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第五章 电能与能源的可持续发展
第一节 电路中的能量
学习 任务 1．知道电功与电功率的概念，了解电热、热功率，知道焦耳定律。
2．理解焦耳定律并会用Q＝I2Rt计算电热，能够对纯电阻电路和非纯电阻电路进行电功与电热的计算，提高解题能力。
3．会从能量守恒的角度探究电路中的能量转化关系，学会与他人交流合作，提高实验探究能力。
必备知识·自主预习储备
01
知识点一 电功和电功率
1．电功
(1)实质：导体中的恒定电场对自由电荷的______在做功。
(2)公式：W＝______。
(3)国际单位：____，符号为__。
(4)意义：电功是____转化为其他形式的能的量度。
静电力
UIt
焦耳
J
电能
2．电功率
(1)定义：电流做的功与完成这些功所用____之比。
(2)公式：P＝＝____。
(3)单位：____，符号：__。
(4)物理意义：表示电流做功的____。
时间
UI
瓦特
W
快慢
提醒 计算电功率的普遍公式P＝(比值定义法)和P＝UI，对于纯电阻电路，计算电功率还可以用公式P＝I2R和P＝。
知识点二 焦耳定律
1．焦耳定律
(1)内容：电流通过导体产生的热量与____________成正比，与导体的____及________成正比。
(2)表达式：Q＝_______。
电流的二次方
电阻
通电时间
I2Rt
2．热功率
(1)定义：________内的发热量称为热功率。
(2)表达式：P＝_____。
(3)物理意义：表示电流________的物理量。
单位时间
I2R
发热快慢
知识点三 闭合电路中的能量
1．电源提供的电功率为____。
2．外电路上消耗的电功率为______。
3．内电路上消耗的电功率为______。
4．闭合电路中的功率关系：_______________。
EI
U外I
U内I
EI＝U外I＋U内I
体验 思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)电功率越大，电流做功一定越快。 ( )
(2)任何电路都有W＝Q，即UIt＝I2Rt。 ( )
(3)纯电阻电路中电源的输出功率随外电阻R的增大而增大。 ( )
(4)纯电阻电路中，电源的输出功率最大时，电源的效率也最高。 ( )
√
×
×
×
关键能力·情境探究达成
02
考点1 电功和电功率 电热和热功率
考点2 纯电阻电路和非纯电阻电路
考点3 闭合电路的功率和效率
电风扇接上电源后，电风扇转动起来，电风扇消耗的电功率与机械功率与热功率关系怎样？是纯电阻电路还是非纯电阻电路？
[提示] 电功率等于机械功率与热功率之和，是非纯电阻电路。
考点1 电功和电功率 电热和热功率
1．对电功的理解
(1)从力的角度看，电流做功的实质是电场力对自由电荷做功。
(2)从能的角度看，电流做功过程是电能转化为其他形式的能的过程，电功的大小度量了电能的减少量，标志着电能转化为其他形式的能的多少。
(3)电功W＝UIt＝qU对任何电路都适用。
2．对电功率的理解
(1)电功率P＝＝UI对任何电路都适用。
(2)额定功率和实际功率
①额定功率：用电器正常工作所消耗的功率。
②实际功率：用电器在实际电压下电流做功的功率。
3．电热和热功率
(1)电热的计算公式为Q＝I2Rt。
(2)热功率的计算公式为P热＝I2R。
【典例1】 (多选)有一内阻为4.4Ω的直流电动机和一盏标有“110V 60W”的灯泡串联后接在电压为220V的直流电源两端，灯泡正常发光，则( )
A．直流电动机消耗的电功率为120W
B．直流电动机的发热功率为60W
C．直流电动机消耗的电功率为60W
D．电路消耗的总功率为120W
√
√
思路点拨：(1)流过电动机和灯泡的电流相等。
(2)根据公式P＝UI和P＝I2r计算电功率和热功率。
CD [“灯泡正常发光”说明灯泡的实际电压为110V，电流I＝A＝A，电动机两端的电压为110V，电动机消耗的电功率为110V×A＝60W，选项A错误，C正确；直流电动机的发热功率为×4.4W≈1.3W，选项B错误；电路消耗的总功率为×220W＝120W，选项D正确。]
四个电学公式的适用范围
(1)电功W＝UIt＝qU普遍适用。
(2)I＝为电流的定义式，普遍适用。
(3)I＝只适用于纯电阻电路。
(4)电热Q＝I2Rt普遍适用。
[跟进训练]
1．如图甲所示，用充电宝为一手机电池充电，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r，则时间t内( )
A．充电宝输出的电功率为UI＋I2r
B．充电宝产生的热功率为I2r
C．手机电池产生的焦耳热为t
D．手机电池储存的化学能为UIt－I2rt
√
D [充电宝的输出电压U、输出电流I，所以充电宝输出的电功率为P＝UI，A错误；手机电池充电电流为I，所以手机电池产生的热功率为Pr＝I2r，而充电宝的热功率应为充电宝的总功率减去输出功率，根据题目信息无法求解，B、C错误；输出的电能一部分转化为手机电池储存的化学能，一部分转化为电池的热能，故根据能量守恒定律可知手机电池储存的化学能为W＝UIt－I2rt，D正确。]
考点2 纯电阻电路和非纯电阻电路
纯电阻电路和非纯电阻电路的比较
项目 纯电阻电路 非纯电阻电路
能量转化情况
电功和电热 的关系 W＝Q＋E其他
UIt＝I2Rt＋E其他
项目 纯电阻电路 非纯电阻电路
电功率和热功率的关系 P＝P热＋P其他即IU＝I2R＋P其他
欧姆定律是否 成立
【典例2】 小明准备参加玩具赛车比赛，他想通过实验挑选一只能量转换效率较高的电动机，实验时他先用手捏住电动机的转轴，使其不转动，然后放手，让电动机正常转动，分别将2次实验的有关数据记录在表格中。
电动机的电压/V 电动机工作状态 通过电动机的电流/A
0.2 不转动 0.4
2.0 正常转动 1.0
请问：
(1)这只电动机线圈的电阻为多少？
(2)当电动机正常工作时，转化为机械能的功率是多少？
(3)当电动机正常工作1分钟时，电动机消耗的电能是多少？
(4)该玩具电动机正常工作时，电能转化为机械能的效率是多少？
思路点拨：
[解析] (1)电动机不转动时，是纯电阻电路，根据欧姆定律得
R＝Ω＝0.5Ω。
(2)当电动机正常工作时
P机＝UI－I2R＝(2×1－12×0.5)W＝1.5W。
(3)当电动机正常工作1分钟时，电动机消耗的电能
E＝UIt＝2×1×60J＝120J。
(4)电能转化为机械能的效率
η＝×100%＝×100%＝75%。
[答案] (1)0.5Ω (2)1.5W (3)120J (4)75%
电动机电路的分析与计算
[跟进训练]
2．如图所示，定值电阻R和内阻为r的电动机M串联接到电路中，接通开关后，电动机正常工作，设电阻R和电动机M两端的电压分别为U1和U2，经过时间t，电流通过电阻R做功W1，产生热量Q1，电流流过电动机做功W2，产生热量Q2，则有( )
A． B．<
C．Q1＝t，Q2＝t D．W1＝t，W2＝t
√
B [设开关接通后，电路中电流为I。对于电阻R，由欧姆定律得U1＝IR，有I＝，对于电动机，有U2>Ir，联立得<，故A错误，B正确；根据焦耳定律得Q1＝I2Rt＝t，Q2＝t，故C错误；电流通过电阻R做功W1＝Q1＝I2Rt＝t，电流流过电动机做功W2＝t，故D错误。]
考点3 闭合电路的功率和效率
1．闭合电路的能量关系
由闭合电路欧姆定律E＝U外＋U内得闭合电路的能量关系：
qE＝qU外＋qU内。 ①
此式反映了电源克服静电力做的功等于内、外电路消耗的电能之和。
2．闭合电路的功率关系
由①式可得：
闭合电路的功率关系为：EI＝IU外＋IU内。 ②
其中，电源的总功率：P总＝EI；电源内耗功率P内＝IU内＝I2r；电源输出功率P出＝IU外。
3．对于纯电阻电路，电源的输出功率P出＝I2R＝R＝，当R＝r时，电源的输出功率最大，其最大输出功率为Pm＝。电源输出功率随外电阻变化曲线如图所示。
4．电源的效率：指电源的输出功率与电源的总功率之比，即η＝。
对于纯电阻电路，电源的效率η＝，所以当R增大时，效率η提高。当R＝r(电源有最大输出功率)时，效率仅为50%。
【典例3】 如图所示，已知电源电动势E＝5V，内阻r＝2Ω，定值电阻R1＝0.5Ω，滑动变阻器R2的阻值范围为0～10Ω。
(1)当滑动变阻器R2的阻值为多大时，电阻R1消耗的功率最大？最大功率是多少？
(2)当滑动变阻器的阻值为多大时，滑动变阻器消
耗的功率最大？最大功率是多少？
(3)当滑动变阻器的阻值为多大时，电源的输出功率
最大？最大输出功率是多少？
思路点拨：(1)求解定值电阻消耗的最大功率时，根据P＝I2R可知，只要电流满足最大即可。
(2)求解可变电阻消耗的最大功率时，因为电流随电阻的变化而变化，要利用电源的输出功率与外电阻的关系进行求解。
[解析] (1)定值电阻R1消耗的电功率为P1＝I2R1＝，可见，当滑动变阻器的阻值R2＝0时，R1消耗的功率最大，最大功率为P1m＝＝2W。
(2)将定值电阻R1看成电源内阻的一部分，则电源的等效内阻r′＝R1＋r＝2.5Ω，则当滑动变阻器的阻值R2＝r′＝2.5Ω时，滑动变阻器消耗的功率最大，最大功率为P2m＝·r′＝2.5W。
(3)由电源的输出功率与外电阻的关系可知，当R1＋R2＝r，即R2＝r－R1＝(2－0.5)Ω＝1.5Ω时，电源有最大输出功率，P出m＝·r＝3.125W。
[答案] (1)0 2W (2)2.5Ω 2.5W (3)1.5Ω 3.125W
分析闭合电路中的功率、效率问题的两点注意
(1)对于电源来说，外电路电阻越大，路端电压越大，电源的效率越高，但电源的输出功率不一定越大，只有当外电路电阻越接近于电源内阻时，输出功率才越大。
(2)电源的总功率，计算式为P＝IE(普遍适用)，P＝＝I2(R＋r)(只适用于外电路为纯电阻的电路)。
[跟进训练]
3．将一电源与一电阻箱连接成闭合回路，测得电阻箱所消耗功率P随电阻箱读数R变化的曲线如图所示，由此可知( )
A．电源最大输出功率可能大于45W
B．电源内阻等于5Ω
C．电源电动势为45V
D．电阻箱所消耗功率P最大时，电源效率大于50%
√
B [将一电源与一电阻箱连接成闭合电路，电阻箱所消耗功率P等于电源输出功率。由电阻箱所消耗功率P随电阻箱读数R变化的曲线可知，电阻箱所消耗功率P最大为45W，所以电源最大输出功率为45W，A错误；由电源输出功率最大的条件可知，电源输出功率最大时，外电路电阻等于电源内阻，所以电源内阻等于5Ω，B正确；电阻箱所消耗功率P的最大值为45W，此时电阻箱读数为R＝5Ω，电流I＝＝3A，电源电动势E＝I(R＋r)＝30V，C错误；电阻箱所消耗功率P最大时，电源效率为50%，D错误。]
学习效果·随堂评估自测
03
1．(多选)甲、乙两只普通照明灯泡的铭牌如图所示，下列说法正确的是( )
A．甲灯的实际功率一定总是40W
B．将乙灯接入110V电路中，它的
额定功率仍为60W
C．两灯均正常发光时，甲灯灯丝
电阻较大
D．两灯均正常发光时，甲灯消耗的电能较少
1
2
3
4
√
甲 乙
√
BC [灯泡的铭牌上标记的是额定电压和额定功率，当工作电压不是220V时，灯泡的实际功率不再是额定功率，但额定功率不会随电压的变化而变化，A错误，B正确；由R＝知C正确；由W＝Pt可知，两灯泡消耗的电能还与时间有关，故D错误。]
1
2
3
4
2．如图所示是某款理发用的电吹风的电路图，它主要是由电动机M和电热丝R构成。当闭合开关S1、S2后，电动机驱动风叶旋转，将空气从进风口吸入，经电热丝加热，形成热风后从出风口吹出。已知电吹风的额定电压为220V，吹冷风时的功率为120W，吹热风时的功率为1000W。关于该电吹风，下列说法正确的是( )
A．电热丝的电阻为55Ω
B．电动机线圈的电阻约为403Ω
C．当电吹风吹热风时，电热丝每秒钟消耗的电能为1000J
D．当电吹风吹热风时，电动机每秒钟消耗的电能为1000J
1
2
3
4
√
A [电吹风吹热风时，电热丝消耗的功率为P＝1000W－120W＝880W，对电热丝，由P＝可得电热丝的电阻为R＝Ω＝55Ω，故A正确；由于不知道电动机线圈的发热功率，所以电动机线圈的电阻无法计算，故B错误；当电吹风吹热风时，电热丝每秒消耗的电能为880J，故C错误；当电吹风吹热风时，电动机每秒消耗的电能为120J，故D错误。]
1
2
3
4
3．如图所示，直线A为电源的U-I图线，直线B为电阻R的U-I图线，用该电源和电阻组成闭合电路时，电源的输出功率和电路的总功率分别是( )
A．4W，8W B．2W，4W
C．4W，6W D．2W，3W
C [从图中可知E＝3V，图线A和图线B的交点是电源和电阻R构成电路的工作点，因此P出＝UI＝4W，P源＝EI＝6W。]
1
2
3
4
√
4．(新情境题，以“机器人”为背景，考查电功)
扫地机器人是智能家用电器的一种，正逐渐进入我们的生活。如图所示是一款集自动清扫技术和人工智能设计于一体的地面清扫机器人，已知其质量为3kg，它与地面的有效接触面积为0.01m2。
问题：若该机器人工作时功率为75W，在10s内沿
直线匀速清扫的距离为5m。扫地机器人在工作时，
将什么能转化为什么能？机器人做的功是多少？
(g取10N/kg)
1
2
3
4
[解析] 扫地机器人在工作时，将电能转化为机械能。
机器人在10s内所做的功为
W＝Pt＝75×10J＝750J。
[答案] 见解析
1
2
3
4
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．试写出电功率、电功的表达式。
[提示] P＝UI，W＝UIt。
2．写出焦耳定律的内容及公式。
[提示] 内容：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻及通电时间成正比。
公式：Q＝I2Rt。
3．请写出电功与电热的关系。
[提示] 在纯电阻电路中W＝Q，即UIt＝I2Rt＝t。
在非纯电阻电路中W＝Q＋E其他，即UIt＝I2Rt＋E其他。
4．写出电源的总功率、输出功率、内电路消耗的功率的表达式及其关系式。
[提示] P总＝EI，P输出＝U外I，P内＝U内I
EI＝U外I＋U内I。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
学习任务 1．知道能量有多种形式，知道能量守恒定律，但转化是有方向性的，能解释相关自然现象。 2．能对能源的使用和环境保护提出自己的观点，会用能量守恒、能量转化方向性相关的证据证明自己关于环境保护的观点，提出有创意的改进建议。 3．通过上网查询，提出如何保护环境，节约能源的问题，完成与能源和可持续发展相关的调研报告并进行交流，具有力所能及的节约能源、保护环境的自觉行为。
知识点一 能源的利用方式
1．化石能源包括：石油、煤炭、天然气等。
2．新能源包括：水能、风能、太阳能、核能等。此外，还有生物质能、地热能、海洋能、氢能、可燃冰等能源。
知识点二 能量的转化与守恒
1．各种各样的能量
能量形式 含义 示例
机械能 机械能是与物体的运动或位置高度、形变相关的能量，可以表现为动能，也可以表现为势能 行驶的汽车、被拉开的弓、声音等
内能 物质中分子的动能和势能总和 自然界的一切物质
电能 电能是与电有关的能量 工作中的发电机、电池等
电磁 能 电磁场所具有的能量 无线电波、可见光、紫外线、红外线等
核能 通过核反应(裂变或聚变)由原子核释放的能量 原子弹、氢弹等
化学能 发生化学变化时释放出来的能量 石油、煤、天然气等
2．能量的转化和转移
(1)太阳能是地球上最主要的能量源泉。
(2)能量的存在形式多种多样，而且不同形式的能量可以相互转化。能量在被利用的过程中，可利用的效率不断下降。
3．能量守恒：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；在转化和转移的过程中其总量不变。
4．能量转化(转移)的方向性
在自然界的一切自发过程中，能量的转化(转移)都是有方向性的，但都不违反能量守恒定律。
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间可以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。
思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)能量是守恒的，既不会增加，也不会减少。 (√)
(2)由能量守恒定律可知，能量是取之不尽用之不竭的，不必要节约能源。 (×)
知识点三 能源与环境
1．可再生能源和不可再生能源
(1)煤、石油、天然气等在短期内不可以再次得到，一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源，称为不可再生能源。
(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源，称为可再生能源。
2．能源与环境
能源开发对环境的影响
(1)对大气环境的影响。
(2)对生态环境的影响。
(3)对居住环境的影响。
3．环境保护的三个主要方面
(1)防治生产和生活的污染。
(2)防止建设和开发的破坏。
(3)保护自然环境。
(1)如图是小型汽油机模型，汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？
(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？
[提示] (1)汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。
(2)不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能。
能量守恒定律的应用
1．能量的形式
(1)含义：一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，比如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功，因此这些物体都具有能量，流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。
(2)能量的转化与能量的转移：各种不同形式的能量可以相互转化，而且在转化过程中总量保持不变，也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物体的能量增加。
(3)功是能量转化的量度：不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是各种形式的能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)，因此，功是能量转化(或转移)的量度。
2．能量守恒定律的表达式
(1)E初＝E终。
(2)ΔE增＝ΔE减。
3．自然界中的宏观现象具有方向性
(1)能量耗散：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。
(2)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方向性。
【典例1】 如图甲、乙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(见图甲)。当落潮时，开闸放水发电(见图乙)。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg)( )
甲 乙
A．2.6×104kW B．5.2×104kW
C．2.6×105kW D．5.2×105kW
思路点拨：先求出重力势能的变化，再分析转变成了多少电能，最后根据平均功率的定义求出。
B [利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh为水的重心下降的高度，即：Δh＝m，则水的势能可转变为电能：W电＝W水×10%＝kg/m3×3.0m×10N/kg×1.5m×0.1＝2.25×1012J。每天两次涨潮，则该发电站一天能发电4.5×1012J，所以每天的平均功率为P＝≈5.2×104kW，故B项正确。]
运用能量守恒定律解题的基本思路
[跟进训练]
1．抽水蓄能电站结构如图所示。抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余的电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，再将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水蓄能电站下列说法正确的是( )
A．抽水蓄能的过程中，能量守恒
B．放水发电的过程中，机械能守恒
C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了
A [抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为内能，机械能不守恒，B错误；抽水蓄能，并不能使能量增多，总的能量保持不变，C错误；抽水蓄能电站，能够合理调节用电高峰期和低峰期的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我们仍面临着能源危机，还需节约能源，D错误。]
能源的分类与应用
1．地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能
2．能源的分类
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
按是否可再生 可再生能源 可循环使用、不断补充 水能、风能、潮汐能
不可再生能源 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气
按对环境污染情况 清洁能源 对环境基本没有污染 太阳能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 煤、石油、天然气
3．能源和环境污染
(1)温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应。
(2)酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤。
(3)光化学烟雾：内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮氧化合物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——光化学烟雾。这些物质有毒，能引起人的多种疾病。
【典例2】 (多选)可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，我国的海域“可燃冰”试采已经成功。1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和的水，下列关于可燃冰说法正确的是( )
A．“可燃冰”是不可再生能源
B．“可燃冰”属于可再生能源
C．1m3可燃冰比0.8m3的水质量小
D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多
AD [可燃冰是一次能源，属于不可再生能源，故A正确，B错误；1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和的水；故C错误，D正确。故选A、D。]
[跟进训练]
2．(多选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；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，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是( )
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
BD [可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放；植树造林可以吸收空气中的CO2，所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效，但并不可行。]
1．如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰，此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是( )
A．流星同空气摩擦时机械能全部转化为内能
B．引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒
C．当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动
D．流星物体进入大气层后做斜抛运动
C [流星同空气摩擦时只有部分机械能转化为内能，A错误；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。]
2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。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，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图乙所示。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( )
甲 乙
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
C [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，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，故是光能转化为电能，故C项正确。]
3．某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能，则用上述已知量计算电功率的公式为( )
A．P＝ρSv B．P＝ρSv2
C．P＝ρSv3 D．P＝ρSv4
C [风能转化为电能，由能量守恒定律得mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，联立解得P＝ρSv3，A、B、D错误，C正确。]
4．(新情境题，以“新能源”为背景，考查能量守恒定律)氢气是一种清洁能源，它燃烧后只生成水，对环境无污染，某同学设想了一个利用氢能的方案，如图是它的示意图，请你判断这一方案的可行性，并说明理由。
判断：________(选填“可行”或“不可行”)，理由：_______________________。
[答案] 不可行 违背能量守恒定律
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．试写出能源的分类。
[提示] 可分为一次能源和二次能源。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源。
2．写出能量守恒定律的内容。
[提示] 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，在转化和转移的过程中其总量不变。
课时分层作业(十六) 能源的利用方式
能量的转化与守恒 能源与环境
?题组一 能源与环境
1．煤、石油、天然气和生物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
C [煤、石油、天然气是不可再生能源，对环境污染严重，生物能是可再生能源，对环境无污染或污染少，但它们都来自太阳辐射，故C项正确。]
2．下列关于能源的说法正确的是( )
A．石油、天然气、核能都是新能源
B．新能源是指新开采出来的能源
C．一次能源是直接来源于自然界的能源
D．石油是可再生能源
C [石油、天然气属于常规能源，不是新能源，故A错误；新能源是指新近才开始使用的能源，故B错误；一次能源是直接来自自然界而未经加工转化的能源，如石油，故C正确；石油属于化石能源，不可再生，故D错误。]
3．关于“节约能源”，下面的说法中正确的是( )
A．浪费能源，只是浪费个人的金钱，所以节约能源是毫无意义的
B．浪费能源，只是浪费个人的金钱，对整个社会和自然界来讲，反正能量是守恒的，所以就社会而言，节约能源毫无意义
C．自然界中人类能利用的资源有限，且能源的利用过程对环境有污染，所以“节约能源”对人类社会发展有很大的影响
D．上述说法都是错误的
C [能量是守恒的，但人类能应用的能源是有限的，若能源减少，个人钱再多也无法买到能源，故A错误；由于人类能利用的能源非常有限，节约能源不仅能使我们长久利用，并且可以减小由于常规能源在使用中带来的污染等，故“节约能源”对人类社会发展有很大的影响，故C正确，故B、D错误。]
4．(多选)针对图中工厂烟囱向空中排放大量废气的现象，下列说法正确的是( )
A．排放废气不仅浪费能源，而且严重违反能量守恒定律
B．排放废气引起能量的耗散，但并没有违反能量守恒定律
C．当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理
D．能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化
BCD [排放废气浪费能源，引起能量的耗散，但不违反能量守恒定律，故A错误，B正确；当前存在着环境恶化和能源短缺问题，所以必须加强废气排放等污染治理，故C正确；能量守恒定律揭示出了各种自然现象之间的相互联系与转化，故D正确。]
5．(多选)下列说法正确的是( )
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
ABC [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，D错误。]
?题组二 能量的转化与守恒
6．(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
AD [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，B、C错误。]
7．下列说法中正确的是( )
A．随着科技的发展，永动机是可以制成的
B．某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加
C．能量耗散表明，在能量的转化过程中能的总量逐渐减少
D．不用电池，也不用上发条的“全自动”手表，说明能量可以凭空产生
B [永动机违背了能量守恒定律，是不可能制造成功的，故A错误；根据能量守恒定律，某种形式的能量减少，一定有其他形式的能量增加，故B正确；能量耗散表明，能量的总量虽然守恒，但其转化和转移具有方向性，故C错误；能量是不可能凭空产生的，故D错误。]
8．有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的温度。他的办法是：关好房间的门窗然后打开冰箱的所有门让冰箱运转，且不考虑房间内外热量的传递，则开机后，室内的温度将( )
A．逐渐有所升高
B．保持不变
C．开机时降低，停机时又升高
D．开机时升高，停机时降低
A [冰箱工作，会产生热量，即消耗电能，产生了内能，且房间与外界没有能量交换，所以房内温度会升高，故A项正确。]
9．风能是一种很好的可再生能源，而且对环境的污染较小，近年来我国在西北地区，建立了许多风力发电厂。如图所示为风力发电的情景。通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。已知：空气的密度为ρ，风轮机叶片的长度为r，若风速为v0，每台风力发电机输出的电功率为P，求此过程中：
(1)单位时间内每台风力发电机获得风能的表达式；
(2)风力发电机利用风能的效率表达式。
[解析] (1)由能量转化和守恒定律可知
＝P总t ①
而m＝πr2v0tρ ②
把②代入①解得P总＝。
(2)η＝。
[答案] (1)P总＝ (2)η＝
10．(多选)一蹦极运动员身系弹性蹦极绳，从水面上方高台下落，到最低点时距水面还有数米距离，假定空气阻力可以忽略，运动员可视为质点，下列说法正确的是( )
A．运动员到达最低点前的重力势能始终减小
B．蹦极绳张紧后的下落过程中，弹力做负功，弹性势能增加
C．蹦极过程中，运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒
D．蹦极过程中，重力势能的改变量与重力势能零点的选取有关
ABC [运动员到达最低点前，因高度一直在减小，故重力势能始终减小，A正确；蹦极绳张紧后的下落过程中，蹦极绳的弹力向上，弹力做负功，弹性势能增加，B正确；蹦极过程中，因为只有重力与弹力做功，故运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒，C正确；蹦极过程中，重力势能的改变量与重力势能零点的选取无关，D错误。]
11．在日常生活中，人们习惯于用几何相似性放大(或缩小)的倍数去得出结论，例如一个人身体长高了50%，做衣服用的布料也要多50%，但实际上这种计算方法是错误的。若物体的几何限度为l，当l改变时，其他因素按怎样的规律变化？这类规律可称之为标度律，它们是由量纲关系决定的。在上例中，物体的表面积S∝l2。所以身高变为原来的1.5倍，所用的布料变为原来的1.52倍，即2.25倍。如果一只跳蚤的身长为2mm，质量为0.2g，往上跳的高度可达0.3m。可假设其用来跳高的能量E∝l3，在其平均密度不变的情况下，若身长变为2m，则这只跳蚤往上跳的最大高度最接近( )
A．0.3m B．3m
C．30m D．300m
A [由题意知能量E∝l3，设E＝kl3，k是常数，跳蚤上升过程中，根据能量守恒定律有E＝kl3＝mgh＝ρgl3h，可得k＝ρgh，由于ρ、g不变，k是常数，所以高度h不变，仍为0.3m，选项A正确。]
12．如图所示中的路灯为太阳能路灯，每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3×106J。如果每天等效日照时间约为6h，光电池一天产生的电能可供30W的路灯工作8h。光电池的光电转换效率约为多少？
[解析] 每天(6h)太阳能电池板吸收的太阳能
W总＝0.3×3×106×6J＝5.4×106J
路灯正常工作，P＝P额＝30W
正常工作8h消耗的电能
W＝Pt＝30W×8×3600s＝8.64×105J
利用太阳能的效率η＝×100%＝16%。
[答案] 16%
13．一质量为8.00×104kg的太空飞船从其飞行轨道返回地面。飞船在离地面高度1.60×105m处以7.50×103m/s的速度进入大气层，逐渐减慢至速度为100m/s时下落到地面。取地面为重力势能零点，在飞船下落过程中，重力加速度可视为常量，大小取为9.8m/s2。(结果保留两位有效数字)
(1)分别求出该飞船着地前瞬间的机械能和它进入大气层时的机械能；
(2)求飞船从离地面高度600m处至着地前瞬间的过程中克服阻力所做的功，已知飞船在该处的速度大小是其进入大气层时速度大小的2.0%。
[解析] (1)飞船着地前瞬间的机械能为
Ek0＝ ①
式中，m和v0分别是飞船的质量和着地前瞬间的速率。由①式和题给数据得Ek0＝4.0×108J ②
飞船进入大气层时的机械能为
Eh＝＋mgh ③
式中，vh是飞船在高度1.6×105m处的速度大小。由③式和题给数据得Eh≈2.4×1012J。 ④
(2)方法一(利用功能关系求解)
飞船在高度h′＝600m处的机械能为
Eh′＝m(vh)2＋mgh′ ⑤
由功能关系得W＝Eh′－Ek0 ⑥
式中，W是飞船从高度600m处至着地前瞬间的过程中克服阻力所做的功。
由②⑤⑥式和题给数据得W≈9.7×108J。
方法二(利用能量守恒定律求解)
飞船从离地面高度600m处至着地前瞬间的过程中，飞船的一部分机械能通过摩擦生热转化为内能，设产生的内能为Q，根据能量守恒定律，可知飞船减少的机械能等于产生的内能，即Q＝
飞船克服阻力做的功W阻等于产生的内能Q，则
W阻＝Q＝Eh′－Ek0≈9.7×108J。
[答案] (1)4.0×108J 2.4×1012J
(2)9.7×108J(共40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 任务 1．知道能量有多种形式，知道能量守恒定律，但转化是有方向性的，能解释相关自然现象。
2．能对能源的使用和环境保护提出自己的观点，会用能量守恒、能量转化方向性相关的证据证明自己关于环境保护的观点，提出有创意的改进建议。
3．通过上网查询，提出如何保护环境，节约能源的问题，完成与能源和可持续发展相关的调研报告并进行交流，具有力所能及的节约能源、保护环境的自觉行为。
必备知识·自主预习储备
01
知识点一 能源的利用方式
1．化石能源包括：石油、煤炭、______等。
2．新能源包括：水能、风能、______、核能等。此外，还有生物质能、______、海洋能、氢能、______等能源。
天然气
太阳能
地热能
可燃冰
知识点二 能量的转化与守恒
1．各种各样的能量
能量形式 含义 示例
机械能 机械能是与物体的运动或位置高度、形变相关的能量，可以表现为动能，也可以表现为势能 行驶的汽车、被拉开的弓、声音等
内能 物质中分子的动能和势能总和 自然界的一切物质
能量形式 含义 示例
电能 电能是与电有关的能量 工作中的发电机、电池等
电磁能 电磁场所具有的能量 无线电波、可见光、紫外线、红外线等
核能 通过核反应(裂变或聚变)由原子核释放的能量 原子弹、氢弹等
化学能 发生化学变化时释放出来的能量 石油、煤、天然气等
2．能量的转化和转移
(1)______是地球上最主要的能量源泉。
(2)能量的存在形式多种多样，而且不同形式的能量可以相互____。能量在被利用的过程中，可利用的效率不断____。
3．能量守恒：能量既不会________，也不会________，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；在转化和转移的过程中其总量____。
太阳能
转化
下降
凭空产生
凭空消失
转化
转移
不变
4．能量转化(转移)的方向性
在自然界的一切____过程中，能量的转化(转移)都是有______的，但都不违反________定律。
提醒 能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间可以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。
自发
方向性
能量守恒
体验 思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)能量是守恒的，既不会增加，也不会减少。 ( )
(2)由能量守恒定律可知，能量是取之不尽用之不竭的，不必要节约能源。 ( )
√
×
知识点三 能源与环境
1．可再生能源和不可再生能源
(1)__、____、天然气等在短期内不可以再次得到，一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源，称为________能源。
(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源，称为______能源。
煤
石油
不可再生
可再生
2．能源与环境
能源开发对环境的影响
(1)对____环境的影响。
(2)对____环境的影响。
(3)对____环境的影响。
大气
生态
居住
3．环境保护的三个主要方面
(1)防治__________的污染。
(2)防止__________的破坏。
(3)保护____环境。
生产和生活
建设和开发
自然
关键能力·情境探究达成
02
考点1 能量守恒定律的应用
考点2 能源的分类与应用
(1)如图是小型汽油机模型，汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？
(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为
机械能吗？
[提示] (1)汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放
出来的内能转化为飞轮的机械能。
(2)不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能。
考点1 能量守恒定律的应用
1．能量的形式
(1)含义：一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，比如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功，因此这些物体都具有能量，流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。
(2)能量的转化与能量的转移：各种不同形式的能量可以相互转化，而且在转化过程中总量保持不变，也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物体的能量增加。
(3)功是能量转化的量度：不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是各种形式的能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)，因此，功是能量转化(或转移)的量度。
2．能量守恒定律的表达式
(1)E初＝E终。
(2)ΔE增＝ΔE减。
3．自然界中的宏观现象具有方向性
(1)能量耗散：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。
(2)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方向性。
【典例1】 如图甲、乙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(见图甲)。当落潮时，开闸放水发电(见图乙)。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg)( )
甲 乙
A．2.6×104kW
B．5.2×104kW
C．2.6×105kW
D．5.2×105kW
√
思路点拨：先求出重力势能的变化，再分析转变成了多少电能，最后根据平均功率的定义求出。
B [利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh为水的重心下降的高度，即：Δh＝m，则水的势能可转变为电能：W电＝W水×10%＝kg/m3×3.0m×10N/kg×1.5m×0.1＝2.25×1012J。每天两次涨潮，则该发电站一天能发电4.5×1012J，所以每天的平均功率为P＝≈5.2×104kW，故B项正确。]
运用能量守恒定律解题的基本思路
[跟进训练]
1．抽水蓄能电站结构如图所示。抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余的电能把水从下水库抽到上水库；另
一种为放水发电模式：居民用电高峰时，再
将上水库中的水放到下水库进行发电，将产
生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽
一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水
蓄能电站下列说法正确的是( )
A．抽水蓄能的过程中，能量守恒
B．放水发电的过程中，机械能守恒
C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了
√
A [抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为内能，机械能不守恒，B错误；抽水蓄能，并不能使能量增多，总的能量保持不变，C错误；抽水蓄能电站，能够合理调节用电高峰期和低峰期
的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我
们仍面临着能源危机，还需节约能源，D错
误。]
考点2 能源的分类与应用
1．地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能
2．能源的分类
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
按是否可再生 可再生能源 可循环使用、不断补充 水能、风能、潮汐能
不可再生能源 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气
按对环境污染情况 清洁能源 对环境基本没有污染 太阳能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 煤、石油、天然气
3．能源和环境污染
(1)温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应。
(2)酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤。
(3)光化学烟雾：内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮氧化合物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——光化学烟雾。这些物质有毒，能引起人的多种疾病。
【典例2】 (多选)可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，我国的海域“可燃冰”试采已经成功。1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和的水，下列关于可燃冰说法正确的是( )
A．“可燃冰”是不可再生能源
B．“可燃冰”属于可再生能源
C．1m3可燃冰比0.8m3的水质量小
D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多
√
√
AD [可燃冰是一次能源，属于不可再生能源，故A正确，B错误；1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和的水；故C错误，D正确。故选A、D。]
[跟进训练]
2．(多选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；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，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是( )
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
√
√
BD [可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放；植树造林可以吸收空气中的CO2，所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效，但并不可行。]
学习效果·随堂评估自测
03
1．如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰，此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是( )
A．流星同空气摩擦时机械能全部转化为内能
B．引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒
C．当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力
不在同一直线上时，流星做曲线运动
D．流星物体进入大气层后做斜抛运动
1
2
3
4
√
C [流星同空气摩擦时只有部分机械能转化为内能，A错误；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。]
1
2
3
4
2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。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，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图乙所示。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( )
1
2
3
4
甲 乙
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
C [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，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，故是光能转化为电能，故C项正确。]
1
2
3
4
√
3．某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能，则用上述已知量计算电功率的公式为( )
A．P＝ρSv B．P＝ρSv2
C．P＝ρSv3 D．P＝ρSv4
C [风能转化为电能，由能量守恒定律得mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，联立解得P＝ρSv3，A、B、D错误，C正确。]
1
2
3
4
√
4．(新情境题，以“新能源”为背景，考查能量守恒定律)氢气是一种清洁能源，它燃烧后只生成水，对环境无污染，某同学设想了一个利用氢能的方案，如图是它的示意图，请你判断这一方案的可行性，并说明理由。
1
2
3
4
判断：________(选填“可行”或“不可行”)，
理由：__________________。
不可行
违背能量守恒定律
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．试写出能源的分类。
[提示] 可分为一次能源和二次能源。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源。
2．写出能量守恒定律的内容。
[提示] 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，在转化和转移的过程中其总量不变。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
学习任务 1．知道能量有多种形式，知道能量守恒定律，但转化是有方向性的，能解释相关自然现象。 2．能对能源的使用和环境保护提出自己的观点，会用能量守恒、能量转化方向性相关的证据证明自己关于环境保护的观点，提出有创意的改进建议。 3．通过上网查询，提出如何保护环境，节约能源的问题，完成与能源和可持续发展相关的调研报告并进行交流，具有力所能及的节约能源、保护环境的自觉行为。
知识点一 能源的利用方式
1．化石能源包括：石油、煤炭、______等。
2．新能源包括：水能、风能、______、核能等。此外，还有生物质能、______、海洋能、氢能、______等能源。
知识点二 能量的转化与守恒
1．各种各样的能量
能量形式 含义 示例
机械能 机械能是与物体的运动或位置高度、形变相关的能量，可以表现为动能，也可以表现为势能 行驶的汽车、被拉开的弓、声音等
内能 物质中分子的动能和势能总和 自然界的一切物质
电能 电能是与电有关的能量 工作中的发电机、电池等
电磁 能 电磁场所具有的能量 无线电波、可见光、紫外线、红外线等
核能 通过核反应(裂变或聚变)由原子核释放的能量 原子弹、氢弹等
化学能 发生化学变化时释放出来的能量 石油、煤、天然气等
2．能量的转化和转移
(1)______是地球上最主要的能量源泉。
(2)能量的存在形式多种多样，而且不同形式的能量可以相互____。能量在被利用的过程中，可利用的效率不断____。
3．能量守恒：能量既不会________，也不会________，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；在转化和转移的过程中其总量____。
4．能量转化(转移)的方向性
在自然界的一切____过程中，能量的转化(转移)都是有______的，但都不违反________定律。
能量守恒定律是自然界最普遍、最重要、最可靠的规律之一，物体间可以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。
思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)
(1)能量是守恒的，既不会增加，也不会减少。 ()
(2)由能量守恒定律可知，能量是取之不尽用之不竭的，不必要节约能源。 ()
知识点三 能源与环境
1．可再生能源和不可再生能源
(1)__、____、天然气等在短期内不可以再次得到，一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源，称为________能源。
(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源，称为______能源。
2．能源与环境
能源开发对环境的影响
(1)对____环境的影响。
(2)对____环境的影响。
(3)对____环境的影响。
3．环境保护的三个主要方面
(1)防治__________的污染。
(2)防止__________的破坏。
(3)保护____环境。
(1)如图是小型汽油机模型，汽油机在工作过程中能量是怎样转化的？
(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗？
能量守恒定律的应用
1．能量的形式
(1)含义：一个物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，比如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功，因此这些物体都具有能量，流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。
(2)能量的转化与能量的转移：各种不同形式的能量可以相互转化，而且在转化过程中总量保持不变，也就是说当某个物体的能量减少时，一定存在其他物体的能量增加。
(3)功是能量转化的量度：不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的，做功的过程就是各种形式的能量转化的过程，且做了多少功，就有多少能量发生转化(或转移)，因此，功是能量转化(或转移)的量度。
2．能量守恒定律的表达式
(1)E初＝E终。
(2)ΔE增＝ΔE减。
3．自然界中的宏观现象具有方向性
(1)能量耗散：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。
(2)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方向性。
【典例1】 如图甲、乙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(见图甲)。当落潮时，开闸放水发电(见图乙)。设海湾水库面积为5.0×108m2，平均潮差为3.0m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10%，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103kg/m3，g取10N/kg)( )
甲 乙
A．2.6×104kW B．5.2×104kW
C．2.6×105kW D．5.2×105kW
思路点拨：先求出重力势能的变化，再分析转变成了多少电能，最后根据平均功率的定义求出。
[听课记录]___________________________________________________________
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运用能量守恒定律解题的基本思路
[跟进训练]
1．抽水蓄能电站结构如图所示。抽水蓄能电站有两种工作模式，一种为抽水蓄能模式：居民用电低谷时(如深夜)，电站利用居民电网多余的电能把水从下水库抽到上水库；另一种为放水发电模式：居民用电高峰时，再将上水库中的水放到下水库进行发电，将产生的电能输送到居民电网供居民使用。一抽一放起到了均衡电网负荷的作用。关于抽水蓄能电站下列说法正确的是( )
A．抽水蓄能的过程中，能量守恒
B．放水发电的过程中，机械能守恒
C．抽水蓄能电站建成之后，可以使能量增多
D．抽水蓄能电站建成之后，就不会再有能源危机问题了
能源的分类与应用
1．地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能
2．能源的分类
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
按是否可再生 可再生能源 可循环使用、不断补充 水能、风能、潮汐能
不可再生能源 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气
按对环境污染情况 清洁能源 对环境基本没有污染 太阳能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 煤、石油、天然气
3．能源和环境污染
(1)温室效应：石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应。
(2)酸雨：酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物、酸化土壤。
(3)光化学烟雾：内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮氧化合物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质——光化学烟雾。这些物质有毒，能引起人的多种疾病。
【典例2】 (多选)可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，我国的海域“可燃冰”试采已经成功。1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和的水，下列关于可燃冰说法正确的是( )
A．“可燃冰”是不可再生能源
B．“可燃冰”属于可再生能源
C．1m3可燃冰比0.8m3的水质量小
D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多
[听课记录]___________________________________________________________
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[跟进训练]
2．(多选)CO2气体有个“怪脾气”，它几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳的辐射而上升；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，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加会导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。为了减缓大气中CO2浓度的增加，以下措施中可行且有效的是( )
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
1．如图所示是流星在夜空中发出明亮的光焰，此时会有人在内心里许下一个美好的愿望。有些流星是外太空物体被地球强大引力吸引坠落到地面的过程中同空气发生剧烈摩擦造成的。下列相关说法正确的是( )
A．流星同空气摩擦时机械能全部转化为内能
B．引力对流星做正功则其动能增加，机械能守恒
C．当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动
D．流星物体进入大气层后做斜抛运动
2．目前，共享单车作为绿色出行的交通工具，成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁，车锁内集成了GPS模块与联网模块等，这些模块工作时需要电能。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，如图甲所示；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，如图乙所示。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( )
甲 乙
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
3．某地强风的风速约为v，空气的密度为ρ，如果把通过横截面积S的风的动能完全转化为电能，则用上述已知量计算电功率的公式为( )
A．P＝ρSv B．P＝ρSv2
C．P＝ρSv3 D．P＝ρSv4
4．(新情境题，以“新能源”为背景，考查能量守恒定律)氢气是一种清洁能源，它燃烧后只生成水，对环境无污染，某同学设想了一个利用氢能的方案，如图是它的示意图，请你判断这一方案的可行性，并说明理由。
判断：________(选填“可行”或“不可行”)，理由：_______________________。
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．试写出能源的分类。
2．写出能量守恒定律的内容。
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
[必备知识·自主预习储备]
知识点一 1．天然气 2．太阳能 地热能 可燃冰
知识点二 2．(1)太阳能 (2)转化 下降 3．凭空产生 凭空消失 转化 转移 不变 4．自发 方向性 能量守恒
体验：(1)√ (2)×
知识点三 1．(1)煤 石油 不可再生 (2)可再生 2．(1)大气 (2)生态 (3)居住 3．(1)生产和生活 (2)建设和开发 (3)自然
[关键能力·情境探究达成]
情境探究
提示：(1)汽油燃烧时化学能转化为内能，汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。
(2)不能，因为内燃机工作时总有内能损失，不可能全部转化为机械能。
典例1 B [利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10%，一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh为水的重心下降的高度，即：Δh＝ m，则水的势能可转变为电能：W电＝W水×10%＝×3.0 m×10 N/kg×1.5 m×0.1＝2.25×1012 J。每天两次涨潮，则该发电站一天能发电4.5×1012 J，所以每天的平均功率为P＝≈5.2×104 kW，故B项正确。]
跟进训练
1．A [抽水蓄能的过程中，总的能量是守恒的，A正确；放水发电的过程中，有部分重力势能转化为内能，机械能不守恒，B错误；抽水蓄能，并不能使能量增多，总的能量保持不变，C错误；抽水蓄能电站，能够合理调节用电高峰期和低峰期的调峰问题，但是能量总量并没有增加，我们仍面临着能源危机，还需节约能源，D错误。]
典例2 AD [可燃冰是一次能源，属于不可再生能源，故A正确，B错误；1 m3可燃冰可转化为164 m3的天然气和的水；故C错误，D正确。故选A、D。]
跟进训练
2．BD [可行且行之有效的措施是开发新能源以便减少对常规能源的利用，减少CO2的排放；植树造林可以吸收空气中的CO2，所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效，但并不可行。]
[学习效果·随堂评估自测]
1．C [流星同空气摩擦时只有部分机械能转化为内能，A错误；引力对流星做正功，除了重力之外还有其他力做功，机械能不守恒，B错误；当流星的速度方向与空气阻力和重力的合力不在同一直线上时，流星做曲线运动，C正确，D错误。]
2．C [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，故是将机械能转化为电能；乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时，产生电能，故是光能转化为电能，故C项正确。]
3．C [风能转化为电能，由能量守恒定律得mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，联立解得P＝＝ρSv3，A、B、D错误，C正确。]
4．不可行 违背能量守恒定律
课堂小结
1．提示：可分为一次能源和二次能源。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源。
2．提示：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，在转化和转移的过程中其总量不变。第5章 电能与能源的可持续发展
主题1 电功、电热、电功率、热功率
1．电功、电热
纯电阻电路与非纯电阻电路的比较：
比较项 纯电阻电路 非纯电阻电路
实例 白炽灯、电炉、电饭锅、电热毯、电熨斗及转子被卡住的电动机等 工作中的电动机、电解槽、日光灯等
能量转化 电路中消耗的电能全部转化为内能W＝Q 电路中消耗的电能除转化为内能外，还转化为其他形式的能W>Q
电功的计算 W＝UIt＝I2Rt＝t W＝UIt
电热的计算 Q＝UIt＝I2Rt＝t Q＝I2Rt
2．电功率、热功率
比较项 意义 公式 联系
电功率 单位时间内电流所做的功 P＝UI 对纯电阻电路，电功率等于热功率，P电＝P热＝UI＝I2R；对非纯电阻电路，电功率大于热功率，P电>P热
热功率 单位时间内导体产生的热量 P＝I2R
【典例1】 一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压220V的交流电源上(其内电阻可忽略不计)，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0A，通过洗衣机电动机的电流是0.50A，则下列说法中正确的是( )
A．电饭煲的电阻为44Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440Ω
B．电饭煲消耗的电功率为1555W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5W
C．1min内电饭煲消耗的电能为6.6×104J，洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103J
D．电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
C [电饭煲与洗衣机都与电源并联，电源两端电压相等，均为220V，由欧姆定律可求得电饭煲的电阻为R1＝Ω＝44Ω，但洗衣机不是纯电阻用电器，由R2＝＝440Ω求得的电阻是错误的，所以A项错误；它们消耗的电功率分别为P1＝UI1＝1100W，P2＝UI2＝110W，所以B项错误；电饭煲和洗衣机在1min内消耗的电能分别为Q1＝P1t＝6.6×104J，Q2＝P2t＝6.6×103J，所以C项正确；因洗衣机的内阻未知，无法比较二者的发热功率，所以D项错误。]
电饭煲是纯电阻用电器，特点是W电＝Q，即UIt＝t＝I2Rt。
洗衣机是非纯电阻用电器，特点是W电＞Q，即UIt＝I2Rt＋E其他。
主题2 电源的各种功率和效率
1．电源的功率及效率问题
电源总功率 任意电路：P总＝EI＝P出＋P内
纯电阻电路：P总＝I2(R＋r)＝
电源内部消耗的功率 P内＝I2r＝P总－P出
电源的输出功率 任意电路：P出＝UI＝P总－P内
纯电阻电路：P出＝I2R＝
电源的效率 任意电路：η＝×100%＝×100%
纯电阻电路：η＝×100%
2．纯电阻电路中电源的输出功率P出与外电阻R的关系
(1)表达式：P出＝I2R＝＝。
(2)关系图像
由图像可知：随着外电阻的增大，输出功率先增大后减小，即：
a．当Rb．当R>r时：R↑→P出↓
c．当R＝r时，输出功率最大，为Pm＝。
【典例2】 在如图所示的电路中，两平行正对金属板A、B水平放置，两板间的距离d＝4.0cm。电源电动势E＝400V，内电阻r＝20Ω，电阻R1＝1980Ω。闭合开关S，待电路稳定后，将一带正电的小球(可视为质点)从B板上的小孔以初速度v0＝1.0m/s竖直向上射入两板间，小球恰好能到达A板。若小球所带电荷量q＝1.0×10-7C，质量m＝2.0×10-4kg，不考虑空气阻力，忽略射入小球对电路的影响，g取10m/s2。求：
(1)A、B两金属板间的电压的大小U；
(2)滑动变阻器消耗的电功率P；
(3)电源的效率η。
[解析] (1)小球从B板上的小孔射入恰好到达A板的过程中，在电场力和重力作用下做匀减速直线运动，设A、B两极板间电压为U，根据动能定理有：
－qU－mgd＝，
解得：U＝200V。
(2)设此时滑动变阻器接入电路中的电阻值为R，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中的电流
I＝，而U＝IR，
解得：R＝2×103Ω，
滑动变阻器消耗的电功率P＝＝20W。
(3)电源的效率η＝＝99.5%。
[答案] (1)200V (2)20W (3)99.5%
章末综合测评(五) 电能与能源的可持续发展
一、单项选择题：本题共7小题，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的。
1．下述做法能改善空气质量的是( )
A．以煤等燃料作为主要生活燃料
B．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源
C．鼓励私人购买和使用汽车代替公交车
D．限制使用电动车
B [以煤等燃料作为主要生活燃料时会产生大量空气污染物；私人汽车代替公交车会使汽油消耗量增加，带来的空气污染物增多；限制使用电动车不能改善空气质量。故选B。]
2．有一个电风扇，标有“220V 50W”字样，电动机线圈的电阻为0.4Ω，把它接入220V的电路中，以下几种计算时间t内产生热量的方法中，正确的是( )
A．Q＝
B．Q＝Pt
C．Q＝·Rt
D．以上三种方法均正确
C [通过电风扇的电流为I＝，因为电风扇不是纯电阻用电器，所以其焦耳热为Q＝·Rt，而不应该是Q＝或Q＝Pt，C正确。]
3．电阻R和电动机M串联接到电路中，如图所示，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。设电阻R和电动机M两端的电压分别为U1和U2，经过时间t，电流通过电阻R做的功为W1，产生的热量为Q1，电流通过电动机做的功为W2，产生的热量为Q2。则有( )
A．U1＜U2，Q1＝Q2
B．U1＝U2，Q1＝Q2
C．W1＝W2，Q1＞Q2
D．W1＜W2，Q1＜Q2
A [电动机是非纯电阻，其两端电压U2＞IR＝U1，B项错误；电流做的功W1＝U1It，W2＝U2It，因此，W1＜W2，C项错误；产生的热量由Q＝I2Rt可判断Q1＝Q2，A项正确，D项错误。]
4．电源的效率η定义为外电路电阻消耗的功率与电源的总功率之比。在测电源电动势和内电阻的实验中得到的实验图线如图所示，图中U为路端电压，I为干路电流，a、b为图线上的两点，相应状态下电源的效率分别为ηa、ηb。由图可知ηa、ηb的值分别为( )
A． B．
C． D．
D [电源的效率η＝×100%＝×100%。a点对应的路端电压U为4个格，而电动势E为6个格，因此ηa＝；b点对应的路端电压为2个格，因此ηb＝。故D项正确。]
5．智能扫地机器人是一种智能家用电器，能自动在房间内完成地板清洁工作，如今已慢慢普及，成为现代家庭的常用家用电器。如图所示为某款智能扫地机器人，其参数见表，工作时将电池内部化学能转化为电能的效率η＝60%。下列说法正确的是( )
产品名称 ×××地宝 尘盒容量 0.3L
清扫路线 自由式 液晶显示 有
电池容量 5000mA·h 充电器输出 24V/1000mA
噪声 ≤60dB 额定功率 40W
行走速度 20cm/s 工作电压 24V
A．该扫地机器人的电池从完全没电到充满电所需时间约为8.3h
B．该扫地机器人最多能储存的能量为4.32×105J
C．该扫地机器人充满电后能工作5h
D．该扫地机器人充满电后能工作4h
B [由题表可知，电池的容量为5000mA·h，所带的电荷量为q＝5000×10-3A×3600s＝1.8×104C，充电器输出电流为I＝1000mA＝1A，所以该扫地机器人的电池从完全没电到充满电所需时间为t＝s＝5h，故A错误；该扫地机器人最多能储存的能量为W＝qU＝1.8×104×24J＝4.32×105J，故B正确；该扫地机器人的额定功率为40W，所以充满电后工作的时间t＝s＝1.8h，故C、D错误。]
6．在如图所示的电路中，当开关S闭合后，若将滑动变阻器的滑片P向下调节，下列说法正确的是( )
A．电压表和电流表的示数都增大
B．灯L2变暗，电流表的示数减小
C．灯L1变亮，电压表的示数减小
D．灯L2变亮，电容器所带电荷量增加
C [将滑动变阻器的滑片P向下调节，滑动变阻器接入电路的电阻减小，外电路总电阻减小，根据闭合电路欧姆定律分析得知，路端电压U减小，干路电流I增大，则电压表的示数减小，灯L1变亮，U1增大，R与灯L2并联电路的电压U2＝U－U1，则U2减小，即I2减小，灯L2变暗，电容器所带电荷量减少，流过电流表的电流IA＝I－I2，I增大，I2减小，则IA增大，电流表的示数增大，故C正确。]
7．硅光电池是一种太阳能电池，具有低碳环保的优点，如图所示，图线a是该电池在某光照强度下路端电压U和电流I的关系图像，图线b是某纯电阻电器的U-I图像。则在该光照强度下，把该电池和该电器组成一个电路时，电池的( )
A．内阻为12.5Ω
B．输出功率为12.5W
C．内耗功率为0.22W
D．效率为50%
C [由闭合电路欧姆定律得U＝E－Ir，当I＝0时，E＝U，由a与纵轴的交点读出电动势为E＝3.6V。根据两图线交点处的状态可知，将它们组成闭合回路时路端电压为U＝2.5V，电流为I＝0.2A。则电池的内阻为r＝Ω＝5.5Ω，故A错误；电池的输出功率为P出＝UI＝2.5×0.2W＝0.5W，故B错误；内耗功率为P内＝I2r＝0.22W，故C正确；电池的输出效率为η＝×100%＝×100%＝×100%≈69.4%，故D错误。]
二、多项选择题：本题共3小题，在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。
8．下列对能量守恒定律的认识，正确的是( )
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
ABC [A选项是指不同形式的能量在转化，转化过程中能量是守恒的，B选项是指能量在不同的物体间发生转移，转移过程中能量是守恒的，这正好是能量守恒定律的两个方面——转化与转移，选项A、B正确；任何永动机都是不可能制成的，选项C正确；D选项中石子的机械能发生变化，比如受空气阻力作用，机械能减少，但机械能并没有消失，能量守恒定律表明能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，故选项D错误。]
9．如图所示是用一个直流电动机提升重物的装置，重物质量m＝50kg，电源电压U＝100V，不计各处的摩擦，当电动机以v＝0.9m/s的恒定速度将重物向上提升1m时，电路中的电流I＝5A(g取10N/kg)，由此可知( )
A．电动机线圈的电阻r＝1Ω
B．电动机线圈的电阻r＝2Ω
C．该装置的效率为90%
D．此过程中额外功为50J
BC [根据能量转化和守恒定律得UI＝mgv＋I2r，得到r＝＝2Ω，A错误，B正确；该装置的效率为η＝×100%＝90%，C正确；额外功率为P＝UI－mgv＝50W，但此过程的时间为t＝s＞1s，故此过程中额外功大于50J，D错误。]
10．如图所示，U-I图像上a、b、c各点均表示该电路中一个确定的工作状态。在b点β＝α，则下列说法中正确的是( )
A．在b点时，电源有最大的输出功率
B．在b点时，电源的总功率最大
C．从a到b时，β角越大，电源的总功率和输出功率都将增大
D．从b到c时，β角越大，电源的总功率和输出功率都将减小
AD [在b点β＝α，即电源内阻等于外电阻，此时电源的输出功率最大，而电源的总功率P总＝EI，b点电流I不是最大，A正确，B错误；从a到b时，β角越大，外电阻阻值越大，越接近电源内阻，电源的输出功率越大，通过电源的电流越小，总功率越小，C错误；从b到c时，β角越大，外电阻阻值越远离内阻，电源的输出功率越小，通过电源的电流越小，总功率越小，D正确。]
三、非选择题：共5小题。
11．不计电阻变化，厨房内一只“220V 50W”照明用的灯泡，若改用200V的供电，不计电阻变化，使用相同的时间可以节省电能________%。如果采用200V供电的同时，又不减弱厨房照明亮度，则原灯泡电阻丝要换成电阻为________Ω的新电阻丝。
[解析] 由P＝可得，，则×100%＝×100%≈17.4%，即使用相同的时间可以节省电能17.4%，不减弱厨房照明亮度，灯泡功率相等，由＝50W，解得R2＝800Ω。
[答案] 17.4 800
12．小明想测额定电压为2.5V的小灯泡在不同电压下的电功率，设计了如图甲所示的电路。
甲
(1)在实验过程中，调节滑片P，电压表和电流表均有示数但总是调不到零，其原因是________的导线没有连接好(图中用数字标记的小圆点表示接线点，空格中请填写图中的数字，如“7点至8点”)；
(2)正确连好电路，闭合开关，调节滑片P，当电压表的示数达到额定电压时，电流表的指针如图乙所示，则电流为______A，此时小灯泡的功率为________W；
乙
(3)做完实验后，小明发现在实验报告上漏写了电压为1.00V时通过小灯泡的电流，但在草稿纸上记录了下列数据，你认为最有可能的是________。
A．0.08A B．0.12A
C．0.20A
[解析] (1)在实验过程中，调节滑片P，电压表和电流表均有示数但总是调不到零，其原因是1点至4点的导线没有连接好，滑动变阻器相当于接成了限流电路。
(2)由表盘刻度可知，电流表读数为0.30A；则灯泡的额定功率P＝IU＝0.30×2.5W＝0.75W。
(3)若灯泡电阻不变，则由R＝可得，解得I1＝0.12A，考虑到灯泡电阻随温度的降低而减小，则通过灯泡的电流要大于0.12A，则选项C正确。
[答案] (1)1点至4点 (2)0.30 0.75 (3)C
13．三峡水力发电站是我国最大的水力发电站。三峡水库二期蓄水后，水位落差约135m，水的流量约1.35×104m3/s。船只通航需要约3500m3/s的流量，其余流量全部用来发电。水流冲击水轮机发电时，水流减少的机械能有20%转化为电能。则三峡发电站的发电功率最大是多少？(g取10m/s2)
[解析] 用于发电的水流下落后，重力势能转化为动能，水冲击水轮发电机发电，但机械能转化为电能的效率只有20%。
用于发电的水的流量为1.35×104m3/s－3.5×103m3/s＝1.0×104m3/s。每秒重力势能的减少量为ΔEp＝mgh＝ρVgh＝1.0×103×1.0×104×10×135J＝1.35×1010J。每秒转化的电能是ΔEp·η＝1.35×1010×0.2J＝2.7×109J。故发电机的最大功率为Pmax＝2.7×109W＝2.7×106kW。
[答案] 2.7×106kW
14．如图所示，线段A为某电源的U-I图线，线段B为某电阻的U-I图线，以上述电源和电阻组成闭合电路时，求：
(1)电源的输出功率P出为多大？
(2)电源内部损耗的电功率是多少？
(3)电源的效率η为多大？
[解析] (1)根据题意从A的图线可读出E＝3V，r＝Ω＝0.5Ω，从B图线中可读出外电阻R＝1Ω。
由闭合电路欧姆定律可得I＝A＝2A，
则电源的输出功率P出＝I2R＝4W。
(2)电源内部消耗的功率P内＝I2r＝2W。
(3)电源的总功率P总＝IE＝6W
故电源的效率η＝×100%≈66.7%。
[答案] (1)4W (2)2W (3)66.7%
15．某同学利用如图甲所示装置测定某电动机的效率。分别用电压表和电流表测得电动机的输入电压和输入电流与时间的关系图像分别如图丙、丁所示，当重物匀速上升时，重物上升的位移与时间的关系图线如图乙所示，电动机提升的重物的质量为91.2g，不计一切摩擦及电表内阻的影响，g取10m/s2。求：
(1)该电源的电动势与内阻；
(2)该电动机在图乙所示时间内的效率；
(3)该电动机的内阻(保留2位有效数字)。
[解析] (1)电动机与电源构成闭合回路，由题图丙、丁可知，刚启动时
U1＝2.8V，I1＝0.32A，E＝U1＋I1r
电动机稳定工作时
U2＝3.0V，I2＝0.16A，E＝U2＋I2r
联立解得E＝3.2V，r＝1.25Ω。
(2)电动机的输入功率为P入＝U2I2
由题图乙可知重物匀速上升时的速度为v＝
电动机的输出功率为P出＝mgv
电动机的效率为η＝×100%
代入数据解得η＝95%。
(3)设电动机的内阻为r0，电动机稳定工作时，根据焦耳定律得
P＝r0
P＝P入－P出
代入数据解得r0≈0.94Ω。
[答案] (1)3.2V 1.25Ω (2)95% (3)0.94Ω(共17张PPT)
第五章 电能与能源的可持续发展
章末综合提升
巩固层｜知识整合
01
提升层｜题型探究
02
主题1 电功、电热、电功率、热功率
主题2 电源的各种功率和效率
主题1 电功、电热、电功率、热功率
1．电功、电热
纯电阻电路与非纯电阻电路的比较：
比较项 纯电阻电路 非纯电阻电路
实例 白炽灯、电炉、电饭锅、电热毯、电熨斗及转子被卡住的电动机等 工作中的电动机、电解槽、日光灯等
比较项 纯电阻电路 非纯电阻电路
能量转化 电路中消耗的电能全部转化为内能W＝Q 电路中消耗的电能除转化为内能外，还转化为其他形式的能W>Q
电功的计算 W＝UIt
电热的计算 Q＝I2Rt
2．电功率、热功率
比较项 意义 公式 联系
电功率 单位时间内电流所做的功 P＝UI 对纯电阻电路，电功率等于热功率，P电＝P热＝UI＝I2R；对非纯电阻电路，电功率大于热功率，P电>P热
热功率 单位时间内导体产生的热量 P＝I2R 【典例1】 一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压220V的交流电源上(其内电阻可忽略不计)，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0A，通过洗衣机电动机的电流是0.50A，则下列说法中正确的是( )
A．电饭煲的电阻为44Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440Ω
B．电饭煲消耗的电功率为1555W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5W
C．1min内电饭煲消耗的电能为6.6×104J，洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103J
D．电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
√
C [电饭煲与洗衣机都与电源并联，电源两端电压相等，均为220V，由欧姆定律可求得电饭煲的电阻为R1＝Ω＝44Ω，但洗衣机不是纯电阻用电器，由R2＝＝440Ω求得的电阻是错误的，所以A项错误；它们消耗的电功率分别为P1＝UI1＝1100W，P2＝UI2＝110W，所以B项错误；电饭煲和洗衣机在1min内消耗的电能分别为Q1＝P1t＝6.6×104J，Q2＝P2t＝6.6×103J，所以C项正确；因洗衣机的内阻未知，无法比较二者的发热功率，所以D项错误。]
电饭煲是纯电阻用电器，特点是W电＝Q，即UIt＝t＝I2Rt。
洗衣机是非纯电阻用电器，特点是W电＞Q，即UIt＝I2Rt＋E其他。
主题2 电源的各种功率和效率
1．电源的功率及效率问题
电源总功率 任意电路：P总＝EI＝P出＋P内
电源内部消耗的功率 P内＝I2r＝P总－P出
电源的输出功率 任意电路：P出＝UI＝P总－P内
电源的效率
2．纯电阻电路中电源的输出功率P出与外电阻R的关系
(1)表达式：P出＝I2R＝＝。
(2)关系图像
由图像可知：随着外电阻的增大，输出功率先
增大后减小，即：
a．当Rb．当R>r时：R↑→P出↓
c．当R＝r时，输出功率最大，为Pm＝。
【典例2】 在如图所示的电路中，两平行正对金属板A、B水平放置，两板间的距离d＝4.0cm。电源电动势E＝400V，内电阻r＝20Ω，电阻R1＝1980Ω。闭合开关S，待电路稳定后，将一带正电的小球(可视为质点)从B板上的小孔以初速度v0＝1.0m/s竖直向上射入两板间，小球恰好能到达A板。若小球所带电荷量q＝1.0×10-7C，质量m＝2.0×10-4kg，不考虑空气阻力，忽略射入小球对电路的影响，g取10m/s2。求：
(1)A、B两金属板间的电压的大小U；
[解析] 小球从B板上的小孔射入恰好到达A板的过程中，在电场力和重力作用下做匀减速直线运动，设A、B两极板间电压为U，根据动能定理有：
－qU－mgd＝，
解得：U＝200V。
[答案] 200V
(2)滑动变阻器消耗的电功率P；
[解析] 设此时滑动变阻器接入电路中的电阻值为R，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中的电流
I＝，而U＝IR，
解得：R＝2×103Ω，
滑动变阻器消耗的电功率P＝＝20W。
[答案] 20W
(3)电源的效率η。
[解析] 电源的效率η＝＝99.5%。
[答案] 99.5%第5章 电能与能源的可持续发展
主题1 电功、电热、电功率、热功率
1．电功、电热
纯电阻电路与非纯电阻电路的比较：
比较项 纯电阻电路 非纯电阻电路
实例 白炽灯、电炉、电饭锅、电热毯、电熨斗及转子被卡住的电动机等 工作中的电动机、电解槽、日光灯等
能量转化 电路中消耗的电能全部转化为内能W＝Q 电路中消耗的电能除转化为内能外，还转化为其他形式的能W>Q
电功的计算 W＝UIt＝I2Rt＝t W＝UIt
电热的计算 Q＝UIt＝I2Rt＝t Q＝I2Rt
2．电功率、热功率
比较项 意义 公式 联系
电功率 单位时间内电流所做的功 P＝UI 对纯电阻电路，电功率等于热功率，P电＝P热＝UI＝I2R；对非纯电阻电路，电功率大于热功率，P电>P热
热功率 单位时间内导体产生的热量 P＝I2R
【典例1】 一只电饭煲和一台洗衣机并联接在输出电压220V的交流电源上(其内电阻可忽略不计)，均正常工作。用电流表分别测得通过电饭煲的电流是5.0A，通过洗衣机电动机的电流是0.50A，则下列说法中正确的是( )
A．电饭煲的电阻为44Ω，洗衣机电动机线圈的电阻为440Ω
B．电饭煲消耗的电功率为1555W，洗衣机电动机消耗的电功率为155.5W
C．1min内电饭煲消耗的电能为6.6×104J，洗衣机电动机消耗的电能为6.6×103J
D．电饭煲发热功率是洗衣机电动机发热功率的10倍
[听课记录]___________________________________________________________
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电饭煲是纯电阻用电器，特点是W电＝Q，即UIt＝t＝I2Rt。
洗衣机是非纯电阻用电器，特点是W电＞Q，即UIt＝I2Rt＋E其他。
主题2 电源的各种功率和效率
1．电源的功率及效率问题
电源总功率 任意电路：P总＝EI＝P出＋P内
纯电阻电路：P总＝I2(R＋r)＝
电源内部消耗的功率 P内＝I2r＝P总－P出
电源的输出功率 任意电路：P出＝UI＝P总－P内
纯电阻电路：P出＝I2R＝
电源的效率 任意电路：η＝×100%＝×100%
纯电阻电路：η＝×100%
2．纯电阻电路中电源的输出功率P出与外电阻R的关系
(1)表达式：P出＝I2R＝＝。
(2)关系图像
由图像可知：随着外电阻的增大，输出功率先增大后减小，即：
a．当Rb．当R>r时：R↑→P出↓
c．当R＝r时，输出功率最大，为Pm＝。
【典例2】 在如图所示的电路中，两平行正对金属板A、B水平放置，两板间的距离d＝4.0cm。电源电动势E＝400V，内电阻r＝20Ω，电阻R1＝1980Ω。闭合开关S，待电路稳定后，将一带正电的小球(可视为质点)从B板上的小孔以初速度v0＝1.0m/s竖直向上射入两板间，小球恰好能到达A板。若小球所带电荷量q＝1.0×10-7C，质量m＝2.0×10-4kg，不考虑空气阻力，忽略射入小球对电路的影响，g取10m/s2。求：
(1)A、B两金属板间的电压的大小U；
(2)滑动变阻器消耗的电功率P；
(3)电源的效率η。
[听课记录]___________________________________________________________
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章末综合提升
[提升层·题型探究]
典例1 C [电饭煲与洗衣机都与电源并联，电源两端电压相等，均为220 V，由欧姆定律可求得电饭煲的电阻为R1＝＝ Ω＝44 Ω，但洗衣机不是纯电阻用电器，由R2＝＝440 Ω求得的电阻是错误的，所以A项错误；它们消耗的电功率分别为P1＝UI1＝1 100 W，P2＝UI2＝110 W，所以B项错误；电饭煲和洗衣机在1 min内消耗的电能分别为Q1＝P1t＝6.6×104 J，Q2＝P2t＝6.6×103 J，所以C项正确；因洗衣机的内阻未知，无法比较二者的发热功率，所以D项错误。]
典例2 解析：(1)小球从B板上的小孔射入恰好到达A板的过程中，在电场力和重力作用下做匀减速直线运动，设A、B两极板间电压为U，根据动能定理有：
－qU－mgd＝，
解得：U＝ 200 V。
(2)设此时滑动变阻器接入电路中的电阻值为R，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中的电流
I＝，而U＝IR，
解得：R＝2×103 Ω，
滑动变阻器消耗的电功率P＝＝20 W。
(3)电源的效率η＝＝＝99.5%。
答案：(1)200 V (2)20 W (3)99.5%
