新教材高中物理第12章电能能量守恒定律4能源与可持续发展课件新人教版必修第三册（51张PPT）

(共51张PPT)
第十二章　电能　能量守恒定律
4．能源与可持续发展
课前预习反馈
课内互动探究
课堂达标检测
目标体系构建
核心素养提升
目标体系构建
1．知道能量守恒定律的具体内容。
2．了解能量耗散，知道能量转移或转化的方向性。
3．知道能源的分类与应用，知道能源的利用与社会发展的关系。
【学习目标】
【思维脉络】
课前预习反馈
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_______为其他形式，或者从一个物体_______到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持_______。
知识点 1
能量守恒定律
转化　
转移　
不变　
1．能量转化的方向性
科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是_________的。
2．能量的耗散：把能量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新_______的现象，它反映出自然界中的宏观过程具有_______性。
3．节约能源的根本原因：在能源的利用过程中，能量在数量上虽未_______，但在可利用的品质上_______了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。
知识点 2
能量转移或转化的方向性
不可逆　
利用　
方向　
减少　
降低　
1．不可再生能源：煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源，又叫_______能源。
2．可再生能源：水能、风能、潮汐能等来源于_________的这些能源。
3．我国能源的开发：太阳能发电、_______发电、风能发电、_______发电。
知识点 3
能源的分类与应用
化石　
太阳能　
水力　
核能　
1．人类对能源的利用经历的三个时期：_______时期、煤炭时期、石油时期。
2．能源的开发和利用对环境造成的影响：
(1)石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，加剧了_______效应，使得两极的冰雪融化，海平面上升。
柴薪　
知识点 4
能源与社会发展
温室　
(2)石油和煤炭的燃烧形成的二氧化硫等物质使雨水的酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物，酸化_______。
(3)内燃机工作时产生氮的氧化物和碳氢化合物，这些化合物在大气中受紫外线的照射，产生光化学_______。燃烧时产生的_______也是主要的污染物。
土壤　
烟雾　
浮尘　
预习自测
『判一判』
(1)能量在转移或转化过程中总量是保持不变的。 (　　)
(2)石油、天然气都属于新能源。 (　　)
(3)能量耗散不遵循能量守恒定律。 (　　)
(4)能量耗散会导致能量品质的降低。 (　　)
(5)为了可持续发展，必须节约能源。 (　　)
√　
×　
×　
√　
√　
(6)石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”。 (　　)
(7)能量耗散现象反映了在一些特殊过程中能量并不守恒，从而导致能源不可再生。 (　　)
√　
×　
『选一选』
在研究性学习的过程中，同学们提出了以下四个活动方案，哪些从理论上讲是可行的 (　　)
A．制作一个内能回收器，将散失在周围环境中的内能全部收回再利用
B．发明一种不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器—永动机
C．汽车尾气中各类有害气体排入大气后严重污染了空气，想办法使它们自发地分离，既清洁了空气，又变废为宝
D．将房屋顶盖上太阳能板，可直接用太阳能来解决照明和热水问题
D　
解析：系统的内能流失到周围环境中，不可能全部收回再利用，A错；永动机违反能量守恒定律，不可能制成，B错；扩散现象具有方向性，逆过程不可能自发进行，C错；太阳能可以用来发电和进行加热，D正确。
『想一想』
如图所示是两幅宣传节约能源的图片。请问：

既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？
答案：能量是守恒的，但能量耗散却会导致能量品质降低，它实际上将能量从可用的形式降级为不大可用的形式。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。故能量虽然不会减少但可利用的高品质能源会越来越少，所以要节约能源。
课内互动探究
如图是用一台蒸汽机和一台发电机建立的模型发电站，将这个模型发电站与小灯泡连接起来，就可以供电了。
请分析该模型发电站工作时各种形式的能量是如何转化的。
提示：蒸汽机将蒸汽的内能转化为蒸汽轮机的机械能，蒸汽轮机带动发电机转动，将机械能转化为电能使小灯泡发光。
能量守恒定律的理解和应用
情景导入
探究
一
1．能量的存在形式及相互转化
(1)各种运动形式都有对应的能：机械运动有机械能，分子的热运动有内能，还有电磁能、化学能、原子能等。
(2)各种形式的能，通过某种力做功可以相互转化。例如，利用电炉取暖或烧水，电能转化为内能；煤燃烧，化学能转化为内能；列车刹车后，轮子温度升高，机械能转化为内能。
要点提炼
2．能量转化和转移的方向性
能量的转化和转移具有方向性，或者说，能量的转化和转移具有不可逆性。
(1)机械能和内能转化过程的方向性
机械能可以全部转化为内能，但内能不能全部转化为机械能而不引起其他变化。无论何种热机，都不可能百分之百地把内能变成机械能，而不产生其它影响即热机的效率一定小于100%。
(2)热传递的方向性
内能总是自发地从高温物体向低温物体转移，而不能自发地从低温物体向高温物体转移。
3．能量守恒的两种表达
(1)某种形式的能减少，一定有其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。
(2)某个物体的能量减少，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。
4．应用能量转化与守恒解题的步骤
(1)首先分析研究对象的受力情况、做功情况、能量的转化方向及初、末状态能量的具体形式。
(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。
(3)依据ΔE减＝ΔE增列式求解。
如图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4×105 J，太阳光平均一天按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；
(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？
(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？
典例1
典例剖析
答案：(1)见解析　(2)370 W　(3)10%
对点训练
A　
如图所示是我国最大的山坡光伏发电站——河北曲阳光伏发电站。太阳能是一种具有良好开发前景的新能源，与常规能源相比它具有哪些优点？
提示：光伏发电过程简单，没有机械传动
部件，不消耗燃料，无噪音、无污染，太阳
能资源分布广泛且取之不尽，用之不竭。
能源的利用与可持续发展
情景导入
探究
二
1．能源开发和利用的关系图
要点提炼
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
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
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)
3．能源对环境的影响
(1)常规能源对环境的影响
石油和煤燃烧产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，产生了“温室效应”，引发了一系列问题，如两极的冰雪融化、海平面上升，海水倒灌、耕地盐碱化……这些都是人类过度开发自然所产生的严重问题。
(2)做好环境保护工作
目前的任务是采用环境能源技术，解决突出的环境污染问题，例如：城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；提高汽车发动机效率，解决尾气问题，达到废气“零排放”；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等，变废为宝。
(多选)关于能源的开发和利用，下列观点正确的是
(　　)
A．无节制地利用能源，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．开发和利用能源的同时，必须加强对环境的保护
D．不断开发新能源，是缓解能源危机的主要途径
思路引导：虽然能量是守恒的，但能源会越来越少，所以要节约能源。常规能源的储量有限，且存在环境污染问题，必须开发新能源。
典例 2
典例剖析
ACD　
解析：能源是有限的，必须合理利用能源，A正确；尽管能量守恒，但使用过程中会有能量耗散及品质降低，B错误；能源开发利用推动人类进步，但同时会破坏人类生存的环境，所以必须加强对环境的保护，C正确；开发新能源、清洁能源可以缓解常规能源的不足，D正确。
2．(2021·山东省潍坊一中高二下学期月考)“能源危机”是当今世界各国共同面临的问题。对此，以下措施可行的是 (　　)
A．人人都要自觉做到节约用水、节约用电，不浪费和人为毁坏物品
B．关闭现有的火力发电站
C．各地都要兴建水力和风力发电站
D．停止使用石油资源，而以核能和太阳能取代
对点训练
A　
解析：受地域环境的限制，风力、水力发电站不能在各地兴建，因而不能关闭所有火力发电站，故B、C错；受技术限制，核能和太阳能尚未大规模被利用，所以也不能停止使用石油资源，故D错误。
核心素养提升
1．能量耗散
(1)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。这样的现象叫能量耗散。
(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中涉及热现象的宏观过程都具有方向性。
一、能量耗散和品质降低
2．能量品质的降低
能量耗散虽然不会使能量减少，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可用的形式。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。内能较之机械能、电能、光能、核能等是一种低品质能量。
(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．能量耗散是指散失在环境中的内能再也不能收集起来被人类利用
C．各种形式的能量向内能的转化，是能够全额发生的
D．能量耗散导致能量品质降低
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，能量耗散遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，故A错误，D正确；耗散的内能无法再被收集起来利用，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，C正确。故选B、C、D。
案例 1
BCD　
能量的转化是通过做功来实现的，力对物体做了多少功，就有多少能量发生转化，即功是能量转化的量度。
1．功和能的区别与联系
(1)能是由物体状态决定的物理量，是一个状态量；而功则是和物体运动状态变化过程有关的物理量，是一个过程量。两者有着本质的区别。
(2)做功可以使物体具有的能量发生变化，但功和能不能相互转化。
(3)不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是能量之间转化的过程。
二、功是能量转化的量度
2．几种常见的功能关系及其表达式
(1)合力做功，动能变化，W合＝Ek1－Ek0＝ΔEk。
(2)重力做功，重力势能变化，WG＝－ΔEp。
(3)弹簧弹力做功，弹性势能变化，W弹＝－ΔEp。
(4)系统内除重力和弹力之外的力做功，机械能变化，W其他＝ΔE。
(5)作用于系统的一对滑动摩擦力一定做负功，系统内能增加Q＝f·s相对。
【注意说明】功是一个过程量，与一段位移对应；能是状态量，与某时刻对应，两者单位都是J，但功并不等于能，功是能量转化的量度。
(2021·重庆缙云教育联盟高二上月考)如图甲所示，一物块从足够长的固定粗糙斜面底端以某一速度冲上斜面。从初始位置起物块动能Ek随位移x的变化关系如图乙所示。已知物块质量为2 kg，斜面倾角为37°，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，取重力加速度g＝10 m/s2。下列说法正确的是 (　　)
A．物块上升的最大高度为5 m
B．物块与斜面间的动摩擦因数为0.5
C．整个上滑过程物块机械能减少了100 J
D．整个上滑过程物块重力势能增加了100 J
案例 2
B　
解析：由题图乙可知，图线与x轴的交点的横坐标为5 m，则x的最大值为xm＝5 m，则物块上升的最大高度为xm·sin 37°＝3 m，选项A错误；由动能定理得ΔEk＝－100 J＝－mgh－μmgxm cos 37°，解得μ＝0.5，选项B正确；摩擦力做功等于减少的机械能，整个上滑过程物块机械能减少了ΔE＝μmgxm cos 37°＝40 J，选项C错误；整个上滑过程物块重力势能增加了ΔEp＝mgh＝60 J，选项D错误。
课堂达标检测
1．(多选)(2021·福建厦门外国语学校高二下学期检测)煤是重要的能源和化工原料，直接燃烧既浪费资源又污染环境。最近，某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”，让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%)，把煤“吃干榨尽”。下列有关说法中正确的是 (　　)
A．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化
B．煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化
C．该技术实现了煤的清洁利用
D．该技术实现了煤的高效利用
解析：煤粉加压气化制备合成气中既有物理变化，又有化学变化，A正确，B错误；该技术使煤得以高效良好利用又环保，C、D正确。
ACD　
2．(2021·山东省济宁市实验中学高二下学期检测)热现象过程中不可避免地出现能量耗散的现象。所谓能量耗散是指在能量转化的过程中无法把散失的能量重新收集、加以利用。下列关于能量耗散的说法中正确的是 (　　)
A．能量耗散说明能量不守恒
B．由于能量的转化过程符合能量守恒定律，所以不会发生能源危机
C．能量耗散过程中能量不守恒
D．能量耗散是从能量转化的角度，反映出自然界中涉及热运动的宏观过程具有方向性
D　
解析：能量耗散是指能量在转化和转移的过程中扩散到周围环境中无法再收集起来的，其满足能量守恒定律，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了。能量耗散反应了涉及热运动的宏观过程都具有方向性，所以A、B、C错误；D正确。
3．(2021·武汉市新洲一中6月线上联考)如图所示是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门(如图甲)，落潮时，开闸放水发电(如图乙)。设海湾水库面积为6.0×108m2，平均最高水位与最低水位差为4.0 m，一天涨落潮两次，发电机的平均能量转化效率为10%，则一天内发电的平均功率约为______________(ρ海水＝1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2)，结果保留一位有效数字。
1.1×105 kW