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课时跟踪检测(二十一) 能源与可持续发展
A组—重基础·体现综合
1．关于能源的开发和应用，下列说法中正确的是( )
A．能源应用的过程就是内能转化为机械能的过程
B．化石能源的能量归根结底来自太阳能，因此化石能源永远不会枯竭
C．在广大的农村推广沼气前景广阔、意义重大，既变废为宝，减少污染，又大量节约能源
D．随着科学技术的发展，煤炭资源将取之不尽、用之不竭
解析：选C 能源应用过程并不单纯是将内能转化为机械能的过程，各种转化形式均可为人类服务，A错误；化石能源的能量虽然来自太阳能，但要经过数亿年的地质演变才能形成，且储量有限，为不可再生能源，B错误；在广大农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大，C正确；无论技术先进与否，煤炭资源不可能取之不尽、用之不竭，D错误。
2．下列说法正确的是( )
A．能就是功，功就是能
B．外力对物体做功越多，这个物体的能量就越大
C．外力对物体不做功，这个物体就没有能量
D．能量转化的多少可以用做功的多少来量度
解析：选D 功和能是两个不同的概念，外力对物体做功的多少只是说明了能量转化的多少，而不能说明物体能量的多少，外力对物体不做功不能说明物体没有能量，A、B、C错误；功是能量转化的量度，D正确。
3．(多选)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
解析：选BD 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，故A、C错误，B、D正确。
4．(多选)下列关于能源的说法正确的是( )
A．石油、天然气都属于新能源
B．能量耗散不遵循能量守恒定律
C．能量耗散会导致能量品质的降低
D．为了可持续发展，必须节约能源
解析：选CD 石油、天然气属于常规能源，A项错误；能量耗散同样遵循能量守恒定律，但能量耗散导致能量品质降低，B项错误，C项正确；因可用能源正在减少，故为了可持续发展，必须节约能源，D项正确。
5．利用能源的过程实质上是( )
A．能量的消失过程
B．能量的创造过程
C．能量不守恒的过程
D．能量转化或转移并且耗散的过程
解析：选D 利用能源的过程实质上是能量转化或转移的过程，在能源的利用过程中能量是耗散的，A、B、C错误，D正确。
6．能源在社会的发展和建设中有着重要的意义，节约用电应成为现代公民的行为准则。下列用电方式中属于科学、合理地节约用电的是( )
A．家电尽量长时间待机
B．用节能灯替换白炽灯
C．楼道、走廊照明灯尽量不采用声、光控制
D．不要清除冰箱内的冰、霜
解析：选B 家电长时间待机浪费电，家电尽量不要长时间待机，才属于科学、合理地节约用电，故A错误；用节能灯替换白炽灯，可节约用电，故B正确；楼道、走廊照明灯采用声、光控制，才属于科学、合理地节约用电，故C错误；清除冰箱内的冰、霜，能够提高冰箱的工作效率，才属于科学、合理地节约用电，故D错误。
7．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
解析：选A 在时间t内能够利用的太阳能E0＝t×50×10% J＝7t×103 J，根据功率的表达式有Pmax＝，解得Pmax＝7 kW，B、C、D错误，A正确。
B组—重应用·体现创新
8．水平地面上平放着一根长为L、质量为M的匀质棒，把它的一端匀速抬高H(H L)，假设用手直接作用于棒端抬高时手做功W1，用一根弹簧钩住棒端抬至同样高度时手做功W2，则( )
A．W1＝W2 B．W1＞W2
C．W1＜W2 D．不确定W1与W2之间的关系
解析：选C 手直接作用于棒的一端时手做功W1＝ΔEpG，用弹簧钩住升高相同高度时手做功W2＝ΔEpG＋ΔEp弹，显然W1＜W2，C正确。
9．某地有一风力发电机，它的叶片转动时可形成半径为20 m的圆面。某时间内该地区的风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为1.2 kg/m3，假如这个风力发电机能将此圆内空气动能的10%转化为电能，若该风力发电机的发电功率约为1.63×104 W，则该地区的风速约为( )
A．10 m/s B．8 m/s
C．6 m/s D．4 m/s
解析：选C 设风速为v，则在时间t内吹到叶片上的空气的质量m＝vtSρ＝vtπr2ρ，则P＝＝ ，解得v＝，代入数据解得v≈6 m/s，故选C。
10.抽水蓄能电站的工作原理是：在用电低谷时，电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中，到用电高峰时，再利用蓄水池中的水发电，浙江天荒坪抽水蓄能电站是亚洲第一大高山蓄能水电站。山顶水库面积达2.8×105 m2(水库近似为长方体)。已知上、下水库落差H＝600 m，如图1所示。蓄水后一个昼夜连续发电，山顶水库水位降低30 m，若水的重力势能80%转化为电能，水的密度为1.0×103 kg/m3。则一个昼夜连续发电所产生的电能约为(g取10 m/s2)( )
A．4×1010 J B．4×1011 J
C．4×1012 J D．4×1013 J
解析：选D 一个昼夜能用于发电的水的体积V＝Sh＝2.8×105×30 m3＝8.4×106 m3，水的总质量：m＝ρV，水的重力势能：Ep＝mgh′＝ρVg，
一个昼夜连续发电所产生的电能约为E＝Ep×80%，代入数据得E≈4×1013 J，故D正确，A、B、C错误。
11．一台水轮发电机组，每秒有2.0 m3的水流过水轮机，若河坝水位高度差是20 m，则水每秒对水轮机最多能做多少功？若有40%的机械能转化为电能，问发电机的输出功率为多大？(水的密度ρ＝103 kg/m3，g取10 N/kg)
解析：若使水对水轮机做功最多，则把水的重力势能全部转化为水轮机的机械能。则每秒对水轮机做功为W＝mgh＝ρgVh＝103×10×2×20 J＝4×105 J
由P＝得P出＝＝＝1.6×105 W。
答案：4×105 J 1.6×105 W
12．某地的平均风速为5 m/s，已知空气密度是1.2 kg/m3，有一风车，它的车叶转动时可形成半径为12 m的圆面，如果这个风车能将此圆内10%的气流的动能转变为电能，则该风车带动的发电机功率是多大？
解析：首先可以求出在时间t内作用于风车的气流质量为m＝πr2vtρ，这些气流的动能为Ek＝mv2
故风车带动发电机发电的功率为
P＝＝πr2ρv3×10%
代入数据得P＝3.4 kW。
答案：3.4 kW
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4 能源与可持续发展
核心素养点击
物理观念 (1)列举各种实例，说明能量是如何转化的，解释能量守恒定律的含义。
(2)通过实例分析知道能量耗散，认识自然界中能量转化的方向性。
科学态度与责任 (1)收集资料，讨论能源的开发与利用所带来的环境污染问题，认识环境污染的危害，思考科学·技术·社会·环境协调发展的关系，具有环境保护的意识和行动。
(2)了解太阳能、水能、核能和风能等能源的开发利用，知道利用能源是人类生存和社会发展的必要条件之一。
(3)知道人类利用的能源有可再生能源和不可再生能源，认识合理使用能源的重要性，具有可持续发展观念，养成节能的习惯。
1．填一填
(1)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 。
(2)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。
(3)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。
(4)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。
转化
转化
不变
不可逆
利用
方向
减小
降低
2．判断
(1)能量在转移或转化过程中总量是保持不变的。 ( )
(2)当一个物体所具有的能量增加时，一定有别的物体的能量在减小。 ( )
(3)能源利用过程中能量总量不变，可利用的品质也不变。 ( )
√
√
×
3．想一想
请你将两手手心对着压紧，用力来回快速摩擦10～15 s(如图12.4 -1)，有什么感觉？想想看，在这一过程中能量发生了怎样的转化或转移？这些能量的转化或转移是有方向性的吗？
图12.4- 1
提示：发热；机械能转化为内能；有。
1．填一填
(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。
化石
太阳能
水力
核能
(4)能源与社会发展
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：
a．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。
b．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 。
c．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。
柴薪
温室
土壤
烟雾
浮尘
2．判断
(1)天然气属于化石能源。 ( )
(2)化石能源利用过程中加剧了温室效应现象。 ( )
(3)核能发电不会对环境产生危害。 ( )
√
√
×
[问题驱动]
(1)在验证机械能守恒定律的实验中，计算结果发现，重物减少的重力势能的值总大于增加的动能的值，即机械能的总量在减少。机械能减少的原因是什么？减少的部分机械能是消失了吗？
提示：机械能减少的原因是由于要克服摩擦阻力和空气阻力做功，机械能转化成了内能；减少的部分机械能并没有消失。
(2)请说明下列现象中能量是如何转化或转移的？
①植物进行光合作用。
②放在火炉旁的冰融化变热。
③电流通过灯泡，灯泡发光。
提示：①光能转化为化学能。
②内能由火炉转移到冰。
③电能转化为光能。
【重难释解】
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．能量守恒定律的理解
某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加，且减少量和增加量一定相等。
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。
典例1 (2023·广东1月学考)水力发电对实现“碳达峰”目标具有重要意义。当某水电站的水位落差为150 m时，用于发电的水流量为每秒钟1×107 kg，发电机组的发电效率为60%。重力加速度g取10 m/s2，若某电动汽车行驶1 km消耗500 kJ的电能，则此时该水电站每秒钟所发的电可使该电动汽车行驶的里程是( )
A．1.6×104 km B．1.8×104 km
C．2.0×104 km D．2.2×104 km
[答案] B
利用能量转化与转移解题的两点注意
(1)能量既可通过做功的方式实现不同形式的能量之间的转化，也可在同一物体的不同部分或不同物体间进行转移。
(2)能量在转化与转移过程中，能量的总量保持不变。利用能量守恒定律解题的关键是正确分析有多少种能量变化，分析时避免出现遗漏。
【素养训练】
1．(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
解析：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。
答案：AD
2.一个盛水袋，某人从侧面缓慢推装有液体的袋壁使它变形至如图所示位置，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
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。
答案：A
【重难释解】
1．正确理解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，分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过只能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了。
(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。由此可知，能量耗散虽然不会导致能量的总量减少，却会导致能量品质的降低，实际上是将能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式。
(3)能量耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源。
2．能源的分类
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
按形式或转换特点分 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 煤炭、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 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 煤炭、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(煤炭、石油、天然气)
[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。
[答案] D
【素养训练】
3．我国计划在2060年达到“碳中和”目标，到时生产、生活排放的碳总量与植被吸收的碳总量将达到平衡，为了实现这一目标。 未来四十年我国应减少使用的能源是 ( )
A．水能 B．石油能源
C．太阳能 D．风能
解析：水能、风能、太阳能属于清洁能源，使用过程污染少，环保；而石油能源属于污染能源，使用过程中向空气中排碳，污染严重，所以我国应减少使用石油能源，A、C、D错误，B正确。
答案：B
4．(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．能量耗散是指耗散在环境中的内能很难收集起来重新被人类利用
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
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，遵守能量守恒定律，但使得能量品质降低，故选项A错误，选项D正确；耗散的内能很难收集起来再被利用，选项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，但相反过程却不能够全额进行，选项C正确。
答案：BCD
5．(多选)关于“温室效应”，下列说法正确的是 ( )
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、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等，故B、C选项正确。
答案：BC
一、培养创新意识和创新思维
1．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。
解析：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。
二、注重学以致用和思维建模
A．1×106 J B．1×107 J
C．6×106 J D．6×107 J
解析：这台热水器一天内可有效利用的太阳能约为E＝ηPt＝20%×7×103×4×3×3 600 J≈6×107 J，故选D。
答案：D
3.如图所示，将小铁块绑在橡皮筋中部，并让橡皮筋穿入铁罐，使两端分别固定在罐盖和罐底上。将该装置从不太陡的斜面上释放，会观察到什么现象？请你做一做，并从能量转化与守恒的角度加以解释。
提示：会看到罐子滚动到坡底又自动向坡上滚动，因为向下滚动时重力势能转化成动能，又转化成橡皮筋的弹性势能储存在罐子里，弹性势能又会转化成动能、重力势能，所以又向上滚动。
