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第四章 机械能和能源
第四章 机械能和能源
能量
煤
石油
天然气
电能
消耗量
酸雨
温室效应
核能
太阳能
风能
能源危机
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以例说法·触类旁通能源的利用与开发
(多选)下列选项中是二次能源的是( )
A．太阳能 B．电能
C．氢能 D．焦炭
解析：选BCD.太阳能是一次能源，而电能、氢能、焦炭是从一次能源直接或间接转化来的能源，为二次能源，故选BCD.
风能和水能是下列哪一种能的间接形式( )
A．核能 B．电能
C．太阳能 D．地热能
解析：选C.地球上的绝大多数的能量都来自于太阳能，包括风能、水能等，故正确答案为C.
3．近年来，在公交车和出租车中推行用天然气代替汽油作燃料的改革，取得了显著的进展，走上街头你会发现不少公交车和出租车上印有“CNG”的标记，代表它们是以天然气为燃料的汽车，则推广这一改革的主要目的是( )
A．延长发动机的寿命 B．促进地方经济和西部发展
C．减少大气污染 D．节约能源
解析：选C.天然气虽然是化石燃料的一种，不是绿色能源．但是天然气与煤和石油相比，天然气有热值高、二氧化碳排放少的优势，因此，可以说，在化石燃料中，天然气是清洁燃料．但不能把天然气同绿色能源、清洁能源等同对待，混为一谈．
(多选)下列说法正确的是( )
A．根据能的转化和守恒定律，能量不会消失，因此不会出现能源危机
B．相对人类的历史来说，太阳能是取之不尽，用之不竭的
C．节约能源、开发新能源是解决能源危机的有效途径
D．风能是目前能源开发利用中较为理想的清洁能源
解析：选BCD.能量虽然不会消失，但能量的转化方式有方向性，从而在利用能源时会使能源或能量的品质越来越低，最后不能被我们所利用，故A的说法不正确，B、C、D均正确．
[课时作业]
一、单项选择题
下列燃料中不属于化石燃料的是( )
A．煤 B．木柴
C．石油 D．天然气
解析：选B.煤、石油、天然气是埋在地下的动植物经过数亿年的地质演变而形成的，为化石能源，而木柴不是化石燃料，故选B.
消耗石油和煤炭给环境带来的主要问题是( )
A．运输过程中的泄漏 B．机械运动过程中的噪音
C．燃烧时消耗的氧气 D．燃烧时产生的二氧化碳
解析：选D.消耗石油和煤炭给环境带来的主要问题是燃烧时产生的二氧化碳，使地球的环境慢慢发生变化，D正确，A、B、C错误．
下列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、风能和氢能等新能源替代化石能源
C．鼓励私人购买家用轿车替代公交车
D．限制使用电动车
解析：选B.现代生活使用的煤、石油、天然气等常规能源，对空气环境的污染越来越严重，而利用太阳能、风能、氢能等新能源则可以改善空气质量．此外，限制购买家用轿车可大量减少尾气的排放，提倡使用电动车也能改善空气环境质量．故正确答案为B.
关于地球上“水能源”的叙述，下列说法不正确的是( )
A．水流能的源泉是太阳辐射能
B．水流能是可再生能源
C．水流能是无污染的能源
D．只有流动的水才是能源
解析：选D.地球上包括水力、风力和化石燃料等在内的所有能源均直接或间接地来自太阳能，故A正确；太阳能驱动地球上的水循环，使之持续进行，所以水流能是可再生能源，B正确；水流能是一种清洁无污染的能源，C正确；水可以直接被人类利用，所以并非只有流动的水才是能源，D错误．
市面上出售的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
解析：选A.电池板中太阳能转化为电能，小电动机中的电能转化为机械能．
二、多项选择题
下列说法正确的是( )
A．由于我国煤和石油的储量十分丰富，所以，太阳能和核能的开发在我国并不十分重要
B．能源的利用过程，实质上是能的转化和传递过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D．煤、石油和天然气的化学能归根结底来自太阳能
解析：选BCD.依据能源的利用特点及能源的状况去分析．我国的煤和石油尽管储量丰富，但终究有限，而且利用后不能再生，终会有用完的日子，所以开发和利用新能源是解决问题的根本出路．
下列能源中，既属于新能源，又属于可再生能源的是( )
A．太阳能 B．石油
C．天然气 D．沼气
解析：选AD.太阳能和生物质能(沼气)既属于新能源，又属于可再生能源．
关于能量和能源，下列说法正确的是( )
A．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
B．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少
C．能量耗散说明能量在转化过程中有方向性
D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
解析：选BC.能量在转移和转化过程中，除了总量保持不变之外，还应该遵循一定的方向性，比如机械能可以完全转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须要引起其他变化从而导致地球上有用的能源越来越少，所以我们要节约能源．
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：2H2O===2H2＋O2－517.6 kJ.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．天然气是一级能源 D．焦炉气是一级能源
解析：选AC.焦炉气是焦炉厂运作生产产生的衍生物质，故不是一级能源，天然气和水力都是自然界中现成的能源，是一级能源，B错误、C正确．显然电能是二级能源，A正确．
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，石油储藏将在百年内用尽，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BD.常规能源是有限的，用尽后不可能永续，这是能源短缺；环境恶化是指常规能源燃烧后排出的气体污染空气，使生态平衡被破坏等灾害现象，故只选B、D.
三、非选择题
太阳能照射在每平方米地面上的平均功率(昼夜平均值)是200 W，平均每个家庭消耗的电功率为1 000 W，若每块光电池的面积为0.5 m2，转化效率为20%，则每户家庭需多少块光电池，才能保证正常用电？
解析：每块电池转化的电功率
P0＝200×0.5×20% W＝20 W，每户家庭保证正常用电所需光电池的块数为n＝＝＝50.
答案：50
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)
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
由题意可知：发动机的功率P＝
整理得：Q＝
代入数据得：Q＝ m3＝300 m3.
答案：300 m3
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- 2 -第八节 能源的利用与开发
1.知道能源及其分类． 2.知道节约能源的意义． 3.了解合理开发新能源，解决能源危机．
一、能源及其分类
概念
在一定条件下能够提供可利用能量的物质资源，都可以称为能源．
分类
(1)煤、石油、天然气统称为化石能源．
(2)一次能源：直接取之于自然界，未经人类加工转换的能源，如煤、石油、天然气、水能、风能、生物能、海洋能等．一次能源按是否能够再生，分为可再生能源(水能、风能等)和不可再生能源(石油、煤等)．
二次能源：从一次能源直接或间接转化而来的能源．如：电能、氢能、焦炭等．
(1)煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能．( )
(2)汽油是一种一次能源．( )
(3)电能是一种二次能源．( )
(4)煤、石油等化石能源是取之不尽、用之不竭的．( )
提示：(1)√ (2)× (3)√ (4)×
二、能源危机与环境污染
我国能源消耗以煤为主，约占能源消费总量的75%，且能源使用效率低．随着我国经济的迅速增长和大众文化生活水平的提高，能源消耗量将急剧增加，能源的需求和供应的矛盾更为突出，能源短缺的现象更为严重．
能源的大量使用在给人类带来文明和繁荣的同时，也给人类的生存环境带来灾难．酸雨、温室效应、臭氧层的破坏、城市热岛效应、土壤酸性化、生态平衡的破坏等对人
类已不再陌生．这些又带来了海平面升高、暴雨和干旱增多等灾害，严重威胁着人类及各种生物的生存．
1．能源的利用给我们带来了哪些烦恼？
提示：大气污染、温室效应、水污染、电磁污染、交通阻塞、噪音等．
三、能源的开发
新能源
核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物能、氢能等．
新能源储量丰富、清洁而无污染，开发新能源，研究清洁能源是缓解当前能源危机及保护和改善人类生存环境的有效措施．
2．能源危机和能源的利用对环境所造成的污染已成为人类共同关注的世界性问题，你认为缓解当前能源危机及保护和改善人类生存环境的出路在哪里？
提示：(1)节能减排，提倡低碳生活；
(2)开发可替代煤、石油、天然气等常规能源的新能源；
(3)研究清洁能源等．
能源的利用与开发[学生用书P73]
未来的能源
目前，正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及聚变核能等．新能源多为可再生能源，且污染较小．新能源的开发是社会可持续发展的一个主要课题．
常规能源和新能源的转化方式
下列关于能源开发和利用的说法中正确的是( )
A．能源利用的过程是内能转化成机械能的过程
B．要合理开发和节约使用核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等常规能源
C．能源利用的过程是一种形式的能向其他形式的能转化的过程
D．无论是节约能源还是开发能源，我国都需要外国支援
[思路点拨] 解答本题时应把握以下两点：
(1)能源的利用有多种转化形式．
(2)明确什么是常规能源，什么是新能源．
[解析] 能源的利用过程实际上是一种形式的能向其他形式的能转化的过程，并不一定是单一的向机械能转化的过程，所以C正确，A错误；核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等属于新能源，而不是常规能源，故B错误；节约能源也好，开发能源也好，我国主要依靠自己，故D错误．
[答案] C
能源开发和利用过程中，既满足能量守恒定律，又存在能量的耗散．
(多选)关于能源的开发和利用，下列观点正确的是( )
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ACD.地球上的常规能源是有限的，不可再生的，故A正确；自然界中的总能量虽然守恒，但能量转化之后其品质下降，利用价值降低，从便于利用的变成不便于利用的了，故B错误；为了人类的可持续发展，第一要开发新能源，第二要减少环境污染，故C、D正确．
规范答题——用能量转化与守恒定律处理实际问题
风力发电作为一种无污染、成本低的电力产业，发展前景广阔．风力发电的原理是利用风推动叶轮转动，将风的动能转化为叶轮的动能，再将叶轮的动能转化为电能．
(1)设空气的密度为ρ，每个叶轮的长度为L，正对叶轮的水平风速为v，整个发电机的效率为η，那么每台发电机发出的电功率P为多大？
(2)我国研制的WD—646型风力发电机，每个叶轮L＝22 m，当风速达到15 m/s时，其输出电功率可达600 kW.求该风力发电机将风的动能转化为电能的总效率η.(空气的密度为1.29 kg/m3)
[解析] (1)将通过风力发电机的空气看成圆柱体，在时间t内通过风力发电机叶轮的空气质量
m＝ρSvt＝ρπL2vt，
这些空气的动能Ek＝mv2＝πρL2v3t
故电功率P＝＝πηρL2v3.
(2)由P＝πηρL2v3得风能转化为电能的总效率
η＝×100%
＝×100%≈18%.
[答案] (1)πηρL2v3 (2)18%
能量转化与守恒定律是处理不同形式的能量转化守恒的一个基本定律，获取题目信息，建立能量转化的模型，利用能量转化与守恒定律列方程是解题的基本方法．
[随堂达标][学生用书P74]
(多选)下列选项中是二次能源的是( )
A．太阳能 B．电能
C．氢能 D．焦炭
解析：选BCD.太阳能是一次能源，而电能、氢能、焦炭是从一次能源直接或间接转化来的能源，为二次能源，故选BCD.
风能和水能是下列哪一种能的间接形式( )
A．核能 B．电能
C．太阳能 D．地热能
解析：选C.地球上的绝大多数的能量都来自于太阳能，包括风能、水能等，故正确答案为C.
3．近年来，在公交车和出租车中推行用天然气代替汽油作燃料的改革，取得了显著的进展，走上街头你会发现不少公交车和出租车上印有“CNG”的标记，代表它们是以天然气为燃料的汽车，则推广这一改革的主要目的是( )
A．延长发动机的寿命 B．促进地方经济和西部发展
C．减少大气污染 D．节约能源
解析：选C.天然气虽然是化石燃料的一种，不是绿色能源．但是天然气与煤和石油相比，天然气有热值高、二氧化碳排放少的优势，因此，可以说，在化石燃料中，天然气是清洁燃料．但不能把天然气同绿色能源、清洁能源等同对待，混为一谈．
(多选)下列说法正确的是( )
A．根据能的转化和守恒定律，能量不会消失，因此不会出现能源危机
B．相对人类的历史来说，太阳能是取之不尽，用之不竭的
C．节约能源、开发新能源是解决能源危机的有效途径
D．风能是目前能源开发利用中较为理想的清洁能源
解析：选BCD.能量虽然不会消失，但能量的转化方式有方向性，从而在利用能源时会使能源或能量的品质越来越低，最后不能被我们所利用，故A的说法不正确，B、C、D均正确．
[课时作业][学生用书P123(单独成册)]
一、单项选择题
下列燃料中不属于化石燃料的是( )
A．煤 B．木柴
C．石油 D．天然气
解析：选B.煤、石油、天然气是埋在地下的动植物经过数亿年的地质演变而形成的，为化石能源，而木柴不是化石燃料，故选B.
消耗石油和煤炭给环境带来的主要问题是( )
A．运输过程中的泄漏 B．机械运动过程中的噪音
C．燃烧时消耗的氧气 D．燃烧时产生的二氧化碳
解析：选D.消耗石油和煤炭给环境带来的主要问题是燃烧时产生的二氧化碳，使地球的环境慢慢发生变化，D正确，A、B、C错误．
下列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、风能和氢能等新能源替代化石能源
C．鼓励私人购买家用轿车替代公交车
D．限制使用电动车
解析：选B.现代生活使用的煤、石油、天然气等常规能源，对空气环境的污染越来越严重，而利用太阳能、风能、氢能等新能源则可以改善空气质量．此外，限制购买家用轿车可大量减少尾气的排放，提倡使用电动车也能改善空气环境质量．故正确答案为B.
关于地球上“水能源”的叙述，下列说法不正确的是( )
A．水流能的源泉是太阳辐射能
B．水流能是可再生能源
C．水流能是无污染的能源
D．只有流动的水才是能源
解析：选D.地球上包括水力、风力和化石燃料等在内的所有能源均直接或间接地来自太阳能，故A正确；太阳能驱动地球上的水循环，使之持续进行，所以水流能是可再生能源，B正确；水流能是一种清洁无污染的能源，C正确；水可以直接被人类利用，所以并非只有流动的水才是能源，D错误．
市面上出售的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
解析：选A.电池板中太阳能转化为电能，小电动机中的电能转化为机械能．
二、多项选择题
下列说法正确的是( )
A．由于我国煤和石油的储量十分丰富，所以，太阳能和核能的开发在我国并不十分重要
B．能源的利用过程，实质上是能的转化和传递过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D．煤、石油和天然气的化学能归根结底来自太阳能
解析：选BCD.依据能源的利用特点及能源的状况去分析．我国的煤和石油尽管储量丰富，但终究有限，而且利用后不能再生，终会有用完的日子，所以开发和利用新能源是解决问题的根本出路．
下列能源中，既属于新能源，又属于可再生能源的是( )
A．太阳能 B．石油
C．天然气 D．沼气
解析：选AD.太阳能和生物质能(沼气)既属于新能源，又属于可再生能源．
关于能量和能源，下列说法正确的是( )
A．由于自然界的能量守恒，所以不需要节约能源
B．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少
C．能量耗散说明能量在转化过程中有方向性
D．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
解析：选BC.能量在转移和转化过程中，除了总量保持不变之外，还应该遵循一定的方向性，比如机械能可以完全转化为内能，而内能要全部转化为机械能必须要引起其他变化从而导致地球上有用的能源越来越少，所以我们要节约能源．
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：2H2O===2H2＋O2－517.6 kJ.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．天然气是一级能源 D．焦炉气是一级能源
解析：选AC.焦炉气是焦炉厂运作生产产生的衍生物质，故不是一级能源，天然气和水力都是自然界中现成的能源，是一级能源，B错误、C正确．显然电能是二级能源，A正确．
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，石油储藏将在百年内用尽，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BD.常规能源是有限的，用尽后不可能永续，这是能源短缺；环境恶化是指常规能源燃烧后排出的气体污染空气，使生态平衡被破坏等灾害现象，故只选B、D.
三、非选择题
太阳能照射在每平方米地面上的平均功率(昼夜平均值)是200 W，平均每个家庭消耗的电功率为1 000 W，若每块光电池的面积为0.5 m2，转化效率为20%，则每户家庭需多少块光电池，才能保证正常用电？
解析：每块电池转化的电功率
P0＝200×0.5×20% W＝20 W，每户家庭保证正常用电所需光电池的块数为n＝＝＝50.
答案：50
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)
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
由题意可知：发动机的功率P＝
整理得：Q＝
代入数据得：Q＝ m3＝300 m3.
答案：300 m3
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