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中小學教育資源及組卷應用平臺
第4節　能源與可持續發展(強基課—逐點理清物理觀念)
課標要求 層級達標
能分析和解決家庭電路中的簡單問題，能將安全用電和節約用電的知識應用于生活實際 學考層級 1.掌握能量守恒定律的內容和重要意義。 2.了解什么是能源的耗散和品質降低，認識自然界中能量轉移或轉化的方向性。 3.了解能源的分類與應用。
選考層級 認識當前環境問題，增強環境保護和可持續發展的意識。
逐點清(一)　能量守恒定律的理解與應用
[多維度理解]
1．內容：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。
2．意義：能量守恒定律的建立，是人類認識自然的一次重大飛躍。它是最普遍、最重要、最可靠的自然規律之一，而且是大自然普遍和諧性的一種表現形式。
　　
1．自然界中不同形式的能量可以相互轉化，一種形式的能量減少一定伴隨著其他形式的能量增加，能量的總量保持不變。
2．能量守恒定律的適用范圍
能量守恒定律是貫穿物理學的基本規律，是在各種自然現象中普遍適用的一條規律。
3．能量守恒定律的表達式
(1)E初＝E末，初狀態各種能量的總和等于末狀態各種能量的總和。
(2)ΔE增＝ΔE減，某些能量的增加量等于其他能量的減少量。
[全方位練明]
1．(多選)下面設想符合能量守恒定律的是(　 )
A．利用核動力，駕駛地球離開太陽系
B．做一條船，利用流水的能量逆水行舟
C．通過太陽照射飛機，即使飛機不帶燃料也能飛行
D．利用永久磁鐵間的作用力，造一臺永遠轉動的機械
解析：選ABC　利用核動力，核能提供能量，駕駛地球離開太陽系，符合能量守恒定律，故A正確；讓船先靜止在水中，設計一臺水力發電機使船獲得足夠電能，然后把電能轉化為船的動能使船逆水航行，符合能量守恒定律；同理可利用光能的可轉化性和電能的可收集性，使光能轉化為飛機的動能，實現飛機不帶燃料也能飛行，符合能量守恒定律，故B、C正確；利用永久磁鐵間的相互作用，制成一臺機器，不消耗能量而不停地轉動，不符合能量守恒定律，故D錯誤。
2.據報道，一位設計師設計出一款以可樂來發電的概念手機，手機設計的核心是一片生物電池，利用酵素把碳水化合物轉化為電力。下列說法正確的是(　 )
A．“可樂手機”是將可樂的化學能轉化為電能
B．“可樂手機”是將電能轉化為水和氧氣的化學能
C．在能量轉化過程中，必須搖動手機，否則不發生轉化
D．“可樂手機”雖然用到了可樂，但是工作過程直接利用了充電后的電能，不存在能量轉化問題
解析：選A　“可樂手機”是將可樂的化學能轉化為電能，對手機供電，故A正確，B、D錯誤；“可樂手機”是將可樂的化學能轉化為電能，是利用化學反應，不需要搖動手機，故C錯誤。
3．某地強風的風速約為v，空氣的密度為ρ，如果把通過橫截面積S的風的動能完全轉化為電能，則用上述已知量計算電功率的公式為(　 )
A．P＝ρSv　　　　　 B．P＝ρSv2
C．P＝ρSv3 D．P＝ρSv4
解析：選C　風能完全轉化為電能，由能量守恒定律得mv2＝Pt，其中m＝ρV＝ρvtS，聯立解得P＝＝ρSv3，A、B、D錯誤，C正確。
逐點清(二)　能量轉移或轉化的方向性
[多維度理解]
1．一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。
2．能量的耗散：其他形式的能轉化為內能后不能再重新利用，這種現象叫作能量的耗散。
3．能量的耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性。
　　
1．各種形式的能最終都轉化為內能，分散到周圍的環境中，分散在環境中的內能不管數量多么巨大，它也只能使地球、大氣稍稍變暖一點，卻再也不能驅動機器做功了。
2．從可被利用的價值來看，內能較之機械能、電能等，是一種低品質的能量。由此可知，能量的耗散雖然不會導致能量的總量減少，卻會導致能量品質的降低，實際上是將能量從高度有用的形式降級為不太可用的形式。
3．能量的耗散導致可利用能源減少，所以要節約能源。
[全方位練明]
1．判斷下列說法是否正確。
(1)因為能量不會消失，所以不可能有能源危機。(×)
(2)大量消耗常規能源會使環境惡化，故提倡開發利用新能源。(√)
(3)能量的耗散就是能量的總量在減少。(×)
2．隨著時代的發展，能源格局面臨新的機遇與挑戰。下列關于能量和能源說法正確的是(　 )
A．由于自然界的能量是守恒的，所以不需要節約能源
B．在利用能源的過程中，能量在數量上逐漸減少
C．能量在轉化過程中具有方向性，因此可利用的能源是有限的
D．核能是可再生能源，應大力開發和使用
解析：選C　自然界中的能量是守恒的，即能量在數量上是保持不變的，但是由于能量在轉化過程中具有方向性，所以人類可利用的能源是有限的，人類需要節約能源，故A、B錯誤，C正確；核能是不可再生能源，故D錯誤。
逐點清(三)　能源的分類與應用　能源與社會發展
[多維度理解]
1．不可再生能源：煤炭、石油和天然氣是目前人類生產、生活中使用的主要能源，又叫化石能源。
2．可再生能源：水能和風能等來源于太陽能的這些能源。
3．我國能源的開發：太陽能發電、水力發電、風能發電、核能發電。
4．能源與社會發展
(1)人類對能源的利用經歷的三個時期：柴薪時期、煤炭時期、石油時期。
(2)能源的開發和利用對環境造成的影響：
①石油和煤炭的燃燒增加了大氣中二氧化碳的含量，加劇了溫室效應。
②石油和煤炭的燃燒形成的二氧化硫等物質使雨水的酸度升高，形成“酸雨”，腐蝕建筑物，酸化土壤。
③內燃機工作時產生氮的氧化物和碳氫化合物，會產生光化學煙霧。燃燒時產生的浮塵也是主要的污染物。
[全方位練明]
1．下面所列電池或電站，能把光能轉換成電能的是(　 )
A．干電池　　　　　 B．太陽能電池
C．核電站 D．水電站
解析：選B　干電池將化學能轉化為電能，故A錯誤；太陽能電池可以直接將光能轉化為電能，故B正確；核電站將核能轉化為電能，故C錯誤；水電站將水的機械能轉化為電能，故D錯誤。
2．低碳生活是一種綠色而又環保的新型生活方式，日常生活注意節電、節油、節氣、節水，從點滴做起，保護環境，保護地球。下列關于能源與能量的理解正確的是(　 )
A．能量是守恒的，沒有必要提倡節約能源
B．能量的耗散表明自然界的能量在利用過程中正在不斷地消失
C．自然界中石油、煤炭等能源取之不盡、用之不竭，只需不斷開發
D．人類應積極開發與利用風能、太陽能、潮汐能等可再生的新能源
解析：選D　在能源的利用過程中，雖然能量在數量上并未減少，但可利用率越來越小，故仍需節約能源，故A錯誤；能量的耗散表明自然界的能量在轉化的過程中可利用率越來越小，但總量不會減小，故B錯誤；自然界中石油、煤炭是億萬年前的大量生物的遺體在地層中經過一系列生物化學變化而生成的，在短時間內不能再生，是不可再生能源，故C錯誤；風能、太陽能、潮汐能是可再生能源，人類應多開發與利用，故D正確。
[課時跟蹤檢測]
1．(多選)下列關于能量的耗散的說法正確的是(　 )
A．能量的耗散使能量的總量減少，違背了能量守恒定律
B．能量的耗散是指耗散在環境中的內能很難被人類利用
C．能量的耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性
D．能量的耗散導致能量品質的降低
解析：選BCD　能量的耗散是能量在轉化的過程中有一部分以內能的形式被周圍環境吸收，遵守能量守恒定律，但使得能量品質降低，A錯誤，D正確；耗散的內能很難再被利用，B正確；能量的耗散從能量轉化的角度反映出了自然界中的宏觀過程具有方向性，C正確。
2．關于能源的開發和應用，下列說法中正確的是(　 )
A．能源應用的過程就是內能轉化為機械能的過程
B．化石能源的能量歸根結底來自太陽能，因此化石能源永遠不會枯竭
C．在廣大的農村推廣沼氣前景廣闊、意義重大，既變廢為寶，減少污染，又大量節約能源
D．隨著科學技術的發展，煤炭資源將取之不盡、用之不竭
解析：選C　能源應用過程并不單純是將內能轉化為機械能的過程，各種轉化形式均可為人類服務，A錯誤；化石能源的能量雖然來自太陽能，但要經過數億年的地質演變才能形成，且儲量有限，為不可再生能源，B錯誤；在廣大農村推廣沼氣對改善農村環境、節約能源意義重大，C正確；無論技術先進與否，煤炭資源不可能取之不盡、用之不竭，D錯誤。
3．(2022·廣東1月學考)我國計劃在2060年達到“碳中和”目標，到時生產、生活排放的碳總量與植被吸收的碳總量將達到平衡，為了實現這一目標。 未來四十年我國應減少使用的能源是(　 )
A．水能 B．石油能源
C．太陽能 D．風能
解析：選B　水能、風能、太陽能屬于清潔能源，使用過程污染少，環保；而石油能源屬于污染能源，使用過程中向空氣中排碳，污染嚴重，所以我國應減少使用石油能源，A、C、D錯誤，B正確。
4．下列說法正確的是(　 )
A．隨著科技的發展，可以制造出一種機器，使其不消耗任何能量但能源源不斷地對外做功
B．太陽照射到地球上的光能轉化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了
C．“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量守恒定律，因而是不可能的
D．有種“全自動”手表，不用上發條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量可以憑空產生
解析：選C　任何機器都不能違背能量守恒定律，A錯誤；太陽輻射大量的能量，地球只吸收了極少的一部分，但輻射到宇宙空間的能量也沒有消失，而是轉化成了其他形式的能量，B錯誤；馬和其他動物，包括人要運動，必須消耗能量，動物的能量來源是食物中儲存的生物能，C正確；所謂的“全自動”手表內部是有能量轉化裝置的，只有當人戴著手表活動時，才能不斷補充能量，維持手表的運行，如果把表放在桌面上靜置一段時間，它一定會停擺的，D錯誤。
5.白鶴灘水電站是我國實施“西電東送”的國家重大工程。電站裝機總容量為1 600萬千瓦，僅次于三峽工程，位居世界第二。下列理解正確的是(　 )
A．水電站發電過程中憑空產生了能量
B．水電站發電過程中機械能轉化為電能
C．水能是可再生能源，不需要節約水資源
D．水電站發電過程中能量是守恒的，不需要節約能源
解析：選B　根據能量守恒定律可知，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，A錯誤；水電站發電過程中機械能轉化為電能，B正確；水能是可再生能源，可循環利用，但地球上可以利用的淡水資源是有限的，因此需要節約水資源，C錯誤；水電站發電過程中能量是守恒的，但不是所有能量都能被人類利用，自然資源也是有限的，因此需要節約能源，D錯誤。
6．(多選)下列過程中，可能實現的是(　 )
A．水的溫度自動下降時釋放的內能全部轉化為機械能
B．在粗糙水平面上運動的物體，它的動能轉化為內能，使物體溫度升高
C．利用不同深度的海水溫度不同來制造一種機器，把海水的部分內能轉化為機械能
D．靜止在光滑水平面上的物體，溫度降低時釋放的內能可以轉化為物體的動能，使物體運動起來
解析：選BC　機械能可以全部轉化為內能，但內能不可能全部轉化為機械能，則知水的溫度自動下降時釋放的內能不可能全部轉化為機械能，故A錯誤；在粗糙水平面上運動的物體，它的動能可以轉化為內能，使物體溫度升高，故B正確；利用淺層海水和深層海水間的溫度差制造出一種熱機，將海水的一部分內能轉化為機械能，符合能量守恒定律，所以能夠實現，故C正確；一切與熱現象有關的物理過程都是有方向性的，可知靜止在光滑水平面上的物體，溫度降低時釋放的內能不能轉化為物體的動能，使物體運動起來，故D錯誤。
7.光伏發電是利用太陽能的技術之一，它利用太陽能電池板，將照射在其上的太陽能轉化為電能。農村居民院落或屋頂的光伏發電裝置除滿足居民
家庭用電，還可向電網供電獲得收益。太陽光垂直照射地面，在每平方米的面積上，平均每分鐘能得到8.4×104 J的太陽能，如果我們能利用太陽能的10%，那么在面積為50 m2的屋頂上可以利用的太陽能的功率最大為(　 )
A．7 kW B．8.4 kW
C．70 kW D．420 kW
解析：選A　在時間t內能夠利用的太陽能E0＝t×50×10% J＝7t×103 J，根據功率的表達式有Pmax＝，解得Pmax＝7 kW，B、C、D錯誤，A正確。
8.如圖所示，一個粗細均勻的U形管內裝有同種液體，液體質量為m。在管口右端用蓋板A密閉，兩邊液面高度差為h，U形管內液體的總長度為4h，現拿去蓋板，液體開始運動。由于管壁的阻力作用，最終管內液體停止運動，重力加速度為g，則該過程中產生的內能為(　 )
A.mgh B.mgh
C.mgh D.mgh
解析：選A　去掉右側蓋板之后，液體向左側管內流動，最終兩側液面相平，液體的重力勢能減少，減少的重力勢能轉化為內能。如圖所示，最終狀態可等效為右側h的液柱移到左側管中，即產生的內能等于該液柱減少的重力勢能，則Q＝mg·h＝mgh，故A正確。
9．(選自滬科版教材課后練習)人體在最佳狀態下只能把其化學能的25%轉化為有用的機械能。假設一位質量為60 kg的同學有這樣的轉化效率，他登山時平均每小時登高400 m，那么，在3 h內，該同學共消耗了多少化學能？g取10 m/s2。
解析：登山時，60 kg的同學3 h內增加的重力勢能為
Ep＝mgh＝60×10×400×3 J＝7.2×105 J
消耗的化學能E＝＝2.88 ×106 J。
答案：2.88×106 J
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