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第四节
能量与可持续发展
一、能量守恒定律
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，能量的总量保持不变。
2.能量守恒定律是普适规律
①
在自然界中，不同的能量形式与不同的运动形式相对应。如：物体做机械运动具有机械能、分子运动具有内能等；
②
某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等；
③
某个物体能量的减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
3.能量守恒的深入理解
不同力做功会引起不同能量变化，实现了能量在不同的形式之间相互转化，比如重力做功引起重力势能变化，电场力做功引起电势能变化等，即功是能转化的量度，事实上我们在研究机械运动带来的问题是，更加关注的是能量的转化和变化。
二、能量转移或转化的方向性
1.机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在粗糙的水平面上运动，摩擦力做负功消耗动能，最终物块停下，这样物块的机械能全部转化为内能，但是摩擦生热不会反过来再转化为物块的机械能，使物块回到原来位置。
2.自然过程的方向性：自然界中，所有宏观自发过程都具有一定的方向性，是一种不可逆过程。例如一杯热水会自发地向外散热，散出去的热量不会自发地回到水中。
三、能量耗散和品质降低
1.能量耗散：集中度较高且有序度较高的能量（如机械能、电能、化学能等），当它们变为环境中的内能后，就成为更加分散也是无序度更大的能量，我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用，这样的转化过程叫能量耗散。
2.能量品质降低：各种形式的能量向内能转化，虽然能量的总量不变，但是能转化成可利用或容易利用的能量减少了，这样能量的品质降低，能量从高度有用的形式降为不大可用的形式，所以要节约能源。
四、能源的分类
分类方法
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、潮汐能
二次能源
由一次能源经加过转换而成
焦炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能等
按利用技术分
常规能源
已大规模正常使用
煤、石油、天然气等
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、风能等
【典例1】关于能量和能源，下列说法正确的是
（ ）
A．化石能源是清洁能源，水能是可再生能源
B．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
C．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源
D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减少，但能量品质降低了
【答案】D
【解析】
化石能源燃烧时放出SO2、CO2等气体，形成酸雨和温室效应，破坏生态环境，不是清洁能源，A项错误；能量是守恒的，既不能被创造也不可能消失，但能量品质会下降，故要节约能源，B、C均错误，D项正确。
【练习1】（多选）行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（ ）
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
【答案】AD
【解析】
这四个现象中物体运动过程中都受到阻力作用，汽车主要受摩擦阻力，流星、降落伞受空气阻力，条形磁铁下落受磁场阻力，因而物体都克服阻力做功，A正确。四个物体的运动过程中，汽车是动能转化成了内能，流星、降落伞、条形磁铁是重力势能转化成其他形式的能，总之机械能转化成了其他形式的能，D正确。
【练习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再也不能被人类利用
C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的
D．能量耗散导致能量品质的降低
【答案】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，故选项A错误，选项D正确；耗散的内能无法再被利用，选项B正确；其他形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能，但相反过程却不能够全额进行，选项C正确。故选B、C、D。
【练习3】水平地面上平放着一根长为L、质量为M的匀质棒，把它的一端匀速抬高H(H?L)，假设用手直接作用于棒端抬高时手做功W1，用一根弹簧钩住棒端抬至同样高度时手做功W2，则（ ）
A．W1＝W2
B．W1＞W2
C．W1＜W2
D．不确定W1与W2之间的关系
【答案】C
【解析】
手直接作用于棒的一端时手做功W1＝ΔEpG，用弹簧钩住升高相同高度时手做功W2＝ΔEpG＋ΔEp弹，显然W1＜W2，C正确。
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能量与可持续发展
一、能量守恒定律
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，能量的总量保持不变。
2.能量守恒定律是普适规律
①
在自然界中，不同的能量形式与不同的运动形式相对应。如：物体做机械运动具有机械能、分子运动具有内能等；
②
某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，且减少量和增加量一定相等；
③
某个物体能量的减少，一定存在其他物体的能量增加，且减少量和增加量一定相等。
3.能量守恒的深入理解
不同力做功会引起不同能量变化，实现了能量在不同的形式之间相互转化，比如重力做功引起重力势能变化，电场力做功引起电势能变化等，即功是能转化的量度，事实上我们在研究机械运动带来的问题是，更加关注的是能量的转化和变化。
二、能量转移或转化的方向性
1.机械能和内能的转化过程具有方向性：物体在粗糙的水平面上运动，摩擦力做负功消耗动能，最终物块停下，这样物块的机械能全部转化为内能，但是摩擦生热不会反过来再转化为物块的机械能，使物块回到原来位置。
2.自然过程的方向性：自然界中，所有宏观自发过程都具有一定的方向性，是一种不可逆过程。例如一杯热水会自发地向外散热，散出去的热量不会自发地回到水中。
三、能量耗散和品质降低
1.能量耗散：集中度较高且有序度较高的能量（如机械能、电能、化学能等），当它们变为环境中的内能后，就成为更加分散也是无序度更大的能量，我们无法把这些分散的内能重新收集起来加以利用，这样的转化过程叫能量耗散。
2.能量品质降低：各种形式的能量向内能转化，虽然能量的总量不变，但是能转化成可利用或容易利用的能量减少了，这样能量的品质降低，能量从高度有用的形式降为不大可用的形式，所以要节约能源。
四、能源的分类
分类方法
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、潮汐能
二次能源
由一次能源经加过转换而成
焦炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能等
按利用技术分
常规能源
已大规模正常使用
煤、石油、天然气等
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、风能等
【典例1】关于能量和能源，下列说法正确的是
（ ）
A．化石能源是清洁能源，水能是可再生能源
B．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
C．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源
D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减少，但能量品质降低了
【练习1】（多选）行驶中的汽车制动后滑行一段距离，最后停下；流星在夜空中坠落并发出明亮的火焰；降落伞在空中匀速下降；条形磁铁在下落过程中穿过闭合线圈，线圈中产生电流。上述不同现象中所包含的相同的物理过程是（ ）
A．物体克服阻力做功
B．物体的动能转化为其他形式的能量
C．物体的势能转化为其他形式的能量
D．物体的机械能转化为其他形式的能量
【练习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再也不能被人类利用
C．各种形式的能量向内能的转化，是能够自动全额发生的
D．能量耗散导致能量品质的降低
【练习3】水平地面上平放着一根长为L、质量为M的匀质棒，把它的一端匀速抬高H(H?L)，假设用手直接作用于棒端抬高时手做功W1，用一根弹簧钩住棒端抬至同样高度时手做功W2，则（ ）
A．W1＝W2
B．W1＞W2
C．W1＜W2
D．不确定W1与W2之间的关系
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