2018_2019学年高中物理第2章能的转化与守恒第4节能源与可持续发展学案鲁科版必修2.pdf

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1、第 4 节 能源与可持续发展第 4 节 能源与可持续发展 学习目标核心提炼 1.了解能量转化和转移的方向性。 2.知道热机的作用和效率。 3.了解能源的种类、开发及可持续发展。 4.知道节约能源和环境保护 3 个概念热机、热机的效率、能 源 1 个规律能量转化和转移的方 向性 一、能量转化和转移的方向性 阅读教材第 39 页“能量转化和转移的方向性”部分，了解能量转化的方向性，知道热机的 效率不可能达到 100%。 1.能量转化和转移的方向性 自然界实际进行的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的不可逆的过程。 (1)机械能与内能间转化的方向性：机械能可以完全转化为内能，反过来，内能不可能自

2、发 地并不引起任何变化地完全变为机械能。 (2)热传递过程中的方向性：在热传递的过程中，内能总是自动地从高温物体向低温物体转 移，而不能自动地从低温物体向高温物体转移。 2.热机 (1)热机的作用是将内能转换为机械能。有了热机，人们才得以利用自然界蕴藏的丰富的内 能来做功。 (2)热机的效率不可能达到 100%。但经过历代科学家的努力，已经提高了许多。截止目前热 机的效率仍然大有潜力可挖。 (3)自然界实际进行的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的不可逆过程。机械能可 以完全转化为内能；反过来，内能不可能自动地并不引起任何变化地完全转化为机械能。 思维拓展 (1)热量能否从低温物体向高温物

3、体传递？ (2)内能能否全部转化为机械能？ 答案 (1)热量可以从低温物体向高温物体传递，只不过不能自发进行。 (2)内能可以全部转化为机械能，只不过肯定要引起其他变化。 二、能源开发与可持续发展 阅读教材第 41 页“能源开发与可持续发展”部分，了解能源的种类及可持续发展。 1.在许多情况下，能源的利用过程是不可逆的。要珍惜现有的能源，提高能源的利用效率。 2.能源的种类：煤、电、石油、天然气、水能、核能、风能等都是常用的能源。 3.随着人们对社会发展、全球环境等问题认识的加深，可持续的能源生产和消费，已成为人 类社会可持续发展的重要前提之一。 4.人类社会可持续发展的意义 ： 发展不仅是满

4、足当代人的需要， 还要考虑不损害后代的需要。 保护人类赖以生存的自然环境和自然资源，已成为当今世界共同关心的全球性问题。 思维拓展 如图 1 所示是我国能源结构的统计图。 请总结出我国能源结构或能源现状的规律， 并提出解 决这种现状的合理化建议。 图 1 答案 我国的能源结构主要以煤为主；我国的能源消耗中，不可再生能源占据的比例过大， 结构不合理；我国能源消耗中可再生能源的比例过小。建议：节能降耗；开发新能源；开发 可再生能源(如太阳能、风能等)。 对能量转化和转移方向性的理解 要点归纳 1.能量转化和转移 2.热现象 ： 凡是与温度有关的现象都被称为热现象。实际上，凡是与热现象有关的物理过程

5、 都具有方向性，是不可逆的。 3.对于“自发”的理解 (1)“自发”是指不需要任何第三者的介入、不会对任何第三者产生任何影响，也就是指没 有任何外界的影响或帮助。热量会从高温物体传向低温物体，这就是“自发”的方向。 (2)机械能可以全部转化为内能，这个过程是“自发”的方向，但相反的过程不可能自发地 进行而不引起任何变化。 精典示例 例 1 下列过程中，可能发生的是( ) A.某工作物质从高温热源吸收 20 kJ 的热量，全部转化为机械能，而没有引起其他变化 B.打开一高压密闭容器，其内气体自发逸出后又自发逸进去，恢复原状 C.利用其他手段，使低温物体的温度更低，高温物体的温度更高 D.将两瓶不

6、同液体互溶，然后又自发地各自分开 解析 某工作物质从高温热源吸收 20 kJ 的热量， 全部转化为机械能， 而没有引起其他变化， 这是不可能的，则 A 错误；能量传递具有方向性，则 B、D 错误；可以利用其他手段，使低 温物体温度更低，高温物体的温度更高，如空调，则 C 正确。 答案 C 利用能量转化与转移解题的思路方法 (1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化，也可在同一物体的不同部分 或不同物体间进行转移。 (2)自发进行的能量转移和转化都具有方向性。 (3)热机的效率总小于 100%。 (4)能量在转化与转移过程中，能量的总量保持不变，即遵循能量守恒定律。 能源开发与可持

7、续发展 要点归纳 1.人类与能源的关系 (1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞 跃和生产革命， 都与新的能源和动力机械的利用密切相关， 能源消耗的多少已经成为一个国 家和地区经济发展水平的重要标志。 (2)不利方面 ： 能源的大量使用会给环境带来极大的破坏，如大气污染、温室效应、酸雨等， 对人类造成很大的危害。 (3)可持续发展的三个发展方向 对常规能源合理有效地利用，保护环境与生态平衡。 开发新型清洁的能源和可再生能源。 积极研发节能的新技术，提高能源利用效率。 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。主

8、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，在降雨过程中溶入雨水，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。 3.能源的开发与利用 (1)能源的分类 从人类使用能源的先后将能源分为常规能源和新能源。 常规能源：煤、石油、天然气等。 新能源：太阳能、沼气、地热能、核能等。 从能源的来源可分为不可再生能源和可再生能源。 不可再生能源：用完后在短期内不可能从自然界得到补充的能源，如煤、石油、天然气等。 可再生能源：取之不尽、用之

9、不竭的能源，如风能、太阳能、水能等。 从对环境的污染情况可分为清洁能源和非清洁能源。 清洁能源：不污染环境的能源，如太阳能、风能、水能等。 非清洁能源：对人类环境造成污染的能源，如石油、煤等。 (2)常规能源与新能源的转化途径 精典示例 例 2 (多选)能源短缺和环境恶化指的是( ) A.煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是有限度的，这叫 能源短缺 B.煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储量将在百年内用尽，煤炭资 源也不可能永续，这叫能源短缺 C.煤炭和石油具有大量的气味，在开采、存放和使用过程中，这些气味会聚存在空气中污染 空气，使环境恶化 D.

10、大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染了空气， 改变了大气的成分， 使环境恶 化 解析 能源短缺是指能源的有限性，指煤炭和石油的储量是有限的，若储量无限，技术落后 现阶段开采不出来，将来总可以开采出来。因此，能源短缺的本意是 B 而不是 A；环境恶化 的本意是指空气环境成分的变化， 煤炭和石油在燃烧时与空气中氧气发生反应， 改变了大气 成分，因此，对环境恶化的说法 D 正确而 C 错误。 答案 BD 1.(能量的转化和转移的方向性)(多选)下列说法中正确的是( ) A.热量只能自发地从高温物体传给低温物体而不能自发地从低温物体传给高温物体 B.内能不能转化为动能 C.内能不能自发地转化为

11、动能 D.自然界中涉及热现象的宏观过程都有方向性 解析 内能可以转化为动能，热机就是这种情况，但不能自发地转化，故 B 错误 ； 由能量转 化和转移的方向性可知，A、C、D 正确。 答案 ACD 2.(能量的转化和转移的方向性)地球上有大量的海水， 若使海水温度降低 0.1就能释放出 5.81023 J 的热量。有人设想用一热机将海水放出的热量完全转化为机械能，但这种使内 能转化成机械能的机器是不能实现的，其原因是( ) A.内能不能转化成机械能 B.内能转化成机械能不满足能量守恒定律 C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能而不引起其他变化的机器不满足能量转化和 转移的方向性 D.上述三种

12、原因都不正确 解析 内能可以转化成机械能，如热机，A 项错误；内能转化成机械能的过程满足能量守恒 定律，B 项错误；能量转化和转移的方向性告诉我们：热机不可能把吸收的热量全部转化成 机械能，而不引起其他变化，C 项正确。 答案 C 3.(能源的开发与可持续发展)(多选)关于能源的开发和利用，下列观点正确的是( ) A.能源是有限的，无节制地使用常规能源，是一种盲目的短期行为 B.根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的 C.能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响 D.不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径 解析 在能源的利用过程中，虽然能量的数量并未减少，但在可利

13、用的品质上降低了，从便 于利用的变成不便于利用的了。所以，我们要节约能源，保护环境。 答案 ACD 4.(能源的开发与可持续发展)“绿色、环保、低碳”是当今世界的关键词，“低碳”要求我 们节约及高效地利用能源。关于能源与能量，下列说法正确的是( ) A.能量被使用后就消失了，所以要节约能源 B.自然界中石油、煤炭等能源可供人类长久使用 C.人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源 D.人类不断地开发和利用新的能源，所以能量可以被创造 解析 能量守恒定律告诉我们， 能量是不会减少的， 煤炭、 石油、 天然气等化石能源使用后， 化学能转化为内能耗散了，虽然总能量没有减小，但是可以利用的品质降低了，

14、故依然要节 约能源，故 A 错误；自然界中石油、煤炭等能源是有限的，故会不断减少，故 B 错误；新能 源是可以循环利用的，故人类应多开发与利用风能、太阳能等新型能源，故 C 正确 ； 人类不 断地开发和利用新的能源，如风能、太阳能，本质上都来源于太阳，符合能量守恒定律， 故 D 错误。 答案 C 基础过关 1.(多选)根据能量转化和转移的方向性，下列判断正确的是( ) A.电流的电能不可能全部转化为内能 B.在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化为电能 C.热机中，燃气的内能不可能完全转化为机械能 D.在热传导中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体 解析 根据能量转化和转移的方向性可知

15、， 凡与热现象有关的宏观过程都具有方向性， 电流 的电能可全部转化为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)， 而内能不可能全部转化为电能 ； 机械能可全部转化成内能，而内能不可能全部转化成机械能 ； 在热传导中热量只能自发地从 高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体，所以选项 B、C、D 正 确。 答案 BCD 2.(多选)下列物理过程，哪些是可能发生的( ) A.制冷系统能够把冰箱里的热量传给外界温度较高的空气 B.一个在粗糙的水平地面上运动的物体最后要停下来，物体的动能可以全部转化为内能 C.理想的热机因为没有摩擦，也没有漏气，它的效率可以达到 100% D.在两个连通

16、容器A、B内都充满气体以后，气体会自发地从容器A流向容器B，使容器A 内成为真空 解析 热机的效率不可能达到 100%，C 错误，气体在连通器内的流动是因为有压力差，不是 自发地，D 错误。 答案 AB 3.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 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

17、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， 而是转化成了别的能量， B 错误；马和其他动物，包括人，要运动，必须消耗能量，C 正确；所谓“全自动”手表， 内部还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，使摆锤不停摆动，给 游丝弹簧补充能量，才会维持手表的运行，如果把这种手表放在桌面上静置几天，它一定会 停止走动的，D 错误。 答案 C 4.下列哪些物理过程是可逆的( ) A.在一绝热容器内盛有液体，通过不停地搅动使液体的温度升高 B.在一个传热的容器内盛有液体，容器放在

18、一恒温的大水池内，不停地搅动液体，但液体的 温度不变 C.用一条不可伸长的细轻绳悬挂一个小球，上端固定，把小球拉离平衡位置由静止释放(不 计阻力) D.在一绝热容器内，不同温度的气体进行混合 解析 在 A、B、D 所述的三个过程中，都涉及到热现象，即 A 中是“做功改变内能” ，B 中 是“做功改变内能”及“热传导” ，D 中是“热传导” ，所以过程都不可逆，对于 C 中的过程， 只涉及动能与势能的转化，不涉及热现象，故过程是可逆的。 答案 C 5.(多选)当今人类利用的新能源是( ) A.电能 B.太阳能 C.化石燃料 D.核能 解析 电能是二次能源，是由其他形式的能转化而来，不是新能源。化

19、石燃料是常规能源， 太阳能和核能是当今的新能源，故 B、D 正确。 答案 BD 6.对下列装置和过程描述正确的是( ) A.电动机是把电能全部转化为机械能的装置 B.热机是将内能全部转化为机械能的装置 C.若将所有海水的温度都降低 1C，就能获得巨大的能量，我们可以通过这种途径来获得 能量 D.虽然不同形式的能量可以相互转化， 但不可能将已转化成内能的能量全部收集起来加以利 用 答案 D 7.下列说法中正确的是( ) A.从甲物体自发传递热量给乙物体，说明甲物体的内能比乙物体多 B.热机的效率从原理上讲可达 100% C.因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能的 D.以上说法均不正确 解析 自

20、发热传递的条件是存在温度差，而不是内能的多少，故 A 错误 ； 任何热机都不可能 从单一热源吸收热量并把它全部用来做功， 而不引起其他变化， 所以任何热机的效率都不可 能达到 100%，故 B 错误；由于能源的利用是不可逆的，煤炭、石油等都是不可再生的能源， 故 C 错误。 答案 D 8.斜面高度是 0.6 m，倾角是 30，质量是 1 kg 的物块由顶端滑到底端。已知物块与斜面间 的动摩擦因数是 0.5，取g10 m/s2，在这个过程中产生的热量约为( ) A.6 J B.5.2 J C.0.9 J D.11.1 J 解析 物块克服摩擦力做功而损失的能量要转化为内能， 且有WfE内。 故 E

21、内mgcos smgcos 2h5.2 J。 答案 B 9.我国居民有在房前种树的习惯，夏天大树长出茂密的叶子。为人们挡住炎炎烈日，冬天树 叶又会全部掉光， 使温暖的阳光进入屋内， 可以起到冬暖夏凉的作用， 被人们称为天然空调。 炎热的夏天，我们在经过有树的地方时，也会感到很明显的凉意。关于树木周围比较凉爽的 现象，下列说法正确的是( ) A.树木把大部分太阳光反射出去，使地面温度降低 B.树木吸收太阳能，使自己温度升高，周围温度降低 C.树木吸收太阳能，将太阳光的能量转化为化学能，使环境温度降低 D.白天树木将热量存起来， 晚上再将热量放出来， 所以白天在树木周围感到凉爽而晚上感到 热 解析

22、 树木进行光合作用， 将太阳能转化成树木生长所需的化学能， 因此能使环境温度降低， 并不是将能量反射或使自己温度升高，故 C 正确。 答案 C 能力提升 10.(2018曲靖高一检测)电动车所需能量由它所携带的蓄电池供给。如图 1 所示为某类电 动车与汽油车性能的比较。 通常车用电动机的质量是汽油机的 4 倍或 5 倍。 为促进电动车的 推广使用，在技术上主要对电动车的_、_等部件加以改进。给电动车蓄电池 充电的能量实际上来自于发电站，一般发电站燃烧燃料所释放出来的能量仅 30%转化为电 能，在向用户输送及充电过程中又损失了 20%，这意味着使用电动车时能量转化的总效率约 为_%。 图 1 解

23、析 从题图中可以看出电动车每千克蓄能物质所储存的能量和充一次电能行驶的距离均 远小于汽油车，因此应对蓄电池加以改进，另外电动车的效率也不是很高，所以也应对电动 机进行改进。设发电站消耗的能量为E0，电动车输出的机械能为E，由题意可知使用电动车 时能量转化的总效率 100%100%16.8%。 E E0 E0 30% 80% 70% E0 答案 蓄电池 电动机 16.8 11.如图 2 所示是利用潮汐发电的示意图，左方为陆地和海湾，中间的水坝下有通道，水经 通道可带动发电机。一昼夜中两次涨潮、两次落潮，四次发电，涨潮时，水进入海湾，待内 外水面高度相同，堵住通道，如图甲所示。潮落至最低时放水发电

24、，如图乙所示。待内外水 面高度相同，再堵住通道，直至下次涨潮到最高点，又放水发电，如图丙。设海湾平均面积 为S5.0108 m2， 高潮与低潮间高度差为h3.0 m， 求一天内水流的平均功率。 (取g10 m/s2) 图 2 解析 潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能。每次涨潮时流进海湾(落潮时流 出海湾)的海水的质量为 mVSh1.01035.01083.0 kg1.51012 kg。 其重心的高度变化h 1.5 m。 h 2 一天内海水两进两出，故水流功率为 P W1.0109 W。 4mgh t 4 1.5 1012 10 1.5 24 3 600 答案 1.0109 W 12.

25、(2018泸州高一检测)水库上建筑一条拦河坝，利用水库水位与拦河坝下游水位之间的 落差，使水轮机转动，可以带动发电机发电。若水的重力势能有 60%转化为电能，已知每分 钟 5 000 t 的水流量可以得到发电机的发电功率为 4.9 107 W，取g9.8 m/s2，水的比热容c4.2103 J/(kg)。求： (1)水的落差是多少？ (2)如果水库的水不通过水轮机，而是自由下落到拦河坝下游的水面上，且水的重力势能全 部转化为水的内能，则水温升高多少？ 解析 (1)由P，得h m100 m。 Ep t mgh t Pt mg 4.9 107 60 60% 5 000 103 9.8 (2)若重力势能全部转化为内能，则mghcmt，t 0.23 。 gh c 9.8 100 4.2 103 答案 (1)100 m (2)0.23