第十二章　4.能源与可持续发展—2020-2021学年新教材人教版（2019）高中物理必修三课件（34张PPT）

4.能源与可持续发展
必备知识
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一、能量守恒定律
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,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。
二、能量转移或转化的方向性
1.一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
2.能量的耗散:其他形式的能转化为内能后很难再重复利用,这种现象叫作能量的耗散。
3.能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。
必备知识
自我检测
三、能源的分类与应用
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、地热能、海洋能、核能
必备知识
自我检测
能源分
类方法
能源分
类名称
特点
举例
按可否
再生分
可再生能源
可循环使用
水能、风能、潮汐能
不可再生能源
短期内无法转换获得
煤、石油、天然气
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)
必备知识
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四、能源与社会发展
1.人类对能源的利用大致经历了三个时期,即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。自工业革命以来,煤和石油成为人类的主要能源。
2.能源短缺和过度使用化石能源带来的环境恶化已成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。
3.人类与能源的关系
(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,人类的生存与发展需要能源。
(2)不利方面:能源的开发与使用会对环境造成影响,如大气污染、温室效应、酸雨等,对人类造成很大的危害。
必备知识
自我检测
1.正误判断。
(1)由能量守恒定律知,能量是取之不尽用之不竭的,不必要节约能源。(　　)
答案:×
(2)热量可以自发地由高温物体传向低温物体,也可以自发地从低温物体传向高温物体。(　　)
答案:×
(3)核能的利用对环境的影响比煤炭和石油大。(　　)
答案:×
(4)煤、石油、天然气属于不可再生能源。(　　)
答案:√
(5)能量不能创造,不能再生,能量只能进行转化或转移,但能量间的转化或转移具有方向性。(　　)
答案:√
必备知识
自我检测
2.下列对能量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,说明能量消失了
解析: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大;某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加,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。
答案:D
探究一
探究二
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对能量守恒定律的理解
情境导引
有人发明了一种“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?
探究一
探究二
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要点提示: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摩擦力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,必须给电动车补充新的能量。
探究一
探究二
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知识归纳
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.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。
探究一
探究二
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实例引导
例1风能是一种很好的再生能源,而且对环境的污染较小,近年来我国在西北地区建立了许多风力发电厂。如图所示为风力发电的情形。已知:空气的密度为ρ,风轮机叶片的长度为r,若风速为v0,每台风力发电机输出电功率为P,风能就是空气定向流动的动能,通过风轮机叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。求此过程中:
(1)每台风力发电机获得的可利用风能的功率表达式;
(2)风力发电机利用风能的效率表达式。
探究一
探究二
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探究一
探究二
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规律方法 利用能量守恒定律解题的基本思路
(1)分清有哪几种形式的能(如机械能、内能等)在变化。
(2)分别列出减少的能量ΔE减和增加的能量ΔE增的表达式。
(3)列等式ΔE减=ΔE增求解。
探究一
探究二
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变式训练1瀑布从20 m高处以103 m3/s的流量竖直落下,流进底部的水轮机后再以2 m/s的速度流出,水轮机再带动发电机发电。如果水的机械能转化为电能的效率是80%,那么发电机发出的电功率有多大?(瀑布在山顶的速度可忽略不计,g取10 m/s2,水的密度为1×103 kg/m3)
探究一
探究二
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答案:1.58×108 W
探究一
探究二
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能源和可持续发展
情境导引
说明下列能源利用方式中的能量转化过程是怎样的?
(1)水力发电;
(2)电动水泵抽水;
(3)柴油机牵引列车前进;
(4)火箭发射人造卫星。
要点提示:(1)水力发电是将水的机械能转化为电能。(2)电动水泵抽水是将电能转化为水的机械能。(3)柴油机牵引列车前进是将柴油的化学能先转化为内能,再转化为列车的机械能。(4)火箭发射人造卫星是将燃料的化学能转化为卫星的机械能。
探究一
探究二
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知识归纳
1.对“能量耗散和品质降低” 的理解
(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。
探究一
探究二
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2.能源的分类
按可否再生分为可再生能源与不可再生能源。
(1)不可再生能源:无法在短时间内再生,例如煤、石油、天然气。
(2)可再生能源:在自然界可以再生,例如水能、风能、潮汐能、生物能、地热能等。
探究一
探究二
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3.能源的开发与利用关系图
探究一
探究二
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实例引导
例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被人类利用
C.各种形式的能量都可以转化为内能
D.能量耗散导致能量品质降低
解析: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;耗散的内能很难再被利用,选项B正确;各种形式的能在一定的条件下可以全部转化为内能,选项C正确。故选B、C、D。
答案:BCD
探究一
探究二
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规律方法 能量耗散不仅遵循能量守恒定律,而且从能量的角度反映出自然界与热现象有关的宏观过程具有方向性。
探究一
探究二
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变式训练2(多选)下面关于能源的说法正确的是(　　)
A.一切能源都是取之不尽、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:尽管能量守恒,但耗散的内能很难重新收集利用,所以能源是有限的,特别是常规能源,A错误,B正确;常规能源的利用比核能等新能源的利用对环境的影响大,C正确,D错误。
答案:BC
探究一
探究二
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1.(对能量耗散的理解)下列说法正确的是(　　)
A.能量耗散说明能量在不断减少
B.能量耗散从能量转化角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
C.热量不可能从低温物体传给高温物体
D.在火力发电机中,燃气的内能会全部转化为电能
解析:能量耗散是指能量的可利用率越来越低,由于能量守恒,故能量不会减少,选项A错误;与热现象有关的宏观自然过程有其方向性,能量耗散就是从能量的角度反映了这种方向性,选项B正确;能量转化和转移具有方向性,热量不能自发地从低温物体传给高温物体,但可以借助其他办法实现,选项C错误;火力发电机发电时,能量转化的过程为化学能—内能—机械能—电能,因为内能—机械能的转化过程中会对外放出热量,故燃气的内能不会全部变为电能,选项D错误。
答案:B
探究一
探究二
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2.(多选)(对能源的认识)下列关于能源的说法正确的是(　　)
A.石油、天然气都属于新能源
B.能量耗散不遵循能量守恒定律
C.能量耗散会导致能量品质降低
D.为了可持续发展,必须节约能源
解析:石油、天然气属于常规能源,A项错误;能量耗散同样遵循能量守恒定律,但能量耗散导致能量品质降低,B项错误,C项正确;因可用能源正在减少,故为了可持续发展,必须节约能源,D项正确。
答案:CD
探究一
探究二
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3.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:太阳能电池板把太阳能转化为电能,小电动机把电能转化为机械能,故A正确,B、C、D错误。
答案:A
探究一
探究二
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4.(多选)煤是重要的能源和化工原料,直接燃烧既浪费资源又污染环境。最近,某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”,让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%),把煤“吃干榨尽”。下列有关说法正确的是(　　)
A.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化
B.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化
C.该技术实现了煤的清洁利用
D.该技术实现了煤的高效利用
解析:煤粉加压气化制备合成气中既有物理变化,又有化学变化,A正确,B错误;该技术使煤得以良好利用又环保,C、D正确。
答案:ACD
探究一
探究二
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5.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.用太阳灶供热
解析: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,使得废气中含有粉尘、一氧化碳、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,故应选D。
答案:D
探究一
探究二
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6.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CO2浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升,使全球气候变暖。
(1)这种大气中以CO2为主的气体产生的效应称为(　　)
A.光热效应 B.光电效应
C.光气效应 D.温室效应
(2)导致大气中CO2浓度增加的主要原因是(　　)
A.大量植物和生物物种灭绝
B.大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧
C.人口剧增,呼出的二氧化碳增多
D.自然因素破坏了地球环境生态平衡
探究一
探究二
随堂检测
(3)(多选)为了减缓大气中CO2浓度的增加,可以采取的措施有(　　)
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
探究一
探究二
随堂检测
解析:(1)CO2气体将导致气温上升,因而称为温室效应。(2)致使CO2浓度增加的主要原因是大量燃烧煤、石油、天然气等燃料。(3)为了减缓CO2气体的浓度可以进行植树造林,利用光合作用,减少大气中的CO2气体,同时开发新能源,减少石油、煤、天然气的使用,从而减少CO2气体的排放。
答案:(1)D　(2)B　(3)BD
探究一
探究二
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7.下面是晓阳同学在题为《能源利用和节约能源》的研究性学习中收集到的有关太阳能的资料:太阳能是人类最基本的能源,它无污染、无费用,这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长,当太阳光照射地面时,在1 m2地面上1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103 J。太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置,目前已经广泛地出现在我们的生活中。
晓阳同学在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告:
容积(V)　100 L
集热管的采光面积(S)　1.5 m2
效率(η)　40%
使用年限(z)　15年
探究一
探究二
随堂检测
(1)晓阳同学家每天大约需要100 kg热水,用这种热水器将这些水从25 ℃加热到45 ℃需要多长时间?[水的比热容c=4.2×103 J/(kg·℃)]
(2)与效率为80%的电热水器相比,晓阳同学家每天节约多少电能?
探究一
探究二
随堂检测
解析:(1)设T为光照时间,k=1.0×103 J/(s·m2),Q吸=cm(t-t0)
=4.2×103×100×20 J=8.4×106 J,太阳能热水器传给水的热量Q吸=kSTη,所以:
答案:(1)1.4×104 s　(2)1.05×107 J