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2019-2020年高中物理 第2章 能的轉(zhuǎn)化與守恒 第7講 能源與可持續(xù)發(fā)展學(xué)案 魯科版必修2 [目標(biāo)定位]　1.知道能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性.2.認(rèn)識(shí)提高能量轉(zhuǎn)化效率的重要性.3.了解能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展.4.了解能源對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的重要意義，養(yǎng)成自覺節(jié)約能源的好習(xí)慣． 一、能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性 1．能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性 自然界實(shí)際進(jìn)行的與熱現(xiàn)象有關(guān)的一切宏觀過程都是有______性的________的過程． (1)機(jī)械能與內(nèi)能間轉(zhuǎn)化的方向性：機(jī)械能____________轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，反過來，內(nèi)能不可能______地并不引起任何變化地______變?yōu)闄C(jī)械能． (2)熱傳遞過程中的方向性：在熱傳遞的過程中，內(nèi)能總是______地從______物體向________物體轉(zhuǎn)移，而不能______地從______物體向______物體轉(zhuǎn)移． 2．熱機(jī)的效率 熱機(jī)是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為________的裝置，它從高溫?zé)嵩次諢崃?，一部分用來做功，同時(shí)向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃?，它的效率________達(dá)到100%. 二、能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展 1．在自然界中，除機(jī)械能外，常見的能量還有______、______、________、______等． 2．常規(guī)能源主要有____、______、________等． 想一想　效率為100%的發(fā)動(dòng)機(jī)能被制造出來嗎？它是否違背能量守恒定律？ 一、對(duì)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移方向性的理解 1．關(guān)于方向性的理解 能量守恒定律指明各種形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化，并且能量在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移過程中總和不變．但在許多情況下能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移是不可逆的，具體表現(xiàn)在： (1)機(jī)械能與內(nèi)能轉(zhuǎn)化的方向性． 機(jī)械能可以全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不可能自動(dòng)地、并不引起任何變化地全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能不需要專門的裝置，而內(nèi)能要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能必須通過熱機(jī)才能實(shí)現(xiàn)． (2)熱傳遞的方向性(內(nèi)能轉(zhuǎn)移的方向性)． 在熱傳遞過程中，熱量可以自動(dòng)地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移，但不能自動(dòng)地從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移．自然界中內(nèi)能的轉(zhuǎn)移也具有方向性． 2．熱機(jī)的效率及其工作方向性 (1)效率： 熱機(jī)是將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置．其效率η＝＝，由于任何熱機(jī)都會(huì)有熱損失，所以熱機(jī)的效率一定小于100%. (2)方向性： ①卡諾指出：由高溫?zé)嵩次盏臒崃?，只能有一部分用于做功，其余的要向低溫?zé)嵩捶懦觯虼?，熱機(jī)的效率不可能達(dá)到100%. ②開爾文指出：自然界中凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的一切宏觀過程都是具有方向性的不可逆的過程． 特別提醒　(1)自然界的總能量不變，但利用能量時(shí)是有方向性的． (2)熱機(jī)的效率的提高仍然大有潛力可挖． 例1　下列過程可能發(fā)生的是(　　) A．自發(fā)地將排放在空氣中的高溫廢氣的內(nèi)能收集起來，使其全部轉(zhuǎn)化為汽車運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能 B．將濃度為50%的酒精水溶液自發(fā)地分開成水和酒精 C．利用其他手段使內(nèi)能從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體 D．利用攪拌的方法使液體的溫度升高，內(nèi)能增大 針對(duì)訓(xùn)練1　下列過程中，可能實(shí)現(xiàn)的是(　　) A．水的溫度自動(dòng)下降時(shí)釋放的內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 B．利用不同深度的海水溫度不同制造一種機(jī)器，把海水的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能 C．粗糙水平面上運(yùn)動(dòng)的物體，它的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使物體溫度升高 D．靜止在光滑水平面上的物體，溫度降低時(shí)釋放的內(nèi)能可以轉(zhuǎn)化為物體的動(dòng)能，使物體運(yùn)動(dòng)起來 二、能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展 1．能源開發(fā)：人類社會(huì)要發(fā)展，能源是必不可少的資源，但現(xiàn)有的煤、石油、天然氣等化石燃料都是遠(yuǎn)古時(shí)期儲(chǔ)存的太陽能，不可再生，不久的將來都要枯竭．同時(shí)，大量使用這類燃料對(duì)環(huán)境的破壞性非常大，所以迫切需要找到新的替代能源．在現(xiàn)有條件下，可供利用的新能源主要有地?zé)崮堋⑻柲?、海洋能、生物能等? 2．人類與能源的關(guān)系： (1)有利方面：能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善，人類社會(huì)每一次重大的經(jīng)濟(jì)飛躍和生產(chǎn)革命，都與新能源和動(dòng)力機(jī)械的利用密切相關(guān)，能源消耗的多少已經(jīng)成為一個(gè)國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志． (2)不利方面：能源的大量使用會(huì)給環(huán)境帶來極大的破壞，如大氣污染、溫室效應(yīng)、酸雨等，對(duì)人類造成很大的危害． (3)可持續(xù)發(fā)展： ①對(duì)常規(guī)能源合理有效地利用，保護(hù)環(huán)境與生態(tài)平衡． ②開發(fā)清潔的新能源和可再生能源． ③積極研發(fā)節(jié)能的新技術(shù)，提高能源利用效率． 例2　關(guān)于能源的利用，下列說法中正確的是(　　) A．由于我國煤和石油的儲(chǔ)量十分豐富，所以太陽能和核能的開發(fā)并不十分重要 B．能源的利用過程，實(shí)質(zhì)上是能的轉(zhuǎn)化和傳遞過程 C．現(xiàn)在人類社會(huì)使用的能源主要是煤、石油和天然氣 D．煤、石油和天然氣的化學(xué)能在利用中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染 針對(duì)訓(xùn)練2　能源短缺和環(huán)境惡化指的是(　　) A．煤炭和石油的開采與技術(shù)有關(guān)，在當(dāng)前技術(shù)條件下，煤炭和石油的開采是有限度的，這叫能源短缺 B．煤炭和石油資源是有限的，以今天的開采和消耗速度，石油儲(chǔ)量將在百年內(nèi)用盡，煤炭資源也不可能永續(xù)，這叫能源短缺 C．煤炭和石油具有大量的氣味，在開采、存放和使用過程中，這些氣味會(huì)聚存在空氣中污染空氣，使環(huán)境惡化 D．大量煤炭和石油產(chǎn)品在燃燒時(shí)排出的有害氣體污染了空氣，改變了大氣的成分，使環(huán)境惡化 能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性 1．下列說法中錯(cuò)誤的是(　　) A．熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳給低溫物體而不能自發(fā)地從低溫物體傳給高溫物體 B．內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能 C．內(nèi)能不能自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動(dòng)能 D．自然界中涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都有方向性 2．地球上有大量的海水，若使海水溫度降低0.1 ℃就能釋放出5.81023 J的熱量．有人設(shè)想用一熱機(jī)將海水放出的熱量完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，但這種使內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的機(jī)器是不能實(shí)現(xiàn)的，其原因是(　　) A．內(nèi)能不能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能 B．內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能不滿足能量守恒定律 C．只從單一熱源吸收熱量并完全轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而不引起其他變化的機(jī)器不滿足能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性 D．上述三種原因都不正確 能源的開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展 3．關(guān)于能源的開發(fā)和利用，下列觀點(diǎn)不正確的是(　　) A．能源是有限的，無節(jié)制地使用常規(guī)能源，是一種盲目的短期行為 B．根據(jù)能量守恒定律，能源是取之不盡、用之不竭的 C．能源的開發(fā)和利用，必須同時(shí)考慮其對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響 D．不斷開發(fā)新能源，是緩解能源危機(jī)、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的重要途徑 4．某地平均風(fēng)速為5 m/s，已知空氣密度是1.2 kg/m3，有一風(fēng)車，它的風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可形成半徑為12 m的圓面．如果這個(gè)風(fēng)車能將圓面內(nèi)10%的氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，則該風(fēng)車帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)功率是多大？(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 答案精析 第7講　能源與可持續(xù)發(fā)展 預(yù)習(xí)導(dǎo)學(xué) 一、1.方向　不可逆　(1)可以完全　自發(fā)　完全　(2)自動(dòng)　高溫　低溫　自動(dòng)　低溫　高溫 2．機(jī)械能　不可能 二、1.內(nèi)能　電能　化學(xué)能　核能 2．煤　石油　天然氣 想一想　效率為100%的發(fā)動(dòng)機(jī)不能被制造出來，因?yàn)樗m然不違背能量守恒定律，但它違背了能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性的規(guī)律． 課堂講義 例1　CD　[根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的方向性可知，內(nèi)能不可能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化．所以高溫廢氣的內(nèi)能不可能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為汽車的機(jī)械能，故A選項(xiàng)錯(cuò)；濃度為50%的酒精水溶液不可能自發(fā)地分開成為水和酒精，故B選項(xiàng)錯(cuò)誤；內(nèi)能不可能自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，若采用其他手段(如提供電能)可以使過程可逆，故C選項(xiàng)正確；改變物體內(nèi)能有兩種方式：一是對(duì)物體做功；二是熱傳遞．所以攪拌對(duì)液體做功時(shí)可以改變液體內(nèi)能，使其溫度升高，內(nèi)能增加，故D選項(xiàng)正確．] 針對(duì)訓(xùn)練1　BC 例2　BC　[我國的煤和石油盡管儲(chǔ)量豐富，但終究有限，且利用后不能再生，所以開發(fā)和利用新能源，特別是核能和太陽能是解決能源問題的出路．故A錯(cuò)誤；目前人類使用的能源主要仍是煤、石油和天然氣．燃料燃燒時(shí)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能又可轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能．人類在生產(chǎn)和生活中需要各種形式的能，我們可以根據(jù)需要把能源所含的能量轉(zhuǎn)化成多種形式，以供利用，所以能源的利用過程，實(shí)質(zhì)上是能的轉(zhuǎn)化和傳遞的過程，故B、C正確；煤、石油和天然氣是由古代的動(dòng)植物的遺體在長期地質(zhì)變遷中形成的．在利用這些能源時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳和甲烷，易產(chǎn)生溫室效應(yīng)對(duì)環(huán)境造成污染，D選項(xiàng)錯(cuò)誤．] 針對(duì)訓(xùn)練2　BD 對(duì)點(diǎn)練習(xí) 1．B　2.C　3.B 4．3.4 kW 解析　在t時(shí)間內(nèi)作用于風(fēng)車的氣流質(zhì)量m＝πr2vtρ 這些氣流的動(dòng)能為mv2， 轉(zhuǎn)變成的電能E＝mv210% 所以風(fēng)車帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的功率為P＝＝πr2ρv310% 代入數(shù)據(jù)得P≈3.4 kW.