2019_2020学年高考物理主题4能源与可持续发展课件必修3.pdf

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1、主题4 能源与可持续发展 学科素养与目标要求 物理观念： 1.了解自然界中存在多种形式的能量.知道不同形式的能量可互相转化，在转化过程中 能量总量保持不变，能量转化是有方向性的. 2.知道利用能量是人类生存和社会发展的必要条件之一，人类利用的能量来自可再生 能源和不可再生能源. 科学态度与责任： 1.知道合理使用能源的重要性，具有可持续发展观念，养成节能的习惯. 2.认识环境污染的危害，思考科学、技术、社会、环境协调发展的关系，具有环境保 护的意识和行动. NEIRONGSUOYIN 内容索引 自主预习 达标检测 课时对点练 预习新知 夯实基础 检测评价 达标过关 注重双基 强化落实 重点探究

2、 启迪思维 探究重点 自主预习 一、能量守恒定律 1.内容：能量既不会凭空产生，也不会凭空 ，它只能从一种形式转化为另 一种形式，或者从一个物体 别的物体，在转化或转移的过程中，能量 的总量保持 .这个规律叫能量守恒定律. 2.意义 (1)能量守恒定律说明各种形式的能可以相互 . (2)能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，一切违 背能量守恒定律的设想都不可能实现. 消失 转移到 不变 转化 1.人类对能源的利用大致经历了三个时期，即 时期、 时期、_ 时期. 2.常规能源：人们把煤、 、 等化石能源叫做常规能源，人类消耗 的能源主要是常规能源. 二、能源的利用 柴薪煤炭

3、石油 天然气 石油 1.能量耗散：燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起 来供人类重新利用.电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化成 和 ，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的 ，我们无法把这些散失 的能量收集起来重新利用. 2.能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有 性. 3.能量耗散虽然不会导致能量总量的减少，却会导致能量 的降低，它实际 上是将能量从高度有用的 降级为不大可用的 形式. 三、能量耗散和品质降低 内能 光能内能 方向 品质 高品质低品质 1.在合理开发和节约使用煤、石油、天然气等常规能源的同时，要大力开发新 能源.正在开发的新能源

4、有 能、 能、海洋能、地热能、氢能、生物质 能及核聚变能等. 2.新能源的优点：新能源多为 能源，且 较小. 四、新能源的开发 太阳 风 可再生污染 1.化石能源的资源有限，而且对环境有很大的 . 2.环境问题：化石能源的大量消耗带来的环境问题有 效应、酸雨、光化学 烟雾等. 3.可持续发展的核心是追求发展与资源、 的平衡. 五、能源与环境 破坏 温室 环境 即学即用 判断下列说法的正误. (1)能源是取之不尽、用之不竭的.( ) (2)在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少.( ) (3)能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等.( ) (4)随着人类科学技术的进步，人们总有一天

5、会设计出不消耗能量，但能源 源不断对外做功的机器.( ) (5)地球上总能量不变，所以我们不需要节约能源.( ) (6)大量消耗常规能源会使环境恶化，所以提倡开发利用新能源.( ) 重点探究 一、能量的转化与守恒 1.自然界中不同形式的能量可以相互转化，一种形式的能量减少一定伴随着 其他形式的能量增加，能量的总量保持不变. 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，是在各种自然现象中普遍适用的一 条规律. 3.能量守恒定律的表达式 (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)E增E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

6、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). 例1 构建和谐型、节约型社会深得民心，遍布于生活的方方面面.自动充电式电 动车就是很好的一例，电动车的前轮装有发电机，发电机与蓄电池连接.当骑车 者用力蹬车或电动自行车自动滑行时，自行车就可以通过发电机向蓄电池充电， 将其他形式的能转化为电能储存起来.现有某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水 平路面上滑行，第一次关闭自充电装置，让车自由滑行，其动能随位移变化关 系如图1中线所示；第二次启

7、动自充电装置，其动能随位移变化关系如图中线 所示，则第二次向蓄电池所充的电能是 A.200 J B.250 J C.300 J D.500 J 图图1 解析 电动车在运动过程中的摩擦力大小不变， 二、能源与人类生存的关系 1.地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能 2.能源的分类 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 由一次能源经过加工 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 新能源 正在开发，或有新的 利用方式 太阳能、核能、

8、地热能、 海洋能、沼气能、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 按对环境污 染情况分 清洁能源对环境基本没有污染 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) 例2 (多选)以下说法正确的是 A.煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能 B.汽油是一种清洁能源 C.水能是可再生能源 D.煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的 解析 煤、石油、天然气等是动植物转化成的，其最初来源可追溯到太阳能， 选项A对； 汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的

9、生成，选项B错； 水能是可再生能源，选项C对； 煤、石油、天然气等储量是有限的，是不可再生能源，选项D错. 针对训练 (多选)能源可划分为一次能源和二次能源.自然界以现成形式提供的 能源称为一次能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二次能源.下 列叙述正确的是 A.水能是二次能源 B.电能是二次能源 C.天然气是一次能源 D.焦炉气是一次能源 解析 水能和天然气是自然界中已经存在的，是一次能源.电能是由其他形式的 能转化的，焦炉气是炼油厂产生的副产品，故它们是二次能源，故应选B、C. 三、能源与人类社会发展、环境的关系 1.能源的重要性：能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，是国民

10、经济 运动的物质基础，它与材料、信息构成现代社会的三大支柱. 2.化石能源：人们把煤、石油、天然气叫做常规能源，人类消耗的能量主要是 常规能源. (1)化石能源的储藏是有限的. (2)化石能源的大量消耗带来了环境问题. 3.能源和环境污染 (1)温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化 碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐 射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应. 温室效应造成的影响：温室效应使两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海城 市，使海水倒流入河流，从而使耕地盐碱化；温室效应使全球降水量变化，影 响气候和

11、植被变化，影响人体健康. (2)酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水.形成酸雨的主要 原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨 水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤. (3)光化学烟雾：内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反 应，产生氮氧化合物和碳氢化合物.这些化合物在大气中受到紫外线的照射， 产生二次污染物质光化学烟雾.这些物质有毒，能引起人的多种疾病. 另外，常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物. 例3 (多选)关于“温室效应”，下列说法中正确的是 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

12、煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生 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 解析 “温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大 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、 淹没沿海城市、海水河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C正确. 四、开发新能源 1.新能源：指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源， 如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等. 2.无穷无尽的太阳能：太阳是以其巨大的、无穷无尽的辐射能形式提供地球最清 洁的能源. (1)数量巨大：

13、太阳辐射功率为3.91026瓦.能到达地球表面的太阳能每年约相当于 1.31014吨标准煤，是目前全世界所消耗的各种能量总和的104倍. (2)时间长久：根据天文学的研究结果，可知太阳系已存在大约5109年左右，估 计尚可继续维持大约1010年之久. (3)清洁安全：太阳能素有“干净能源”和“安全能源”之称，它不仅毫无污染， 也毫无危险. 3.永葆青春的风能：风能是由于太阳辐射造成地球各部分受热不均匀而引起的 空气流动所产生的能量.整个地球接收到的太阳辐射能约有0.2%被转换成风能， 全球的风能总量估计有1.61022 J.这是一个巨大的潜在的能源宝库，如果1%被 利用，即可满足人类对能量的全

14、部需求. 4.丰富干净的海洋能：包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能等，它们不仅可 以再生，还具有不污染环境的优点.据科学家估计，世界海洋能源总量为40多万 亿千瓦，这些能量超过目前世界能源消费的一万倍，如果开发出其中一小部分， 即可满足人类对能源的全部需求. 5.深藏不露的地热能：地球本身是一个巨大的天然储热库.地热能指地球内部可 释放出来的热量.据估计，从地球内部每年传到地球表面的热量，相当于370亿吨 标准煤燃烧时所放出的热量. 6.新能源之新宠核能：在当前开发和利用的新能源中，核能尤其重要.核 能包括裂变能和聚变能，其中受控热核聚变的原料氘和氚可取自海洋，足够 人类使用几十亿年，是取之不

15、尽的能源. 7.未来我国新能源之星可燃冰 (1)天然气水合物又称“可燃冰”，是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中， 由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质.因其外观像冰一样 而且遇火即可燃烧，所以又被称做“可燃冰”. (2)“可燃冰”特点：“可燃冰”分布广，资源丰富，据计算这种未来的能 源可供人类使用上千年.“可燃冰”杂质少. (3)我国“可燃冰”研究开采现状：2017年，我国在南海北部神狐海域进行的 “可燃冰”试采获得成功；2017年3月28日第一口试采井开钻；2017年5月10日， 从水深1 266米海底以下203277米的天然气水合物矿藏开采出天然气. 2017年11月3日，

16、国务院正式批准将天然气水合物列为新矿种，成为我国第 173个矿种. 例4 下列供热方式最有利于环境保护的是 A.用煤做燃料供热 B.用石油做燃料供热 C.用天然气或煤气做燃料供热 D.用太阳能灶供热 解析 煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能，但由于这些 燃料中含有杂质以及燃烧不充分，使得废气中含有粉尘、一氧化碳、二氧化硫 等物质，污染了大气，而太阳能是一种无污染的能源，故选D. 例5 如图2所示是一种太阳能草坪节能灯，太阳能电池板供一只“10 V 9 W” 的电子节能灯工作，若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3 m2，平均1小 时得到的太阳辐射能为4105 J，太阳光平均

17、一天按8小时计算，恰好可以供电子 节能灯工作10小时.问(结果保留整数)： (1)太阳能节能灯的能量转化情况； 答案 见解析 图图2 解析 能量转化：太阳能电能光能(热能). (2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率大约是多少？ 答案 370 W 解析 太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率： (3)太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？ 答案 10% 解析 节能灯利用太阳能的效率： 达标检测 1.(能量的转化与守恒)下列对能量守恒定律的认识错误的是 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

18、功的机器永动机是不可能制成的 D.石子从空中落下，最后静止在地面上，说明能量消失了 12345 12345 解析 根据能量守恒定律得知，某种形式的能量减少，必然有其他形式的 能量增加，故A正确； 根据能量守恒定律得知，某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增 加，故B正确； 不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器永动机不可能制成，故C 正确； 石子从空中落下，到最后静止在地面上，机械能转化为石子及周围物体的 内能，能量并没有消失，故D错误. 2.(能量耗散)(多选)下列对能量耗散理解正确的是 A.能量耗散说明能量在不断减少 B.能量耗散遵守能量守恒定律 C.能量耗散说明能量不能凭空产生，但

19、可以凭空消失 D.能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性 12345 解析 在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终转化为流散到周围 环境的内能，无法再回收利用，这种现象叫能量耗散.能量耗散并不违反能量 守恒定律，宇宙中的能量既没有减少，也没有消失，它从能量角度反映出自然 界的宏观过程具有方向性，故A、C错误，B、D正确. 3.(能源的开发、利用及环境保护)关于能源的开发和节约，你认为下列哪些观 点是错误的 A.常规能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短 期行为 B.根据能量守恒定律，担心能源枯竭是一种杞人忧天的表现 C.能源的开发和利用，必须要同时考

20、虑其对环境的影响 D.通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一种新途径 1234 解析 能量虽然守恒，但能量耗散导致能量的品质降低即不可再利用，也往往 对环境产生破坏，从而应开发新型的清洁型的能源，故B选项错. 5 4.(能源的开发、利用)如图3所示是我国某风能发电基地，全球可利用的风能为 2107 MW(1 MW106 W)，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，我国风 能资源总储量约1.6105 MW .2012年7月4日装机容量达到2 240万千瓦的三峡水电 站，已成为全世界最大的水力发电站和清洁能源生产基地.下列说法正确的是 A.风力发电是把风的内能转化为电能 B.我国风能资源总

21、储量约为7个三峡水电站的装机容量 C.风力发电过程违反能量守恒定律 D.水能和风能都是清洁能源且都是不可再生能源 图图3 12345 5.(能源的开发、利用)三峡水利工程的坝高h0185 m，正常水位为h175 m， 水库容积V3.931010 m3，装机容量(发电机的总功率)P1.768107 kW，假 设发电机效率为80%，试根据这些数据计算出三峡水利枢纽的流量Q，并写 出每个物理量应选用的单位.(不进行具体计算，用字母表示) 答案 见解析 12345 解析 设在时间t内，有V的水通过三峡水利枢纽，则： 12345 减少的势能EpmghVghQtgh， 其中Q的单位为m3/s，P的单位为W

22、，的单位为kg/m3，g的单位为m/s2，h的单 位为m. 课时对点练 一、选择题 考点一 能量转化及能量耗散 1.下列说法正确的是 A.随着科技的发展，永动机是可以制成的 B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的 能量都消失了 C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量守恒定律，因而是不可能的 D.有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走 动，说明能量可以凭空产生 123456789 10111213 解析 永动机是指不消耗或少消耗能量，而可以大量对外做功的装置，这种 装置违背了能量守恒定律，所以永动机是永远不可能制成的，A错误； 太阳辐

23、射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，使万物生长，但辐射到 宇宙空间的能量也没有消失，B错误； 马要运动，必须消耗能量，C正确； 所谓“全自动”手表，内部是有能量转化装置的，一般是一个摆锤，当人戴 着手表活动时，摆锤不停摆动，给游丝弹簧补充能量，才会维持手表的运行， D错误. 123456789 10111213 2.(多选)关于“能量耗散”的下列说法中，正确的是 A.能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起 来重新利用，这种现象叫做能量耗散 B.能量在转化过程中变少的现象叫能量耗散 C.能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量的数量 并未减少，

24、但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了， 而自然界的能量是守恒的 D.能量耗散表明，各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的 123456789 10111213 解析 由能量耗散的定义可知A项说法正确，能量耗散是指能源的可利用品质 下降，但能量仍然是守恒的，故C项正确. 123456789 10111213 3.(多选)关于自行车、电动自行车、普通汽车、高铁动车组、大型轮船消耗能源 的类型，下列对应关系正确的是 A.自行车生物能 B.电动自行车电能 C.普通汽车化学能 D.大型轮船风能 123456789 10111213 123456789 10111213 4.

25、市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图1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 图图1 解析 太阳能电池板将太阳能转化为电能储存在电池板中，太阳能电池板对小 电动机供电时，小电动机将电能转化为小电扇快速转动的机械能，故A正确， B、C、D错误. 考点二 能源的开发、利用及环境的保护 5.(多选)下面关于能源的说法中正确的是 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

26、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 123456789 10111213 6.使用家电时，以下做法中，有利于节约用电的是 A.停用空调时，只通过遥控器关机 B.使用空调时总将其自动温度控制器设定在16 C.看完电视不是通过遥控器关机，而是及时关闭电源总开关 D.使用电风扇时，不管温度多高，都将风扇开到最高风速挡 123456789 10111213 123456789 10111213 解析 停用空调时，可以通过遥控器关机，但对节约用电无作用，因为待机状 态要消耗电能，故A错误； 使用空调时总将其自动温度控制器设定在16 会多耗电，故B错误； 看完电视不是通过遥控

27、器关机，而是及时关闭电源总开关，待机电路断电，可 以节约用电，故C正确； 使用电风扇时，不管温度多高，都将风扇开到最高风速挡，这将导致耗电较多， 故D错误. 7.我国目前已成为世界节能和利用新能源、可再生能源第一大国.关于能量和能 源，下列说法正确的是 A.由于开发了新能源，所以能量的总量在不断增加 B.煤和石油燃烧会污染空气，应停止开发和使用 C.能量耗散说明自然界的总能量在不断减少 D.不同形式的能量之间可以相互转化 123456789 10111213 解析 即使开发了新能源，能量的总量也不会增加，只会在各种形式的能量之 间相互转化，故A错误； 虽然煤和石油燃烧会污染空气，在目前我们应综

28、合开发利用，但不能完全停止 开发和利用，故B错误； 能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来 重新利用，但总能量并没有减少，故C错误； 根据能量守恒定律可知不同形式的能量之间可以相互转化，故D正确. 123456789 10111213 8.中国已成为世界上高铁系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、在建 规模最大的国家.报道称，新一代高速列车牵引功率达9 000 kW，持续运行速度 为350 km/h.则新一代高速列车沿全长约1 300 km的京沪线从北京到上海，在动 力上耗电约为 A.3.3104 kWh B.3.1106 kWh C.1.8104 kWh D

29、.3.3105 kWh 123456789 10111213 9.某一水力发电站的水位的平均落差为50 m，每秒钟有6106 kg的水用来发电， 水的重力势能有10%转化为电能，g取10 m/s2，则 A.每秒钟水减少的重力势能约为3108 J B.发电的平均功率约为6108 W C.每天的发电量约为7.2106 kWh D.若将这些电能以0.5 元/度的价格卖出，则一年收入约为3 600万元 123456789 10111213 二、非选择题 10.为了开发新能源，某同学设想了一个利用氢能的方案，图2是它的示意图.请 你判断这一方案的可行性，并说明理由. 123456789 10111213

30、 图图2 判断：_.(填“可行”或“不可行”) 理由：_. 不可行 违反了能量守恒定律 11.水能是可再生能源，可持续地利用水能来发电，为人类提供“清洁”的能 源.若一水力发电站水流的平均流量为Q(m3/s)，落差为h(m)，发电效率为，则 该电站一年的发电量(kWh)是多少？(一年按365天计算，g取10 m/s2，水的密 度1103 kg/m3) 答案 8.76104Qh(kWh) 解析 每秒钟水能转化为电能为EQgh，也就是发电功率， 所以一年内的发电量 123456789 10111213 12.某地的平均风速为5 m/s，已知该地的空气密度是1.2 kg/m3，该地有一风车，它 的车

31、叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆内10%的气流的 动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多少？(结果保留两位有效数字) 123456789 10111213 答案 3.4 kW 解析 在时间t内作用于风车的气流质量为mr2vt 123456789 10111213 故风车带动的发电机功率为 代入数据得P3.4 kW. 13.某一圆筒横截面积为3102 m2，筒内装水0.6 kg，用水测量射到地面的太阳 能，某一天中午在太阳光直射2 min后，水的温度升高了1 .已知水的比热容c 4.2103 J/(kg).求： (1)在阳光直射下，地球表面每平方厘米每分钟获得的能量； 答案 42 J/(mincm2) 解析 圆筒内的水经过2 min照射后，增加的内能 EQcmt2.52103 J 圆筒横截面积S3102 m23102 cm2 123456789 10111213 (2)假设射到大气顶层的太阳能只有43%到达地面，另外57%被大气吸收和反射 而未到达地面，你能由此估算出太阳辐射的功率吗(日地距离r1.51013 cm)? 123456789 10111213 答案 4.61026 W 解析 上述能量也相当于以太阳为球心，以日地距离r为半径的球面上每分钟每 平方厘米获得的能量， 其中r1.51013 cm 解得P4.61026 W.