第五章 第一节
A组·基础达标
1．如图，便携式小风扇用可充电直流电源连接电动机驱动，电源电动势为E、内阻为r，电动机内部电阻为RM，电动机正常工作时，回路电流为I，则( )
A．t秒内电源的总功为EIt
B．电动机的额定电压为IRM
C．电动机将机械能转化为电能
D．通过电动机电流做功功率大小为I2RM
【答案】A 【解析】t秒内电源的总功P＝EIt，A正确；电动机为非纯电阻用电器，不适用欧姆定律，电动机的额定电压不等于IRM，B错误；电动机消耗的电能转化为机械能和内能，C错误；通过电动机电流做功功率即为电功率大于热功率I2RM，D错误．
2．如图所示，把两个相同的灯泡分别接在甲、乙电路中，甲电路两端的电压为8 V，乙电路两端的电压为16 V．调节变阻器R1和R2使两灯都正常发光，此时变阻器消耗的功率分别为P1和P2，两电路中消耗的总功率分别为P甲和P乙，则下列关系中正确的是( )
A．P甲
P乙
C．P1>P2 D．P1＝P2
【答案】D 【解析】由灯都正常发光可知，R1中电流是R2中电流的二倍，R1两端电压是R2两端电压的二分之一，两变阻器消耗的功率相等，两电路中消耗的总功率相等，D正确，A、B、C错误．
3．如图所示，A、B两点间电压为18 V，R1＝0.2 Ω，电动机M线圈的电阻也是0.2 Ω，电路中的电流是25 A，则此电路中电能转化为机械能的效率是( )
A．72% B．28%
C．55.6% D．44.4%
【答案】D 【解析】电路中总的电功率P＝UI＝450 W，电路中的热功率P热＝I2(R1＋r)＝250 W，则电路中电能转化为机械能的效率为η＝×100%≈44.4%，D正确．
4．如图，电阻R和电动机M并联接到电路中，已知电阻R跟电动机线圈的电阻值相等，开关接通后，电动机正常工作．经过一段时间，电流通过电阻R做功为W1，产生热量为Q1，电流通过电动机做功为W2，产生热量为Q2，则有( )
A．W1＝W2，Q1＝Q2 B．W1>W2，Q1>Q2
C．W1＜W2，Q1＝Q2 D．W1>W2，Q1＜Q2
【答案】B 【解析】设开关接通后，电路两端电压为U.对于电阻R，由欧姆定律得U＝I1R，对于电动机，U>I2R，则有I2＜I1.电功W1＝UI1t，W2＝UI2t，则有W1>W2，根据焦耳定律得Q1＝IRt，Q2＝IRt，则有Q1>Q2.故B正确，A、C、D错误．
5．两盏额定功率相同的灯泡A和B，其额定电压UA>UB，则下列说法正确的是( )
A．两灯正常发光时，灯泡的电流强度IA>IB
B．两灯电阻RAC．将两灯串联后接入电路中发光时，则灯泡的功率PAD．将两灯并联后接入电路中发光时，则灯泡的功率PA′【答案】D 【解析】由P＝可知RA>RB，由P＝UI可知额定电流IAPB；两灯并联后，由并联电路的功率分配关系可知P∝，所以PA′6．如下页图所示，电路中各灯泡额定电压和额定功率分别是：A灯“10 V 10 W”，B灯“60 V 60 W”，C灯“20 V 20 W”，D灯“20 V 20 W”．在a、b两端加上电压后，四个灯泡都能发光．比较各灯泡消耗功率大小，以下说法正确的是( )
A．PB>PD>PA>PC
B．PB>PA>PD＝PC
C．PB>PD>PC>PA
D．PA>PC>PD>PB
【答案】B 【解析】由R＝可知，灯的电阻RA＝10 Ω，RB＝60 Ω，RC＝RD＝20 Ω，C、D并联部分的电阻为R并＝10 Ω，电路中RB>RA＝R并，由串联电路的功率关系知PB>PA＝P并，而PC＝PD＝，故PB>PA>PD＝PC，B正确．
7．功率为10 W的发光二极管(LED灯)的亮度与功率为60 W的白炽灯相当．假设每户家庭有2只60 W的白炽灯，均用10 W的LED灯替代，按全国有4亿户家庭，每户家庭每天亮灯6小时计算，估算出全国一年节省的电能最接近( )
A．8×108 kW·h B．8×1010 kW·h
C．8×1011 kW·h D．8×1013 kW·h
【答案】B 【解析】因每只白炽灯和发光二极管的功率分别为60 W和10 W，则每户家庭每天节省的电能为(60－10)×10-3×2×6 kW·h＝0.6 kW·h，所以全国一年节省的电能为0.6×4×108×365 kW·h＝8.76×1010 kW·h，B正确，A、C、D错误．
8．下面是某电热水壶的参数，由此可知该电热水壶正常加热1 min产生的热量为( )
电热水壶
型号 SP—356 A 额定电压 220 V
额定功率 1 800 W 额定频率 50 Hz
额定容量 1.5 L
A．1.80×103 J B．1.10×104 J
C．1.32×104 J D．1.08×105 J
【答案】D 【解析】由铭牌可知，电热水壶的功率为1 800 W，所以正常加热1分钟产生的热量为Q＝Pt＝1 800×60 J＝1.08×105 J.
B组·能力提升
9．某实物投影机有10个相同的强光灯L1～L10(24 V 200 W)和10个相同的指示灯X1～X10(24 V 2 W)，如图连接在220 V交流电源上，若工作一段时间后，L2灯丝烧断，则( )
A．X1功率减小，L1功率增大
B．X1功率增大，L1功率增大
C．X2功率增大，其他指示灯的功率减小
D．X2功率减小，其他指示灯的功率增大
【答案】C 【解析】由图可知L1与X1并联、L2与X2并联…，然后它们再串联接在220 V交流电源上，L2灯丝烧断，电路中总电阻变大，电路中电流变小，又L1与X1并联的电流分配关系不变，则L1与X1的电流都减小，电压也减小，由P＝I2R可知，除L2与X2外，各灯的功率都减小．由于电路电流减小，各并联部分的电压都减小，交流电源总电压220 V不变，则X2上的电压增大，根据P＝可知X2的功率变大，故A、B、D错误，C正确．
10．(多选)有一内电阻为4.4 Ω的电解槽和一盏标有“110 V 60 W”的灯泡串联后接在电压为220 V的直流电路两端，灯泡正常发光，则( )
A．电解槽消耗的电功率为120 W
B．电解槽的发热功率为1.3 W
C．电解槽消耗的电功率为60 W
D．电路消耗的总功率为60 W
【答案】BC 【解析】灯泡能正常发光，说明电解槽和灯泡均分得110 V电压，且干路电流I＝I灯＝，则电解槽消耗的功率P＝P灯＝60 W，C正确，A错误；电解槽的发热功率P热＝I2R＝1.3 W，B正确；整个电路消耗的功率P总＝220 V×＝120 W，D错误．
11．一台线圈电阻为2 Ω的电动机接在110 V的电路中工作时，通过电动机的电流为10 A，求这台电动机消耗的电功率、发热功率、转化成的机械功率和电动机的效率．
【答案】1 100 W 200 W 900 W 82%
【解析】电动机消耗的电功率即电路输入给电动机的功率
P′＝IU＝10×110 W＝1 100 W，
发热功率P热＝I2R＝102×2 W＝200 W，
转化成的机械功率
P＝P′－P热＝1 100 W－200 W＝900 W，
机械效率η＝×100%＝×100%≈82%.
12．某商场安装了一台倾角为30°的自动扶梯，该扶梯在电压为380 V的电动机带动下以0.4 m/s的恒定速度向斜上方移动，电动机的最大输出功率为4.9 kW.不载人时测得电动机中的电流为5 A，若载人时扶梯的移动速度和不载人时的移动速度相同，则这台自动扶梯可同时承载的最多人数为多少？(设每个人的平均质量为60 kg，g取10 m/s2)
【答案】25人
【解析】设可同时乘载的最多人数为n，此时电动机处于最大输出功率状态．该状态下，扶梯自身移动所需功率为
P1＝IU＝5×380 W＝1 900 W＝1.9 kW，
n个人以恒定速度v＝0.4 m/s向上移动所需功率为
P2＝P出－P1＝(4.9－1.9) kW＝3.0 kW，
所以n＝＝＝25(人).
13．一个电风扇两端接恒压电源，电压为U1时能正常工作，此时流过电风扇电流为I1；将风扇的扇叶短时间卡住时测得电风扇电流为I2，此时电扇两端电压仍为U1.已测定各数据如下表所示：
工作状态 电压U/V 电流I/A
正常工作时 5.0 0.02
扇叶被卡住时(短时间) 5.0 0.25
(1)根据图表所给的数据，计算电风扇电动机线圈电阻为多少？
(2)从能量转化与守恒的角度看，电风扇正常工作时，从电源获得能量，将电能转化为哪些其他形式的能？每秒钟转化的各种形式的能量各为多少？
【答案】(1)20 Ω (2)机械能0.092 J 热能0.008 J
【解析】(1)由题意可知，卡住时，风扇相当于电阻，由欧姆定律可知R＝＝20 Ω，
(2)电风扇正常工作时将电能转化为机械能和热能．
每秒钟电风扇消耗的电能为W＝U1I1t＝0.1 J，
每秒钟转化成的热能为W1＝IRt＝0.008 J，
根据能量守恒，每秒钟转化成的机械能为W1＝W－W1＝0.092 J.
14．利用电动机通过如图所示的电路提升重物．已知电源电动势E＝12 V，电源内阻r＝2 Ω，电阻R＝3 Ω，重物质量m＝0.30 kg，当将重物固定且电动机不转动时，理想电压表的示数为U1＝8 V．当重物不固定且电动机最后以稳定的速度匀速提升重物时，理想电压表的示数为U2＝11 V，不计摩擦，g取10 m/s2，求：
(1)重物固定时流过电源的电流I1为多大？
(2)电动机内部线圈的电阻r0为多大？
(3)重物匀速上升时的速度为多大？
【答案】(1)2 A (2)1 Ω (3)1.5 m/s
【解析】(1)因为E＝U1＋I1r，
解得I1＝2 A.
(2)由题意U1＝I1(r0＋R)，
解得r0＝1 Ω.
(3)因为E＝U2＋I2r，
解得I2＝0.5 A.
又U2I2－I(r0＋R)＝mgv，
解得v＝1.5 m/s.(共56张PPT)
第五章 电能与能源的可持续发展
第一节 电路中的能量
①物理观念：知道焦耳定律和能量守恒定律的内容．了解能量耗散，了解自然界宏观过程中能量转化和转移的方向性．
②科学思维：理解电功和电功率的概念，知道电流做功的实质．理解电功和电热的区别，会区分纯电阻电路和非纯电阻电路．理解内、外电压，理解闭合电路的欧姆定律．理解电热和电热功率．
③科学探究：知道运用控制变量法探究电流产生的热量与哪些因素有关，进一步理解电流发热量的影响因素以及能量的转化过程．
④科学态度与责任：会从能量守恒的角度理解焦耳定律．理解闭合电路中能量的转化关系，会从能量的转化和守恒定律推导出闭合电路的欧姆定律．会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题．会用闭合电路的欧姆定律分析路端电压与负载的关系，会进行相关的电路分析和计算．
本章重点 知道能量守恒定律的内容、能源短缺和环境恶化问题、能源的类别划分、电流做功的实质．了解能量耗散、自然界宏观过程中的方向性．理解电功和电热的区别、电功和电功率的概念，知道电流做功的实质、电热和电热功率．
本章难点 能够理解焦耳定律．会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题．会用闭合电路的欧姆定律分析路端电压与负载的功率问题关系．
第一节 电路中的能量
知识导图
课前 自主预习
1．电功．
(1)定义：电流在一段电路上所做的功等于这段电路____________、______________和______________三者的乘积．
(2)公式：W＝_______．
(3)单位：国际单位是______，符号是____．
(4)意义：描述电能转化为其他形式能的多少．
两端的电压U
电功和电功率
电路中的电流I
通电时间t
UIt
焦耳
J
2．电功率．
(1)定义：________做功与完成这些功所用时间之比．
(2)公式：P＝__________．
(3)单位：______，符号是______．
(4)意义：描述________转化为其他能的快慢或者是电流做功的快慢．
电流
瓦特
W
电能
家庭用电用“度”做单位，度是电功的单位，还是电功率的单位？
【答案】度是电功的单位．1度＝1 kW·h＝3.6×106 J．
微思考
如图是某品牌的抽油烟机，主要部件是照明灯和抽气扇(电动机)，它们可以独立工作，互不影响，抽气扇有“强吸”和“弱吸”两个挡位，功率大小不同．下列电路图中符合要求的是( )
【答案】A
【解析】因为照明灯与排气扇相互不影响，能独立工作，故应使照明灯与排气扇并联，且各自的支路有一个开关控制，干路上没有开关；又因为抽气扇有“强吸”和“弱吸”两个挡位，所以抽气扇与电阻串联，其中开关与电阻并联，故A正确，B、C、D错误．
1．内容：电流通过导体产生的热量与________________成正比，与____________及_____________成正比．
2．表达式：Q＝_________．
电流的二次方
焦耳定律、闭合电路中的能量
导体的电阻
通电时间
I2Rt
3．热功率．
快慢
发热量
用电炉烧水时，炉盘内的电炉丝被烧得通红，产生大量的热，而连接电炉的导线却不怎么热，这是什么原因？
【答案】导线跟电炉丝是串联在一起的，通过它们的电流相等，而电炉丝的电阻比连接电炉丝导线的电阻要大得多，由焦耳定律Q＝I2Rt知在相等的时间内导线产生的热量比电炉丝产生的热量要少得多．
微思考
一台电动机的额定电压为U，额定电流为I，电动机线圈的电阻为R．则该电动机正常工作时，t时间内产生的热量是 ( )
【答案】B
【解析】线圈电阻是R，通过线圈的电流是I，研究线圈产生的焦耳热时，根据焦耳定律可得，线圈R产生的热量为Q＝I2Rt，故B正确，A、C、D错误．
课堂 重难探究
1．串联电路中功率关系．
(1)各部分电路电流I相同，根据P＝I2R，各电阻上的电功率与电阻成正比．
(2)总功率P总＝UI＝(U1＋U2＋…＋Un)I＝P1＋P2＋…＋Pn．
串、并联电路中电功率的计算
2．并联电路中功率关系．
(2)总功率P总＝UI总＝U(I1＋I2＋…＋In)＝P1＋P2＋…＋Pn．
3．结论．
无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和．
例1 有额定电压都是110 V，额定功率PA＝100 W，PB＝40 W 的电灯两盏，若接在电压是220 V的电源上，两盏电灯均可能正常发光，且消耗功率最小的电路是 ( )
A B C D
【答案】C
【解析】若要两灯均正常发光，亦即每灯的电压均为110 V，对A电路，因为RA＜RB，所以UA＜UB，即UB＞110 V，B灯将被烧坏；对B电路，UB＞U并，B灯将被烧坏；对C电路，RA可能等于B灯与变阻器并联后的电阻，所以UA可能等于UB，等于110 V，两灯可能正常发光，且电路消耗总功率为200 W；对D电路，变阻器电阻可能等于两灯并联后总电阻，有UA＝UB＝U并＝110 V，两灯正常发光，且电路中消耗总功率为280 W．综上可知，C正确．
变式1 (多选)如图所示，L1、L2是两个不同的小灯泡，a、b间有恒定电压，当滑动变阻器的滑动触头向右滑动时，发生的现象是 ( )
A．L1亮度不变，L2变暗
B．L1变暗，L2变亮
C．电路消耗的总功率减小
D．经过滑动变阻器的电流减小
【答案】BCD
纯电阻电路和非纯电阻电路
(2)非纯电阻电路．
电功W＝UIt，电热 Q＝I2Rt，W＞Q．
电功率P电＝UI，热功率P热＝I2R，P电＞P热．
2．电动机的功率和效率．
(1)电动机的总功率(输入功率)：P总＝UI．
(2)电动机发热的功率：P热＝I2r．
(3)电动机的输出功率(机械功率)：P机＝P总－P热＝UI－I2r．
例2 在研究微型电动机的性能时，可采用如图所示的实验电路．当调节滑动变阻器R使电动机停止转动时，电流表和电压表的示数分别为0.5 A和1.0 V；重新调节R使电动机恢复正常运转时，电流表和电压表的示数分别为2.0 A和15.0 V．求这台电动机正常运转时的输出功率和电动机的线圈电阻．
【答案】22.0 W 2 Ω．
【解析】当电流表和电压表的示数为0.5 A和1.0 V时，电动机停止工作，电动机中只有电动机的内阻消耗电能，其阻值
当电动机正常工作时，电流表、电压表示数分别为2.0 A和15.0 V．
则电动机的总功率P总＝U2I2＝15.0×2.0 W＝30.0 W．
线圈电阻的热功率P热＝Ir＝2.02×2 W＝8.0 W．
所以电动机的输出功率P输出＝P总－P热＝30.0 W－8.0 W＝22.0 W．
变式2 (2023年江门一中段考)如图所示是某一直流电动机提升重物的示意图．重物质量m＝50 kg，电源提供给电动机的电压为U＝110 V．当电动机以v＝0.9 m/s的恒定速率向上提升重物时，通过电动机的电流为I＝5.0 A．不计各种摩擦，重力加速度g取10 m/s2，下列说法正确的是 ( )
A．电动机输出的功率为450 W
B．电动机输入的功率为500 W
C．电动机损耗的功率为50 W
D．电动机线圈的电阻为22 Ω
【答案】A
电动机电路的分析与计算
1．电源的相关功率和电源的效率．
(1)电源的总功率：P总＝IE＝I(U内＋U外)．
(2)电源的输出功率：P出＝IU外．
电源的相关功率和电源的效率
(3)电源内部的发热功率：P′＝I2r．
例3 电路图如图甲所示，图乙中图线是电路中的电源的路端电压随电流变化的关系图像，滑动变阻器的最大阻值为15 Ω，定值电阻R0＝3 Ω．
(1)当R为何值时，R0消耗的功率最大？最大值为多少？
(2)当R为何值时，电源的输出功率最大？最大值为多少？
【答案】(1)0 10.9 W (2)4.5 Ω 13.3 W
变式3 如图所示，线段A为某电源的U－I图像，线段B为某电阻的U－I图像，当上述电源和电阻组成闭合电路时，求：
(1)电源的输出功率P出；
(2)电源内部损耗的电功率；
(3)电源的效率η．
【答案】(1)4 W (2)2 W (3)66.7%
路端电压与电流的关系
闭合电路欧姆定律可变形为U＝E－Ir，E和r可认为是不变的，由此可知：
(1)路端电压随总电流的增大而减小．
(2)电流为零时，即外电路断路时的路端电压等于电源电动势E．在图像中，U－I图像在纵轴上的截距表示电源的电动势．
核心素养应用
电动自行车
电动自行车，是指以蓄电池作为辅助能源，在普通自行车的基础上，安装了电机、控制器、蓄电池、转把、闸把等零部件和显示仪表系统的机电一体化的个人交通工具．
例4 下表是某品牌电动自行车的主要技术参数．
整车质量 40 kg 蓄电池工作电压 36 V
最高车速 25 km/h 一次充电电耗 0.6 kW·h
电动机效率 75% 充电时间 8 h
最大骑行噪声 62 dB 一次充电连续行驶里程 50 km
质量m＝60 kg的人骑该电动自行车在水平路面上以6 m/s的速度匀速行驶，受到的阻力是人与车总重的0.02倍．取g＝10 m/s2．
(1)若以这一速度连续行驶10 min，电动机至少做多少功？
(2)行驶过程中通过电动机的电流多大？
【答案】(1)7.2×104 J (2)4.4 A
【解析】(1)电动自行车所受的阻力
f＝0.02(m＋m车)g＝20 N，
10 min内自行车行驶的路程
x＝vt＝6×10×60 m＝3 600 m，
所以电动机所做的有用功
W有＝fx＝20×3 600 J＝7.2×104 J．
小练 随堂巩固
1．一电动机线圈电阻为R，在它两端加上电压U，电动机正常工作，测得通过它的电流为I，电动机的输出功率是 ( )
【答案】C
【解析】电动机的电功率P＝UI，热功率P热＝I2R，所以机械功率P机＝P－P热＝UI－I2R，故C正确．
2．(2023年深圳南山段考)某简易电吹风简化电路如图所示，其主要部件为电动机M和电热丝，部分技术参数如下表，电吹风在220 V电压下工作．下列说法正确的是 ( )
电吹风额定电压 220 W
电吹风额定功率
热风时：990 W
冷风时：110 W
A．开关S1、S2都闭合时电吹风吹冷风
B．该电吹风中电动机的内电阻为440 Ω
C．吹热风时电热丝的功率为990 W
D．吹热风时通过电热丝的电流为4 A
【答案】D
3．(多选)(2023年普宁勤建学校段考)如图甲所示，用内阻为r1的充电宝为一手机充电，其等效电路如图乙所示．在充电开始后的一段时间t内，充电宝的输出电压U、输出电流I可认为是恒定不变的，设手机电池的内阻为r2，则时间t内 ( )
甲 乙
【答案】BD
4．一台线圈电阻为r的电动机可以等效为一台理想电动机M和纯电阻r串联，如图所示．如果将此电动机接入电压为U的电源，通过的电流为I，则在t时间内 ( )
A．M产生的电热为Q＝I2rt
B．M产生的电热为Q＝IUt
C．M消耗的电能为E＝I(U－Ir)t
D．M消耗的电能为E＝IUt
【答案】C
【解析】电动机M为理想电动机，没有内电阻，不产生热量，所以理想电动机M产生的电热为0，故A、B错误；通过的电流为I，纯电阻为r，纯电阻的电压为Ir，理想电动机的电压为U－Ir，理想电动机M消耗的电能为E＝I(U－Ir)t，故C正确，D错误．
5．如图所示，电路两端的电压U保持不变，电阻R1、R2、R3消耗的电功率一样大，则R1∶R2∶R3是 ( )
A．1∶1∶1
B．4∶1∶1
C．1∶4∶4
D．1∶2∶2
【答案】C第五章 第二、三、四节
A组·基础达标
1．水力发电站的电能最终来自于( )
A．太阳能 B．水的动能
C．水的势能 D．水的内能
【答案】A 【解析】地球上的水能、风能等，最终来自太阳．
2．(多选)下列说法中正确的是( )
A．水能和风能是可再生能源
B．太阳能是一种清洁能源
C．沼气是一种新能源
D．核能对环境的污染比常规能源对环境的污染更大
【答案】ABC 【解析】水能和风能是“可再生能源”，A正确．太阳能是清洁能源，B正确．沼气是人们开发的新能源，C正确．核能对环境的污染比常规能源较小．
3．(多选)“能源分类相关图”如图所示，下列四组选项中，符合图中阴影部分的能源是( )
A．煤炭 B．太阳能
C．风能 D．核能
【答案】BC 【解析】同时具备太阳能、新能源及可再生能源三个条件的有B、C选项．
4．有一种叫做“压电陶瓷”的电子元件，当对它挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，这种现象称为压电效应．一种燃气打火机，就是应用了该元件的压电效应制成的．只要用大拇指压一下打火机上的按钮，压电陶瓷片就会产生10 kV～20 kV的高压，形成火花放电，从而点燃可燃气体．在上述过程中，压电陶瓷片完成的能量转化是( )
A．机械能转化为电能
B．内能转化为电能
C．光能转化为光能
D．化学能转化为电能
【答案】A 【解析】由题意，当对“压电陶瓷”电子元件挤压或拉伸时，它的两端就会形成一定的电压，根据能量转化的关系可知，在挤压或拉伸的过程中，要消耗机械能对它做功，同时产生电能，所以该能量转化的过程为机械能转化为电能．则A正确，B、C、D错误．
5．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”违背了能量转化和守恒定律，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
【答案】C 【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，违背了能量转化和守恒定律，A错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，但辐射到星际空间的能量也没有消失，一定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，动物的能量来源是食物中储存的生物质能，C正确；所谓的“全自动”手表内部是有能量转化装置的，只有当人戴着手表活动时，才能不断补充能量，维持手表的运行，如果把表放在桌面上静置一段时间，它一定会停摆的，D错误．
6．下列对能的转化和守恒定律的认识错误的是( )
A．某种形式的能量减少，一定存在其他形式的能量增加
B．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了
【答案】D 【解析】根据能量守恒定律得知，某种形式的能量减少，其他形式的能量一定增加；某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，A、B正确；不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，C正确；石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能，能量并没有消失，故D错误．
7．自行车、电动自行车、普通汽车消耗的能量分别是( )
①生物能 ②核能 ③电能 ④太阳能 ⑤化学能
A．①④⑤ B．①③⑤
C．①②③ D．①③④
【答案】B 【解析】自行车需要人力，故需要消耗体内的生物能；电动车要充电，消耗电能；汽车要燃烧汽油，消耗化学能．故B正确，A、C、D错误．
8．(2023年中山名校段考)我国自古有“昼涨称潮，夜涨称汐”的说法．潮汐主要是由太阳和月球对海水的引力造成的，以月球对海水的引力为主．如图是某类潮汐发电示意图．涨潮时开闸门，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．落潮时开闸门放水发电．设海湾水库的面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨、落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，水的密度为1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2，则一天内发电的平均功率约为( )
A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW
C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW
【答案】B 【解析】发电时水减少的重力势能ΔEp＝mg＝ρShg，一天发电两次，转化成的电能E＝2ΔEp×10%，所以P＝＝5.2×104 kW，故B正确，A、C、D错误．
B组·能力提升
9．足够长的传送带以v匀速传动，一质量为m的小物块A由静止轻放于传送带上，若小物块与传送带之间的动摩擦因数为μ，如图所示，当小物块与传送带相对静止时，转化为内能的能量为( )
A．mv2 B．2mv2
C．mv2 D．mv2
【答案】D 【解析】物块A被放于传送带即刻做匀加速直线运动，加速度a＝＝μg，匀加速过程前进的距离x1＝＝，该时间内传送带前进的距离x2＝vt＝v·＝，所以物块相对传送带滑动的距离为Δx＝x2－x1＝，故产生的内能为Q＝μmg·Δx＝μmg·＝mv2，D正确．
10．“中国馆”世博中心和主题馆等主要场馆，太阳能的利用规模达到了历届世博会之最．总发电装机容量达到4.6×103 kW.设太阳能电池板的发电效率为18%，已知地球表面每平方米接收太阳能的平均辐射功率为1.353 kW，那么所使用的太阳能电池板的总面积为________m2.
【答案】1.9×104
【解析】设P＝4.6×103 kW，发电效率η＝18%，地球表面每平方米接收到太阳能的功率P0＝1.353 kW，则由题意得P＝P0×S×η，代入数据，解得S≈1.9×104 m2.
11．太阳能及风能是清洁能源，我国已经建成众多的太阳能及风力发电场．风力发电是利用风的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的．某地区安装有2台超大型风力发电机，每片扇叶长达80 m，该地区常年的平均风速v＝5.0 m/s，风向跟叶片转动的圆面垂直，空气的密度ρ＝1.25 kg/m3，风力发电机的叶片转动时可形成半径R＝80 m的圆面．已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的10%转化为电能．
(1)求每台风力发电机的发电功率P；
(2)已知标准煤的热值q＝3.0×107 J/kg，则该风力发电场年发电量相当于燃烧多少标准煤产生的热量？
【答案】(1)1.57×105 W (2)3.3×105 kg
【解析】(1)设单位时间(t0＝1 s)内通过每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气的体积为V、动能为Ek，则有
V＝πR2v，Ek＝ρVv2，Pt0＝10%Ek，
解得P≈1.57×105 W.
(2)2台风力发电机发电的功率为2P，年发电时间
t＝365×24×3 600 s，
设年发电量为E，则有E＝2Pt，
E＝qm，
解得m＝3.3×105 kg.(共51张PPT)
第五章 电能与能源的可持续发展
第二节 能源的利用方式
第三节 能量的转化与守恒
第四节 能源与环境
学习目标 学法指导
1．知道什么是新能源 2．理解如何利用水能、风能、太阳能和核能 3．理解能量守恒定律的含义 4．掌握应用能量守恒定律解决问题的方法 5．知道能量转化的方向性 6．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 1．了解各种不同形式的能，且不同形式的能可以相互转化
2．知道能量守恒定律的内容，会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题
3．通过实例了解自然界中能量转化和转移的方向性，了解能量耗散的概念
知识导图
课前 自主预习
1．新能源：核能、风能、__________、水能、地热能、生物质能、海洋能、氢能等是人类未来大力开发的新能源．
2．水能：水能是一种能源，是指水体的动能、______和压力能等能量资源．水能是一种可再生能源，水能主要用于水力发电．水力发电过程实质是一个______转化过程，将水的势能转化为水轮机的______，带动与水轮机同轴的发电机发电，从而实现水能到______的转换．
太阳能
能源的利用方式
势能
能量
机械能
电能
3．风能：风能是因__________而提供给人类的一种可利用的能量．空气流具有的______称风能．空气流速越高，动能越大．人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动力推动________，以产生电力．方法是透过传动轴，将转子(由以空气动力推动的扇叶组成)的旋转动力传送至发电机．
4．太阳能：太阳能既是一次能源，又是可再生能源．对太阳能的利用主要有太阳能的__________、__________和光化学能转化三种．其中太阳能热水器是一种将太阳能转化为______的一种加热装置．
空气流动
动能
发电机
光热转化
光电转化
热能
5．核能：核能是储存在__________内部的一种能量，其中核聚变和________是核反应的两种方式．重核裂变是指一个重原子核，分裂成两个或多个____________的原子核，引起链式反应，从而释放出巨大的能量；所谓轻核聚变是指在高温下(几百万度以上)两个__________的原子核结合成质量较大的新核并放出大量能量的过程，也称热核反应．
原子核
核裂变
质量较轻
质量较轻
水能资源有什么特点？
【答案】水能资源最显著的特点是可再生、无污染．开发水能对江河的综合治理和综合利用具有积极作用，对促进国民经济发展，改善能源消费结构，缓解由于消耗煤炭、石油资源所带来的环境污染有重要意义，因此世界各国都把开发水能放在能源发展战略的优先地位．
微思考
一水电站，水流的落差为20 m，水流冲击水轮发电机后，水流能20%转化为电能．若发电机的功率为200 kW，则每分钟流下的水量为多少(g取10 m/s2)
【答案】300 m3
【解析】设每分钟水的流量为Q，则在1分钟内流下的水的质量m＝Qρ．
在1分钟内流下的水减少的重力势能ΔEp＝mgh＝Qρgh．
1．自然界存在着各种不同形式的能量：机械能(动能和势能)、________、________、________、________、________等，各种不同形式的能量可以相互________．
2．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________为其他形式，或者从一个物体________到别的物体；在转化和转移过程中其总量__________．
内能
能量的转化与守恒
电能
电磁能
化学能
核能
转化
转化
转移
不变
3．建立能量守恒定律的两个重要事实．
(1)确认了________的不可能性．
(2)各种自然现象之间能量的____________与__________．
4．机械能守恒定律与能量守恒定律的关系．
机械能守恒定律是______________的特殊背景下一种特殊的表现形式．
5．在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有________的，热量能自发地从______温物体传递给_______温物体，反过来则不能．
永动机
相互联系
转化
能量守恒定律
方向性
高
低
一个叫丹尼斯·李(Dennis Lee)的美国人在美国全国性报刊上刊登大幅广告，在全美各地表演，展示其号称无须任何能源的发电机．你认为这种发电机能造出来吗？
【答案】不能．能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间只能发生能量的转化或转移，但总能量不变，任何事物都不可能违背能量守恒定律．丹尼斯·李发明的发电机不消耗其他能量而源源不断地产生电能，违背了能量守恒定律，因此这种发电机不能制造出来．
微思考
一个盛水袋，某人从侧面缓慢推动装液体的袋壁使它变形至如图所示的位置，则此过程中袋和液体的重心将 ( )
A．逐渐升高
B．逐渐降低
C．先降低再升高
D．始终不变
【答案】A
【解析】人对液体做正功，液体的机械能增加，液体缓慢移动可以认为动能不变，重力势能增加，重心升高，A正确．
1．常规能源：人们把煤、________、________等化石能源叫做常规能源，人类消耗的能源主要是常规能源．
2．新能源：主要有________能、生物质能、风能、水能、核能等．
3．环境问题：化石能源的大量消耗带来的环境问题有________效应、酸雨、光化学烟雾等．
石油
能源与环境
天然气
太阳
温室
近几年流行一种“自发电电动车”，基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处，车轮转动时，带动发电机运转，发出的电又继续供给电动车，你认为仅靠这种方式，电动车能持续运动下去吗？
【答案】仅靠这种方式，不能使电动车持续运动下去．因为靠这种方式，只能将电动车的一部分能量收集起来，但电动车运动时受到的阻力做负功，不断把电动车的机械能转化为内能．根据能量守恒定律，要想使电动车持续运动下去，必须不断地给电动车补充新的能量，如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电．
微思考
煤、石油、天然气和生物质能作为能源的共同特点是 ( )
A．都是可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．都是不可再生能源，用一点，少一点
C．都是来自太阳辐射的能量
D．都是污染环境的能源
【答案】C
【解析】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，C正确，A、B、D错误．
课堂 重难探究
例1 开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求．太阳能的光热转换是目前技术最为成熟、应用最广泛的形式．太阳能热水器的构造示意图如图所示，下方是
太阳能和核能的利用
像日光灯管似的集热管，由导热性能良好的材料制成，黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是一块光亮的铝合金反光板，做成凹凸一定的曲面．
试分析下列有关太阳能利用的问题：
(1)说明太阳能热水器哪些结构与其功能相适应，水箱为何安装在顶部而非下部？
(2)右图中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿_______方向流动，这是因为______________________________________
C是辅助加热器，其作用是___________________．
请在图中适当位置安上进水阀门和出水阀门，并说明
选择位置的理由．
【答案】见解析
【解析】(1)日光灯管似的集热管面积较大，便于吸收较多的太阳能；外有透明玻璃管，内有黑色管，使阳光能直射入玻璃管而不易被反射；在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，减少两管间因空气对流引起的热损失，减少热传导；集热管的下方是一块光亮的铝合金反光板，做成凹凸一定的曲面，使周围及穿过管隙的阳光尽量聚集在水管内，水箱安装在顶部而非下部，便于水的对流．
(2)顺时针；集热器中的水被太阳光晒热后密度变小，受浮力作用沿管向右上方运动．在阴天C装置用电加热的方式使水温升高．在封闭的环形管道的左下方安上进水阀门，在贮水容器下方竖直管道上安装出水阀门；可使热水流出，冷水得以补充．
变式1 光伏发电是利用太阳能的技术之一，它利用太阳能电池板，将照射在其上的太阳能转化为电能．农村居民院落或屋顶的光伏发电装置除满足居民家庭用电，还可向电网供电获得收益．太阳光垂直照射地面，在每平方米的面积上，平均每分钟能得到8.4×104 J的太阳能量，如果我们能利用太阳能的10%，那么在面积为50 m2的屋顶上可以利用的太阳能的功率最大为 ( )
A．7 kW B．8.4 kW
C．70 kW D．420 kW
【答案】A
1．适用范围．
能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是各种自然现象中普遍适用的一条规律．
2．表达式．
(1)E初＝E末，初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和．
(2)ΔE增＝ΔE减，增加的那些能量的增加量等于减少的那些能量的减少量．
能量守恒定律的理解与应用
3．应用步骤．
(1)明确研究对象及研究过程．
(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化．
(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少．
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)．
例2 如图所示，电动机带动水平传送带以速度v匀速传动，一质量为m的小木块由静止轻放在传送带上．若小木块与传送带之间的动摩擦因数为μ，当小木块与传送带相对静止时，求：
(1)小木块的位移；
(2)传送带转过的路程；
(3)小木块获得的动能；
(4)摩擦过程产生的热量；
(5)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量．
【解析】(1)对小木块，相对滑动时，由μmg＝ma，得a＝μg，
(5)由能的转化与守恒得，电动机输出的总能量转化为小木块的动能与摩擦产生的热量，所以E总＝Ek＋Q＝mv2．
1．能量耗散和品质降低．
(1)各种形式的能最终都转化为内能，流散到周围的环境中，我们很难把这些内能收集起来重新利用．
(2)从可被利用的价值来看，内能较之机械能、电能等，是一种低品质的能量．
(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．
能源及其开发和利用
2．能源的分类．
能源分 类方法 能源分类名称 特点 举例
形式或 转换特点 一次 能源 自然形成，未经加工 石油、天然气、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
能源分 类方法 能源分类名称 特点 举例
利用 技术 常规能源 已大规模正常使用 煤、石油、天然气
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
可否 再生 可再生能源 可循环使用 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
能源分 类方法 能源分类名称 特点 举例
对环境 污染情况 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)
例3 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
【答案】D
【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2 (2023年揭东段考)如图所示是我国某风能发电基地，全球可利用的风能为2×107 MW(1 MW＝106 W)，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，我国风能资源总储量约1.6×105 MW.目前装机容量达到2 240万千瓦的三峡水电站是世界最大的水力发电站和清洁能源生产基地．下列说法正确的是 ( )
A．风力发电是把风的内能转化为电能
B．我国风能资源总储量约为7个三峡水电站的
装机容量
C．风力发电过程违反能量守恒定律
D．水能和风能都是清洁能源且都是不可再生能源
【答案】B
【解析】风力发电是把风的机械转化为电能，A错误；我国风能资源总储量约1.6×105 MW＝1.6×1011 W，三峡水电站的装机容量为2 240万千瓦合2.24×1010 W，因此我国风能资源总储量约为7个三峡水电站的装机容量，B正确；风力发电是把风的机械转化为电能，不违反能量守恒定律，C错误；水能和风能都是清洁能源且都是可再生能源，D错误．
1．能源的开发和利用要以人为本，要以可持续发展为前提．
2．应优先使用新能源，新能源的共同特点：可再生、取之不尽、绿色无污染．
核心素养应用
二次能源的产生
发电厂又称发电站，是将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能(二次能源)的工厂．19世纪末，随着电力需求的增长，人们开始提出建立电力生产中心的设想．电机制造技术的发展，使电能应用范围扩大．生产对电能需求的迅速增长，发电厂随之应运而生．发电厂有多种发电途径：靠火力发电的称火电厂，靠水力发电的称水电厂，还有些靠太阳能(光伏)、风力和潮汐发电的电厂等．而以核燃料为能源的核电厂已在世界许多国家发挥越来越大的作用．
例4 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．
【答案】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．
小练 随堂巩固
1．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
【答案】A
【解析】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．
2．(2023年揭西段考)甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，工作时需要电能．这两种共享单车采用了不同的方式获取电能：甲车靠小型发电机——踩动单车时，线圈在磁场中转动，产生电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图所示．这两种共享单车获取电能时，都是把其他形式的能转化为电能．关于它们的能量转化，下列说法中正确的是 ( )
A．都是把机械能转化为电能
B．都是把光能转化为电能
C．甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能
D．甲车把光能转化为电能，乙车把机械能转化为电能
【答案】C
【解析】根据能量的转化关系可知，甲车把机械能转化为电能，乙车把光能转化为电能，故C正确．
3．(多选)煤、石油、天然气作为能源的共同特点，下列说法正确的是 ( )
A．可再生能源，取之不尽，用之不竭
B．不可再生能源，用一点，少一点
C．来自太阳辐射的能量
D．污染环境的能源
【答案】BCD
【解析】煤、石油、天然气是不可再生、污染环境的能源，它是由动、植物转化而来的，其来源可追溯到太阳能，故B、C、D正确．
4．(2023年广东广雅中学段考)为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”．近些年来，我国在很多山区建立起了风力发电机矩阵(如图所示)，使很多荒山野岭既得到充分利用，充满生机，又创造了巨大的社会价值．已知某风力发电机矩阵中一台风力发电机的发电效率η＝20%，其风轮机旋转过程中接收风能的有效面积S＝400 m2，某高山顶部年平均风速为v＝10 m/s，一年内有效的发电时间约为5 500 h(合2.0×107s)，
已知空气密度ρ＝1.25 kg/m3，该风力发电机矩阵中共有
50台相同的风力发电机，则一年的发电量约为( )
A．5.0×1011 J B．2.5×1011 J
C．5.0×1013 J D．2.5×1013 J
【答案】C
5．能源问题是人类对能源需求的增长和现有能源资源日趋减少的矛盾．人类的生存与发展都和能源有密切关系，人类的一切经济活动和生存都依赖于能源的供给，而开采其他资源和利用其他资源也都要依赖能源．下列有关能量与能源的说法，正确的是 ( )
A．因为自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
B．人类在不断开发新能源，由此可知能量可以不断被创造
C．能量可以在不同的物体之间转移，不能在不同形式之间转化
D．能量可以从一种形式转化为另一种形式
【答案】D
【解析】能量是守恒的，但可利用的能源是有限的，因此需要节约能源，A错误；能量不能被创造，B错误；能量可以从一种形式转化为另一种形式，C错误，D正确．