1、物理粤教修 2 第四章 机械能与能源 第八节 能源的利用与开发 课前自主预习 1. 在一定条件下能够提供可利用 的物质资源叫能源，按能源的利用可划分为 一次能源和二次能源，一次能源按是否能再生可分为 能源(如太阳能、风能、 水能等) 和 能源( 如煤、石油、天然气等 ) (1)一次能源：能 的能源，如煤、太阳能等 (2)二次能源：从一次能源直接或间接 而来的能源，如电能、氢能、焦炭 等 答案：能量 可再生 不可再生 直接利用 转化 2. 人类对能源的需求越来越大，但化石能源却越来越少，新能源的利用还没有完全发 展起来能源的过度利用同时伴随着对自然环境的 和 ，如温室效应、酸 雨等 答案：污染
2、破坏 3. 能源危机与环境污染使得开发能源成为必要解决能源危机与环境污染的办法： (1) 能源，提高能源利用率 (2)开发新能源、绿色能源及 能源，如开发水能、太阳能、风能和核能 答案：节约 可再生 4. (单选) 下列能源属于常规能源的是（ ） 煤 核能 太阳能 石油 A B C D 解析：常规能源是指埋在底下的动植物经过数亿年的地质演变而形成的煤、石油、天 然气。太阳能和核能属于新能源。所以本题应该选 D。 答案: D 点评：本题考查了对能源分类的识记内容。要求同学全面理解能源的几种分类方式。 5. (双选) 下列关于太阳能的说法中错误的是（ ） A太阳能十分巨大，供应时间长久 B太阳能分
3、布广阔，处处可以利用 C太阳能到达地面的功率稳定，不会受气候和季节的影响 D太阳能也会造成环境污染 解析：太阳能在不同的天气和季节，到达地面的功率是不一样的，太阳能不会造成污 染。 答案: CD 课堂互动探究 知识点 1 能源危机与环境污染 新知探究 情景一： 联合国气候变化框架公约 （United Nations Framework Convention on Climate Change，简称 公约)是 1992 年 5 月在联合国纽约总部通过的，同年 6 月在巴西里约热 内卢举行的联合国环境与发展大会期间正式开放签署。 公约的最终目标是“将大气中温 室气体的浓度稳定在防止气候系统受到危险
4、的人为干扰的水平上”。 公约说：“感到忧虑的是，人类活动已 大幅增加大气中温室气体的浓度，这种增加增 强了自然温室效应，平均而言将引起地球表面 和大气进一步增温，并可能对自然生态系统和 人类产生不利影响。 ” 公约是世界上第一个为全面控制二氧 化碳等温室气体排放，应对全球气候变暖给人 类经济和社会带来不利影响的国际公约，也是 国际社会在应对全球气候变化问题 上进行国际 合作的一个基本框架。目前已有 192 个国家批 准了公约 ，这些国家被称为公约缔约方。 此外，欧盟作为一个整体也是公约的一个缔约方。 公约缔约方作出了许多旨在解决气候变化问题的承诺。每个缔约方都必须定期提 交专项报告，其内容必须
5、包含该缔约方的温室气体排放信息，并说明为实施公约所执 行的计划及具体措施。 情景二： 能源危机是指因为能源供应短缺或是价格上涨而影响经济。这通常涉及到石油、电力 或其他自然资源的短缺。能源危机通常会造成经济衰退。从消费者的观点，汽车或其它交 通工具所使用的石油产品价格的上涨降低了消费者的信心和增加了他们的开销。 世界经济的现代化，得益于化石能源， 如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的 投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之 上的一种经济。然而，由于这一经济的资源 载体将在 21 世纪上半叶迅速地接近枯竭。石 油储量的综合估算，可支配的化石能源的极 限，大约为 11801510 亿吨，以 19
6、95 年世界 石油的年开采量 33.2 亿吨计算，石油储量大 约在 2050 年左右宣告枯竭。天然气储备估计 在 131800152900 兆立方米。年开采量维持 在 2300 兆立方米，将在 5765 年内枯竭。煤 的储量约为 5600 亿吨。1995 年煤炭开采量 为 33 亿吨，可以供应 169 年。铀的年开采量目前为每年 6 万吨，根据 1993 年世界能源委 员会的估计可维持到 21 世纪 30 年代中期。核聚变到 2050 年还没有实现的希望。化石能源 与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。事实 上，近 10 年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是
7、由化石能源的重新配置与分配而引发。 这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁；在国内，也可能出现由于能源基地工人下岗而 引发的许多新的矛盾和冲突。总之，能源危机迟早会爆发；它的爆发将具有爆炸性！ 重点归纳 1能源危机：目前世界上消耗的能源主要是煤、石油、天然气等不可再生能源，按目 前的消耗速度，煤可用 200 年左右，石油可用 40 年左右，天然气可用 60 年左右，而其他 可再生能源还不能大规模应用，世界正面临能源危机 2我国的能源危机：能源储量有限，人口众多，人均能源占有量和消费量均处于较低 水平；经济增长和生活水平的提高，使能源消耗量急剧增加，目前我国能源消费总量已位 居世界第二位 图 4-
8、8-1 上海世博会石油馆 图 4-8-2 3环境污染：大量使用煤、石油、天然气等化石能源给人类的生存环境带来了灾难， 如酸雨、温室效应、臭氧层的破坏、城市热岛效应、土壤酸性化、生态平衡的破坏、海平 面升高等 （1）温室效应：温室效应加剧主要是由于现代化工业社会燃烧过多煤炭、石油和天然 气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。二氧化碳气体具有吸热和 隔热的功能。它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热 量无法向外层空间发散，其结果是地球表面变热起来。因此，二氧化碳也被称为温室气体。 （2）酸雨污染：酸雨是工业高度发展而出现的副产物，由于人类大量使用煤、石
9、油、 天然气等化石燃料，燃烧后产生的硫氧化物或氮氧化物，在大气中经过复杂的化学反应， 形成硫酸或硝酸气溶胶，或为云、雨、雪、雾捕捉吸收，降到地面成为酸雨。 （3）臭氧层破坏：臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作 用是吸收短波紫外线。对于大气臭氧层破坏的原因，科学家中间有多种见解。但是大多数 人认为，人类过多地使用氯氟烃类化学物质（用 CFCs 表示）是破坏臭氧层的主要原因。 氯氟烃是一种人造化学物质，1930 年由美国的杜邦公司投入生产。在第二次世界大战后， 尤其是进入 60 年以后，开始大量使用，主要用作气溶胶、制冷剂、发泡剂、化工溶剂等。 另外，哈龙类物质（用于灭火器
10、） 、氮氧化物也会造成臭氧层的损耗。 （4）城市热岛效应：城市热岛效应(Urbanheatislandeffect)是指城市中的气温明显高于 外围郊区的现象。城市热岛效应形成的原因：城市内拥有大量锅炉、加热器等耗能装置以 及各种机动车辆。这些机器和人类生活活动都消耗大量能量，大部分以热能形式传给城市 大气空间。城区大量的建筑物和道路构成以砖石、水泥和沥青等材料为主的下垫层，这些 材料热容量、导热率比郊区自然界的下垫层要大得多，而对太阳光的反射率低、吸收率大； 因此在白天，城市下垫层表面温度远远高于气温，其中沥青路面和屋顶温度可高出气温 8 17此时下垫层的热量主要以湍流形式传导，推动周围大气上
11、升流动，形成“涌泉风“, 并 使城区气温升高;在夜间城市下垫面层主要通过长波辐射 ,使近地面大气层温度上升。 4能源稀缺：虽然能量是守恒的、不可能消灭的，但我们仍然要节约能源因为自然 界中能量的转化过程具有一定的方向性，能成为能源的很少 例 1 (双选) 二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，行星表面发出的长波辐射到大气 以后被二氧化碳截获，最后使大气增温，大气中的二氧化碳和暖房的玻璃一样，只让太阳 的热辐射进来，却不让室内的长波热辐射出去，二氧化碳的这种效应叫温室效应，这是目 前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法成立的是( ) A在地球形成的早期，火山活动频繁，排出
12、了大量的二氧化碳气体，当时地球的气 温很高 B二氧化碳是空气的组成成分，人们可以放心大胆地使用煤、石油、天然气等化石 能源，不会对环境造成任何影响 C由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气 温正在升高 D气候变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加，地球上的气温正在升高 解析：空气中的二氧化碳气体，可以让太阳光热辐射进入地球大气层，而会阻止地球 自身的长波热辐射离开地球，这样会造成地球上的温度升高，由此可知，A、C 选项正 确 答案：AC 触类旁通 1. (双选) 能源短缺和环境恶化指的是( ) A煤炭和石油的开采与技术有关，在当前技术条件下，煤炭和石油的开采是
13、有限的， 这叫能源短缺 B煤炭和石油资源是有限的，以今天开采和消耗的速度，石油储量将在百年内用尽， 煤炭资源也不可能永续，这叫能源短缺 C煤炭和石油具有大量的气味，在开采、存放和使用过程中这些气味会聚存在空气 中污染空气，使环境恶化 D大量煤炭和石油产品在燃烧时排出的有害气体污染空气，改变了空气成分使环境 恶化 解析：能源短缺不是开采技术问题，而是存储量少的问题，故 A 错误，B 正确；环境 污染主要是来源于燃料的燃烧产生大量的有害气体污染空气，故 C 错误，D 正确。 答案：BD 知识点 2 能源的利用与开发 新知探究 情景一： 2012 年 8 月 23 日，广东省住房和城乡建设 厅、省财
14、政厅联合在湛江市召开太阳能光电建筑 应用示范项目广东粤电湛江生物质电厂光伏 发电项目验收评估会。 广东粤电湛江生物质电厂光伏发电项目是国 家 2011 年度光电建筑应用示范项目，该项目由 广东省粤电集团有限公司下属子公司广东粤电湛 江生物质发电有限公司投资建设，项目总装机容 量为 1MW，总投资 1710.35 万元。该项目建设选 址位于遂溪白泥坡工业区，利用生物质发电厂建 筑群屋顶，安装 3582 块共 7122 平方米的多晶硅 光伏板，太阳能光伏发电系统通过光伏组件转化 为直流电力，再通过并网型逆变器将直流电能转化为频率、相位符合要求的正弦波电流并 入工厂用电系统。 情景二： 黑龙江省 2
15、012 年 6 月 14 日颁布黑龙 江省气候资源探测与保护条例，其中规定 企业探测开发风能及太阳能资源必须经过气 象部门批准，而且探测出来的资源属国家所 有。这是我国首个规范气候资源利用的地方 法规。 据黑龙江省人大法制工作委员会副主任 王去奇介绍，近年来，黑龙江省一些企业随 意探测开发风能、太阳能资源问题非常突出， 针对这一问题，黑龙江省在全国率先发布了 黑龙江省气候资源探测与保护条例，对 企业开发探测风能、太阳能资源进行规范。 太阳能光伏发电 图 4-8-3 太阳能风能发电 图 4-8-4 按照黑龙江省气候资源探测与保护条例规定，企业探测开发风能及太阳能资源必 须经过气象部门批准，而且探
16、测出来的资源属国家所有。 重点归纳 1能源的利用 2未来的能源 (1)节约能源，开发可替代煤、石油、天然气等常规能源的新能源，研究清洁能源是缓 解当前能源危机及保护和改善人类环境的有效措施 (2)现在人类正致力于开发核能、风能、太阳能、地热能、生物能、海洋能、氢能等新 能源 例 2 水能是可再生能源，可持续地利用它来发电，为人类提供“清洁”的能源，若一 水力发电站水库的平均流量为 Q m3/s，落差为 h m，发电效率为 ，则全年发电量 A 是多 少 kWh？(g 取 10 m/s2) 解：水的重力势能转化为电能，且转换效率为 ，由能量守恒定律得该水电站发电功 率为 P 10 4Qh W m水
17、 ght 水 Qtght 则全年发电量为 APT 10 4Qh24365 Wh 8.7610 4Qh kWh. 触类旁通 2.（单选）自行车、电动自行车、普通汽车消耗的能量分别是( ) 生物能 核能 电能 太阳能 化学能 A B C D 解析：自行车运行是通过人消耗生物能对自行车做功，生物能转化为机械能；电动自 行车是把电能转化为机械能；普通汽车是把化学能转化为机械能开动的 答案：B 随堂练习 一、单项选择题 1下列能源中既属于一次能源又属于可再生能源的是( B ) A石油、水能、电能、太阳能 B海洋能、风能、太阳能 C氢能、核能、生物能 D水能、天然气、太阳能 2下列供热方式最有利于保护环境
18、的是( D ) A用煤做燃料供热 B用石油做燃料供热 C用天然气或煤气做燃料供热 D用太阳能供热 解析：选项 A、B、C 的供热方式中，燃烧放出有害气体 3下列说法正确的是( C ) A能量的转化和转移没有方向性 B燃烧石油和煤炭时产生的二氧化碳是形成“酸雨” 的主要原因 C燃烧石油和煤炭时产生的二氧化碳是产生“ 温室效应”的主要原因 D根据能量转化与守恒定律，自然界不存在能源危机 4热传导的方向性是指( D ) A热量只能从高温物体传递到低温物体，而不能从低温物体传递到高温物体 B热量只能从低温物体传递到高温物体，而不能从高温物体传递到低温物体 C热量既可从高温物体传递到低温物体，又可以从低
19、温物体传递到高温物体而不引 起变化 D热量会自发地从高温物体传递到低温物体，而不会自发地从低温物体传递到高温 物体 解析：热量可以自发地从高温物体传递到低温物体，若要热量从低温物体传递到高温 物体，需要有外界做功 5下列关于能源的说法错误的是( C ) A风能的利用形式主要是以风能作为动力来发电 B核能具有能量密度大，地区适应性强的优势 C太阳能电池将太阳能先转化为内能再转化为电能，人造卫星的电源都是太阳能电 池 D海洋能是一种蕴藏量极大的可再生能源 二、双项选择题 6下列能源中，属于不污染环境且比较经济的新能源是( AD ) A太阳能 B核能 C天然气 D地热能 课后巩固提升 一、单项选择题
20、 1下列燃料中不属于化石燃料的是( B ) A煤 B干柴 C石油 D天然气 2下列关于能源的开发和利用的说法正确的是( C ) A能源利用的过程就是内能转化成机械能的过程 B要合理开发和节约使用核能、太阳能、风能、地热能、海洋能等常规能源 C能源利用的过程，是一种形式的能向另一种形式的能转化的过程 D无论是节约能源还是开发能源，我国都要靠外国支援 3关于节约能源，下面的说法中正确的是( C ) A浪费能源，只是浪费个人的金钱，所以节约能源是毫无意义的 B浪费能源，只是浪费个人的金钱，对整个社会和自然界来讲，反正能量是守恒的， 所以就社会而言，节约能源毫无意义 C从能量转化的角度看，自然界中宏观
21、过程是有方向性的，能源的利用受这种方向 性的制约，且能源的利用过程对环境有污染，所以节约能源对人类社会发展有很大的影响 D上述说法都是错误的 4下述做法能改善空气质量的是( B ) A以煤等燃料作为主要的生活燃料 B利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源 C鼓励私人购买和使用汽车代替公交车 D限制使用电动车 5风能和水能是某种能的间接形式，这种能是( C ) A核能 B电能 C太阳能 D地热能 6一水电站的水流落差为 20 m，水流冲击水轮发动机，水流能的 20%转化为电 能若发电机的功率为 200 kW，g 取 10 m/s2，则每分钟流下的水量是 ( A ) A310 5 kg B1.5
22、10 6 kg C610 4 kg D610 5 kg 解析：由 P 可知有 m 310 5 kg. mgh20%t Pt20%gh 7石油是一种重要能源，人类正面临着石油短缺、油价上涨的困难，以下解决能源问 题的方法不当的是( A ) A用木柴做燃料 B用液氢替代汽油 C开发风能 D开发地热能 8在地球的大气层中，因二氧化碳的含量增加引起了温室效应，引起大气层二氧化碳 含量增加的主要原因是( B ) A太阳能的使用 B煤、石油和天然气的大量使用 C核能的使用 D人口大量增长 解析：地球大气层中二氧化碳含量大量增加主要是因为含碳燃料的大量使用太阳能 是一种清洁能源，核能的使用对大气没有污染，人
23、口大量增长是使能源消耗速度加快 二、双项选择题 9下列说法中正确的是( BC ) A水能和风能都是“ 不可再生能源” B太阳能是一种清洁能源 C沼气是一种新能源 D核能对环境污染比常规能源对环境污染大 10关于能源，以下说法不正确的是( BC ) A煤、石油、天然气等燃料的最初来源都可追溯到太阳能 B柴草燃烧时释放的能量是生物能 C核能和地热能来自地球自身 D潮汐能来源于月球的引力做功 三、非选择题 11一辆公共汽车载着 30 位乘客行驶了 200 km，消耗汽油 300 L一个人骑自行车行 驶 1 km 平均消耗能量 6.7104 J公共汽车载客每人每千米消耗的能量是自行车的多少倍？ (每升
24、汽油完全燃烧放出的热量为 3.4107 J) 解：公共汽车行驶 200 km，消耗的能量为 E3003.410 7 J1.0210 10 J 公共汽车载客每人每千米消耗的能量为 E1 J1.710 6 J E30200 1.02101030200 则公共汽车载客每人每千米消耗的能量和自行车消耗的能量的比值为 n E1E 25.4 1.71066.7104 所以公共汽车载客每人每千米消耗的能量是自行车的 25.4 倍 12某风力发电机叶轮面积为 S，风速为 v，空气密度为 ，假设风的动能全转化为电 能，求发电机的功率 P. 解：t 时间内风通过风叶轮的流量为 mSvt 风的动能 Ek mv2 S
25、v3t 12 12 由题意 P Sv3. E电t Ekt 12 13水能是可再生资源，可持续地利用它来发电，为人类提供“清洁”的能源，水电站 是利用水的重力势能转化为动能而推动水轮机，水轮机再带动发电机将机械能转化为电能 的若某水电站的最大蓄水位 h175.0 m ，平均年流量 Q4.5110 11 米 3/年，水的密度 1.010 3 kg/m3.求该水电站每年利用的最大水能 (g 取 10 m/s2) 解：水电站将水的重力势能转化为电能，一年内可发电的水的势能为 EQgh 都用于发电，因此可利用的水能为 E1.010 34.51101110175.0 J7.8910 17 J. 12201
26、0 年上海世界博览会是未来人类对能源利用的体现世博轴阳光谷同时具有导 光、通空气和搜集雨水等功能，10 月 1 日展示的中国主题馆屋顶的太阳能光伏发电站，总 装机达 2.8 兆瓦，是目前世界上单体建筑中面积最大的太阳能屋面已知上海年日照时为 2 014 小时，若有 60%时间能让主题馆光伏发电正常工作，那么一年能为火力发电节约多少 煤？能减排多少二氧化碳？( 已知火力发电每千瓦时要 0.4 千克标准煤，燃烧每千克标准煤 会释放出 3.67 千克二氧化碳) 解：光伏发电站的功率为 P2.8 MW2.810 3 kW 一年的有效工作时间为 t2 01460%1 208.4 h 有 WPt2.810 3 kW1 208.4 h3.3810 6 kWh 一年能节约的煤为 mW0.4 kg/(kWh)1.3510 6 kg 减排二氧化碳量为 mm3.674.9710 6 kg 即每年能节约标准煤 1.35 千吨，减排二氧化碳 4.97 千吨
