第4節能源與可持續發展人教版（2019）物理（必修第三冊）張二朝第十二章電能能量守恒定律學習目標1.通過列舉各種實例，知道能量是如何轉化的，理解能量守恒定律；2.知道能量轉移或轉化的方向性，知道能量耗散；3.知道能量的分類與應用，知道能源與社會發展的關系；4.了解能源的開發與利用所帶來的環境污染問題，認識環境污染的危害。課堂引入

我們知道，內能可以轉化成電能，電能可以轉化成光能、內能或機械能......既然能量是守恒的，不會憑空消失，為什么我們還要節約能源呢？能量守恒定律

任何人類活動都離不開能量，不同形式的能量之間可以相互轉化。能量守恒定律

能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變。這個規律叫作能量守恒定律（lawofenergyconservation）。(1)能量守恒定律同生物進化論、細胞的發現被恩格斯譽為19世紀的三個最偉大的科學發現。(2)能量守恒定律是在無數實驗事實的基礎上建立起來的，是自然科學的普遍規律之一。(3)自然界一切已經實現的過程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的過程都是不可能實現的，例如“永動機”只能以失敗而告終。(4)機械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。能量守恒定律的意義：能量守恒定律思考：把剛煮好的熱雞蛋放到冷水中，過一會，雞蛋的溫度降低，水的溫度升高，最后二者溫度相同。是否可以發生這樣的現象：原來溫度相同的雞蛋和水，過一會水的溫度自發地降低，而雞蛋的溫度上升？這一現象并不違反能量守恒定律，但是這樣的過程為什么不存在哪？一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的。即一切與熱現象有關的宏觀過程都有方向性。一、能量轉移或轉化的方向性1.能量的轉移具有方向性：如熱量可以自發地從高溫物體傳給低溫物體，但不能自發地從低溫物體傳給高溫物體。2.能量的轉化具有方向性：如機械能可以自發地完全轉化為內能，但內能不能自發地且不能完全轉化為機械能。一、能量轉移或轉化的方向性能量的耗散

在能量轉化過程中，散失到環境中的內能很難收集起來重新利用，這種現象叫能量的耗散。

能量耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性。

例如，電池中的化學能轉化為電能，電能又通過燈泡轉化為內能和光能，熱和光被其他物質吸收之后變成周圍環境的內能。我們很難把這些內能收集起來重新利用。一、能量轉移或轉化的方向性火力發電廠燃燒燃料產生的熱能最終只有40%左右轉化為電能，如果進行供暖的話，燃燒產生的熱能大約80%左右可以被人們利用到，剩余部分則會變為環境的內能散失。一輛行駛的小轎車，燃料燃燒產生的內能有37%通過發動機散熱系統排出，37%直接由排氣管排出，只有26%變為發動機輸出的機械能。太陽能的轉化能量的耗散表明，能量在數量上雖未減少，但品質上降低了，從便于利用的能源變成不便于利用的能源。這就是能源危機的深層次的含義，也是要節約能源的根本原因。能量的耗散是從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性。二、能源的分類與應用1.能源：是指可產生各種能量或可做功的物質資源的統稱。二、能源的分類與應用煤炭、石油和天然氣是目前人類生產、生活中使用的主要能源，這類能源又叫作化石能源。化石能源無法在短時間內再生，所以這類能源被叫作不可再生能源。二、能源的分類與應用水能、風能、潮汐能等能源，歸根結底來源于太陽能。這些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。二、能源的分類與應用1、太陽能發電：太陽能的利用對環境的影響很小。利用太陽能最有前途的領域是通過太陽電池將太陽能直接轉化成電能。目前我國是最大的光伏產品制造國。2015年年底，我國太陽能光伏發電累計并網容量達到4.158×107kW，2022年9月底，我國光伏發電裝機3.58億千瓦，居世界第一，穩坐全球第一把交椅。。二、能源的分類與應用2、水力發電：水能是可再生能源，水電站是利用水能的重要形式。水電對環境的影響比火電小，發電成本低。到2015年中國水電裝機總量突破3×108kW，約占全球水電裝機總量的1/4，居世界第一.葛洲壩水電站三峽水電站二、能源的分類與應用3、風能發電：為了增加風力發電的功率，通常把很多風車建在一起，成為“風車田”。我國風力資源豐富，尤其是西北、華北、華東、西南地區。隨著新能源政策的引導及風力發電、并網等技術的發展，我國風力發電開發走在了世界前列，裝機容量居全球第一。連云港臨港產業區風車田新疆達坂城風車田4、核能發電：一些質量較大的原子核在裂變成較輕的原子核時，會釋放出驚人的能量。同樣質量的化學燃料與核燃料相比，如果都進行了完全反應，核燃料釋放出的能量要遠遠大于化學燃料釋放出的能量?？煽刂频牧炎兎磻尫懦龅哪芰?，可以很好地被人們所利用。核電站就是利用可控核裂變來發電的。大亞灣核電站防城港核電站秦山核電站二、能源的分類與應用

我國具有完全自主知識產權的三代百萬千瓦級核電技術站——華龍一號，其安全指標和技術性能已達到國際最先進的三代水平。我國的核能發電技術已居于世界領先地位。中國核電機組數量將達到90余臺，從裝機容量上講，將超過法國，成為世界第二的核電大國，僅次于美國。二、能源的分類與應用二、能源的分類與應用三、能源與社會發展我們的衣食住行和社會的存在與發展都離不開能源。人類歷史上，社會的每一次大變革，都伴隨著能源科技的突破。人類對能源的利用大致經歷了三個時期：柴薪時期煤炭時期石油時期1．火的使用是人類在能源使用上的第一個里程碑；2．蒸汽機的出現，化石能源的大規模利用，開始了人類文明的新紀元；3．內燃機的出現，推進了機械化和電氣化的進程。一、能量轉移或轉化的方向性能源是人類社會活動的物質基礎，然而在能源的利用過程中造成的環境惡化，已經成為關系到人類社會能否持續發展的大問題。“溫室效應”造成冰川融化酸雨三、能源與社會發展社會的高速發展造成了能源緊缺，過度使用化石能源也造成了環境的污染。人類的生存與發展離不開能源，能源的開發與利用又會對環境造成影響?？沙掷m發展的核心是追求發展與資源、環境的平衡：既要滿足當代人的需求，又不損害子孫后代的需求。一方面要大力提倡節能，另一方面要發展使用可再生能源以及天然氣、清潔煤和核能等在生產及消費過程中對生態環境污染程度低的清潔能源，推動形成人與自然和諧發展的生態文明。課堂小練1．能源消耗的過程中，我們無法把一些能源消耗產生的內能收集起來重新利用，這種現象叫作能量的耗散。對于能量耗散理解正確的是（）A．能量耗散說明能量在不斷地減少B．能量耗散不遵循能量守恒定律C．能量耗散說明能量不能憑空產生，但能量卻可以憑空消失D．能量耗散從能量轉化的角度反映出自然界中的宏觀過程具有方向性D課堂小練2.（課本99頁，5）如圖是架在屋頂的太陽能熱水器。已知單位時間內太陽垂直射到地面附近單位面積的能量E0為7×103J/(m2·s)。一臺熱水器的聚熱面積為2m2，若每天相當于太陽直射熱水器4h，太陽能的20%可轉化為水的內能，那么這個熱水器一天內最多能利用的太陽能為多少？課堂小練3.風能是一種很好的可再生能源，而且對環境的污染較小，近年來我國在西北地區建立了許多風力發電廠。如圖所示為風力發電的情景，通過風輪機一個葉片旋轉一周掃過面積的最大風能為這臺風力發電機的可利用風能。已知：空氣的密度為

ρ，風輪機葉片的長度為

r，若風速為

v0，每臺風力發電機輸出電功率為

P，求此過程中：（1）每臺風力發電機可利用風能的功率的表達式；（2）風力發電機利用風能的效率表達式。解析：（1）風吹動風輪機的葉片轉動，風力發電機將葉片轉動的動能轉化為電能。由動能守恒定律可知，時間

t

內每臺風力發電機可利用的風能為

＝P總t，在

t

時間內流向葉片掃過區域的空氣的質量

m＝πr2v0tρ，聯立解得

P總＝

；（2）風力發電機利用風能的效率為

η＝課堂小結能源與可持續發展能量守恒定律能量耗散可持續發展能源能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程