学年高中物理第6章能源与可持续发展第1节能源环境与人类生存第2节能源的开发与环境保护教师用书.docx
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学年高中物理第6章能源与可持续发展第1节能源环境与人类生存第2节能源的开发与环境保护教师用书
第1节 能源、环境与人类生存
第2节 能源的开发与环境保护
学习目标
知识脉络
1.了解能源及其分类．
2．了解能源与人类生活的关系．
3．了解能源现状与社会可持续发展的关系．
4．知道怎样合理利用和开发现有资源.
能源、环境与人类生存
1．各种能源
（1）定义：
能源是提供可利用能量的物质资源或自然过程．
（2）分类：
①一次能源：
人类从自然界中直接获得的能源．如煤、石油、天然气、水力、太阳能、核燃料等．
②二次能源：
一次能源经过加工转换成的另一种形态的能源．如电能、焦炭、煤气、汽油、煤油、蒸汽等．
（3）来源：
地球上的能源绝大部分直接或间接来自太阳．
2．能源与人类、环境与人类生存
（1）人类利用能源的历史可分为5个阶段：
①火的发现和利用．
②畜力、风力、水力等自然动力的应用．
③化石燃料的开发和利用．
④电的发现和开发利用．
⑤核能的发现和开发利用．
（2）人类生存环境的基本因素：
大气、水土、森林和生物．
3．能源与生活
（1）消耗能量的方面：
家庭生活和交通工具．
（2）能量的来源：
电能、煤、天然气、木柴、汽油等．
（3）现状
①随着科学技术的发展和生活水平的提高，越来越多的电器进入家庭，供暖、制冷、文化生活所消耗的能量在家庭能量消耗中所占的比例逐年增加．
②交通工具消耗的能源主要是汽油和柴油，实际利用率为15%左右．
③运输效率：
燃烧1L汽油时，交通工具运载的人员或货物的吨数与行驶的千米数的乘积．
1．地球上的能源都直接或间接来自太阳．（×）
2．只有有生命的动植物才具有生物质能．（×）
3．能源是人类生存和发展的基础．（√）
自然界中的能量是守恒的，没有必要节约能源和开发新能源，这种认识是否正确？
【提示】 虽然自然界中的能量是守恒的，但由于能量耗散会导致能量的品质下降，高品质的能量转化为低品质的能量，世界上的常规能源是有限的，为了人类的可持续发展必须要节约能源，同时要开发新能源．
探讨1：
常见的能源分类方法有哪些？
【提示】 有以下几种
（1）按形成或转换特点分
（2）按利用技术分
（3）按可否再生分
（4）按对环境污染情况分．
探讨2：
太阳能可以划分为哪种能源？
【提示】 太阳能是一次能源也是新能源和清洁能源．
各种能源的比较
能源分类方法
能源分类名称
特点
举例
按形成或转换特点
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
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
可再生能源
可循环使用、不断补充
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
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）
1．以下说法正确的是（ ）
A．煤、石油、天然气等燃料的最初来源可追溯到太阳能
B．汽油是一种清洁能源
C．水能是可再生能源
D．煤、石油等常规能源是取之不尽用之不竭的
E．煤、石油、天然气是不可再生能源
【解析】 煤、石油、天然气等是动植物转化成的，其来源可追溯到太阳能，选项A对；汽油燃烧会引起一些化合物的产生，导致有毒气体的生成，选项B错；水是可再生能源，选项C对；煤、石油等储量是有限的，是不可再生能源，选项D错，E对．
【答案】 ACE
2．能源可划分为一次能源和二次能源．自然界以现成形式提供的能源称为一次能源；需要依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二次能源．下列叙述正确的是（ ）
A．水能是二次能源B．电能是二次能源
C．天然气是一次能源D．焦炉气是一次能源
E．焦炭是二次能源
【解析】 由题意可知水能和天然气是自然界中已经存在的，是一次能源．电能是由其他形式的能转化的，焦炉气是炼油厂产生的副产品，焦炭是利用烟煤冶炼制成的，故它们是二次能源，故应选B、C、E.
【答案】 BCE
3．下列属于一次能源的是（ ）
A．太阳能B．焦炭
C．核能D．汽油
E．地热能
【解析】 一次能源是自然形成，未经加工的，因此B、D错误，选A、C、E.
【答案】 ACE
能源的开发与环境保护
1．常规能源：
煤、石油、天然气．
2．电能的生产
电能主要来源于火力发电厂和水力发电站，目前火力发电厂的发电效率大约为40%．
3．能源的开发与环境保护
（1）造成的环境问题
①煤：
煤的开采造成地面环境的破坏；煤是常规能源中污染最严重的燃料．
②石油：
开采、运输过程中的泄漏，各种烃类化合物对环境造成污染．
（2）常规能源利用过程中的污染
①工厂排放的烟尘．
②工厂生产中产生的不能降解的物质．
③噪声污染．
（3）措施
①对煤进行净化．
②对煤进行气化和液化．
③汽车安装电控喷嘴和新一代催化转化装置．
4．可再生能源的开发
（1）水能
①水力发电．
②建设水电站会淹没大量土地，改变生态环境，对生态系统造成不同程度的破坏．
（2）太阳能
①应用方式：
光—电转换，直接将太阳能转化为电能，如太阳能电池；光—热转换，主要有太阳能集热器和太阳能热水器．
②面临问题：
太阳能的利用受昼夜、天气的影响较大，并且不容易储存．
（3）风能
风的动能可以间接转变为电能或其他形式的能，风力发电的困难在于发电机的结构设计，受地域的限制．
1．能量是守恒的，既不会增加，也不会减少．（√）
2．常规能源的利用会引起环境问题，所以我们不应利用常规能源．（×）
3．用太阳能灶供热有利于环境保护．（√）
如图611是锅炉工作时的外景，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．
图611
【提示】 由图中的浓烟滚滚，可以发现存在的主要问题有两个：
一是燃料燃烧不充分，且烟气带走大量的热量，造成能量损失；二是造成大气污染．
探讨1：
目前具有良好开发前景的新能源是什么？
它是一次能源还是二次能源？
【提示】 太阳能 一次能源
探讨2：
利用太阳能的最好途径是什么？
【提示】 利用太阳能电池将太阳能直接转换成电能．
1．新能源的开发
（1）太阳能是取之不尽，用之不竭的，同时太阳能是一种清洁能源，不会污染环境．
（2）水能：
水能有巨大的开发潜力，可以开发梯级电站．
（3）生物质能：
生物质能指绿色植物通过光合作用储存在生物体的太阳能，储存形式是生物分子的化学能．
（4）核能：
是一个巨大的能源，通过原子反应堆进行核发电，主要应注意防止核泄漏、控制核污染．
（5）风能：
为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”．我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电．
2．当前我国的几大能源工程
（1）“西气东输”．
（2）“南水北调”．
（3）“西电东送”．
（4）“热电联产”．
3．做好环境保护工作
目前的任务是采用环境能源技术，解决突出的环境污染问题，例如：
城市生活垃圾问题，变垃圾为能源；汽车尾气问题，达到废气“零”排放；环境污染的综合治理问题，解决废物、废水、废气等污染问题，要变废为宝．
4．下面关于能源的说法中正确的是（ ）
A．能源是取之不尽，用之不竭的
B．能源是有限的，特别是常规能源，如煤、石油、天然气等
C．大量消耗常规能源会使环境恶化，故提倡开发利用新能源
D．核能的利用对环境的污染比燃烧石油、煤炭大
E．用太阳能供热有利于环境的保护
【解析】 常规能源的储量有限，且不可再生，故A错误，B正确；常规能源特别是煤和石油对环境的污染很大，应努力开发新能源；核能属新能源且污染小，故C、E正确，D错误．
【答案】 BCE
5．能源问题是当前的热门话题，传统的能源——煤和石油，由于储量有限，有朝一日要被开采完毕，同时在使用过程中也会带来污染，寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向，利用潮汐发电即为一例．
图612表示的是利用潮汐发电的简单示意图，左方为陆地和海湾，中间为大坝，其下有通道，水经通道可带动发电机．涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同，堵住通道如图612甲所示；潮落至最低点时放水发电，如图612乙所示；待内外水面高度相同，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又放水发电，如图611丙所示．设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差为3.0m，则一天内水流的平均功率为__________MW.（g取10m/s2）
【导学号：
30110067】
图612
【解析】 每次涨潮时流进海湾（落潮时流出海湾）的海水的重力mg＝ρShg＝1.0×103×5.0×107×3×10N＝1.5×1012N.
其重心高度变化为h′＝1.5m.
每次落潮海水重力势能的减少量
ΔEp＝mgh′＝1.5×1012×1.5J＝2.25×1012J.
一天内水流做功的功率
P＝
＝
W≈1.0×108W＝100MW.
【答案】 100
解决能源危机的措施
（1）能量使用时，能量的品质降低，所以应节约能源．
（2）化石能源的大量消耗会带来很多环境问题，开发新能源势在必行．
学业分层测评（十三）
（建议用时：
45分钟）
[学业达标]
1．下列说法中正确的是（ ）
A．水能和风能是“可再生能源”
B．太阳能是一种清洁能源
C．沼气是一种新能源
D．核能对环境的污染比常规能源对环境的污染更大
E．水力发电站的电能最终来自于水的机械能
【解析】 水能和风能是“可再生能源”，A正确．太阳能是清洁能源，B正确．沼气是人们开发的新能源，C正确．核能对环境的污染比常规能源较小，D错误．水力发电的能量来源于太阳能，E错．
【答案】 ABC
2．“能源分类相关图”如图613所示，下列四组选项中，全部符合图中阴影部分的能源是（ ）
图613
A．煤炭B．太阳能
C．风能D．潮汐能
E．核能
【解析】 同时具备太阳能、新能源及可再生能源三个条件的有B、C、D三个选项．
【答案】 BCD
3．关于自行车、电动自行车、普通汽车、高铁动车组、大型轮船消耗能源的类型，下列正确的对应关系是（ ）
A．自行车—生物能
B．电动自行车—电能
C．普通汽车—化学能
D．高铁动车组—化学能
E．大型轮船—风能
【解析】 高铁动车组消耗的是电能，大型轮船消耗的是化学能，故A、B、C正确．
【答案】 ABC
4．关于“温室效应”，下列说法正确的是（ ）
A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”
B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中的二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”
C．“温室效应”使得地面气温上升、两极冰雪融化
D．“温室效应”使得土壤酸化
E．“温室效应”使土地干旱，沙漠化面积增大
【解析】 “温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量．它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升、淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化沙漠化面积增大等，故B、C、E选项正确．
【答案】 BCE
5．氢能是一种既高效又干净的新能源，发展前景良好，用氢作燃料的燃料电池汽车备受青睐．我国拥有完全自主知识产权的氢燃料电池汽车“超越三号”，已达到世界先进水平，并加快向产业化的目标迈进．氢能具有的优点包括（ ）
A．原料来源广B．储存方便
C．制备工气廉价D．易燃烧
E．热值高
【解析】 氢易燃烧、热值高，原料来源广，但储存难、制备成本高，故A、D、E正确．
【答案】 ADE
6．太阳能是清洁的新能源，为了环保，我们要减少使用像煤炭这样的常规能源而大力开发新能源．划分下列能源的类别，把编号填入相应的表格．
①石油 ②地热能 ③核能 ④天然气 ⑤风能
⑥潮汐能
类别
编号
新能源
常规能源
【解析】 常规能源是指技术较为成熟且被大规模利用的能源，主要包括煤、石油、天然气等；新能源是指尚未被大规模利用或利用历史短的能源，如地热能、核能、风能、潮汐能等．注意：
“风能”作为新能源的利用方式是风力发电．
【答案】 ②③⑤⑥ ①④
7．有下列各种能源：
A.天然气 B．水能 C．石油 D．核能 E．地热能 F．电能 G．太阳能 H．潮汐能
其中属于不可再生能源的有________；属于二次能源的有________；属于化石能源的有________．
【解析】 根据能源的产生和利用情况进行分类，不可再生能源有A、C、D；二次能源是一次能源加工转换成的另一种形态的能源，有F；化石能源有A、C.
【答案】 A、C、D F A、C
8．为了开发新能源，某同学设想了一个利用氢能的方案，图614是它的示意图．请你判断这一方案的可行性，并说明理由．
图614
判断：
________．（填“可行”或“不可行”）
理由：
_________________________________________________________
________________________________________________________________.
【解析】 不可行；①违反了能量守恒定律；②此流程每个环节皆消耗能量，因此不可能实现；③这种流程类似永动机，是不可能的．
【答案】 见解析
[能力提升]
9．“中国馆”世博中心和主题馆等主要场馆，太阳能的利用规模达到了历届世博会之最．总发电装机容量达到4.6×103kW.设太阳能电池板的发电效率为18%，已知地球表面每平方米接收太阳能的平均辐射功率为1.353kW，那么所使用的太阳能电池板的总面积为________m2.
【导学号：
30110068】
图615
【解析】 设P＝4.6×103kW，发电效率η＝18%，地球表面每平方米接收到太阳能的功率P0＝1.353kW，则由能量转化与守恒得：
P＝P0×S×η
代入数据，解得S＝1.9×104m2.
【答案】 1.9×104
10．水能是可再生能源，可持续地利用水能来发电，为人类提供“清洁”的能源．若一水力发电站水流的平均流量为Q（m3/s），落差为h（m），发电效率为η，则该电站全年的发电量（kW·h）约是多少？
（g取10m/s2，水的密度ρ＝1×103kg/m3）
【解析】 每秒钟水能转化为电能的量为E＝ηQρgh，也就是发电功率，所以一年内的发电量
E′＝365×24×3600×
×10－6ηQgh（kW·h）
≈8.8×104ηQh（kW·h）．
【答案】 8.8×104ηQh（kW·h）
11．如图616所示是一种太阳能草坪节能灯，太阳能电池板供一只“10V 9W”的电子节能灯工作，若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3m2，平均1小时得到的太阳辐射能为0.4×106J，太阳光平均一天按8小时计算，恰好可以供电子节能灯工作10小时．问：
图616
（1）太阳能节能灯的能量转化情况；
（2）太阳能电池板单位面积上接收太阳能的功率为多少？
（3）太阳能节能灯利用太阳能的效率大约是多少？
【解析】
（1）能量转化：
太阳能→电能→光能（热能）．
（2）电池板单位面积上接收功率：
P＝
W＝370.4W.
（3）节能灯效率：
η＝
×100%＝10%.
【答案】
（1）见解析
（2）370.4W （3）10%
12．风力发电作为一种无污染、低成本的电力产业，发展前景广阔，我国风力资源丰富，到2000年底，我国风力发电机的总装机容量已达264万千瓦．风力发电的原理是利用风推动叶轮转动，将风的动能转化为叶轮的动能，再将叶轮的动能转化为电能．
图617
（1）设空气的密度为ρ，每个叶轮的长度为L，正对叶轮的水平风速为v，整个发电机的效率为η，那么每台发电机发出的电功率P为多大？
（2）我国研制的WD646型风力发电机，每个叶轮L＝22m，当风速达到15m/s时，其输出电功率可达600kW.求该风力发电机将风的动能转化为电能的总效率η.（空气的密度为1.29kg/m3）
【解析】
（1）m＝ρSvt＝ρπL2vt
Ek＝
mv2＝
πρL2v3t
P＝
＝
πηρL2v3.
（2）由P＝
πηρL2v3
得η＝
×100%
＝
×100%＝18%.
【答案】
（1）
πηρL2v3
（2）18%
13．太阳每年辐射到地球上的能量可达1018kW·h.（已知地球到太阳的距离r＝1.5×1011m，地球的半径为R＝6.4×106m）
（1）试估算太阳每年释放的能量；
（2）如果太阳辐射到地球上的能量全部用来推动热机发电，能否每年发出1018度电？
【解析】 太阳的能量向四面八方辐射，地球仅仅是“四面八方”中的一个“小单元”，因此太阳辐射的能量只有一小部分到达地球．
（1）地球到太阳的距离为r＝1.5×1011m，地球的半径为R＝6.4×106m，所以地球的接收面积为S＝πR2.以太阳为球心，以日地距离为半径画一球面，其面积为S′＝4πr2，太阳辐射的能量全部通过该球面．
由比例关系
＝
，得
Q太＝
＝2.2×1027kW·h.
（2）由热力学第二定律知，热机的效率无法达到100%，因此每年发出的电小于1018度．
【答案】
（1）2.2×1027kW·h
（2）不能
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