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1、第4节能源与可持续发展核心素养物理观念科学思维科学探究1.了解各种不同形式的能，知道能量守恒定律确定的两类重要事实。2.能够叙述能量守恒定律的内容，会用能量守恒的观点分析、解释一些实际问题。3.了解能量耗散，知道能源短缺和环境恶化问题，增强节约能源和环境保护意识。1.能量守恒定律的理解。2.应用能量守恒定律解决问题。3.能量转化方向性的理解。1.探究各种形式的能的转化及守恒定律。2.探究能量转化方向性及新能源的开发及应用。3.节能与环境保护措施。知识点一能量守恒定律观图助学(1)一个叫丹尼斯李(DennisLee)的美国人在美国今日新闻周刊等全国性报刊上刊登大幅广告，在全美各地表演，展示其号称
2、无需任何能源的发电机。你认为这种发电机能造出来吗？(2)如图所示，是自制水轮机。能量的转化是如何实现的？遵循什么规律呢？能量会被永久地利用吗？1.能量守恒定律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另一种形式，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.能量守恒定律意义能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。思考判断(1)自然界中的任何变化过程都满足能量守恒。()(2)当一个物体的能量减少时，一定有其他物体的能量增多。()(3)技术足够发达后，永动机就
3、可以制成。()(4)能量永远不会增加或减少，只能转化或转移。()知识点二能量转移或转化的方向性观图助学各种形式的能量都可以互相转化，你能说出下列现象(如图所示)中，能量是如何转化的吗？1.能量转化：自然界中存在着各种不同形式的能量，并且各种形式的能量是可以相互转化的，但在大多数情况下，各种形式的能量最终都转化为内能。2.能量转化的方向：物体的机械能可以自发地全部转化为内能，但内能不可能自发地全部转化为机械能而使物体恢复原来的机械运动。3.能量的耗散：燃料燃烧时，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。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为热能和光能，热和光被其他
4、物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。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，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的了。思考判断(1)能量耗散会导致总能量的减少，也会导致能量品质降低。()(2)能量耗散表明能量正在逐渐消失。()(3)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。()(4)能量是守恒的，但能量的利用过程是不可逆的。()知识点三能源的分类与应用观图助学如图所示是我国能源结构的统计图。请根据此图数据完成下面两个问题：(1)总结出我国能源结构
5、或能源现状的规律。(2)试着提出解决这种现状的合理化建议。1.能源开发：能量的利用过程是不可逆的，自然界中的常规能源的储量是有限的，并且是不可再生的，所以我们要珍惜现有的能源，尽力提高现有能源的利用效率。注意研究和开发新能源，目前，正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核能等。2.常规能源和新能源的转化途径3.能源的分类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、水能新能源正在
6、开发，或有新的利用方式太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能按可否再生分可再生能源可循环使用水能、风能、生物质能、地热能不可再生能源短期内无法转换获得煤、石油、天然气、核燃料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)思考判断(1)由于能源危机，所以要不断开发新能源。()(2)煤、石油、天然气属于常规能源。()(3)电能、焦炭、氢能属于一次能源。()知识点四能源与社会发展观图助学(1)观察下列两幅图，回答问题：既然能量是守恒的，为什么当今社会会出现能源危机？解决能源危机的途径是什么？(2)如图所示是锅炉工作时的外景
7、，从节约能源和环境保护角度来看，分析存在的主要问题是什么？1.人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期和石油时期。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.能量耗散反映了能量转化的宏观过程具有方向性，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源。4.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，能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志。(2)不利方面：能源的大量使用会给环境带来极大的破
8、坏，如大气污染、温室效应、酸雨等，对人类造成很大的危害。思考判断(1)煤自古至今都是人类的主要能源。()(2)根据能量守恒定律可知，节约能源是没有必要的。()(3)世上总能量虽然不变，但我们仍需要有节能意识。()能量守恒定律是个普遍规律它不受条件约束，是自然科学的基本规律之一。行驶在水平路面上的汽车关闭发动机以后，会慢慢停止前进，该过程中汽车减少的机械能转化为汽车、路面及周围空气的内能；汽车、路面及周围空气的总能量不变。各种形式的能量向内能的转化，是无序程度较小的状态向无序程度较大的状态的转化，是能够自动发生、全额发生的。能量耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性。能源的利用受这种
9、方向性的制约，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的。情景1：如图甲所示，煤炭和石油是常规能源。尽管我国的常规能源资源非常丰富，但由于人口众多，所以能源的需求量很大，能源的浪费很严重，将来会面临能源危机。情景2：如图乙、丙所示，太阳能、风能、地热能、海洋能等是新能源，积极开发利用新能源是实现我国经济社会可持续发展的必然选择。在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用品质上降低了，从便于利用的能量变成不便于利用的能量了。这是能源危机更深层次的含义，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因。因此我们要节约能源，同时积极研究和开发利用新能源和可再生能源
10、，如核能、太阳能、风能、海洋能、生物质能等。核心要点 对能量守恒定律的理解观察探究近几年流行一种“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？答案仅靠这种方式，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阻力做负功，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，必须不断地给电动车补充新的能量，如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电。探究归纳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
11、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)E增E减，能量的增加量等于能量的减少量。试题案例例1 下列说法正确的是()A.随着科技的发展，永动机是可以制成的B.太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了C.“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的D.有种“全
12、自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生解析永动机是指不消耗或少消耗能量，而可以大量对外做功的装置，违背了能量转化和守恒定律，A错误；太阳辐射大量的能量，地球只吸收了极少的一部分，但辐射到宇宙空间的能量也没有消失，一定是转化成了别的能量，B错误；马和其他动物，包括人要运动，必须消耗能量，动物的能量来源是食物中储存的生物质能，C正确；所谓的“全自动”手表内部是有能量转化装置的，只有当人戴着手表活动时，才能不断补充能量，维持手表的运行，如果把表放在桌面上静置一段时间，它一定会停摆的，D错误。答案C例2 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
13、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景。通过风轮机一个叶片旋转一周扫过面积的最大风能为可利用风能。已知：空气的密度为，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，求此过程中：(1)单位时间内每台风力发电机获得的风能表示式；(2)风力发电机利用风能的效率表示式。思路点拨解答本题时应明确以下两点(1)风能就是空气定向流动的动能。(2)发电效率等于电功率与总功率的比值。解析(1)由能量转化和守恒定律可知mvP总t而mr2v0t把代入解得P总r2v。(2)。答案(1)r2v(2)方法凝炼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
14、等)在变化。(2)分别列出减少的能量E减和增加的能量E增的表达式。(3)列等式E减E增求解。针对训练1 下列对能量转化和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，说明机械能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，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，C正确；石子在运动和碰撞中机械能转
15、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针对训练2 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)解析设t时间内流下的水的质量为m，以m为研究对象，竖直下落后减少的机械能为mghmv2转化为电能的功率为P(gh)0.8103103(102022)0.8 W1.58108 W1.58105 kW。答案1.58105 kW核心要点 对能量耗散的理解观察探究如图所示，把小球拉到一定角度后释放，小球在竖直平面内来回摆动，我们观察到它的摆动幅度
