12.4 能源与可持续发展（教师版）-【帮课堂】2022-2023学年高二物理同步精品讲义（人教2019必修第三册）

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12.4 能源与可持续发展
【物理核心素养】
物理观念：通过掌握能量守恒定律的含义，培养学生用能量观点研究问题的观念。
科学思维：通过实例分析知道能量耗散的原来，培养学生联系实际思考问题的能力。
科学探究：通过探究讨论能量的开发与利用所带来的环境污染问题，理解环境污染危害的本质。
科学态度与责任：通过认识可再生能源和不可再生能源的相关知识，使学生认识合理利用能源的重要性，
养成节能的意识和习惯。
【教学重难点】
教学重点：
1．能量守恒定律
2．能量转移或转化的方向性
教学难点：
1．能量转移或转化的方向性
知识点一、能量守恒定律
一、能量守恒定律的内容
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．
二、能量守恒定律的理解与应用
1．自然界中不同形式的能量可以相互转化，一种形式的能量减少一定伴随着其他形式的能量增加，能量
的总量保持不变．
2．能量守恒定律的适用范围
能量守恒定律是贯穿物理学的基本规律，是在各种自然现象中普遍适用的一条规律．
3．能量守恒定律的表达式
(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，某些能量的增加量等于其他能量的减少量．
4．应用步骤
(1)明确研究对象及研究过程；
(2)明确该过程中，哪些形式的能量在变化；
(3)确定参与转化的能量中，哪些能量增加，哪些能量减少；
(4)列出增加的能量和减少的能量之间的守恒式(或初、末状态能量相等的守恒式)．
【经典例题 1】我国自古有“昼涨称潮，夜涨称汐”的说法。潮汐主要是由太阳和月球对海水的引力造成
的，以月球对海水的引力为主。图是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸门，水由通道进入海湾水库蓄水，
待水面升至最高点时关闭闸门。落潮时开闸门放水发电。设海湾水库的面积为 5.0×108 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%，水的密度为 1.0×103 kg/m3，g取10 m/s2，则一天
内发电的平均功率约为（
　　
）
A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW
C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW
【答案】 B
【解析】发电时水减少的重力势能
ΔEp=mg =ρShg
一天发电两次，转化成的电能
E=2ΔEp×10%
所以
P= =5.2×104 kW
故B正确，ACD 错误。
故选 B。
【变式训练 1】太阳能及风能是清洁能源，我国已经建成众多的太阳能及风力发电场。风力发电是利用风
的动能推动风力发电机的叶片转动而产生电能的。某地区安装有2台超大型风力发电机，每片扇叶长达
80m，该地区常年的平均风速 v=5.0m/s，风向跟叶片转动的圆面垂直，空气的密度 ρ=1.25kg/m3，风力发电
机的叶片转动时可形成半径 R=80m 的圆面。已知风力发电机能将通过圆面的空气的动能的 10%转化为电能。
（1）求每台风力发电机的发电功率 P；
（2）已知标准煤的热值 q=3.0×107J/kg，则该风力发电场年发电量相当于燃烧多少标准煤产生的热量？
【答案】 （1）P=1.57×105W；（2）m=3.30×105kg。
【解析】（1）设单位时间（t0=1s）内通过每台风力发电机叶片转动形成圆面的空气的体积为 V、动能为
Ek，则有
解得
P=1.57×105W
（2）2台风力发电机发电的功率为 2P，年发电时间
t=365×24×3600s
设年发电量为 E，则有
E=2Pt
E=qm
解得
m=3.30×105kg
知识点二、能量转移或转化的方向性
一、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不能再重复利用，这种现象叫作能量的耗散．
3．能量的耗散是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．
二、对“能量的耗散和品质降低”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，能量的耗散虽然
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太可用
的形式．
(3)能量的耗散导致可利用能源减少，所以要节约能源．
【经典例题 2】（多选）关于能源的利用和节能，下列说法正确的是（　　）
A．根据能量守恒定律，能源的利用率应该是 100%
B．节约能源只要提高节能意识就行，与科学进步无关
C．能量的总量不变，在自然界存在的形式不同
D．在能源的利用中，总会有一部分能源未被利用而损失掉
【答案】 CD
【解析】AD．能源的使用在任何情况下都不可能达到理想状态，做到没有任何损失。虽然遵从能量守恒
定律，但它指的是损失部分和被利用部分总和与原来能源总量相等，故A错误，D正确；
B．根据能量转化的方向性可知，能量经转化后，可利用的能，只可能减少，不可能增加，因此节能的意
义重大；同时，只有节能意识是不够的，必须利用科技进步提高能源的利用率，不断开发新能源，以满足
人类社会可持续发展的需要，故B错误。
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