12.4 能源与可持续发展 讲义—2020-2021学年【新教材】人教版（2019）高中物理必修第三册word版含答案

第十二章电能
能量守恒定律
第4节能源与可持续发展
【素养目标】
理解能量守恒定律的内容
掌握能量转移或转化的方向性
了解能量的分类与应用
【必备知识】
知识点一、能量守恒定律
(1)内容: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。
(2)表达式:=。
知识点二、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，即一切与热现象有关的宏观过程都有方向性。
①能量的转移具有方向性:如热量可以自发地从高温物体传给低温物体，但不能自发地从低温物体传给高温物体。
②能量的转化具有方向性:如机械能可以自发地完全转化为内能，但内能不能自发地且不能完全转化为机械能。
(2)能量耗散反映了能量转化的方向性。
①定义:在能量转化过程中，散失到环境中的内能很难收集起来重新利用，这种现象叫能量的耗散。
②为什么要节约能源:能量耗散表明，在能源的利用过程中,能量的总量守恒,但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。这是自然界的能量虽然守恒,但需要节约能源的根本原因。
知识点三、能源的分类与应用
(1)能源的分类
分类标准
类别
定义
举例
能否从自然界直接获取
一次能源
可以从自然界中直接获取的能源
风能、石油、天然气、煤、太阳能、潮汐能、地热能、核能等
二次能源
无法从自然界中直接获取的能源
电能、汽油、柴油、煤油等
能源是否可以再生
可再生能源
在自然界可以再生的能源
太阳能、风能、地热能、水能、生物质能等
不可再生能源
短时间内无法再生的能源
煤、石油、天然气、核能等
对环境的影响
清洁能源
不排放污染物的能源
太阳能、电能、水能、地热能等
污染能源
利用过程中
会污染环境的能源
煤、石油、天然气等
人类开发早晚和使用情况
规能源
已大规模开发和使用的能源
煤、石油、天然气、水能等
新能源
现在刚开始开发或正在积极研究、有待推广的能源
核能、太阳能、潮汐能、风能、地热能等
(2)能源的利用
①太阳能发电:太阳能是清洁能源,通过太阳能电池可将太阳能直接转化成电能。我国是最大的光伏产品制造国。
②水力发电:水能是可再生能源，水的机械能一+水轮机的机械能一+带动发
电机转子转动+电能。水力发电成本低，但受到地理条件的限制。我国水电装机总量居世界第一。
③风能发电:为增加风力发电的功率，凤车需成群工作，成为“风车田”。风力发电也受地理条件的限制。我国风电装机容量居世界第一。
④核能发电:核电站是利用可控制的核裂变来发电的
由于核电站一旦发生核泄漏事故,就可能发生严重的危害，且核废料仍具有放射性，所以要严格遵中安全措施和安全标准。
知识点四、能源与社会发展
(1)人类对能源的利用
柴薪时期
煤炭时期
石油时期
多能源结构时期
随着核能的和平利用以及其他新能源技术的发展，人类对能源的利用正从第三个时期(石油时期)向多能源结构时期过渡。
(2)能源问题
①能源危机:能源是人类社会活动的物质基础，随着人口迅速增长、经济快速发展、工业化程度提高,造成能源短缺。
②能源消耗对环境的影响:化石能源的大量消耗，一方面造成了环境污染，另一方面改变了大气的成分，甚至加剧了气候变化，例如加剧了温室效应，引发了雾霾等。
(3)可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡:既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求，主要体现在两个方面:一方面要大力提倡节能，另一方面要发展可再生能源和清洁能源。
【课堂检测】
1．如图所示，机械臂主要结构包括上臂、支柱和电机，上臂、支柱由同种材料制作。已知上臂长2m，重10kg，支柱高2.5m，重20kg，机械臂将15kg的A物体从如图所示位置缓慢提高2m，g=10m/s2，则电机消耗电能约为（　　）
A．300J
B．400J
C．500J
D．600J
【答案】B
【详解】
机械臂将A物体从如图所示位置缓慢提高2m，需要克服物体的重力和机械臂的重力重力做功，机械臂的重心上升高度约为1m，则消耗的电能为
故选B。
2．下列说法正确的是（　　）
A．能量是守恒的，不会消失，因此我们不用节约能源
B．“月一地检验”表明，地面物体所受地球的引力、月球所受地球的引力，与太阳、行星间的引力是同一种性质的力
C．经典力学仍然适用于接近光速运动的物体
D．牛顿发现了万有引力定律并首次在实验室测出了引力常量
【答案】B
【详解】
A．能量是守恒的，不会消失；随着能源的消耗，人类可利用的能源越来越少，故我们要节约能源，故A错误；
B．“月—地检验”表明，地面物体所受地球的引力与太阳、行星间的引力是同一种力，故B正确；
C．经典力学只适用于宏观、低速运动的物体，不能适用于接近光速运动的物体，故C错误；
D．牛顿发现了万有引力定律，卡文迪许第一次在实验室里测出了万有引力常量，故D错误。
故选B。
【素养作业】
1．下面属于二次能源的是（　　）
A．石油
B．太阳能
C．煤炭
D．电能
【答案】D
【详解】
一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源；二次能源是转化过形式的能源。故石油、太阳能、煤炭是一次能源，电能是二次能源；
故选D。
2．三峡水力发电站是我国最大的水力发电站，三峡水库蓄水后，平均水位落差约100m。假设通过水轮机以后水的动能为零，下列说法正确的是（　　）
A．水下落过程中重力势能增加
B．水下落过程中机械能增加
C．水减少的一部分机械能转化为电能
D．重力对水做负功
【答案】C
【详解】
AD．水下落的过程中，质量不变，高度降低，重力做正功，所以重力势能减小，故AD错误；
B．水下落过程中，只有重力做功，所以机械能守恒，故B错误；
C．水下落过程中，减少的一部分机械能转化为电能，故C正确。
故选C。
3．下列关于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．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了
C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机械——永动机不可能制成
D．某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
【答案】B
【详解】
A．由能量守恒定律可知，某种形式的能量减少，必然有其他形式的能增加；故A正确，不符合题意；
B．石子从空中下落时，停止在地面上，机械能减少，但变成了其它形式的能，没有消失；故B错误，符合题意；
C．永动机不可能制成，因为它违背了能量守恒定律；故C正确，不符合题意；
D．由能量守恒定律可知，某个物体能量减少，必然有其他物体能量增加；故D正确，不符合题意；
故选B。
4．关于“能量耗散”的下列说法中，正确的是（　　）
A．能量在转化过程中，有一部分能量转化为内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量耗散
B．能量在转化过程中变少的现象叫能量耗散
C．能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量的数量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源，而自然界的能量是不守恒的
D．能量耗散表明，各种能量在不转化时是守恒的，但在转化时是不守恒的
【答案】A
【详解】
能量耗散的过程中能量向品质低的大气内能转变，但是总的能量是守恒的，能量不能凭空产生，也不能凭空消失，但有方向性，机械能转化为内能后，我们无法将它们收集起来重新利用
故选A。
5．下列对能量转化的描述正确的是（　　）
A．电暖器工作时，电能转化为动能
B．雨滴下落过程中，动能转化为重力势能
C．汽油发动机运转时，电能转化为化学能
D．水力发电机工作时，水的机械能转化为电能
【答案】D
【详解】
A．电暖器工作时，电能转化为内能，故A错误；
B．雨滴下落过程中，重力势能减小，动能增加，重力势能转化为动能，故B错误；
C．汽油发动机运转时，化学能转化为机械能，故C错误；
D．水力发电机工作时，水的机械能转化为电能，故D正确；
故选D。
6．电风扇正常工作时，主要将（
）
A．太阳能转化成机械能
B．化学能转化成机械能
C．电能转化成机械能
D．内能转化成机械能
【答案】C
【详解】
电风扇正常工作时，主要将电能转化成机械能，部分转化为内能。
故选C。
7．关于能源和能量，下列说法中正确的是（
）
A．自然界的能量是守恒的，所以地球上能源永不枯竭
B．能源的利用过程中有能量耗散，这表明自然界的能量是不守恒的
C．能量耗散说明能量在转化过程中没有方向性
D．在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了
【答案】D
【详解】
A．
自然界的能量虽然是守恒的，但是利用过程中有能量耗散，能源被利用后不能被重复使用，所以地球上能被利用的能源并不是永不枯竭。故A错误；
B．
能源的利用过程中有能量耗散，但是自然界的能量是守恒的。故B错误；
C．
能量耗散说明能量在转化过程中具有方向性，比如一杯热水过段时间，热量跑走啦，水冷了。所以转化具有方向性。故C错误；
D．
在利用能源的过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，故D正确。
故选D。
8．某同学疫情期间在家学习时，利用弹簧和塑料管自制了一弹射装置，该装置将小球贴近桌面斜向上射出，欲击中桌面上的目标A点．如图所示，第一次小球落点在目标A的右侧，第二次调整小球的发射方向后恰好击中目标。忽略空气阻力的影响，两次小球发射速度大小相等，下列说法正确的是（　　）
A．两次小球在空中运动时间相等
B．第一次小球在空中运动时间较短
C．第二次小球落到桌面速度较大
D．两次小球落到桌面速度相同
【答案】B
【详解】
AB．小球射出后做斜抛运动，小球的初速度可分解为水平方向的分速度和竖直方向的分速度，设射出速率为v0，速度与水平方向夹角为θ。则竖直速度
因为第一次速度与水平方向夹角比第二次小，可知第一次的竖直分速度比第二次的竖直分速度小，因为小球在竖直方向做竖直上抛运动，由
可知第一次空中运动时间较短。故A错误，B正确；
CD．根据能量守恒定律，两次小球落到桌面的动能相等，速率相等，但速度方向不同，故CD错误。
故选B。