5.2-4 能源的利用方式　能量的转化与守恒　能源与环境 导学案 Word版含答案

第二、三、四节　能源的利用方式　能量的转化与守恒　能源与环境
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)水能：是一种能源，是指水体的动能、势能和压力能等能量资源，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：对太阳能的利用主要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。
2．判一判
(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。(×)
3．选一选
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
解析：选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。
1．填一填
(1)各式各样的能量：自然界中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，但都不违反能量守恒定律。
2．判一判
(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)，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？
提示：发热；机械能转化为内能；有。
1．填一填
(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；根据能源消耗后是否造成环境污染，可分为污染型能源和清洁型能源；根据能源使用的类型，可分为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。
2．判一判
(1)电能是指电以各种形式做功的能力。(√)
(2)煤、石油、天然气都是可再生能源。(×)
(3)核能的利用可以缓解能源危机。(√)
3．选一选
以下说法正确的是(　　)
A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
B．汽油是一种清洁能源
C．水能是不可再生能源
D．煤、石油等常规能源是取之不尽用之不竭的
解析：选A　煤、石油、天然气等是动植物转化成的，其来源可追溯到太阳能，选项A对；汽油燃烧会产生一些有毒气体，选项B错；水能是可再生能源，选项C错；煤、石油等储量是有限的，是不可再生能源，选项D错。
　　
[选自鲁科版新教材“物理聊吧”]
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。
提示：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。　　　　
[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。
[多选]从光滑斜面上滚下的物体，最后停止在粗糙的水平面上，下列说法正确的是(　　)
A．在斜面上滚动时，只有动能和势能的相互转化
B．在斜面上滚动时，有部分势能转化为内能
C．在水平面上滚动时，总能量正在消失
D．在水平面上滚动时，机械能转化为内能，总能量守恒
[解析]　在斜面上滚动时，只有重力做功，只发生动能和势能的相互转化；在水平面上滚动时，有摩擦力做功，机械能转化为内能，总能量是守恒的。
[答案]　AD
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：选AD　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。
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：选A　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。
　　
[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
按使用 类型分 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
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)
能源短缺和环境恶化指的是(　　)
①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的，这叫能源短缺。
②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。
③煤炭和石油具有很大的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚集在空气中污染空气，使环境恶化。
④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，改变了大气成分，使环境恶化。
A．①③　　　　　　　 B．①④
C．②③ D．②④
[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；化石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]
1．关于能源的利用，下列说法中不正确的是(　　)
A．由于我国煤炭和石油的储量无限，所以太阳能和核能的开发在我国根本没有必要
B．能源的利用过程，实质是能量的转化和转移过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤炭、石油和天然气
D．煤炭、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能
解析：选A　石油、煤炭等为非再生的能源，储量有限，能源的利用中虽然总量不变，但品质降低，可再利用能源越来越少，所以新能源的开发和利用是当今世界各国面临的课题，A错，B、C、D对。
2．[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：选BCD　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。
3．[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：选BC　“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。
一、培养创新意识和创新思维
1.如图所示是一种太阳能草坪节能灯，太阳能电池板供一盏“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 h得到的太阳辐射能为0.4×106 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 h。求：
(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；
(3)太阳能节能灯利用太阳能的效率。
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功率：
P＝ W≈370.4 W。
(3)太阳能节能灯效率：
η＝×100%≈10%。
答案：(1)见解析　(2)370.4 W　(3)10%
二、注重学以致用和思维建模
2．市面上出售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，小电动机中电能转化为机械能。
3．[选自鲁科版新教材课后习题]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。