2015版高中物理人教版选修3-3讲义：10.6　能源和可持续发展

课时10.6　能源和可持续发展
1.理解能量耗散和品质降低的概念。
2.理解能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。
3.了解常规能源的使用带来的环境污染。
4.了解开发新能源的方法和意义。
重点难点:理解能源的概念和能源的使用与环境污染的关系。
教学建议:能源与环境是社会关注的两个问题 ( http: / / www.21cnjy.com )。通过本节的教学,应使学生理解这两个社会问题产生的原因,深入理解热力学第一定律和热力学第二定律。可在课前布置学生预习和自学,分几个专题,以学习小组为单位布置学生查找资料,在课堂上让学习小组的代表汇报自学情况以及查找资料的成果。结合学生的交流情况,引导学生思考:人类现在可用的清洁能源有哪些 21世纪人类利用能源的趋势是什么 在课后布置学生就清洁能源的利用和我们的未来生活写一篇小论文。本节教学应充分联系生产和生活实际,开展丰富多彩的社会活动,引导学生关注社会、关注人类的未来,并充分体现从生活走向物理、从物理走向社会的教学思想和教学理念。
导入新课:随着我国经济的不断发展,能源需求 ( http: / / www.21cnjy.com )持续增长,能源供需矛盾日益突出,环境污染十分严重。为了实现能源的可持续发展,必须“开源”,即开发核电、风电等新能源和可再生能源,另一方面还要“节流”,即调整能源结构,大力实施节能减排措施。
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1.能量耗散和品质降低
(1)能量耗散:系统的①内能流散到周围环境中,没有办法把这些内能收集起来加以利用,这种现象叫作②能量耗散。
(2)品质降低:能量从③高度有用的形式降级为④不大可用的形式叫品质降低。
(3)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⑤方向性,能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的⑥降低。
2.能源与人类社会发展
能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品,是国民经济运行的物质基础,它与⑦材料、⑧信息构成现代社会的三大支柱。
3.能源与环境
(1)人们把煤、石油、天然气等化石能源叫作⑨常规能源,人类消耗的能源主要是⑩常规能源。
(2)环境问题:化石能源的大量消耗带来的环境问题有温室效应、酸雨、光化学烟雾等。
　　4.开发新能源
(1)化石能源的短缺和利用常规能源带来的环境污染,使得新能源的开发成为当务之急。
(2)新能源主要有以下几种:太阳能、生物质能、风能、核能、水流(河流、潮汐)能。
太阳能、风能、水流能是清洁能源,也是“可再生能源”。
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1.图示是锅炉工作时的外景,从节约能源和环境保护角度来看,分析存在的主要问题是什么
解答:由题图中的浓烟滚滚,可以发现存在的主要问题有两个:一是燃料燃烧不充分,且烟气带走大量的热量,造成能量损失;二是造成大气污染。
2.既然能量守恒,为什么还要节约能源
解答:人们在使用能源的时候,高品质的能量释放出来,并最终转化为低品质的内能,虽然能量不会减少,但能量品质会越来越低,所以要节约能源。
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主题1:能量耗散和品质降低
问题:阅读课本相关内容,回答下列问题。
根据图片,思考以下问题:
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煤炭　　　　　　　风力发电
(1)能源与能量的含义相同吗
(2)你知道哪些能源为不可再生能源,哪些能源为可再生能源吗
(3)你知道国家为何提倡节能减排吗
解答:(1)不相同。能量是守恒的,既不会增 ( http: / / www.21cnjy.com )加也不会减少;能源是可以提供可利用能量的物质;能量耗散,能量总量不变,但能量品质会下降,即能源减少,故我们要节约能源。
(2)不可再生能源:煤、石油、天然气;可再生能源:水能、风能、生物质能、地热能。
(3)大量能量的使用不会使能的总量减少,却会导致能量品质的降低,将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。
　　知识链接:能量在利用过程中,总是由高品质的能量最终转化为低品质的能量。
主题2:能源与人类社会发展、环境
问题:阅读课本相关内容,回答下列问题。
(1)化石能源的大量消耗会带来很多环境问题,如温室效应、酸雨、光化学烟雾等,请谈谈它们的危害。
(2)查阅相关资料,谈谈新能源开发的意义。
解答:(1)温室效应使两极 ( http: / / www.21cnjy.com )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。酸雨对人类是有害的,首先危害人体健康,由于酸雨可溶解空气及土壤中的重金属粒子,使其变成对人体有害的物质,人饮用了这种水就会诱发各种疾病;其次使土壤酸度增加从而危害植物的正常生长,使土壤酸化;河流湖泊酸化后就影响水生物及鱼类的生长等,严重破坏生态环境;再者酸雨是强腐蚀剂,能腐蚀建筑材料。光化学烟雾有毒,能引起人的多种疾病。
(2)随着社会的进步和生产力的飞速发展 ( http: / / www.21cnjy.com ),能量的消耗也急剧增加,常规能源中的煤、石油、天然气储量有限,风能、水能等的利用受到很多自然条件的限制,也不可能满足人类社会对能源的需求,所以能源的开发和利用成为当务之急。
知识链接:开发能源转换新技术、煤的洁净利用技术、先进的发电技术,都可以提高能源的利用效率。
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1.(考查对能源开发和使用的认识)关于能源的开发和利用,下列说法错误的是(　　)。
A.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
【解析】能量虽然守恒,但有的资源容易利用,有的资源难以利用,资源短缺成为社会发展的阻碍,因而要合理开发利用,故B错。
【答案】B
　　【点评】能源是有限的,要有计划地使用,无限制使用常规能源会严重破坏环境。
2.(考查对能源利用的认识)柴油机 ( http: / / www.21cnjy.com )使柴油燃料在汽缸中燃烧,产生高温高压气体,燃料的化学能转化为气体的内能,高温高压气体推动活塞做功,气体的内能又转化为柴油机的机械能。燃烧相同的燃料,输出的机械能越多,表明柴油机越节能。下列说法正确的是(　　)。
A.尾气的温度越高,柴油机越节能
B.尾气的温度越低,柴油机越节能
C.尾气的温度高低与柴油机是否节能无关
D.以上说法均不正确
【解析】气体的内能不可能完全转化为 ( http: / / www.21cnjy.com )柴油机的机械能,柴油机使柴油燃料在汽缸中燃烧,产生高温高压气体,是一个高温热源;而柴油机排气管排出的尾气是一个低温热源。根据能量守恒,这两个热源之间的能量差就是转换的机械能,燃烧相同的燃料,要想输出的机械能越多,尾气的温度就要越低,故B选项正确。
【答案】B
　　【点评】联系生活实际,知道节约能源,开发、利用新能源和环境保护之间的关系。
3.(考查对温室效应的认识)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.石油和煤炭等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等 ( http: / / www.21cnjy.com )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、海水倒灌河流、耕地盐碱化等,故B、C选项正确。
【答案】BC
　　【点评】环境污染包括温室效应、酸雨、光化学烟雾等,其原理不同。
4.(考查能量的计算和节能 ( http: / / www.21cnjy.com )的意识)某市有20万台空调机,每台空调机在夏季平均使用60天,每天耗电8 kW·h。为了节约能源,该市政府建议大家都把室内设定温度提高1 ℃,这样每台空调机每天可节省6%的电能。那么这样做能使该市节省多少电能 已知标准煤的热值是2.92×107 J/kg。发电厂的发电效率是30%。请计算一下,这项节能建议的实现能为我们后辈留下多少吨标准煤
【解析】设可节省的电能为E,则E=8×6%×60×20×104 kW·h=5.76×106 kW·h≈2.1×1013 J
设可为后辈留下标准煤m吨,则由能量守恒定律有:
2.92×107×m×103×30%=E
解得:m≈2.4×103 t。
【答案】2.1×1013 J　2.4×103 t
　　【点评】能量耗散,能量总量不变,但能量品质会下降,即能源减少,故我们要节约能源。
拓展一:对能量耗散的理解
1.下列对能量耗散的理解正确的是(　　)。
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
【分析】能量耗散并不是能量消失,只是耗散的能量无法加以利用。
【解析】在发生能量转化的 ( http: / / www.21cnjy.com )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,故A、C错,B、D对。
【答案】BD
【点拨】能量耗散是指可利用的能量减少了 ( http: / / www.21cnjy.com ),但自然界的总能量并没有变化;能量耗散的最终形式为无序性更大的内能,其他形式能量均可收集起来再加以利用。
拓展二:能源与环境
2.CO2气体有个“怪脾气”,它几乎不 ( http: / / www.21cnjy.com )吸收太阳的短波辐射,大气中CO2浓度增加使地表温度因受太阳辐射而上升;另外,它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用,阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放,使整个地球像一个大温室一样,因此,大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升,使全球气候变暖。
(1)这种以CO2为主的气体产生的效应称为(　　)。
A.光热效应　　　　　　B.光电效应
C.光气效应 D.温室效应
(2)导致大气中CO2浓度增加的主要原因是(　　)。
A.大量植物和动物等物种的灭绝
B.大量化石燃料(如石油、煤、天然气等)的燃烧
C.人口剧增,呼出CO2增多
D.自然因素破坏了地球环境生态平衡
(3)为了减缓大气中CO2浓度的增加,可采取的措施有(　　)。
A.禁止使用煤、石油和天然气
B.开发使用核能、太阳能
C.将汽车燃料由汽油改为液化石油气
D.植树造林
【分析】全球的气候变化让世人关注,而气候变化往往与能源的开发、环境的保护情况有关。
【解析】(1)由题目分析知D正确。
(2)因为煤、石油、天然气是化石能源,燃烧释放大量的CO2,选项B正确。
(3)煤、石油、天然气等常规能源, ( http: / / www.21cnjy.com )目前还不能禁止使用,但可以开发可替代它们的新能源,如:核能、太阳能等。另外,利用光合作用也可降低CO2浓度。B、D正确。
【答案】(1)D　(2)B　(3)BD
【点拨】本题是环境污染与化学相结合的一道综合题,常规能源的利用不可避免地带来了环境污染。
拓展三:能源的利用与开发
3.某地强风的风速约为v=20 m/s, ( http: / / www.21cnjy.com )设空气密度为ρ=1.3 kg/m3,假设能利用该强风进行发电,并将其动能完全转化为电能,现考虑横截面面积S=20 m2的风车(风车车叶转动形成圆面面积为S)。
(1)利用上述已知量计算电功率表达式。
(2)电功率大小约为多少 (取1位有效数字)
【分析】任意一段时间内,通过风车的空气可看成是一段截面积为S的空气柱,这段空气柱的动能转化为电能。
【解析】(1)时间t内吹到风力发电机上的空气质量m=ρSvt
空气动能Ek=mv2=ρStv3
由能量守恒有:E=Ek=mv2=ρStv3,所以发电机电功率P==ρSv3。
(2)代入数据得:P=×1.3×20×203 W=1×105 W。
【答案】(1)ρSv3　(2)1×105 W
【点拨】本题考查动能、电功率、能的转 ( http: / / www.21cnjy.com )化等知识,计算过程中要注意各物理量之间的关系;风能、太阳能、水能等属于目前正积极开发的、没有污染的新能源;任何一种能源的利用效率都不会达到100%。
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能源和可持续发展