课件12张PPT。第6章 能源与可持续发展
第1节 能量的多种形式
第2节 能量的转化与守恒 一、多种形式的能量
【思考】
电能是怎样转化而来的?
提示:电源将其他形式的能转化为电能。1.机械能:包括动能、_________、弹性势能。
2.内能:一切物体都有内能,同一物体温度越高,具有的
内能_____。
3.电能:指电以各种形式_____的能力。
4.光能:光具有的_____。
5.化学能:储存在_____或燃料等物质中的能量。
6.核能:物质的原子核结构_________而释放的能量。重力势能越大做功能量食物发生变化二、可再生能源与不可再生能源
【思考】
如图所示是我国能源结构的统计图。请总结出我国能源结构或能源现状的规律,并提出解决这种现状的合理化建议。 提示:我国的能源结构主要以煤为主;我国的能源消耗中,不可再生能源占据的比例过大,结构不合理;我国能源消耗中可再生能源的比例过小。建议:节能降耗;开发新能源;开发可再生能源(如太阳能、风能等)。1.能源的分类
(1)一次能源:直接取自自然界,_______加工转换的能
源。
(2)二次能源:由一次能源_____转化而成的能源。
2.再生能源:在自然界_______再生的能源。
3.不可再生能源:自然界中短期内_________的能源。未经过加工可循环无法再生4.光转化为能:光电转换、_________和光化学能转换。
5.发电方式:风能发电、地热发电、___________、生
物发电、核能发电、氢燃烧发电等。光热转换海洋能发电三、能量的转化与守恒定律
【思考】
美国曾经报道过无需任何能源的发电机。你认为这种发电机能造出来吗?为什么?
提示:不能制造出来,因为这种发电机违反了能量守恒定律。1.内容:能量既不能凭空产生,也不能凭空消失 ,它只
能从一种形式_____为另一种形式,或从一个物体
_______另一个物体,在转化或转移的过程中其_____保
持不变。转化转移到总量2.意义:它的发现和应用,为不同学科的沟通与联系提
供了桥梁。3.下列叙述正确的是_____
①自然界中的任何变化过程都满足能量守恒。
②永动机不可能制成。
③能量守恒过程,外力做功必为零。①②温馨提示：
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关键能力·素养形成
一 能源的类型和应用
1.能源的分类
(1)从人类使用能源的先后将能源分为常规能源和新能源。
常规能源:煤、石油、天然气等。
新能源:太阳能、沼气能、地热能、核能、潮汐能等。
(2)从能源的来源可分为不可再生能源和可再生能源。
不可再生能源:用完后在短期内不可能从自然界得到补充的能源,如煤、石油、天然气等。
可再生能源:取之不尽、用之不竭的能源,如风能、太阳能、水能等。
(3)从对环境的污染情况可分为清洁能源和非清洁能源。
清洁能源:不污染环境的能源,如太阳能、风能、水能等。
非清洁能源:对人类环境造成污染的能源,如石油、煤等。
2.常规能源与新能源的转化途径
【思考·讨论】
能源的开发和利用存在哪些有利与不利? (物理观念)
提示:(1)有利方面:能源的利用给人类的生活带来了极大的改善,人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命,都与新的能源和动力机械的利用密切相关,能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志。
(2)不利方面:能源的大量使用会给环境带来极大的破坏,如大气污染、温室效应、酸雨等,对人类造成很大的危害。
【典例示范】
(多选)能源短缺和环境恶化指的是 ( )
A.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度的,这叫能源短缺
B.煤炭和石油资源是有限的,以今天的开采和消耗速度,石油储量将在百年内用尽,煤炭资源也不可能永续,这叫能源短缺
C.煤炭和石油具有大量的气味,在开采、存放和使用过程中,这些气味会聚存在空气中污染空气,使环境恶化
D.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,改变了大气的成分,使环境恶化
【解析】选B、D。能源短缺是指能源的有限性,指煤炭和石油的储量是有限的,若储量无限,技术落后现阶段开采不出来,将来总可以开采出来。因此,能源短缺的本意是B而不是A;环境恶化的本意是指空气环境成分的变化,煤炭和石油在燃烧时与空气中氧气发生反应,改变了大气成分,因此,对环境恶化的说法D正确而C错误。
【素养训练】
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于太阳能,因此化石能源永远不会枯竭
C.在农村推广沼气意义重大,既变废为宝、减少污染,又节约大量能源
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;在农村推广沼气对改善农村环境、节约能源意义重大,功在当代,利在千秋,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.质量分布均匀的不可伸长的绳索重为G,A、B两端固定在水平天花板上,如图所示,今在绳索的最低点C处施加一竖直向下的力将绳索绷直,在此过程中,绳索AB的重心位置将 ( )
A.逐渐升高 B.逐渐降低
C.先降低后升高 D.始终不变
【解析】选A。在用力向下拉绳索的过程中,外界对绳索做功,消耗了能量,一定转化为绳索的某种能量,而整个过程中绳索只有重力势能发生了变化,其他各种能量均不变,所以绳索的重力势能肯定在逐渐增加,从而其重心位置逐渐升高,则A正确,B、C、D错误。
二 能量的转化和守恒
1.做功与能量的转化
由于功是能量转化的量度,因此在做功的过程中必然伴随着能量的转化,不同的力做功,会引起不同的能量发生转化。
2.表达式及含义
(1)表达式:ΔE减=ΔE增
(2)含义
①某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加,且减少量一定和增加量相等。
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。
【典例示范】
自由摆动的秋千摆动的幅度越来越小,下列说法中正确的是 ( )
A.机械能守恒
B.能量正在消失
C.只有动能和重力势能的相互转化
D.减少的机械能转化为内能,但总能量守恒
【解析】选D。在秋千摆动的过程中,由于阻力的存在,需要克服阻力做功,机械能会减少,但能量并没有消失,减少的机械能转化为内能,总能量保持不变。则D正确,A、B、C错误。
【素养训练】
1.如图所示,一小球从光滑圆弧轨道顶端由静止开始下滑,进入光滑水平面又压缩弹簧,在此过程中,小球重力势能和动能的最大值分别为Ep和Ek,弹簧弹性势能的最大值为Ep′,则它们之间的关系为(以水平面为零势能面) ( )
A.Ep=Ek=Ep′ B.Ep>Ek>Ep′
C.Ep=Ek+Ep′ D.Ep+Ek=Ep′
【解析】选A。由能量守恒可知,小球沿光滑圆弧轨道顶端由静止下滑到光滑水平面的过程中,重力势能转化为动能,故Ep=Ek,小球压缩弹簧过程中动能转化为弹性势能,Ek=Ep′,则A正确,B、C、D错误。
2.如图所示为冲击摆实验装置,一飞行子弹射入沙箱后与沙箱合为一体,共同摆起一定的高度,则下面有关能量转化的说法中正确的是 ( )
A.子弹的动能转变成沙箱和子弹的机械能
B.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的内能
C.子弹的动能转变成了沙箱和子弹的动能
D.子弹的动能一部分转变成沙箱和子弹的内能,另一部分转变成沙箱和子弹的机械能
【解析】选D。子弹在射入沙箱瞬间,要克服摩擦阻力做功,一部分动能转变成沙箱和子弹的内能,另一部分动能转变成沙箱和子弹的机械能。则D正确,A、B、C错误。
【补偿训练】
1.(多选)如图所示,楔形木块固定在水平面上,粗糙斜面ab和光滑斜面bc与水平面的夹角相同,顶角b处安装一定滑轮。质量分别为M、m(M>m)的滑块,通过不可伸长的轻绳跨过定滑轮连接,轻绳与斜面平行。两滑块由静止释放后,沿斜面做匀加速 运动。若不计滑轮的质量和摩擦,在两滑块沿斜面运动的过程
中 ( )
A.两滑块组成的系统机械能守恒
B.重力对M做的功等于M动能的增加量
C.轻绳对m做的功等于m机械能的增加量
D.两滑块组成的系统的机械能损失等于M克服摩擦力做的功
【解析】选C、D。由于M与ab面之间存在滑动摩擦力,故两滑块组成的系统机械能不守恒,选项A错误;合外力对M做的功等于M动能的增加量,选项B错误;对于m,除了重力对其做功外,只有轻绳对其做功,故轻绳对m做的功等于m机械能的增加量,选项C正确;对于两滑块组成的系统,在运动过程中克服摩擦阻力做功,系统的机械能转化为内能,故该系统机械能的损失等于M克服摩擦力做的功,选项D正确。
2.一个人平稳地站在商店的自动扶梯的水平踏板上,随扶梯向上加速运动,如图所示,则 ( )
A.踏板对人做的功等于人的机械能的增加量
B.踏板对人的支持力做的功等于人的机械能的增加量
C.克服人的重力做的功等于人的机械能的增加量
D.对人做功的只有重力和踏板对人的支持力
【解析】选A。人受三个力作用:重力、支持力和水平向右的摩擦力,根据功能关系:人克服重力做的功等于重力势能的增加,C错误;支持力和摩擦力做的功等于人增加的机械能,A正确,B错误;摩擦力对人也做功,D错误。
【拓展例题】考查内容:对能源划分的了解
【典例】能源可划分为一级能源和二级能源。自然界以现成形式提供的能源称为一级能源;需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二级能源。氢气是一种高效而没有污染的二级能源,它可以由自然界中大量存在的水来制取。下列叙述正确的是 ( )
A.电能是二级能源 B.水力是二级能源
C.天然气是二级能源 D.焦炉气是一级能源
【解析】选A。电能是应用发电机,通过消耗其他形式的能而获得的。比如,水力发电消耗了水的机械能而获得电能,核电消耗了核能而获得了电能,选项A正确;水力、天然气都是自然界以现成形式提供的能源,是一级能源,选项B、C均错;焦炉气是通过煤炭加工而得到的一种能源,是二级能源,选项D错误。
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课堂检测·素养达标
1.关于能源的开发和利用,下列观点不正确的是 ( )
A.能源是有限的,无节制地使用常规能源,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.能源的开发和利用,必须同时考虑其对生态环境的影响
D.不断开发新能源,是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径
【解析】选B。在能源的利用过程中,虽然能量的总量并未减少,但在可利用的品质上降低了,从便于利用的变成不便于利用的了。所以,我们要节约能源,保护环境。
2.如图所示,滑块以速率v1沿固定斜面由底端向上滑行,至某一位置后返回,回到出发点时的速率变为v2,且v2A.滑块在上滑过程中机械能减少,在下滑过程中机械能增加
B.在上滑和下滑两过程中,重力做的功相同
C.在上滑和下滑两过程中,摩擦力做的功相同
D.在上滑和下滑两过程中,摩擦力的平均功率相等
【解析】选C。因为v2t1,即下滑时间较长;上滑过程中摩擦力做功和下滑过程中摩擦力做功均为Wf=-μmgcosα·L,可见在上滑和下滑两过程中,摩擦力做功相等。在上滑和下滑两过程中时间不同,所以摩擦力的平均功率不相等。故C正确,D错误。故选C。
3.游乐场中的一种滑梯如图所示。小朋友从轨道顶端由静止开始下滑,沿水平轨道滑动了一段距离后停下来,则 ( )
A.下滑过程中支持力对小朋友做功
B.下滑过程中小朋友的重力势能增加
C.整个运动过程中小朋友的机械能守恒
D.在水平面滑动过程中摩擦力对小朋友做负功
【解析】选D。在滑动的过程中,小朋友受三个力,重力、支持力、摩擦力,重力做正功,重力势能减少,B错;支持力不做功,摩擦力做负功,所以机械能不守恒,A、C皆错,D正确。
【补偿训练】
如图所示是利用潮汐发电的示意图,左方为陆地和海湾,中间的水坝下有通道,水经通道可带动发电机。涨潮时,水进入海湾,待内外水面高度相同,堵住通道,如图甲所示。潮落至最低时放水发电,如图乙所示。待内外水面高度相同,再堵住通道,直至下次涨潮到最高点,又放水发电,如图丙。设海湾平均面积为S=5.0×108 m2,高潮与低潮间高度差为h=3.0 m,求一天内水流的平均功率。(g取10 m/s2,海水密度取1.0×103 kg/m3)
【解析】潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能。
每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的质量为m=ρV=ρSh=1.0×103×5.0×108×3.0 kg=1.5×1012kg。
其重心的高度变化h′==1.5 m。一天内海水两进两出,故水流功率为P== W≈1.0×109 W。
答案:1.0×109 W
情境:据《中国环境报》报道:一份科技攻关课题研究结果显示,我国酸雨区已占国土面积的40%以上,研究结果还表明,我国农业每年因遭受酸雨而造成的经济损失高达15亿多元。为了有效控制酸雨,目前国务院已批准《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》等法规。
问题:
(1)在英国进行的一项研究结果表明:高烟囱可有效地降低地面SO2浓度。在20世纪的60～70年代的10年间,由发电厂排放的SO2增加了35%,但由于建造高烟囱的结果,地面浓度降低了30%之多。请你从全球环境保护的角度,分析这种做法是否可取?说其理由。
(2)用传统的煤、石油作燃料,其主要缺点是什么?
H2与用传统的煤、石油作燃料相比,哪种物质可以作为新能源?主要优点是什么,缺点又是什么?
【解析】(1)不可取,因为SO2的排放总量并没有减少,只是污染的区域增大,局部的SO2的浓度降低,进一步形成的酸雨仍会造成对全球的危害。
(2)煤、石油是不易再生的化石燃料,其资源是有限的,其次燃烧后产生的SO2、氮氧化物等严重污染大气,进而形成酸雨,燃烧后产生的CO2又会造成温室效应。
H2可以作为新能源,其优点是:
第一,H2可以用水作为原料来制取;第二,H2燃烧时放热多,放出的热量约为同质量汽油的3倍;第三,氢燃料的最大优点是燃烧产物为水,不易污染环境,还可循环使用。
其缺点是H2的制取成本比较高,且不便于储存,泄漏的氢气可能对臭氧层有破坏作用。
答案:见解析
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课时素养评价 二十
能量的多种形式 能量的转化与守恒
(15分钟·30分)
一、选择题(本题共4小题,每题4分,共16分)
1.关于“能量耗散”的下列说法中,正确的是 ( )
A.能量在转化过程中,有一部分能量转化为内能,我们无法把这些内能收集起来重新利用,这种现象叫作能量的耗散
B.能量在转化过程中变少的现象叫能量的耗散
C.能量耗散表明,在能源的利用过程中,能量的数量减少了,能量可利用的品质降低了
D.能量耗散表明,各种能量在不转化时是守恒的,但在转化时是不守恒的
【解析】选A。能量耗散是指能量的可利用的品质降低,但能量总和守恒。则A正确,B、C、D错误。
【补偿训练】
地球上有大量的海水,若使海水温度降低0.1 ℃就能释放出5.8×1023J的热量。有人设想用一热机将海水放出的热量完全转化为机械能,但这种使内能转化成机械能的机器是不能实现的,其原因是 ( )
A.内能不能转化成机械能
B.内能转化成机械能不满足能量守恒定律
C.只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能而不引起其他变化的机器不满足能量转化和转移的方向性
D.上述三种原因都不正确
【解析】选C。内能可以转化成机械能,如热机,A项错误;内能转化成机械能的过程满足能量守恒定律,B项错误;能量转化和转移的方向性告诉我们:热机不可能把吸收的热量全部转化成机械能,而不引起其他变化,C项正确。
2.如图所示,一个粗细均匀的U形管内装有同种液体,液体质量为m。在管口右端用盖板A密闭,两边液面高度差为h,U形管内液体的总长度为4h,先拿去盖板,液体开始运动,由于管壁的阻力作用,最终管内液体停止运动,则该过程中产生的内能为 ( )
A.mgh B.mgh C.mgh D.mgh
【解题指南】解答本题应注意以下两点:
(1)管内液体至最终停止运动时,液体的重力势能减小了。
(2)系统机械能的减少量等于系统内能的改变量。
【解析】选A。去掉右侧盖板之后,液体向左侧流动,最终两侧液面相平,液体的重力势能减少,减少的重力势能转化为内能。如图所示,最终状态可等效为右侧h的液柱移到左侧管中,即增加的内能等于该液柱减少的重力势能,则Q=mg·h=mgh,则A正确,B、C、D错误。
3.足够长的传送带以速度v匀速传动,一质量为m的小物体A由静止轻放于传送带上,若小物体与传送带之间的动摩擦因数为μ,如图所示,当物体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
【解析】选D。物体A被放于传送带上即做匀加速直线运动,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·=。所以物体相对传送带滑动距离Δx=x2-x1=。故产生的内能Q=μmg·Δx=μmg·=mv2,则D正确,A、B、C错误。
4.下列判断错误的是 ( )
A.古代的钻木取火是通过摩擦力做功将其他能转化为内能
B.举重运动员把重物举起来,体内的一部分化学能转化为重力势能
C.跳高运动员起跳时,通过体内肌肉做功,体内的部分化学能转化为人的动能
D.人走路时,没有力做功所以没有能量转化
【解析】选D。做功的过程是能量转化的过程,人在走路时,其重心的高度不断变化,所以人要做功,同时有势能和动能的变化,故A、B、C正确,D错。
【补偿训练】
人的身体在最佳状态下,只能把人体化学能的25%转化为有用的机械能。假如一位质量为60 kg的登山运动员恰好具有这样的转化效率,若他平均每小时登高500 m,那么,他在5 h内共消耗的化学能为多少?(g取10 m/s2)
【解析】设运动员克服重力做功的功率为P1,则P1=(t1=1 h),则人体消耗化学能的功率为P2=(η为转化效率)。
因此P2=,运动员在5 h内共消耗的化学能E=P2t2== J
=6×106 J。
答案:6×106 J
二、计算题(共14分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)
5.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)小木块的位移及传送带转过的路程。
(2)小木块获得的动能及摩擦过程产生的热量。
(3)电动机带动传送带匀速转动输出的总能量。
【解析】小木块刚放上传送带时,速度为0,受到传送带的滑动摩擦力作用,做匀加速直线运动,达到与传送带相同的速度后不再受摩擦力。整个过程中小木块获得一定的动能,系统内因摩擦产生一定的热量。
(1)对小木块,相对滑动时,由μmg=ma,得a=μg,
由v=at得小木块与传送带相对静止时所用的时间t=,则小木块的位移l=at2=。
传送带始终匀速运动,转过的路程s=vt=。
(2)小木块获得的动能Ek=mv2。
摩擦过程产生的热量Q=μmg(s-l)=mv2。
(3)由能量的转化与守恒得,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。
答案:(1) (2)mv2 mv2 (3)mv2
(10分钟·20分)
6.(6分)(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】选A、D。这四个现象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。
7.(14分)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?
【解析】(1)能量转化:太阳能→电能→光能(热能)
(2)太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率:
P= W≈370 W
(3)节能灯利用太阳能的效率:
η=×100%≈10%
答案:(1)见解析 (2)370 W (3)10%
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