粤教版（2019）高中物理 必修第三册 第5章 第2节　能源的利用方式 第3节　能量的转化与守恒 第4节　能源与环境学案

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：1.[科学态度与责任]知道能源的利用方式。　2.[科学态度与责任]理解能量守恒定律。　3.[科学态度与责任]理解能源、环境与人类生存的关系。　4.[科学态度与责任]知道能源的开发和利用对环境造成的污染。
一、能源的利用方式
1．水能：是一种能源，是指水体的动能、势能和压力能等能源资源。主要用于水力发电。水能资源最显著的特点是可再生、无污染。
2．风能：是因空气流动而提供给人类的一种可利用的能量。风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，把风的动能转变为风车叶片的机械能。风能是一种清洁、安全、可再生的绿色能源。
3．太阳能：主要是有太阳能的光热转换、光电转换和光化学转换。利用太阳能发电可省去费用庞大的输电设备，随着太阳能电池转换效率的提高及制作成本的降低，前景非常诱人。
4．核能：是一种储存在原子核内部的能量，原子核发生核反应时，会释放巨大的能量。目前核能主要用于发电。
二、能量的转化与守恒
1．各式各样的能量：自然界上存在不同形式的能量，有机械能、内能、电能、电磁能、核能、化学能。
2．能量的转化和转移：能量的存在形式多种多样，不同形式的能量可以相互转化。
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；在转化和转移过程中其总量不变。
4．能量转化(转移)的方向性：热传导过程是有方向性的，热量从高温物体向低温物体的热传导过程是能自发进行的，而其相反方向的过程是不能自发进行的。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，但不违反能量守恒定律。
三、能源与环境
1．能源的分类：按能源的基本形态分类，有一次能源和二次能源；根据消耗后是否造成污染分污染型能源和清洁能源；根据能源使用类型有常规能源和新型能源等。
2．能源与环境：对大气环境的影响，对生态环境的影响，对居住环境的影响。
1．正误判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)煤、石油等常规能源是取之不尽用之不竭的。 (×)
(2)太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了温室效应。 (×)
(3)热量不可能从低温物体传到高温物体。 (×)
(4)石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了。 (×)
(5)用太阳灶烧水是太阳能转化为内能。 (√)
2．我国新疆塔里木盆地蕴藏着丰富的石油资源，石油属于(　　)
A．可再生能源
B．二次能源
C．常规能源
D．来自地球内部的能量
C　[我国新疆塔里木盆地蕴藏着丰富的石油资源，石油属于常规能源。]
3．人类使用的普通能源，如煤、石油、天然气，其根本来源是(　　)
A．太阳能　　 B．地球本身的能
C．内能 D．机械能
A　[远古时期陆地和海洋的植物通过光合作用，将太阳能转化为生物质能，它们死后身体埋藏在地下和海底腐烂，多年之后形成化石能源；如煤、石油、天然气，其根本来源是太阳能。]
能源的分类、特点及与人类社会发展、环境的关系
煤、石油和天然气的全球探明储量：煤约10万亿吨、石油约816亿吨、天然气约495亿吨。按照目前的消耗量，石油、天然气大约可再使用50年；煤炭大约可使用240年。所以我们需要开发新能源，你知道有哪些新能源吗？
提示：太阳能、风能、核能、生物质能等。
1．能源的分类及特点
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
按形成或转换特点分 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、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、水能
按可否再生分 可再生能源 可循环使用、不断补充 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
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、石油、天然气)
2.能源的重要性：能源是社会存在与发展永远不可或缺的必需品，是国民经济运行的物质基础，它与材料、信息构成现代社会的三大支柱。
3．目前的任务是采用环境能源技术，解决突出的环境污染问题，例如：城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；汽车尾气问题，达到废气“零排放”；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等，要变废为宝。
【例1】　(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已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B、D；题中A、C两项措施虽然有效，但并不可行。]

人们的生活离不开常规能源，但常规能源的利用对生态环境又带来了很大危害，如CO2的排放造成温室效应，开发新能源是目前改善环境的有效手段。
1．下列供热方式最有利于环境保护的是(　　)
A．用煤做燃料供热
B．用石油做燃料供热
C．用天然气或煤气做燃料供热
D．用太阳能供热
D　[煤、石油、天然气等燃料的利用，使人类获得大量的内能。但由于这些燃料中含有杂质以及燃烧的不充分，使得废气中含粉尘、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等物质，污染了大气。而太阳能是一种无污染的能源，应大力推广，故D正确。]
能量守恒定律
自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，是不是说明能量越来越小？
提示：不是。自由摆动的秋千摆动幅度越来越小，说明机械能在减少，而减少的机械能通过摩擦转化成了内能，系统的总能量是守恒的。
1．能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现。
2．各种形式的能在转化或转移过程中总能量守恒无须任何条件，而某种或几种形式能的守恒是有条件的。例如，系统(物体)机械能的守恒条件是只有重力做功。
3．某种形式能的减少，一定伴随着其他形式能的增加，且减少量和增加量一定相等。
4．某个物体能量的减少，一定伴随着其他物体能量的增加，且减少量和增加量一定相等。
5．能量守恒定律的发现，使人们进一步认识到，任何一部机器，只要对外做功，就要消耗能量，都只能使能量从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而不能无中生有地创造能量。不消耗能量，却可以源源不断地对外做功的机器(第一类永动机)是不可能制成的。
【例2】　如图所示，一演示用的“永动机”转轮由五根轻杆和转轴构成，轻杆的末端装有用形状记忆合金制成的叶片。轻推转轮后，进入热水的叶片因伸展而“划水”，推动转轮转动。离开热水后，叶片形状迅速恢复，转轮因此能较长时间转动。下列说法正确的是(　　)
A．转轮依靠自身惯性转动，不需要消耗外界能量
B．转轮转动所需能量来自形状记忆合金自身
C．转动的叶片不断搅动热水，水温升高
D．叶片在热水中吸收的热量一定大于在空气中释放的热量
D　[该永动机叶片进入水中，吸收热量而伸展划水，推动转轮转动，因此转动的原因是内能转化为机械能，不是惯性所致，A错，B错；离开水面后向空气中放热，叶片形状迅速恢复，所以转动的能量来自热水，由于不断向空气释放热量，所以水温逐渐降低，C错；根据能量守恒定律，叶片在热水中吸收的能量应等于叶片的机械能与叶片向空中释放的能量之和，故D对。]
在利用能量转化与守恒定律解题时，一定要明确过程中哪些能量在转化或转移，确定好初末状态的能量E初、E末或确定能量的变化ΔE增、ΔE减各为多少，再由E初＝E末或ΔE增＝ΔE减列式求解。
2．汽车关闭发动机后，沿斜面匀速下滑的过程中(　　)
A．汽车的机械能守恒
B．汽车的动能和势能相互转化
C．汽车的机械能转化成内能，汽车的总能量减少
D．汽车的机械能逐渐转化为内能，汽车的总能量守恒
C　[汽车能匀速下滑，一定受阻力作用，克服阻力做功，机械能转化为内能，一部分内能散发出去，汽车的总能量减少。]
1．作为新型燃料，从环保的角度来看，氢气具有的突出特点是(　　)
A．氢气存在自然界里　　 B．氢气轻且便于携带
C．氢气燃烧污染较小 D．氢气燃烧发热量高
C　[氢气燃烧生成物是水，所以对环境污染较小，A、B、D错误，C正确。]
2．(多选)关于能源的开发和节约，你认为以下观点正确的是(　　)
A．能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为
B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭实在是一种杞人忧天的表现
C．能源的开发利用，必须要同时考虑对环境的影响
D．和平利用核能是目前开发新能源的一项有效途径
ACD　[能源是有限的，无节制地利用常规能源，如石油之类，是一种盲目的短期行为，选项A正确；能量都转化为不能利用或不易利用的能源，所以这样会减少可利用资源的数量，因此应该节约能源，所以B项错误；能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响，所以C项正确；和平利用核能是目前开发新能源的一项有效途径，选项D正确。]
3．据报道，2011年5月13日，世界上最大的太阳能飞机首次实现跨国飞行，它长达63.4 m的机翼上覆盖着太阳能电池板。下列说法正确的是(　　)
A．太阳能可以转化为电能
B．太阳能不可以转化为电能
C．太阳能的利用，说明能量可以消灭
D．太阳能的利用，说明能量可以创生
A　[太阳能电池工作时，将太阳能转化为电能，在用于其它途径，过程中能量是守恒的，没有消失，太阳能的利用，只能说明能是可以转换的，BCD错误，A正确。]
4．太阳表面温度高达6 000 ℃，内部不断进行核聚变反应，并且以辐射方式向宇宙空间发射出巨大的能量。据估计，每三天太阳向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能量的总和。太阳能通过四个渠道被人类利用(转化和储存)，这四个渠道是：①被植物、微生物吸收；②使大气和水升腾循环；③被海洋吸收；④被直接利用。你认为以下能源中不是由太阳能转化的是(　　)
A．煤 B．石油
C．天然气 D．核能
D　[煤、石油、天然气均属于石化能源，来源于太阳能，核能不是来自太阳能，而是来自原子核。]