
知識(shí)點(diǎn)一 能量守恒定律
[觀圖助學(xué)](1)一個(gè)叫丹尼斯·李(DennisLee)的美國人在《美國今日》《新聞周刊》等全國性報(bào)刊上刊登大幅廣告,在全美各地表演,展示其號(hào)稱無需任何能源的發(fā)電機(jī)。你認(rèn)為這種發(fā)電機(jī)能造出來嗎?
(2)如圖所示,是自制水輪機(jī)。能量的轉(zhuǎn)化是如何實(shí)現(xiàn)的?遵循什么規(guī)律呢?能量會(huì)被永久地利用嗎?
1.能量守恒定律內(nèi)容能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生,也不會(huì)憑空消失,它只能從一種________轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個(gè)物體________到別的物體,在________或________的過程中,能量的總量____________。2.能量守恒定律意義能量守恒定律的建立,是人類認(rèn)識(shí)自然的一次重大飛躍。它是最________、最________、最________的自然規(guī)律之一,而且是大自然普遍和諧性的一種表現(xiàn)形式。
[思考判斷](1)自然界中的任何變化過程都滿足能量守恒。( )(2)當(dāng)一個(gè)物體的能量減少時(shí),一定有其他物體的能量增多。( )(3)技術(shù)足夠發(fā)達(dá)后,永動(dòng)機(jī)就可以制成。( )(4)能量永遠(yuǎn)不會(huì)增加或減少,只能轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移。( )
知識(shí)點(diǎn)二 能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性[觀圖助學(xué)]各種形式的能量都可以互相轉(zhuǎn)化,你能說出下列現(xiàn)象(如圖所示)中,能量是如何轉(zhuǎn)化的嗎?
1.能量轉(zhuǎn)化:自然界中存在著各種不同形式的能量,并且各種形式的能量是可以相互________的,但在大多數(shù)情況下,各種形式的能量最終都轉(zhuǎn)化為________。2.能量轉(zhuǎn)化的方向:物體的機(jī)械能可以自發(fā)地____________為內(nèi)能,但內(nèi)能________自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而使物體恢復(fù)原來的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
3.能量的耗散:燃料燃燒時(shí),一旦把自己的熱量釋放出去,就不會(huì)再次自動(dòng)________起來供人類重新利用。電池中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,電能又通過燈泡轉(zhuǎn)化為________和________,熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的________,我們無法把這些________收集起來重新利用,這種現(xiàn)象叫作能量的耗散。能量耗散表明,在能源的利用過程中,即在能量的轉(zhuǎn)化過程中,能量在數(shù)量上并未減少,但在可利用的品質(zhì)上降低了,從便于利用的變成了不便于利用的了。
[思考判斷](1)能量耗散會(huì)導(dǎo)致總能量的減少,也會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)降低。( )(2)能量耗散表明能量正在逐漸消失。( )(3)能量不能創(chuàng)造,不能再生,能量只能進(jìn)行轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移,但能量間的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移具有方向性。( )(4)能量是守恒的,但能量的利用過程是不可逆的。( )
知識(shí)點(diǎn)三 能源的分類與應(yīng)用[觀圖助學(xué)]如圖所示是我國能源結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)圖。請(qǐng)根據(jù)此圖數(shù)據(jù)完成下面兩個(gè)問題:(1)總結(jié)出我國能源結(jié)構(gòu)或能源現(xiàn)狀的規(guī)律。(2)試著提出解決這種現(xiàn)狀的合理化建議。
1.能源開發(fā):能量的利用過程是不可逆的,自然界中的常規(guī)能源的儲(chǔ)量是________的,并且是不可再生的,所以我們要珍惜現(xiàn)有的能源,盡力提高現(xiàn)有能源的利用效率。注意研究和開發(fā)新能源,目前,正在開發(fā)的新能源有風(fēng)能、海洋能、________、地?zé)崮?、氫能、生物質(zhì)能及________等。2.常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化途徑
[思考判斷](1)由于能源危機(jī),所以要不斷開發(fā)新能源。( )(2)煤、石油、天然氣屬于常規(guī)能源。( )(3)電能、焦炭、氫能屬于一次能源。( )
知識(shí)點(diǎn)四 能源與社會(huì)發(fā)展[觀圖助學(xué)](1)觀察下列兩幅圖,回答問題:
①既然能量是守恒的,為什么當(dāng)今社會(huì)會(huì)出現(xiàn)能源危機(jī)?②解決能源危機(jī)的途徑是什么?(2)如圖所示是鍋爐工作時(shí)的外景,從節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)角度來看,分析存在的主要問題是什么?
1.人類對(duì)能源的利用大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期,即柴薪時(shí)期、____________和____________。自工業(yè)革命以來,________和________成為人類的主要能源。2.____________和____________已成為關(guān)系到人類社會(huì)能否持續(xù)發(fā)展的大問題。3.____________反映了能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性,所以自然界的能量雖然________,但還是很有必要節(jié)約能源。
(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,都與新的能源和動(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。
[思考判斷](1)煤自古至今都是人類的主要能源。( )(2)根據(jù)能量守恒定律可知,節(jié)約能源是沒有必要的。( )(3)世上總能量雖然不變,但我們?nèi)孕枰泄?jié)能意識(shí)。( )
[觀察探究]近幾年流行一種“自發(fā)電電動(dòng)車”(如圖所示),基本原理是將一小型發(fā)電機(jī)緊靠車輪處,車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),發(fā)出的電又繼續(xù)供給電動(dòng)車,你認(rèn)為僅靠這種方式,電動(dòng)車能持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去嗎?
答案 僅靠這種方式,不能使電動(dòng)車持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。因?yàn)榭窟@種方式,只能將電動(dòng)車的一部分能量收集起來,但電動(dòng)車運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力做負(fù)功,不斷把電動(dòng)車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,根據(jù)能量守恒定律,要想使電動(dòng)車持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去,必須不斷地給電動(dòng)車補(bǔ)充新的能量,如用腳蹬電動(dòng)車或給電動(dòng)車的電源充電。
[探究歸納]1.能量守恒定律的重要意義
(1)能量守恒定律是普遍適用的,對(duì)宏觀世界與微觀世界、高速運(yùn)動(dòng)與低速運(yùn)動(dòng)等都成立。(2)能量守恒定律反映了自然現(xiàn)象的普遍聯(lián)系,對(duì)人類認(rèn)識(shí)自然、改造自然起著重要的指導(dǎo)作用。(3)能量守恒定律徹底否定了第一類永動(dòng)機(jī)的存在,即不需要任何動(dòng)力和燃料,卻能不斷對(duì)外做功的機(jī)械是不可能存在的。
(1)E初=E末,初狀態(tài)各種能量的總和等于末狀態(tài)各種能量的總和。(2)ΔE增=ΔE減,能量的增加量等于能量的減少量。
[試題案例][例1] 下列說法正確的是( )
A.隨著科技的發(fā)展,永動(dòng)機(jī)是可以制成的B.太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)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”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律,因而是不可能的D.有種“全自動(dòng)”手表,不用上發(fā)條,也不用任何形式的電源,卻能一直走動(dòng),說明能量可以憑空產(chǎn)生
解析 永動(dòng)機(jī)是指不消耗或少消耗能量,而可以大量對(duì)外做功的裝置,違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律,A錯(cuò)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,一定是轉(zhuǎn)化成了別的能量,B錯(cuò)誤;馬和其他動(dòng)物,包括人要運(yùn)動(dòng),必須消耗能量,動(dòng)物的能量來源是食物中儲(chǔ)存的生物質(zhì)能,C正確;所謂的“全自動(dòng)”手表內(nèi)部是有能量轉(zhuǎn)化裝置的,只有當(dāng)人戴著手表活動(dòng)時(shí),才能不斷補(bǔ)充能量,維持手表的運(yùn)行,如果把表放在桌面上靜置一段時(shí)間,它一定會(huì)停擺的,D錯(cuò)誤。答案 C
[例2] 風(fēng)能是一種很好的再生能源,而且對(duì)環(huán)境的污染較小,近年來我國在西北地區(qū),建立了許多風(fēng)力發(fā)電廠。如圖所示為風(fēng)力發(fā)電的情景。通過風(fēng)輪機(jī)一個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)一周掃過面積的最大風(fēng)能為可利用風(fēng)能。已知:空氣的密度為ρ,風(fēng)輪機(jī)葉片的長度為r,若風(fēng)速為v0,每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電功率為P,求此過程中:
(1)單位時(shí)間內(nèi)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)獲得的風(fēng)能表示式;(2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用風(fēng)能的效率表示式。
思路點(diǎn)撥 解答本題時(shí)應(yīng)明確以下兩點(diǎn)(1)風(fēng)能就是空氣定向流動(dòng)的動(dòng)能。(2)發(fā)電效率等于電功率與總功率的比值。
而m=πr2v0tρ?、?br/>方法凝煉 利用能量守恒定律解題的基本思路(1)分清有哪幾種形式的能(如機(jī)械能、內(nèi)能等)在變化。(2)分別列出減少的能量ΔE減和增加的能量ΔE增的表達(dá)式。(3)列等式ΔE減=ΔE增求解。
[針對(duì)訓(xùn)練1] 下列對(duì)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的認(rèn)識(shí)錯(cuò)誤的是( )
A.某種形式的能減少,一定存在其他形式的能增加B.某個(gè)物體的能減少,必然有其他物體的能增加C.不需要任何外界的動(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器——永動(dòng)機(jī)是不可能制成的D.石子從空中落下,最后靜止在地面上,說明機(jī)械能消失了
解析 根據(jù)能量守恒定律得知,某種形式的能減少,其他形式的能一定增大;某個(gè)物體的能量減少,必然有其他物體的能量增加,A、B正確;不需要任何外界的動(dòng)力而持續(xù)對(duì)外做功的機(jī)器——永動(dòng)機(jī),違反了能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律,不可能制成,C正確;石子在運(yùn)動(dòng)和碰撞中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為了石子本身及周圍物體的內(nèi)能,能量并沒有消失,故D錯(cuò)誤。答案 D
[針對(duì)訓(xùn)練2] 瀑布從20 m高處以103 m3/s的流量豎直落下,流進(jìn)底部的水輪機(jī)后再以2 m/s的速度流出,水輪機(jī)再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。如果水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率是80%,那么發(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率有多大?(瀑布在山頂?shù)乃俣瓤珊雎圆挥?jì),g取10 m/s2)
解析 設(shè)t時(shí)間內(nèi)流下的水的質(zhì)量為m,以m為研究對(duì)象,
答案 1.58×105 kW
[觀察探究]如圖所示,把小球拉到一定角度后釋放,小球在豎直平面內(nèi)來回?cái)[動(dòng),我們觀察到它的擺動(dòng)幅度越來越小,最后停止擺動(dòng)。機(jī)械能消失了嗎?若沒有消失,轉(zhuǎn)化成了什么?能否讓這種能自發(fā)的轉(zhuǎn)化為機(jī)械能使小球動(dòng)起來呢?答案 機(jī)械能沒有消失,而是轉(zhuǎn)化為小球和空氣的內(nèi)能,不可能使內(nèi)能自發(fā)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能使小球擺動(dòng)。
[探究歸納]1.各種形式的能最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,耗散到周圍的環(huán)境中,分散在環(huán)境中的內(nèi)能不管數(shù)量多么巨大,它也不能驅(qū)動(dòng)機(jī)器做功了。2.從可被利用的價(jià)值來看,內(nèi)能較之機(jī)械能、電能等,是一種低品質(zhì)的能量。由此可知,能量耗散雖然不會(huì)導(dǎo)致能量的總量減少,卻會(huì)導(dǎo)致能量品質(zhì)的降低,實(shí)際上是將能量從高度有用的形式降級(jí)為不大可用的形式。3.能量耗散導(dǎo)致可利用能源減少,所以要節(jié)約能源。
[試題案例][例3] 熱現(xiàn)象過程中不可避免地出現(xiàn)能量耗散的現(xiàn)象。所謂能量耗散是指在能量轉(zhuǎn)化的過程中無法把耗散的能量重新收集、重新加以利用。下列關(guān)于能量耗散的說法中正確的是( )A.能量耗散是指在一定條件下,能量在轉(zhuǎn)化過程中總量減少了B.能量耗散表明,能量守恒定律具有一不定期的局限性C.能量耗散表明,在能源的利用過程中,能量在數(shù)量上并未減少,但在可利用的品質(zhì)上降低了D.能量不可能耗散,能量守恒定律反映了自然界中能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程可以有任意的方向性
解析 能量耗散的過程中能量向品質(zhì)低的大氣內(nèi)能轉(zhuǎn)變,但是總的能量是守恒的,能量不能憑空產(chǎn)生,也不能憑空消失,但有方向性,故A、B錯(cuò)誤,C正確;能量耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有的方向性,機(jī)械能可以自發(fā)地轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,但內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而不引起其他變化,故D錯(cuò)誤。答案 C
[針對(duì)訓(xùn)練3] (多選)下列哪些現(xiàn)象屬于能量耗散( )A.利用水能發(fā)電轉(zhuǎn)變成電能B.電能通過電燈中的電阻絲放出熱量和光能C.電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能D.火爐把房間的溫度升高解析 水力發(fā)電、化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能,電能可以利用,不屬于能量耗散,可再進(jìn)一步利用,直到都轉(zhuǎn)變成不可回收的內(nèi)能,就是能量耗散了,故B、D正確。答案 BD
能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性
[試題案例][例4] (多選)根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性,下列判斷正確的是( )
A.電流的電能不可能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能B.在火力發(fā)電機(jī)中,燃?xì)獾膬?nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為電能C.熱機(jī)中,燃?xì)獾膬?nèi)能不可能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能D.能量不能被創(chuàng)造或被消滅
解析 根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性可知,凡是與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀過程都具有方向性,電流的電能可全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(由電流熱效應(yīng)中的焦耳定律可知),而內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化為電能而不引起其他變化;機(jī)械能可全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,而內(nèi)能不可能全部轉(zhuǎn)化成機(jī)械能而不引起其他變化;在熱傳遞中熱量只能自發(fā)地從高溫物體傳遞給低溫物體,而不能自發(fā)地從低溫物體傳遞給高溫物體,故選項(xiàng)B、C正確;根據(jù)能量守恒定律可知,能量不能被創(chuàng)造或被消滅,故D正確。答案 BCD
[針對(duì)訓(xùn)練4] (多選)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來制造一種機(jī)器,把海水的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能C.在粗糙水平面上運(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)起來解析 根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的方向性可知,物體溫度下降釋放的內(nèi)能不可能在不引起其他變化的情況下完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,因此選項(xiàng)A、D是錯(cuò)誤的,而選項(xiàng)B、C都是可能實(shí)現(xiàn)的過程。答案 BC
[要點(diǎn)歸納]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)境的破壞非常嚴(yán)重,所以迫切需要找到新的替代能源?,F(xiàn)有條件下,可供利用的新能源主要有地?zé)崮?、太陽能、海洋能、生物能等?br/>(1)溫室效應(yīng):由于大氣中溫室氣體(二氧化碳、甲烷等)含量增大而形成的。主要原因是煤炭和石油的大量消耗而產(chǎn)生的廢氣。(2)酸雨:大氣中的酸性物質(zhì),如二氧化硫、氮氧化物等,在降雨過程中溶入雨水,使其成為酸雨。(3)光化學(xué)煙霧:氮氧化物和碳?xì)浠衔镌诖髿庵惺艿疥柟庵袕?qiáng)烈的紫外線照射后產(chǎn)生的二次污染物質(zhì)。(4)浮塵:常規(guī)能源燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的浮塵。
[試題案例][例5] (多選)二氧化碳對(duì)長波輻射有強(qiáng)烈的吸收作用,地球表面發(fā)出的長波輻射到大氣層以后被二氧化碳截獲,最后使大氣升溫。大氣中的二氧化碳像溫室的玻璃一樣,只準(zhǔn)太陽的熱輻射進(jìn)來,不讓室內(nèi)的長波輻射出去,大氣中的二氧化碳的這種效應(yīng)叫溫室效應(yīng)。這是目前科學(xué)界對(duì)地球氣候變暖進(jìn)行分析的一種觀點(diǎn),根據(jù)這種觀點(diǎn),以下說法能成立的是( )A.在地球形成的早期,火山活動(dòng)頻繁,排出大量二氧化碳,當(dāng)時(shí)地球的溫度很高B.經(jīng)過漫長的時(shí)間,地殼的巖石和二氧化碳發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致二氧化碳減少,地球上出現(xiàn)了生命
C.由于工業(yè)的發(fā)展和人類的活動(dòng),導(dǎo)致二氧化碳在空氣中的含量增大,地球上的氣溫正在升高D.現(xiàn)在地球正在變暖的原因是工業(yè)用電和生活用電的急劇增加,使電能和其他形式的能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能思路點(diǎn)撥 解答本題應(yīng)該抓住以下兩個(gè)條件(1)溫室效應(yīng)的本質(zhì)及原理。(2)地球變暖的主要原因是溫室效應(yīng)。
解析 地球形成的早期,地殼不如現(xiàn)在牢固,地球不如現(xiàn)在穩(wěn)定,火山活動(dòng)頻繁,符合地質(zhì)的發(fā)展規(guī)律。由于火山的噴發(fā),排出大量的二氧化碳,進(jìn)而導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的地球氣溫升高,選項(xiàng)A正確;由于多種原因,其中包括巖石中的礦物成分與水、氧氣、二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使地球上的巖石進(jìn)一步分化,最后形成土壤,二氧化碳減少,形成了適合生命生存的條件,則選項(xiàng)B正確;由于工業(yè)的發(fā)展和人類的活動(dòng),大量地使用常規(guī)能源,導(dǎo)致二氧化碳在空氣中的含量增大,地球上的氣溫正在升高,故選項(xiàng)C正確;生活用電和工業(yè)用電是電能向其他形式的能的轉(zhuǎn)化,會(huì)產(chǎn)生熱,但不是溫室效應(yīng)的主要原因,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案 ABC
[針對(duì)訓(xùn)練5] 關(guān)于能源的利用,下列說法中不正確的是( )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)在我國并不十分重要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)能歸根到底來自太陽能答案 A
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