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第三节 能源：危机与希望
知识点一 能量转化与守恒定律 精练版P42
1．能量的转移
物理现象
现象分析
特征
运动的球拍把球击飞
球拍的动能转移为球的动能
能量的形式保持不变
用冰块给发烧病人降温
人体的内能转移为冰块的内能
探究归纳：像上面能量的形式没有变化，能量从一个物体传递给另一个物体的过程叫能量的转移。
2．能量的转化
物理现象
能的转化
水烧开后，水蒸气把壶盖顶起来
内能转化为机械能
水力发电
水能转化为电能
用电炉烧水
电能转化为内能
电灯发光
电能转化为内能和光能
蜡烛燃烧
化学能转化为内能和光能
给蓄电池充电
电能转化为化学能
来回迅速摩擦双手
机械能转化为内能
采集地热使汽轮机转动
地热能转化为机械能
运转中的电风扇
电能绝大部分转化为机械能
探究归纳：各种形式的能，在一定条件下可以互相转化，能量由一种形式转化为另一种形式的过程，叫能量的转化。
3．能量转移与转化的区别
若能量的形式没有发生改变，只是从一个物体传递给另一个物体，或者从同一物体的一部分传递到另一部分的过程是能量的转移，如：在热传递过程中，内能从高温物体转移到低温物体，或者从同一物体的高温部分转移到低温部分；水流推动水轮机转动，水的机械能转移到了水轮机上。若前后能的形式发生变化，则这个变化的过程就叫能量的转化，如：电动机工作时，把电能转化为机械能等。
4．能量转化与守恒定律
能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量转化与守恒定律。
无论发生能量转化还是转移，能量的总量是不变的。例如：汽车在刹车时，汽车的速度逐渐减小并最终停止，它的机械能减少了，但总的能量并没有消失。汽车能够刹车是由于与地面间存在摩擦，在刹车过程中，由于摩擦生热，使轮胎温度升高。内能增加，也就是汽车在刹车时，它的机械能转化成了内能，轮胎内能增大后，温度升高，高于周围空气温度，轮胎对空气放热，轮胎上的部分内能又转移到空气中，直至轮胎温度与空气温度相同。
5．能量转移和转化的方向性
(1)电影、电视根据剧情的需要，可以通过技术处理使植物生长、开花的次序逆向，但在现实中这是不可能的。自然界中各种事物的发展过程是有方向性的。
(2)冬天，我们利用暖气取暖，内能从暖气中的热水转移到室内空气，但是我们却无法使内能从室内空气再转移到热水中。一般情况下，内能只能自发地从高温物体转移到低温物体，不能反向进行。否则就会引起其他的变化，消耗别的能。
(3)汽车制动时，汽车的动能转化为轮胎、地面和空气的内能，这些能量能够自发地用来再次驱动汽车吗？显然不能，这些能量虽然没有消失，但是我们却不能再利用它。
结论：能量的转移和转化具有方向性。
6．永动机是不可能制成的，永动机是一种可以不消耗能量，就可以永远地运动下去，并连续不断地做功的机器，它的设计与制作尽管十分巧妙，但由于违背科学规律，一个个都失败了，永动机的失败从反面证明了能量转化与守恒定律的正确性。
例1 关于能量的转化和转移，下列说法错误的是( )
A．电池充电，电能转化为化学能
B．暖瓶塞被热气冲开，机械能转化为内能
C．电动机工作，电能转化为机械能
D．摩擦生热，机械能转化为内能
解析：暖瓶塞被热气冲开，是暖瓶内空气受热膨胀对瓶塞做功，把内能转化为机械能，故B选项错误，A、C、D选项都正确。
答案：B
知识点二 能量与能源 精练版P42
1．自然界中的能量
(1)能量的存在形式：能量是与物质及其运动相联系的。对应于不同形式的运动，有不同形式的能量，根据其特点可大致分为机械能、电磁能、内能和化学能等。
(2)能量可以从一个物体转移到另一个物体，也可以从一种形式转化成另一种形式。
2．能源危机
自然界存在着可以为人类提供能量的自然资源。能源是人类社会活动的物质基础，人类利用能源大致经历了三个时期：柴草时期、煤炭时期和石油时期。可是，煤炭资源在许多国家即将耗尽；石油储藏，以今天的开采和耗费速度，大约也只能再用100年了。
3．能量与能源的区别与联系
能量
能源
定义
物体做功本领的量度
凡是能够提供能量的物质资源
本质
是与物质及其运动相联系的。对应于不同形式的运动，有不同形式的能量，如机械能、电磁能、内能、化学能等。一个物体也可同时具备多种形式的能
可以提供某种形式能量的物质
联系
能源的利用过程，实质上就是能量的转化和转移的过程
例2 出行是人们工作、生活必不可少的环节，出行的工具多种多样，使用的能源也不尽相同，自行车、电动自行车和燃油汽车所消耗的能量类型分别是( )
①生物质能 ②核能 ③电能 ④太阳能 ⑤化学能
A．①③⑤ B．①④⑤
C．①②③ D．①③④
解析：自行车所消耗的是人体的生物质能，电动自行车所消耗的是电能，燃油汽车所消耗的是燃料的化学能。
答案：A
知识点三 物质与能量 精练版P42
1．核能的发现
(1)1905年，爱因斯坦以简洁的公式E＝mc2(c为光在真空中的速度)揭示了以质量m为标志的物质与能量E的关系。1938年，物理学家利用中子轰击铀，发现了核裂变，从而发现了一种新的能源——原子核能。
(2)由于原子核的变化而释放出的巨大能量叫作核能，也叫原子能，它有两种来源：一种是重核裂变；另一种是轻核聚变。
2．核裂变
(1)定义：用中子轰击铀235，使铀235这种重原子核分裂成两个中等质量的原子核，同时放出二至三个中子，并释放出巨大的能量，这种现象叫作核裂变，如图所示。后来我国物理学家钱三强与何泽慧夫妇又发现钠原子核被中子击碎时还会分裂成三个甚至四个碎片，称为三分裂或四分裂现象。
(2)链式反应
①小实验：将火柴搭成如图1所示的结构，点燃第一根火柴后，观察所发生的现象。
②与小实验的现象类似，用中子轰击铀235原子核，铀核分裂时释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子又会引起其他铀核裂变……这样就可使反应不断地进行下去，并释放出大量核能。这就是链式反应，如图2所示。
(3)利用物质与能量关系式E＝mc2理解核裂变
人们发现，铀核裂变反应后产生的质量有所减少，在核裂变过程中，必有能量ΔE＝Δmc2释放出来，式中Δm为核裂变反应前后的质量差。据此测算，1kg铀全部裂变时放出的能量就相当于2500t优质煤完全燃烧时放出的能量。人们把这种能称为原子核能。
(4)核裂变的利用
如果核裂变的链式反应不加以控制，将在极短的时间内释放出巨大的能量，发生强烈的爆炸，原子弹就是根据这一原理制成的，如图所示。
核反应堆是核电站的核心，它能够控制核裂变的速度，能够缓慢、平缓地释放核能。现在人们已经利用它来建成核电站，人类开始了和平利用核能。我国在浙江、广东、江苏等地建起了自己的核电站。
(5)核电站发电时能量转化的顺序：核能→内能→机械能→电能。
(6)核电站的特点
①消耗的燃料少、废渣少；
②特别适合缺少煤、石油和水力资源的地方；
③需防止放射性物质的泄漏，避免放射性污染，确保安全。
3．核聚变
(1)定义：把轻核聚合成质量较大的核的反应称为核聚变。如将质量很小的原子核，例如氘核(由一个质子和一个中子构成)与氚核(由一个质子和两个中子构成)，在超高温下结合成氦核，同时释放出更大的能量，这就是核聚变，有时把核聚变称为热核反应。如图所示。
(2)核聚变的应用
①太阳内部进行着大规模的核聚变，并以电磁波的形式向外释放核能，辐射出巨大的光和热，这就是太阳能的来源。
②氢弹就是利用原子弹爆炸产生的高温，使氘核和氚核极其迅速地聚变成氦核而产生强烈爆炸的。
③核聚变的应用前景
同样质量的核聚变释放的能量要比核裂变多4倍以上，核聚变所需原料氘核，在海水中含量丰富，核聚变一旦可以和平利用，将是“取之不尽，用之不竭”的能源。但目前还停留在实验室阶段。
温馨提示：对于核裂变和核聚变可通过列表进行对比
比较
核裂变
核聚变(热核反应)
定义
重原子核分裂成中等质量原子核的反应
轻原子核聚合成质量较大的核的反应
条件
中子轰击较大原子核
超高温
释放核能大小
巨大
更加巨大
应用
原子弹、核反应堆
氢弹
是否可控制
可利用核反应堆控制链式反应的速度
目前，核聚变速度还不能人为控制
例3 核电站由反应堆、汽轮机、发电机三部分组成。在核电站发电过程中，下列能量转化顺序正确的是( )
A．核能→机械能→内能→电能
B．核能→内能→机械能→电能
C．内能→核能→机械能→电能
D．电能→机械能→内能→核能
解析：利用核能发电时，在核反应堆中，核能转化为水的内能，在汽轮机中，内能转化为机械能，在发电机中，机械能转化为电能。故B选项正确。
答案：B
注意：核电站和一般火力发电站在“发电”这一环节上是一样的，都是利用高温高压的蒸汽对汽轮机做功，带动发电机发电，即由内能转化为机械能，再转化为电能，差别只在于核电站是核反应堆放出的核能转化为高温高压蒸汽的内能，而一般火力发电站是利用煤和石油燃烧时的化学能转化为高温高压蒸汽的内能。
知识点四 科学与人类 精练版P42
太阳能是一种既无污染、又取之不尽的能源。风能、潮汐能、水力和地热能等实际上也是无限的，所以把它们叫作可再生能源。当代的科学技术已使人类能够开发利用这些能源，这也是今后人类主要开发的新能源。
煤、石油、天然气、核燃料等是短期内无法从自然界得到补充的能源称为不可再生能源，它们日渐枯竭，存储量已经不多，所谓“能源危机”就是指的这类能源。
对于能源的利用要注意两方面：一是目前被开采的一次性能源——石油、天然气、煤等都是化石能源，越用越少，要注意节约；二是注意环境保护，减少各种污染，达到人与自然的和谐相处。
例4 如图是合肥一些地区使用的“风光互补”景观照明灯。它“头顶”小风扇，“肩扛”光电池板，“腰挎”照明灯，“脚踩”蓄电池。下列解释合理的是( )
A．光电池板是将电能转化为光能
B．照明灯是将内能转化为电能
C．小风扇利用风力发电，将机械能转化为电能
D．蓄电池夜晚放电，将电能转化为化学能
解析：光电池板是将太阳能转化为电能，照明灯是用电器，将电能转化为光能，小风扇内有发电机，将机械能转化为电能，与光电池板形成互补发电，蓄电池放电时将化学能转化为电能，因此只有C选项正确。
答案：C
易错点1 易忽略能量守恒的普遍性，导致结论错误
能量守恒是在能量转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。在分析有关现象时，要避免片面性，同时要注意能量的转化和转移具有方向性。
例5 在密闭的房间里有一个开着门的电冰箱，给电冰箱通电，过一段时间后，房间内的温度将( )
A．升高 B．降低
C．不变 D．无法确定
解析：根据生活经验，电冰箱内的温度比室温低得多。有的人会误认为，打开电冰箱门通电，由于电冰箱与外界发生热传递，内能发生转移，房间的内能减少，温度应下降，这种分析只考虑到冰箱内部吸热，是片面的。实际上电冰箱工作时，制冷剂在电冰箱内部吸热，在电冰箱的外部放热，这样看来，开着门的电冰箱，一边通过制冷剂把内能转移出来，另一边又将室内空气中的内能转移进去，哪一边转移得多些似乎难以判断。其实，这时只要注意电冰箱工作的过程是电流做功的过程，消耗了电能，所以转化出来的内能肯定会多些，房间内的温度将会升高。
答案：A
易错点2 对新能源的开发和利用认识不足
新能源的开发和利用，不但可以弥补现有能源的不足，缓解人类面临的能源危机，而且还可以大大减少利用常规能源的过程中对环境的污染，对社会的可持续发展有着重大意义。
例6 关于能源的利用，下列说法正确的是( )
A．大量使用石油产品会造成大气污染，所以应该停止开采石油
B．和平利用核能特别要注意防止核泄漏，以免造成环境污染
C．修筑拦河坝建造水电站利用水能发电，有百利而无一害
D．天然气是一种清洁能源，人类可以无穷无尽地开发
解析：石油现在还是主要的能源，停止开采石油不合理，A选项错误；水电站也有其不利的一面，如生态环境会受影响，C选项错误；天然气属于不可再生能源，用一点少一点，不可以无穷无尽地开发，D选项错误；只有B选项说法正确。
答案：B
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