO2的排放． （3）通过改造发动机，安装汽车尾气净化装置，用无铅汽油代替含铅汽油等，控制汽车尾气排放． 四、能量降退与节约能源 1．能量降退 当机械能、电能、化学能等，转变为周围环境的内能后，我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用，这些弥散到空间的能量可利用程度很低，通俗地说，这些能量“变质”或“贬值了”．这种能量可利用程度降低的现象称为能量降退． 说明： （1）能量降退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． （2）能量降退虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大有用的形式．煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能． 2．能量品质降低 各种形式的能量向内能的转化，是微观领域内无序程度较小向无序程度较大的转化，是能够自动、全额发生的．而内能向机械能的转化过程，是不能全额转化的．因此，从可被利用的价值来看，内能与机械能、电能等相比，是一种低品质的能量． 3．能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源． 【典例1】北京时间2022年11月1日4时27分，梦天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口，形成“T”字基本构型。12块太阳能电池板为中国空间站的正常工作提供能量。下列说法正确的是（　　） A．太阳能电池板能将太阳能100%转化为电能 B．能量守恒的过程不一定能自发地发生 C．人们对太阳能的开发和利用，说明能量可以凭空产生 D．能的转化过程符合能量守恒定律，因此不会发生能源危机 【变式1】在当今这个绿色能源日益受到重视的时代，农村光伏产业正逐渐崭露头角，成为众多创业者的新宠。如图所示，是某户居民房顶平台安装的太阳能电池板。据房主介绍，利用这些电池板收集太阳能发电，发电总功率可达6kW，工作电压为380V，设备使用年限在25年以上；发电总功率的20%供自家使用，还有富余发电以0.5元/度（1度＝1kW•h）价格并入国家电网，一天按照8小时日照时间计算。则下列说法正确的是（　　） A．该光伏项目年发电量约为5.2×104kW•h B．该光伏项目富余发电的年收入约为2000元 C．该光伏项目平均每天的发电量大约可供一盏120W的白炽灯工作600小时 D．若一吨标准煤可以发电约3000度，则该组件在使用年限内共可节约约为146吨煤 【变式2】下列说法中正确的是（　　） A．电工穿用铜丝编织的高压作业服是因为该衣服不容易被扯破 B．电磁波传播时需要介质，不可以在真空中传播 C．电磁波波长越长，其能量子的能量越大 D．能量耗散现象表明：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 【变式3】（多选）关于能源，下列说法正确的是（　　） A．平顶山煤炭资源是无限的 B．能量是守恒的 C．能源的利用是没有代价的 D．河南风能资源丰富，风能是可再生能源 过 关 验 收 （多选）1．如图所示，水平地面上放有两个滑块A、B，质量均为m，与地面间的动摩擦因数均为μ，两滑块用劲度系数为k的轻质弹簧连接，开始弹簧处于原长。t＝0时刻起，对滑块A施加一水平向右的恒力F＝2μmg。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g，弹簧形变量为x时储存的弹性势能Ep，弹簧始终处于弹性限度内。下列分析正确的是（　　） A．滑块B刚要运动时，滑块A的动能为 B．滑块B刚要运动时，滑块A的动能为 C．滑块B开始运动后，第一次达到与A速度相同时，弹簧储存的弹性势能等于 D．滑块B开始运动后，第一次达到与A速度相同时，弹簧储存的弹性势能大于 2．风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等，如图所示。 （1）风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接收风能的面积。设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为r。求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm。 （2）已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机在风速v1＝9m/s时能够输出电功率P1＝540kW。我国某地区风速不低于v2＝6m/s的时间每年约为5000h。试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。 3． 2022年12月，我国“西电东送”的国家重大工程—白鹤滩水电站全部机组投产发电，如图所示。白鹤滩水电站位于金沙江干流河段上，坝址年平均流量Q＝1.3×1011m3，共安装16台单机容量为100万千瓦的水轮发电机组，每台发电机组平均每年发电时间为3.6×103h。若白鹤滩水电站大坝蓄水水面与水轮机组位置的高度差H＝200m，已知水的密度ρ＝1.0×103kg/m3，重力加速度g＝10m/s2，火电厂每发一度电大约需排放二氧化碳1kg。求： （1）相比于同功率的火电厂，每年可减少二氧化碳的排放量； （2）白鹤滩水电站将水能转化为电能的效率（结果保留三位有效数字）。 （多选）4．下面关于能源的说法中正确的是（　　） A．能源是取之不尽，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 学科网（北京）股份有限公司 $ 第十二章 第4节 能源与可持续发展 内 容 导 航 题型1 能量守恒定律的内容与发展 题型2 能量可以进行转移或转化 题型3 用能量守恒定律解决实际问题 题型4 能量转移或转化的方向性 题型5 能量耗散 题型6 能源的分类与应用 题型7 能源与社会发展 考 点 演 练 题型1 能量守恒定律的内容与发展 解｜题｜知｜识 1．内容：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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，叫能量守恒定律． 2．公式：E＝恒量； △E增＝△E减； E初＝E末； 3.能量守恒定律的发展历程： ‌能量守恒定律的发展历程是众多科学家经过长时间研究和实验的结晶，最终由迈尔、焦耳和亥姆霍兹等科学家共同提出和完善的。‌ 能量守恒定律的思想最初是由德国物理学家迈尔在实验的基础上于1842年提出来的。迈尔通过实验和思辨的方式，推演出多种力的转化形式，为能量守恒定律的提出迈出了重要一步。同时期，英国物理学家焦耳进行了大量实验，测定了热功当量的精确值，为能量守恒提供了坚实的实验基础。焦耳的工作，特别是他精确测定了热功当量的值，为能量守恒定律的确立提供了无可置疑的实验证据。 德国科学家亥姆霍兹也在不了解迈尔和焦耳研究的情况下，从永动机不可能出发，思考自然界不同的力之间的相互关系，并在专著《力的守恒》中提到张力（今称势能）和活力（即动能）的转换，还深刻地阐明了热的本质。他的工作进一步加深了人们对能量守恒定律的理解。 此外，还有其他科学家对这条定律作出了贡献，如卡诺在研究热机效率时提出了热力学第一定律的雏形，即热量可以转化为机械功，但机械功不能完全转化为热量，这一观点揭示了能量转换的基本规律。 最终，在19世纪中叶，物理学家鲁道夫•克劳修斯基于热力学第一定律和第二定律的研究，正式提出了能量守恒定律。他明确指出，能量不能被创造或毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式。随着数学工具的发展，能量守恒定律的数学形式逐渐清晰，其基本表达式为“能量输入﹣能量输出＝能量积累”，体现了系统内能量的总量不变性。在相对论中，能量守恒定律依然成立，但形式有所变化，能量的总量等于质量和速度的函数，被称为相对论能量‌。 【典例1】下列对能量守恒定律的认识正确的是（　　） A．黄河的水能是取之不尽，用之不竭的 B．化石能源是凭空产生的 C．一块石头从嵩山上滚下后静止，说明能量会凭空消失 D．在自然界中，能量的总量保持不变 【答案】D 【解答】解：由能量守恒定律可知，水能的使用过程存在能量耗散，不是取之不尽，用之不竭的，能量不会凭空消失也不会凭空产生，能量只会从一个物体转移到另一个物体，整个自然界中的能量的总量保持不变，所以ABC错误，D正确。 故选：D。 【变式1】能量守恒定律是自然界最普遍的规律之一，以下最能体现能量守恒定律的是（　　） A．闭合电路欧姆定律 B．动能定理 C．动量守恒定律 D．牛顿第三定律 【答案】A 【解答】解：A．闭合电路的欧姆定律EI＝UI+I2R，电源的功率等于输出功率与内阻功率之和，直接体现了能量守恒，故A正确； B．动能定理可知：合外力做功等于系统动能的增加量，无法体现能量守恒，故B错误； C．动量守恒定律无法体现能量守恒，故C错误； D．牛顿第三定律无法体现能量守恒，故D错误。 故选：A。 题型2 能量可以进行转移或转化 解｜题｜知｜识 1．能量守恒定律的内容：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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，叫能量守恒定律． 2.能量守恒定律的内容告诉我们能量可以进行转移和转化。即能量可以由一个物体转移到另一个物体或从物体的一部分转移到另一部分；也可以从一种形式转化成另一种形式。 【典例1】关于能量和能源，下列说法中正确的是（　　） A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加 B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少 C．能量在转化和转移过程中总量保持不变，故节约能源没有必要 D．能量在转化和转移过程中具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源 【答案】D 【解答】解：AB、根据能量守恒定律，能量在转化和转移过程中，其总量不变，故AB错误。 CD、各种形式的能量向内能的转化，是微观领域内无序程度较小向无序程度较大的转化，是能够自动、全额发生的。而内能向机械能的转化过程，在不引起其它变化时，是不能全额转化的。因此，从可被利用的价值来看，内能与机械能、电能等相比，是一种低品质的能量。能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源。故C错误，D正确。 故选：D。 题型3 用能量守恒定律解决实际问题 解｜题｜知｜识 1.能量守恒定律是自然界最基础的定律之一，可以用来解决实际的问题。 2.能量守恒定律的内容：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另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变，叫能量守恒定律． 【典例1】如图所示为某地一风力发电机，它的叶片转动时可形成半径为R的圆面。假定某时间内该地区的风速是v，撞击叶片后速度变为零，风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为ρ，若该风机将风能转化为电能的效率为η，下列说法正确的是（　　） A．单位时间内冲击风力发电机叶片圆面的气流的体积为 B．单位时间内冲击风力发电机叶片圆面的气流的动能为 C．此风力发电机发电的功率为 D．若风速变为原来2倍，则电功率将变为原来4倍 【答案】C 【解答】解：A、单位时间内冲击风力发电机叶片圆面的气流的体积为 V＝Sh＝πR2•vΔt＝vπR2 故A错误； B、单位时间内冲击风力发电机叶片圆面的气流的质量为 m＝ρV 单位时间内冲击风力发电机叶片圆面的气流的动能为 Ekmv2πρR2v3 故B错误； C、风机将风能转化为电能的效率为η， 所以风力发电机发电的功率为 P πηρR2v3 故C正确； D、若风速变为原来2倍，则电功率将变为 P′ηπR2ρ（2v）3＝4πηρR2v3＝8P 故B错误。 故选：C。 【变式1】下表是某共享电动汽车的主要参数，根据信息，下列说法正确的是（　　） 空车质量 800kg 电池能量 50kW•h 标准承载 200kg 最大续航（充满电最大行驶路程） 200km 所受阻力与汽车总重比值（忽略空气阻力） 0.09 A．工作时，电动汽车的电动机是将机械能转化成电池的化学能 B．电池充满电时的电荷量为1.8×108C C．标准承载下，电动汽车以72km/h的速度匀速行驶10min所用电能为2.4kW•h D．若标准承载下汽车以120km/h速度匀速行驶，汽车电动机输出功率不小于30kW 【答案】D 【解答】解：A、工作时，电动汽车的电动机是将电能转化成机械能，故A错误； B、由公式W＝Pt得电池充满电时的电能为 W＝50kW•h＝50×1000×3600J＝1.8×108J 所以50kW•h为充满电时的电能不是电荷量，根据题目已知信息无法求得电池充满电时的电荷量，故B错误； C、标准承载下，电动汽车以v＝72km/h＝20m/s的速度匀速行驶时，F＝0.09mg 功率P＝Fv＝0.09mgv＝0.09×（800+200）×10×20W＝1.8×104W＝18kW 如果电能全部转化为机械能时，根据W＝Pt＝18kW•h＝3kW•h 但实际过程中电能不可能全部转化为机械能，所以耗电量大于3kW•h，故C错误； D、若标准承载下汽车速度能达120km/h，功率P＝Fv2＝0.09mgv2＝0.09×（800+200）×10W＝30000W＝30kW，则汽车电动机最大输出功率不小于30kW，故D正确。 故选：D。 【变式2】某地区的风速为14m/s，空气的密度为1.3kg/m3。若一风力发电机叶片转动所扫过的面积（风力发电机可接受风能的面积）为400m2，且风能的20%可转化为电能，则该风力发电机的发电功率是（　　） A．1.43×105W B．1.02×104W C．1.43×106W D．7.15×105W 【答案】A 【解答】解：设时间t内通过叶片扫过面积的风的质量为m＝ρV＝ρvtS，这部分风的动能为 Ek 根据题意可知，发电的功率为P 联立各式并代入数据可得P＝1.43×105W 故A正确，BCD错误； 故选：A。 【变式3】如图所示，某地有一台风力发电机，它的叶片转动时可形成半径为R的圆面。某时间内该地区的风速为v，风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为ρ，假如这风力发电机将空气动能转化为电能的效率为η。则该发电机发电的功率为（　　） A．πηρR2v2 B．πηρR2v3 C．πηρR2v2 D．πηρR2v3 【答案】B 【解答】解：在时间t内通过叶片的空气质量为m＝ρSvt，风能转化为电能为：W＝ηηρπR2v3t 故风力发电机发电的功率为：ηρπR2v3，故B正确，ACD错误； 故选：B。 题型4 能量转移或转化的方向性 解｜题｜知｜识 1．能量守恒定律的内容：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生．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另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变． 2.能量转移或转化的过程具有方向性，比如在地面上运动的物体可以通过摩擦把机械能转化成内能，内能却不能反过来转化成物体的动能。 【典例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意。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 【解答】解：根据题意小电扇在阳光照射下转动，说明最初的能量来源为阳光，即太阳能，然后阳光被一块太阳能板电池吸收，将太阳能转化成电能。电能带动小电动机，实现了小电扇的旋转，是电能向机械能的转化。总的转化过程为：太阳能→电能→机械能。 故选：A。 题型5 能量耗散 解｜题｜知｜识 定义：各种形式的能量通过不同的途径最终都转变为难以重新收集利用的环境内能的现象。在能量利用过程中，能量总量未变，但能量的品质在下降。能量耗散现象从能量转化的角度反映出自然界的宏观过程具有方向性。 【典例1】关于能量耗散，下列说法中正确的是（　　） A．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 B．能量耗散表明能量守恒定律具有一定的局限性 C．能量耗散表明在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，因此，可利用的品质并未降低 D．能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性 【答案】D 【解答】解：AB、能量虽然有耗散但总的能量是守恒的在转化的过程中总量不会减少，故AB错误； C、能量耗散表明在能源的利用过程中，能量在数量上并未减少，但是在可利用的品质上降低了，故C错误； D、根据热力学定律可知，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转化的角度反映了这种方向性，故D正确； 故选：D。 题型6 能源的分类与应用 解｜题｜知｜识 一、能源与人类 1．能源是提供可利用能量的物质资源或自然过程． 2．地球上的能源绝大部分直接或间接来自太阳能． （1）煤、石油和天然气是太阳能经过数亿年的地质变迁转化来的，被称为化石能源．在短期内不能再生，也被称为 不可再生能源． （2）风能、水能、波浪能、海洋能等也都是由太阳能转化来的． 3.20世纪以核能为代表的各种新能源的利用，使人类获取能量的渠道拓展到了原子微观世界． 4．随着科学技术的发展和生活水平的提高，在城市家庭中，电与燃气成了主要能源． 二、能源的开发与利用 1．常规能源的开发与利用： （1）煤、石油和天然气等常规能源的大量开采对环境造成了极大的影响． （2）常规能源在利用时也会对环境造成极大的污染，特别是温室气体大量排放，导致地球变暖． 2．可再生能源的开发与利用： （1）水能是利用最广泛的可再生能源． （2）太阳能是地球上最丰富的能源． （3）风力发电站必须建在多风场所，受到地域的限制． 三、能源的分类与特点． 能源分 类方法 能源分 类名称 特点 举例 按形成 或转换 特点分 一次 能源 自然形成， 未经加工 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能 二次 能源 由一次能源经 加工转换而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能 按利用 技术分 常规 能源 已大规模 正常使用 煤、石油、天然气、水能 新能源 正在开发、或有 新的利用方式 太阳能、核能、地热能，海洋能、沼气、风能 按可否 再生分 可再生 能源 可循环使用、 不断补充 水能、风能、生物质能、地热能 不可再 生能源 短期内无法 转换获得 煤、石油、天然气、核燃料 按对环 境污染 情况分 清洁 能源 对环境基本 上没有污染 太阳能、海洋能、风能、水能 污染 能源 会严重污 染环境 化石燃料（煤、石油、天然气） 四、新能源泉的开发和利用 1．太阳能：太阳向外辐射能量时是以太阳为球心的球状辐射． 2．风能：空气流动所形成的动能称为风能，它是太阳能转化的一种形式．风能的利用是将空气的动能转化为其他形式的能． 3．波浪能：主要的开发形式是海洋潮汐发电． 4．氢能：21世纪重要的能源载体，储量丰富，运输方便，而且不会污染环境． 5．核能：通常有两种释放方式：重核裂变和轻核聚变． 6．地热能和生物质能：两种能源也具有较大的发展前景． 【典例1】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 【解答】解：A、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； B、根据能量守恒定律可知，在能的转化和转移的过程中，能量的总量保持不变，故B错误； C、能量的转移或转化过程中，总量是不变的，但是具有方向性，能量的品质在不断的降低，因此也需要节约能源，故C正确； D、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。 故选：C。 【变式1】关于能量和能源，下列说法正确的是（　　） A．科学研究发现，一切与热现象有关的宏观过程都具有可逆性 B．能源危机的原因是在能源的利用过程中，能量在总量不断减少 C．能量耗散是从能量转化角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性 D．风能、水能和核能都属于可再生能源，因此我国近年来不断地开发利用这些新能源 【答案】C 【解答】解：A、根据热力学第二定律，一切与热现象有关的宏观过程都具有不可逆性，故A错误； B、由能量守恒定律，能源危机的原因是在能源的利用过程中，能量在总量保持不变，故B错误； C、能量耗散是从能量转化角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性，故C正确； D、核能不属于可再生能源，风能、水能都属于可再生能源，故D错误。 故选：C。 题型7 能源与社会发展 解｜题｜知｜识 一、能源与环境 1．能源：是能够提供可利用能量的物质．人们把煤、石油、天然气叫常规能源，也叫化石能源．核能、太阳能、潮汐能、地热能属新能源． 能源的分类：不可再生能源，如煤、石油、天然气等；可再生能源，如风能、水能等． 2．能源带来的环境问题：大量消耗常规能源产生的大气污染对全球气候和生态环境最为突出的影响是温室效应和酸雨． 二、温室效应 1．成因：温室效应是由人类过多排放二氧化碳，干扰了地球的热平衡造成的． 2．危害：导致全球变暖，海平面上升，气候变化，疾病增多等． 3．改善措施：（1）提高能源利用率，控制二氧化碳的排放．（2）开发新能源． 三、酸雨 1．成因：大气中酸性污染物质，如二氧化硫、氮氧化合物等，在降水过程中溶入雨水，使其成为酸雨，煤炭中含有较多的硫，燃烧时产生二氧化硫等物质． 2．危害：酸雨影响人的健康，危害生态系统，使土壤酸化和贫瘠，腐蚀建筑和艺术品等． 3．防止：（1）健全法规，强化管理，控制排放． （2）发展清洁煤技术，减少燃烧过程中SO2的排放． （3）通过改造发动机，安装汽车尾气净化装置，用无铅汽油代替含铅汽油等，控制汽车尾气排放． 四、能量降退与节约能源 1．能量降退 当机械能、电能、化学能等，转变为周围环境的内能后，我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用，这些弥散到空间的能量可利用程度很低，通俗地说，这些能量“变质”或“贬值了”．这种能量可利用程度降低的现象称为能量降退． 说明： （1）能量降退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． （2）能量降退虽然不会使能的总量减少，却会导致能量品质的降低，它实际上将能量从高度有用的形式降级为不大有用的形式．煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能． 2．能量品质降低 各种形式的能量向内能的转化，是微观领域内无序程度较小向无序程度较大的转化，是能够自动、全额发生的．而内能向机械能的转化过程，是不能全额转化的．因此，从可被利用的价值来看，内能与机械能、电能等相比，是一种低品质的能量． 3．能量虽然不会减少但能源会越来越少，所以要节约能源． 【典例1】北京时间2022年11月1日4时27分，梦天实验舱成功对接于天和核心舱前向端口，形成“T”字基本构型。12块太阳能电池板为中国空间站的正常工作提供能量。下列说法正确的是（　　） A．太阳能电池板能将太阳能100%转化为电能 B．能量守恒的过程不一定能自发地发生 C．人们对太阳能的开发和利用，说明能量可以凭空产生 D．能的转化过程符合能量守恒定律，因此不会发生能源危机 【答案】B 【解答】解：A．能量的转化存在能量耗散，能量的转化达不到100%，故A错误； B．能量守恒的过程不一定能自发地发生，自然发生的热学现象具有方向性，比如摩擦生热就不能自发转化成机械能，故B正确； C．能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，能量可以相互转化，故C错误； D．能量在利用和转化的过程中是由方向性的，有些能量很难被重新利用，所以还是存在能源危机，故D错误。 故选：B。 【变式1】在当今这个绿色能源日益受到重视的时代，农村光伏产业正逐渐崭露头角，成为众多创业者的新宠。如图所示，是某户居民房顶平台安装的太阳能电池板。据房主介绍，利用这些电池板收集太阳能发电，发电总功率可达6kW，工作电压为380V，设备使用年限在25年以上；发电总功率的20%供自家使用，还有富余发电以0.5元/度（1度＝1kW•h）价格并入国家电网，一天按照8小时日照时间计算。则下列说法正确的是（　　） A．该光伏项目年发电量约为5.2×104kW•h B．该光伏项目富余发电的年收入约为2000元 C．该光伏项目平均每天的发电量大约可供一盏120W的白炽灯工作600小时 D．若一吨标准煤可以发电约3000度，则该组件在使用年限内共可节约约为146吨煤 【答案】D 【解答】解：A．发电总功率可达6kW，该光伏项目年发电量约为 W＝Pt＝6kW×365×8h＝1.752×104kW•h 故A错误； B．发电总功率的20%供自家使用，还有富余发电以0.5元/度（1度＝1kW•h）价格并入国家电网，该光伏项目富余发电的年收入约为 1.752×104kW•h×80%×0.5元/度＝7008元 故B错误； C．该光伏项目平均每天的发电量大约可供一盏120 W的白炽灯工作时间 故C错误； D．若一吨标准煤可以发电约3000度，则该组件在使用年限内共可节约煤约为 故D正确。 故选：D。 【变式2】下列说法中正确的是（　　） A．电工穿用铜丝编织的高压作业服是因为该衣服不容易被扯破 B．电磁波传播时需要介质，不可以在真空中传播 C．电磁波波长越长，其能量子的能量越大 D．能量耗散现象表明：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 【答案】D 【解答】解：A、电工穿用铜丝编织的高压作业服作用是在穿用后，使处于高压电场中的人体外表面各部位形成一个等电位屏蔽面，从而防护人体免受高压电场及电磁波的危害，故A错误； B、电磁波的传播不需要介质，可以在真空中传播，且所有电磁波在真空传播的速度都等于光速c，故B错误； C、根据ɛ＝hν可知电磁波波长越长，其能量子的能量越小，故C错误； D、能量耗散表明，能源在利用过程中总能量虽未减少，但在可利用的品质上降低了，并不是指数量，故D正确。 故选：D。 【变式3】（多选）关于能源，下列说法正确的是（　　） A．平顶山煤炭资源是无限的 B．能量是守恒的 C．能源的利用是没有代价的 D．河南风能资源丰富，风能是可再生能源 【答案】BD 【解答】解：A、煤炭资源是有限的，故A错误； BD、能量是守恒的，风能是可再生能源，故BD正确； C、能源的利用是有代价的，比如伤害自然环境等，故C错误。 故选：BD。 过 关 验 收 （多选）1．如图所示，水平地面上放有两个滑块A、B，质量均为m，与地面间的动摩擦因数均为μ，两滑块用劲度系数为k的轻质弹簧连接，开始弹簧处于原长。t＝0时刻起，对滑块A施加一水平向右的恒力F＝2μmg。设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g，弹簧形变量为x时储存的弹性势能Ep，弹簧始终处于弹性限度内。下列分析正确的是（　　） A．滑块B刚要运动时，滑块A的动能为 B．滑块B刚要运动时，滑块A的动能为 C．滑块B开始运动后，第一次达到与A速度相同时，弹簧储存的弹性势能等于 D．滑块B开始运动后，第一次达到与A速度相同时，弹簧储存的弹性势能大于 【答案】BD 【解答】解：AB、滑块B刚要运动时，设弹簧形变量为x1，对B，由平衡条件得：kx1＝μmg 对A、B与弹簧组成的系统，根据能量守恒定律得： 解得：，故A错误；B正确； CD、从滑块B刚要运动时开始研究，设此时A的速度为vA，有 当弹簧第一次拉伸到最长时，设两滑块的速度为v，以向右为正方向，对A、B组成的系统，由动量守恒定律得：mvA＝2mv 此过程系统动能的减小量： 设a、b此过程的位移分别为xA、xB，则拉力做的功：WF＝FxA＝2μmgxA 因摩擦产生的热量：Q＝μmgxA+μmgxB 弹簧弹性势能增加量：ΔEP＝EPm 对A、B与弹簧组成的系统，由能量守恒定律得：WF+ΔEk＝ΔEp+Q 由于xB＜xA，可得：WF＞Q，即 解得：，故D正确。 故选：BD。 2．风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等，如图所示。 （1）风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接收风能的面积。设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为r。求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm。 （2）已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机在风速v1＝9m/s时能够输出电功率P1＝540kW。我国某地区风速不低于v2＝6m/s的时间每年约为5000h。试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。 【答案】（1）单位时间内流向风轮机的最大风能Pm为。 （2）这台风力发电机在该地区的最小年发电量是8×105千瓦时。 【解答】解：（1）风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大。单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为 m0＝ρvS，S＝πr2 风能的最大功率可表示为 P风m0v2 采取措施合理，如增加风轮机叶片长度，安装调向装置保持风轮机正面迎风等。 （2）按题意，风力发电机的输出功率为 P2160kW 最小年发电量约为 W＝P2t＝160×5000kW•h＝8×105kW•h 答：（1）单位时间内流向风轮机的最大风能Pm为。 （2）这台风力发电机在该地区的最小年发电量是8×105千瓦时。 3． 2022年12月，我国“西电东送”的国家重大工程—白鹤滩水电站全部机组投产发电，如图所示。白鹤滩水电站位于金沙江干流河段上，坝址年平均流量Q＝1.3×1011m3，共安装16台单机容量为100万千瓦的水轮发电机组，每台发电机组平均每年发电时间为3.6×103h。若白鹤滩水电站大坝蓄水水面与水轮机组位置的高度差H＝200m，已知水的密度ρ＝1.0×103kg/m3，重力加速度g＝10m/s2，火电厂每发一度电大约需排放二氧化碳1kg。求： （1）相比于同功率的火电厂，每年可减少二氧化碳的排放量； （2）白鹤滩水电站将水能转化为电能的效率（结果保留三位有效数字）。 【答案】（1）相比于同功率的火电厂，每年可减少二氧化碳的排放量为5.76×1010kg； （2）白鹤滩水电站将水能转化为电能的效率为79.8%。 【解答】解：（1）由题意可知，水电站所有发电组每年的发电总量为：W＝16Pt 代入数据解得：W＝5.76×1010kW•h 故每年减少二氧化碳的排放量为：m＝5.76×1010kg （2）每年平均流过坝址水的总质量为：m＝ρQ 解得：m＝1.3×1014kg 下落过程中减少的重力势能为：Ep＝mgH 解得： 转化为电能的总量：E＝5.76×1010×103×3.6×103J＝2.0736×1017J 转化为电能的效率为：η 解得：η＝79.8% 答：（1）相比于同功率的火电厂，每年可减少二氧化碳的排放量为5.76×1010kg； （2）白鹤滩水电站将水能转化为电能的效率为79.8%。 （多选）4．下面关于能源的说法中正确的是（　　） A．能源是取之不尽，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 【答案】BC 【解答】解：AB、能源就是向自然界提供能量转化的物质，能源是人类活动的物质基础，常规能源的储量有限，且不可再生，故A错误，B正确； CD、常规能源特别是煤和石油对环境的污染巨大，应努力开发新能源，核能属于新能源且污染小，故C正确，D错误。 故选：BC。 学科网（北京）股份有限公司 $