1、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.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。3.了解可再生能源和不可再生能源的分类,认识能源的过度开发和利用对环境的影响。4.认识环境污染的危害,了解科学、技术、社会、环境协调发展的重要性,具有环境保护的意识和行为。合格性考试1.知道能量的多种形式;能区分可再生能源和不可再生能源;理解能量守恒定律。2.通过对生活中能量转化的实例分析,理解能量守恒定律的确切含义。3.能主动关心能源和可持续发
2、展问题;能认识能源的过度开发和利用对环境的影响。选择性考试1.知道能量转化是有方向性的。2.通过大量的实例,总结能量在转移、转化过程中总量不变,并探究能量转化的方向性。3.感知我们周围能源的耗散,树立节能意识。必备知识自主学习一、能源的利用方式1.化石能源包括:石油、煤炭、天然气等。2.新能源包括:水能、风能、太阳能、核能等。此外,还有生物质能、地热能、海洋能、氢能、可燃冰等能源。二、能量的转化与守恒1.各种各样的能量:能量形式含义示例机械能机械能是与物体的运动或位置高度、形变相关的能量,可以表现为动能,也可以表现为势能行驶的汽车、被拉开的弓、声音等内能物质中分子的动能和势能总和自然界的一切物
3、质电能电能是与电有关的能量工作中的发电机、电池等电磁能电磁场所具有的能量无线电波、可见光、紫外线、红外线等核能通过核反应(裂变或聚变)由原子核释放的能量原子弹、氢弹等化学能发生化学变化时释放出来的能量石油、煤、天然气等2.能量的转化和转移:(1)太阳能是地球上最主要的能量源泉。(2)能量的存在形式多种多样,而且不同形式的能量可以相互转化。能量在被利用的过程中,可利用的效率不断下降。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;在转化和转移的过程中其总量不变。4.能量转化(转移)的方向性:在自然界的一切自发过程中,能量的转化(转移
4、)都是有方向性的,但都不违反能量守恒定律。三、能源与环境1.可再生能源和不可再生能源:(1)煤、石油、天然气等在短期内不可以再次得到,一旦利用了就很难或者不能再次得到的能源,称为不可再生能源。(2)水能、风能、潮汐能能够在短期内重新形成的或者循环利用的能源,称为可再生能源。2.能源与环境:能源开发对环境的影响(1)对大气环境的影响。(2)对生态环境的影响。(3)对居住环境的影响。3.环境保护的三个主要方面:(1)防治生产和生活的污染。(2)防止建设和开发的破坏。(3)保护自然环境。关键能力合作学习知识点一能量守恒定律的应用1.能量的形式:(1)含义:一个物体能够对外做功,我们就说这个物体具有能
5、量,又如流动的河水、被压缩的弹簧、高温高压气体都能对外做功,因此这些物体都具有能量,流动的河水和被压缩的弹簧具有机械能、高温高压气体具有内能。(2)能量的转化与能量的转移:各种不同形式的能量可以相互转化,而且在转化过程中总量保持不变,也就是说当某个物体的能量减少时,一定存在其他物体的能量增加。(3)功是能量转化的量度:不同形式的能量之间的转化是通过做功实现的,做功的过程就是各种形式的能量转化的过程,且做了多少功,就有多少能量发生转化(或转移),因此,功是能量转化(或转移)的量度。2.能量守恒定律的表达式:(1)E初=E终。(2)E增=E减。3.自然界中的宏观现象具有方向性:(1)能量耗散:燃料
6、燃烧时一旦把自己的热量释放出去,就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。(2)能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中的自发变化过程具有方向性。(3)能量耗散虽然不会导致能量总量的减少,却会导致能量品质的降低,它实际上是将能量从高度有用的高品质降级为不大可用的低品质形式。(1)如图是小型汽油机模型,汽油机在工作过程中能量是怎样转化的?提示:汽油燃烧时化学能转化为内能,汽油释放出来的内能转化为飞轮的机械能。(2)内燃机工作时可以把内能全部转化为机械能吗?提示:不能,因为内燃机工作时总有内能损失,不可能全部转化为机械能。【典例】如图a、b是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸,水由通道进入海湾水库蓄水,待水
7、面升至最高点时关闭闸门(见图a)。当落潮时,开闸放水发电(见图b)。设海湾水库面积为5.0108 m2,平均潮差为3.0 m,一天涨落潮两次,发电的平均能量转化率为10%,则一天内发电的平均功率约为(水取1.0103 kg/m3,g取10 N/kg)()A.2.6104 kWB.5.2104 kWC.2.6105 kWD.5.2105 kW【解析】选B。利用潮汐发电,就是水的重力势能转化为电能,水能转化电能的效率是10%,一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加:W水=Gh=mgh=水Vgh=水Shgh,h为水的重心下降的高度,即:h= m,则水的势能可转变为电能:W电=W水10%=1.0103 k
8、g/m35.0108 m23.0 m10 N/kg1.5 m0.1=2.251012 J。每天两次涨潮,则该发电站一天能发电4.51012 J,所以每天的平均功率为P=5.2104 kW,故B项正确。如图所示为电冰箱的工作原理示意图。压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环,在蒸发器中的制冷剂汽化吸收箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是()A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能C.电冰箱的工作原理违反热力学第一定律D.电冰箱的工作原理违反热力学第二定律【解析】选B。由热力学第二定
9、律可知,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,除非有外界的影响或帮助,电冰箱把热量从低温物体传到高温物体,需要压缩机的帮助并消耗了电能,B正确,A、D错误。热力学第一定律是热现象中内能与其他形式能的转化或内能转移的规律,是能量的转化和守恒定律的具体表现,适用于所有的热学过程,故C错误。故选B。【加固训练】1.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,故A项正
10、确。2.风力是清洁能源,我国的风力发电技术已经走在世界的前列。某公司独立研发并制造的SL5 000 风力发电机,单机设计功率为5 000 kW,叶片长度为64 m,已知空气的密度为1.29 kg/m3,如果该风力发电机利用风的动能转化为电能的效率约为20%,则该风力发电机正常工作时,风速值应接近()A.8 m/sB.10 m/sC.15 m/sD.20 m/s【解析】选C。以叶片长l=64 m为半径的圆面积S=l2,在时间t内通过叶片所在圆区域的空气柱长度x=vt,该柱形体积内风的动能为Ek=Sxv2=l2vtv2=l2v3t,功率公式P=,则该风力发电机发出的电功率P的数学表达式为P=l2v
11、3,代入数据得v14.4 m/s,故C项正确。知识点二能源的分类与应用1.地球上的绝大部分能源来源于太阳的辐射能:2.能源的分类:能源分类方法能源分类名称特点举例按是否可再生可再生能源可循环使用、不断补充水能、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清洁能源对环境基本没有污染太阳能、风能、水能污染能源会严重污染环境煤、石油、天然气3.能源和环境污染:(1)温室效应:石油、煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量,由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用,且像暖房的玻璃一样,只准太阳光的热辐射进来,不让室内长波热辐射出去,使地球气温上升,这种效应叫温室效应。(2)酸
12、雨:酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油,以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫等物质使雨水酸度升高,形成“酸雨”,腐蚀建筑物、酸化土壤。(3)光化学烟雾:内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应,产生氮氧化合物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射,产生二次污染物质光化学烟雾。这些物质有毒,能引起人的多种疾病。(4)常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染物。在能量守恒定律提出之后,人们认识到能量不可能凭空产生,但也不会消失,于是有人设计了这样一种装置:该装置可以从海水或者空气中收集热能,并将这些内能作为驱动电动机的动力,从
13、而实现永动的目的。这种设备可以做出来吗?提示:不能。因为能量的转化具有方向性,热量一旦释放出去,就不会再自动聚集起来供人类重新使用了。【典例】(多选)(2020珠海高二检测)2017年5月,我国首次海域“可燃冰”试采成功。 可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源,1 m3可燃冰可转化为164 m3的天然气和0.8 m3的水,下列关于可燃冰说法正确的是()A.“可燃冰”是不可再生能源B.“可燃冰”属于可再生能源C.1 m3可燃冰比0.8 m3的水质量小D.相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后,可燃冰释放的热量多【解析】选A、D。可燃冰是一次能源,属于不可再生能源,故A正确,B错误;1 m3可燃冰可转化
14、为164 m3的天然气和0.8 m3的水;故C错误,D正确。故选A、D。目前,共享单车作为绿色出行的交通工具,成为时尚。甲、乙两种共享单车都采用了电子锁,车锁内集成了GPS模块与联网模块等,这些模块工作时需要电能。这两种共享单车采用了不同的方式获取电能:甲车靠小型发电机踩动单车时,线圈在磁场中转动,产生电能,如图1所示;乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时,产生电能,如图2所示。这两种共享单车获取电能时,都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化,下列说法中正确的是()A.都是把机械能转化为电能B.都是把光能转化为电能C.甲车把机械能转化为电能,乙车把光能转化为电能D.甲车把光能转化为电
15、能,乙车把机械能转化为电能【解析】选C。甲车靠小型发电机踩动单车时,线圈在磁场中转动,产生电能,故是将机械能转化为电能;乙车靠车筐底部的太阳能电池板有光照时,产生电能,故是光能转化为电能,故C项正确。【拓展例题】考查内容:能源与环境污染【典例】(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会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
16、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【解析】选B、D。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,所以选项B、D正确。选项A、C措施虽然有效,但并不可行。情境模型素养氢气是一种清洁能源,它燃烧后只生成水,对环境无污染,某同学设想了一个利用氢能的方案,如图是它的示意图,请你判断这一方案的可行性,并说明理由。探究:判断:_(选填“可行”或“不可行”)理由:_。【解析】由题图可知,该方案是利用电解水的方法来制取氢气,再利用氢气燃烧来发电,该过程没有外界能量进入,但却能源
17、源不断地输出能量,违背了能量守恒定律。实际上工业制氢气确实通过电解水,然而电解水过程中需要消耗大量的电能,通过氢气燃烧发的电远远不足以电解产生等量的氢气,导致能够制备的氢气越来越少,并使发电过程逐渐停止。答案:不可行违反了能量守恒定律课堂检测素养达标1.煤、石油、天然气和生物能作为能源的共同特点是()A.都为可再生能源,取之不尽,用之不竭B.都为不可再生能源,用一点,少一点C.都为来自太阳辐射的能量D.都为污染环境的能源【解析】选C。煤、石油、天然气是不可再生能源,对环境污染严重,生物能是可再生能源,对环境无污染或污染少,但它们都来自太阳辐射,故C项正确。2.有人设想在夏天用电冰箱来降低房间的
18、温度。他的办法是:关好房间的门窗然后打开冰箱的所有门让冰箱运转,且不考虑房间内外热量的传递,则开机后,室内的温度将()A.逐渐有所升高B.保持不变C.开机时降低,停机时又升高D.开机时升高,停机时降低【解析】选A。冰箱工作,会产生热量,即消耗电能,产生了内能,且房间与外界没有能量交换,所以房内温度会升高,故A项正确。3.下列说法中正确的是()A.石子从空中落下,最后停止在地面上,说明机械能消失了B.理想的发动机因为没有摩擦,也没有漏气,它的效率可以达到100%C.热量只能自发地从高温物体传给低温物体,而不能自发地从低温物体传给高温物体D.根据能量守恒定律,能量是用不完的,所以根本不需要节约能源
19、【解析】选C。石子在运动和碰撞中机械能转化为了物体及周围物体的内能,机械能并没有消失,故A错误;理想发动机,即使没有摩擦,也没有漏气等能量损失,也有散热器的热量损失与排气管排出的废热,其效率不可能达到100%,故B错误;热量只能自发地从高温物体传给低温物体,而不能自发地从低温物体传给高温物体,一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的,故C正确;能量虽然不会减少,但是高品质的能源会越用越少,所以要节约能源,故D错误。4.图示中的路灯为太阳能路灯,每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3 m2。晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3106 J。如果每天等效日照时间约为6 h,光电池一天产生的电能可供30 W的路灯工作8 h。光电池的光电转换效率约为()A.4.8%B.9.6%C.16%D.44%【解析】选C。每天(6 h)太阳能电池板吸收的太阳能:W总=0.331066 J=5.4106 J,路灯正常工作,P=P额=30 W,正常工作8 h消耗的电能:W=Pt=30 W83 600 s=8.64105 J,利用太阳能的效率:=16%。故C项正确。
