高中物理第6章能源与可持续发展1_2能量的多种形式能量的转化与守恒学案

第2节　能量的转化与守恒
新
课
程
标
准
学
业
质
量
目
标
1.了解利用水能、风能、太阳能和核能的方式。初步了解核裂变与核聚变。2.了解可再生能源和不可再生能源的分类。3.知道不同形式的能量可互相转化,在转化过程中能量总量保持不变,能量转化是有方向性的。4.认识能源的过度开发和利用对环境的影响。
合格性考试
1.了解能量的多种形式,能在实际问题中解决有关问题。2.了解可再生能源与不可再生能源的分类方式,具有节约能源、保护环境的行为。3.了解能量守恒定律,知道能量的转化与转移。
选择性考试
1.知道能量的多种形式,综合应用所学的物理知识解决实际问题。2.能对能源的使用和环境保护问题构建模型,进行研究,具有节约能源、保护环境的责任感。3.理解能量守恒定律,能用能量守恒定律分析相关事实或结论。
必备知识·自主学习
一、能量的多种形式
如图所示是贵州第一胜景——黄果树大瀑布,中国第一大瀑布,也是世界上最阔大壮观的瀑布之一。瀑布中的水具有哪几种机械能?
提示:瀑布中流动的水同时具有重力势能和动能。
1.机械能:包括动能、重力势能、弹性势能。
2.内能:一切物体都有内能,同一物体温度越高,具有的内能越大。
3.电能:指电以各种形式做功的能力。
4.光能:光具有的能量。
5.化学能:储存在食物或燃料等物质中的能量。
6.核能:物质的原子核结构发生变化而释放的能量。
二、可再生能源与不可再生能源
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,未经过加工转换的能源。
(2)二次能源:由一次能源加工转化而成的能源。
2.再生能源:在自然界可循环再生的能源。
3.不可再生能源:自然界中短期内无法再生的能源。
4.光转化为能:光电转换、光热转换和光化学能转换。
5.发电方式:风能发电、地热发电、海洋能发电、生物发电、核能发电、氢燃烧发电等。
三、能量的转化与能量的守恒
如图所示,下列运动中能量是如何转化的?
提示:瀑布中水的重力势能转化成动能;弓箭的弹性势能转化为动能;滑滑梯的小朋友的重力势能转化为动能。
1.能量守恒定律:在一个孤立系统里,能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,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其他物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。
2.第一类永动机:不需要任何动力或燃料就能不停运动的机器。
3.下列叙述正确的是①②
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。
(1)冬天烤火的时候,人们燃烧煤等燃料获得内能。
(√)
(2)流动的河水、被举高的重物、被压缩的弹簧、高温高压气体……都能对外做功,因此都具有能量。
(√)
(3)运转的发电机产生电能,它是一次能源。
(×)
(4)风能、水能都是可再生能源。
(√)
(5)自然界中的任何变化过程都满足能量守恒。
(√)
(6)技术足够发达后,永动机就可以制成。
(×)
关键能力·合作学习
知识点一　能源的类型与应用
1.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化而成
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、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
按可否再生分
可再生能源
可循环再生
水能、风能、生物质能、地热能
不可再生能源
短期内无法转化获得
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)
　提醒:同一种能源按照不同的分类方式属于不同的类别。
2.常规能源和新能源的转化途径:
提醒:不同形式的能量可以转化为同一种形式的能量,某种能量通过不同的方式可以转化为多种不同形式的能量。
能源的开发和利用存在哪些有利与不利?
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】(多选)下列关于能源的说法正确的是
(　　)
A.一切能源是取之不尽,用之不竭的
B.能源是有限的,特别是常规能源,如煤、石油、天然气等
C.大量消耗常规能源会使环境恶化,故提倡开发利用新能源
D.核能的利用对环境的影响比燃烧石油、煤炭大
【解析】选B、C。尽管能量守恒,但耗散的内能无法重新收集利用,所以能源是有限的,特别是常规能源,选项A错误,B正确;常规能源的利用比核能的利用对环境的影响大,选项C正确,D错误。
1.下列物质是能源的是
(　　)
【解析】选C。铁块不能直接给人类生活提供能量,选项A错误;花岗岩不能向自然界提供能量,选项B错误;人类可以利用太阳能发电、取热,为人类生活提供能量,选项C正确;沙漠中的沙不能直接给人类生活提供能量,选项D错误。
2.关于能的概念,下列说法正确的是
(　　)
A.用线悬挂着的物体,它没有做功,它不具有机械能
B.在空中飞行的子弹,因为它能做功,所以它具有机械能
C.甲物体的运动速度比乙物体的大,则甲物体的动能一定比乙物体的大
D.甲物体的高度比乙物体的高度大,则甲物体的势能一定比乙物体的大
【解析】选B。用线悬挂着的物体,由于被举高而具有做功的本领,它具有重力势能;重力势能的大小是由物体的质量和高度共同决定的,被举得越高的物体具有的重力势能不一定越大;物体动能的大小是由物体的质量和速度大小共同决定的,速度大的物体动能不一定大,故选项B正确,A、C、D错误。
【加固训练】
(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。
知识点二　能量的转化与守恒
1.能量守恒定律的重要意义:
(1)能量守恒定律是普遍适用的,对宏观世界与微观世界、高速运动与低速运动等都成立。
(2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系,对人类认识自然、改造自然起着重要的指导作用。
(3)能量守恒定律彻底否定了第一类永动机的存在,即不需要任何动力和燃料,却能不断对外做功的机械是不可能存在的。
2.能量转化或转移的判断:
3.表达式:
(1)E初=E末,初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和。
(2)ΔE增=ΔE减,能量的增加量等于能量的减少量。
近几年流行一种“自发电电动车”(如图所示),基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处,车轮转动时,带动发电机运转,发出的电又继续供给电动车,你认为仅靠这种方式,电动车能持续运动下去吗?
提示:仅靠这种方式,不能使电动车持续运动下去。因为靠这种方式,只能将电动车的一部分能量收集起来,但电动车运动时受到的阻力做负功,不断把电动车的机械能转化为内能,根据能量守恒定律,要想使电动车持续运动下去,必须不断地给电动车补充新的能量,如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电。
【典例】关于下列现象中的能量转化的说法正确的是
(　　)
A.在水平公路上行驶的汽车,发动机熄火之后,速度越来越小,最后停止,是机械能转化为内能
B.电风扇通电后开始转动,断电后转动着的风扇又慢慢停下来,是电能转化为机械能
C.火药爆炸产生燃气,子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去,射穿一块钢板,速度减小,是化学能转化为内能
D.用柴油机带动发电机发电,供给电动水泵抽水,把水从低处抽到高处,是电能转化为机械能
【解析】选A。在水平公路上行驶的汽车,发动机熄火之后,速度越来越小,最后停止,这一过程中,汽车所受的阻力做负功,机械能转化为内能,选项A正确;电风扇通电后开始转动,电流做功,电能转化为机械能,有一部分转化为内能;断电后转动着的风扇又慢慢停下来,阻力做负功,机械能转化为内能,选项B错误;火药爆炸产生燃气,化学能转化为内能;子弹在燃气的推动下从枪膛发射出去,推力做功,内能转化为机械能;子弹射穿一块钢板,速度减小,阻力做负功,机械能转化为内能,选项C错误;柴油的化学能转化为柴油机的机械能,再转化为发电机的电能,电能又通过电动水泵转化为水泵的机械能,选项D错误。
能量转化与守恒的应用步骤
(1)明确研究对象及研究过程。
(2)明确该过程中,哪些形式的能量在变化。
(3)确定参与转化的能量中,哪些能量增加,哪些能量减少。
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)。
1.韩晓鹏是我国首位在冬奥会雪上项目夺冠的运动员。他在一次自由式滑雪空中技巧比赛中沿“助滑区”保持同一姿态下滑了一段距离,重力对他做功1
900
J,他克服阻力做功100
J。韩晓鹏在此过程中
(　　)
A.动能增加了1
900
J
B.动能增加了2
000
J
C.重力势能减小了1
900
J
D.重力势能减小了2
000
J
【解析】选C。根据动能定理,合外力做的功等于物体动能的变化量,重力对他做功1
900
J,他克服阻力做功100
J,即阻力对他做功为-100
J,则外力对他所做的总功为1
900
J-100
J=1
800
J,是正功,他的动能增加了1
800
J,A、B错误;重力做的功等于重力势能的减少量,重力对他做功为1
900
J,是正功,则重力势能减小了1
900
J,C正确,D错误。
2.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。
【加固训练】
下列对能量转化和守恒定律的认识错误的是
(　　)
A.某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加
B.某个物体的能减少,必然有其他物体的能增加
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
【解析】选D。根据能量守恒定律得知,某种形式的能减少,其他形式的能一定增加;某个物体的能减少,必然有其他物体的能增加,A、B正确;不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机,违反了能量转化和守恒定律,不可能制成,C正确;石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能,能量并没有消失,故D错误。
3.(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。
【拓展例题】考查内容:节约能源的措施
【典例】节约能源的主要措施是
(　　)
A.大力开发新能源
B.大量利用太阳能、地热能
C.大量利用风能、水能
D.采用新技术、新设备,更新改造落后的技术设备
【解析】选D。在能源的利用中,虽然能量守恒,但可以有效利用的能量只占其中一部分,另外的一部分未被利用而散失了。因此,提高能源的利用率,节约能源是一个关系国民经济发展的重大问题,而提高能源利用率,节约能源,离不开科学技术的进步。采用新技术、新设备,更新改造落后的技术设备将是节能的主要措施。故选项D正确,A、B、C错误。
情境·模型·素养
　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。
探究:
(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?并说明理由。
(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对全球造成危害。
(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
如图所示是位于中国湖北省宜昌市三斗坪镇境内的三峡大坝,三峡大坝年发电量超过1
000亿千瓦时,是当今世界上最大的水利发电工程。
探究:
(1)三峡大坝发电过程中涉及哪些能量转化?
(2)能将水的全部动能转化为电能吗?
【解析】(1)涉及的能量转化有水的重力势能转化为水的动能,水的动能转化为电能,发电机转动过程中还将部分动能转化为内能。
(2)在发电过程中会将部分动能转化为内能,因此不能全部转化为电能。
答案:见解析
课堂检测·素养达标
1.(教材二次开发·P162【节练习】T1变式)如图所示,撑竿跳高是运动会中常见的比赛项目,用于撑起运动员的竿要求具有很好的弹性。关于运动员从竿触地开始到竿竖直的过程中,下列说法正确的是(　　)
A.竿的弹性势能一直增大
B.竿的弹性势能先增大后减小
C.运动员的重力势能先增大后减小
D.以上说法均错误
【解析】选B。在上升过程中,竿先在运动员的压力作用下由直变弯,动能转化为竿的弹性势能,然后竿再由弯变直,弹性势能又转化为重力势能,所以竿的弹性势能先增大后减小;运动员的高度不断上升,重力势能一直增大,故选项B正确,A、C、D错误。
2.下列关于能量转化的说法中正确的是
(　　)
A.电灯主要是将电能转化为机械能
B.电风扇主要是将电能转化为化学能
C.电热水器主要是将电能转化为机械能
D.太阳能热水器主要是将太阳能转化为内能
【解析】选D。电灯工作时,将电能转化为内能,故A错误;电风扇工作时,消耗电能,主要将电能转化为机械能,故B错误;电热水器工作时,将电能转化为内能,故C错误;太阳能热水器工作时,将太阳能转化为内能,故D正确。
3.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。
4.如图所示,一小孩从公园中粗糙的滑梯上自由加速下滑,其能量的变化情况是
(　　)
A.重力势能减小,动能不变,机械能减小,总能量减小
B.重力势能减小,动能增加,机械能减小,总能量不变
C.重力势能减小,动能增加,机械能增加,总能量增加
D.重力势能减小,动能增加,机械能守恒,总能量不变
【解析】选B。由能量守恒定律可知,小孩在下滑过程中总能量守恒,故A、C错误;由于摩擦力要做负功,机械能不守恒,故D错误;下滑过程中重力势能向动能和内能转化,故B正确。
【加固训练】
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。
5.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
PAGE