12.4 能源与可持续发展 导学案（含答案）—2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

12.4 能源与可持续发展
预习案
预习目标
1.知道什么是能量耗散和品质降低．了解能源与人类社会、环境的关系。
2.理解能量守恒定律的确切含义。
3.掌握应用能量守恒定律解决问题的方法。
4.知道能量转化的方向性。
预习内容
预习教材93~99页，思考下列问题：
1.能量守恒定律的含义是什么？
2.能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解？
预习检测
1. 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式_____________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，能量的总量_____________．
机械能守恒定律是_____________的特殊背景下一种特殊的表现形式．
各种形式的能量向内能的转化，是无序程度_____________的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够_____________发生、全额发生的．
2. 关于能源的利用，下列说法不正确的是(　　)
A．因为自然界的能量是守恒的，所以不需要节约能源
B．一座城市的能量耗散使其环境温度略高于其周围农村的环境温度
C．煤炭和石油产品燃烧会造成空气污染和温室效应
D．能量耗散表明能源的利用是有条件的，也是有代价的
3. 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
4. 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
探究案
学习目标
1.知道什么是能量耗散和品质降低．了解能源与人类社会、环境的关系。
2.理解能量守恒定律的确切含义。
3.掌握应用能量守恒定律解决问题的方法。
4.知道能量转化的方向性。
课堂探究
考点：
一、能的转移和转化
化学能转化为内能和机械能 风能转化为电能
重力势能转化为电能 电能转化为机械能
电能转化为内能 太阳能转化为电能
光能转化为化学能 化学能转化为电能
二、能量守恒定律
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另一个物体，而在转化或转移过程中，能量的总量保持不变。
永动机是不可能制成的
永动机：不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功，这种机器叫永动机。
（人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机）。
永动不可能制成的原因：
根据能量守恒定律，任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能制成的。
17～18世纪许多机械专家就已经论证了永动机是不可能的法国科学院在1775年就正式决定，不再研究和试验任何永动机。
能量守恒定律的意义：
1.能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
2.能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
3.自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。
4.机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。
三、能量转化和转移的方向性
思考与讨论
既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源？
燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它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，它又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物质吸收后变为周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。
可以看出，由于取暖和使用电器，室内温度比室外高。热量散失到室外后，不能回收重新利用。
能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解？
能量耗散和能量守恒并不矛盾，能量耗散表明，在能源利用的过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并没有减少。但是可利用的品质上降低了，从便于利用变为不便于利用了。这是节约能源的根本原因。
这说明能量的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。
内能总是自发地从高温物体向低温物体转移
而不会自发的由低温物体向高温物体转移
机械能可以全部转化为内能
而内能不可全部转化为机械能而不引起其他变化
热机的效率不可能100%
例如：一辆行驶的小轿车，燃料燃烧产生的内能有37%通过发动机散热系统排除，37%直接由排气管排出，有26%变为发动机输出的机械能。
1.能量的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。
正是因为能量转化的方向性，能量的利用受这种方向性的制约，所以能量的利用是有条件的，也是有代价的。
2.能源危机的含义
在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，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。
3.能量转化的方向性与节约能源的必要性
能量耗散反映了能量转化的宏观过程具有方向性，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源。
四、能源的分类与应用
（1）从人类开发能源的历史划分
常规能源：如煤、石油、天然气、水能等
新能源：如核能、风能、太阳能、地热能、海洋能等
（2）从使用分类
一次能源：如煤、石油、天然气、水能、风能、生物质能、海洋能等
二次能源：如电能、氢能、焦炭等
（3）从能否再生分类
可再生能源：如水能、风能、潮汐能等
不可再生能源：如石油、煤等
（4）从对环境的影响分类
清洁能源：如太阳能、风能等
非清洁能源：如煤、石油、天然气等
五、能源与社会发展
人类利用能源大致经历了三个时期，即柴薪时期，煤炭时期，石油时期。
1.柴薪时期
出现年代：五六十万年前
火的使用是人类在能源利用上的第一个里程碑，它使人类脱离了茹毛饮血的时代。
2.煤炭时期
出现年代：2000年前
蒸汽机的广泛使用，带动了工业革命和资本主义社会的成长。
3.石油时期
出现年代：19世纪80年代
内燃机的发展推动了19世纪末，20世纪初开始的机械化和电气化进程。
典例精析
能源短缺和环境恶化指的是(　　)
①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的，这叫能源短缺．②煤炭和石油资源是有限的，以今天的开采和消耗速度，石油储藏将在百年内用尽，煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺．
③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化．④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，改变了大气成分，使环境恶化．
A．①③
B．①④
C．②③
D．②④
变式训练
关于能源的利用，下列说法中不正确的是(　　)
A．由于我国煤和石油的储量无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要
B．能源的利用过程，实质是能量的转化和转移过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D．煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能
随堂检测
1.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
2.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爽．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
3.下列对能量耗散的理解正确的有(　　)
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
4.煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是(　　)
A．都为可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．都为不可再生能源，用一点，少一点
C．都为来自太阳辐射的能量
D．都为污染环境的能源
本课小结
参考答案
预习检测
转化 保持不变 能量守恒定律 较小 自动
A
D
D
课堂探究
考点
典例精析
【解析】
煤炭和石油都是由几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们的储量是有限的，并不是取之不尽、用之不竭的，这是所讲的能源短缺，②正确；能源在使用时会排出有害气体污染空气，这是所讲的环境恶化，④正确．故D正确
变式训练
【解析】石油、煤等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错，B、C、D对．
随堂检测
1. 【解答】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A错，D对；耗散的内能无法再被利用，B项对；其他形式的能可以自发全部转化为内能，C项对；故选B、C、D
故选BCD
2. 【解答】干电池板中太阳能转化为电能，小电动机中电能转化为机械能
故选A.
3. 【解答】在发生能量转化的宏观过程中，其他形式的能量最终会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，它只从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性，恰恰说明符合热力学第二定律，故A、C错，B、D正确。
故选：BD
4. 【解答】煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物质能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射．因此，选项C正确，其他选项均错误．
故选：C