第二十章能源、材料与社会

1、精选文库 章能源、材料与社会 第一节能量的转化与守恒 能量的转化与守恒 能量转化图 光能 运 电前P 充电器 光 用 学te T 机 机慎ffi - 一 n 电 内能 26 图 20 1 1 能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生, 它只会从一种形式 转化 为另一种形式，或者从一个物体_转移_到另一个物体,而能的总量保持不变。 类型之一能量的转化及守恒 窗阅读图文，回答问题。 与伟大同行 is V M动 Wife 轮轴 图 20- 1 2 这是一个著名物理学家发现一个伟大定律的实验装置！仔细观察后回答: (1) 装置中的两个配重的重量不等， 释放后大配重下降，小配重上升；通过反复 对调左右两

2、个配重，会使动叶轮不停地转动，从而导致热量计中水的温度 _ 升高傾变化情况），原因是对水做功，水的内能增加 _。实现的能量转化 是机械能转化为内能。 （2）实验中科学家某次测得了的数据如下: 小配重重量 G小=100 N， 大配重重量 G大=520 N, 每升降一次配重各自移动的距离h= 1 m, 热量计中水的质量 m= 500 g, 升降次数与水温变化的关系： 升降次数 1 2 3 4 5 6 温度变化/C 0.2 0.39 0.59 0.78 0.98 1.18 通过分析数据，科学家得出了结论：在上述现象中能量是守恒的！请你帮他补 出计算、判断过程（只需分析一次实验）: 【答案】（2）升降

3、一次配重做功 W= G h = 420 N X 1 m = 420 J, 水增加的内能 Q= cm（t10）= 4.2X 103 J/（kg C）X 0.5 kgX 0.2 C = 420 J, W= Q，即配重做的功转化为了水的内能。 （3）本实验中的误差主要来源于克服摩擦做功消耗一部分能量 1. 我国用自制的“长征2F”捆绑式火箭将“神舟九号”宇宙飞船成功送入预 定轨道，关于火箭发射过程中能量转化的说法，正确的是（A ） A .将燃料的化学能经过内能，再转化为火箭的机械能 B. 将燃料的化学能转化为火箭的内能 C. 将燃料的内能转化为火箭的化学能 D. 将燃料的机械能转化为火箭的内能 2我

4、国是世界上第一产煤大国。煤的储藏量很大，直到现在煤在我国仍作为 第一能源，煤中能量从根本上说来源于（B ） A .地热与地压的作用 B. 光合作用固定的太阳能 C. 细菌的分解和侵蚀作用 D. 地球与其他天体的相互作用 3. 质量相同的两个重锤从同一高度自由落下， 打在质量相等的铅块和铁块上, 落在铅块上的重锤静止不动，落到铁块上的重锤又被反弹回来，则铅块与铁块 的内能（A ） A .铅块增加得多 B. 铁块增加得多 C. 增加一样多 D. 都不会增加 【解析】 落到铁块上的重锤的重力势能没有全部转化为内能。 01分层作业 1. 下列关于能量的转化与转移过程，正确的是 A .草7太阳7兔子吃草

5、7人吃兔子 B. 太阳7树木7钻木取火7用火烤食 C. 太阳7电能7风能7电灯发光 D. 石油7太阳7汽油7汽车载货 2. 2014?永州以下是核电站工作情况的方框图，关于方框图中各装置的能量转 化，下列说法正确的是 核反应堆一7蒸汽轮机 7 发电机 7各种用电器 A .核反应堆将核能转化为电能 B. 蒸汽轮机将机械能转化为内能 C. 发电机将机械能转化为电能 D. 各种用电器只能将电能转化为内能 【解析】 核电站发电过程：核能先转化为内能，所以 A不正确；水受热以后 温度上升会产生大量的水蒸气，水蒸气会推动蒸汽轮机转动，将内能转化为机 械能，所以B不正确；蒸汽轮机又带动发电机转动，最后发电机

6、将机械能转化 为电能，所以C正确；用电器将电能转化为内能、机械能等我们需要的各种能 量，所以D不正确，故选C。 3.下列关于能量转化的说法正确的是 A .汽车匀速上坡时，动能转化为重力势能 B. 燃料燃烧过程中化学能主要转化为内能 C. 太阳能电池将太阳能转化为光能 D. 电风扇正常工作时，电能主要转化为内能 4. 下面关于能量的说法中正确的是 A .用砂轮磨刀时，有内能转化为动能 B. 陨石进入大气层成为流星时，是内能转化为机械能 C. 壶中的水沸腾时壶盖不停地跳动，是水的势能转化为壶盖的动能 D. 用打气筒给轮胎打气，打气筒发热是机械能转化为内能 5. 有一种压电塑料薄膜，在压力作用下表面

7、会产生电压。若将它用在微型扬声器 或话筒上，可以将电信号转化为发声振动，或将发声振动转化为电信号；另外, 当它受热时还会产生电流, 可以用来制作火警装置。以上信息中没有涉及到的 能量转化过程是 A .机械能转化为电能 B. 电能转化为机械能 C. 内能转化为电能 D. 内能转化为化学能 【解析】“在压力作用下表面会产生电压”，这是机械能转化为电能的过程; “可以将电信号转化为发声振动”，这是电能转化为机械能的过程；“当它受 热时还会产生电流”，这是内能转化为电能的过程。 6. 不同的物理现象往往遵循同一物理规律。例如：跳伞运动员从空中徐徐下降; 刹车后，水平路面上行驶的公交车逐渐减速停靠在车站

8、。 这些现象中能量转化 有共性的是 A .物体的动能全部转化为重力势能 B. 物体的重力势能转化为其他形式的能量 C. 其他形式的能量转化为物体的机械能 D. 物体的机械能转化为其他形式的能量 7. 2014?宜昌2014年5月21日，中国与俄罗斯签署了总额高达 4 000亿美元的 天然气贸易合同，俄罗斯向中方提供30年的天然气供应。天然气是_不可 _(填“可”或“不可”)再生能源。目前城市公共汽车用天然气取代汽油做燃 料是因为使用天然气相对减少了二氧化碳气体的排放，可以有效缓解温室 效应。 【解析】 天然气不能从自然界源源不断得到，不能重复利用因此是不可再生 能源；使用天然气作燃料可以有效减

9、少空气污染，提高空气质量；可以有效减 缓温室气体的排放。 自然界中能量在转化和转移的过程中， 能的总量保持不变 9. 能量的转化和转移是有方向性的。例如，冬天烤火的时候，人们燃烧煤等燃料 获得内 能, 火炉把这些能量自动传给周围空气，但这些能量不能(填 “能”或“不能”)自动聚集起来再次利用。 C纽-拓展创新 牡k4 - - A 03占亠匚 下表给出了在不同风速下一台风车获得的能 量。 10. 如图20 1 3是我国西部某地区风力发电的 外景。该地区空气密度为1.3 kg/m3，一台风车 的轮叶转动时可以形成面积为100 m2的圆面。 图 20- 1 3 平均风速(m/s) 5 10 15 2

10、0 25 30 1 s内获得的能量(X 104 J) 4 8 12 16 20 24 (1)若某时间内风速为10 m/s, 台风车工作1小时所产生的电能可供10只 “220 V 100 W”灯泡正常工作8 h,求这台风车发电的效率。 (2) 若此地年平均风速为15 m/s，100台这样的风车一年(工作时间按4 000 h计 算)获得的风能相当于完全燃烧多少千克煤？(煤的热值为3X107 J/kg) (3) 若风速为10 m/s，则1 min内有多少千克的空气流冲击风车轮叶转动形成的 圆面？ 【答案】(1)风车工作1小时获得的能量为 W总=8X 104 J/SX 3 600 s= 2.88X 1

11、08 J, 风车工作1小时产生的电能为 W= Pt= 10X 100 WX 8X 3 600 s= 2.88X 107 J 故风车发电的效率为 W电 2.88X 107J ,ccc, n =W总二 2.88X 108 J X 100%= 10%； (2) 100台风车一年获得的风能为 W= 100X 12X 104J/sX 4 000X 3 600 s= 1.728X 1014 J, 根据 W= mq得 1.728X 1014 J= mX 3X 107 J/kg, 解得 m= 5.76X 106 kg； (3) 空气流质量为 m= pV ptS= 1.3 kg/m3X 10 m/sX 60 s

12、X 100 m3= 78 000 kg。 第二节_能源的开发和利用 1.能源的分类 不可再生能源：煤、石油、天然气和轴矿等化石或矿物能源，一旦消耗就很难 再生的能源属于不可再生能源。 可再生能源：水能、风能、太阳能、生物质能等，可以长期提供或可以再生的 能源属于可再生能源。 2. 新能源 新能源：包括太阳能、核能、地热能、潮汐能、风能等。 太阳能：太阳内部进行着大规模的聚变，释放的核能以电磁波的形式从太阳辐 射出来，地球上的生物每天都享用着聚变释放出的能量。 太阳能利用：利用太阳能的四个渠道：第一是通过植物的光合作用把太阳能 转化和储存进来再以草木、沼气、煤、石油、天然气等燃料的形式释放出来;

13、 第二是通过大气和水分的升腾循环，再通过风、流水、波浪、海流等释放出来; 第三是被海洋吸收，成为海洋内能；第四是被人们直接利用，如太阳能热水器 等。直接利用太阳能的三种方式：一是将太阳能直接转化成内能；二是将太 阳能直接转换成电能；三是将太阳能直接转换成化学能。 核能：质子、中子依靠强大的核力紧密地结合在一起，因此原子核十分牢固， 要使它们分裂或重新组合是极其困难的。但是，一旦使原子核分裂或聚合，就 可能释放出惊人的能量，这就是核能。 裂变：核裂变是较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应。科学家发现 用中子轰击铀235（质量数为235的铀），铀核会分裂成大小相差不很大的两部 分，这种现象叫

14、做裂变。铀核裂变时，还同时放出23个中子，放出的中子 又可以轰击其他铀核，使它们也发生裂变。这样，裂变将不断地自行继续下去, 这种现象叫做链式反应。 聚变：科学家们发现，较轻的原子核结合成较重的原子核，也能释放能量，这 种现象叫做聚变。 类型之一能源的分类 20-2- 1 EHI研究能源利用，实现可持续发展已成为 21世纪世界各国共同的任务，能 源按不同的分类方式可进行不同分类。下列四组能源中，能归入图 所示阴影部分的一组是（ 刪丿 图 20- 2- 1 A. 煤炭、地热能、沼气 B. 太阳能、风能、水能 C. 水能、木柴、天然气 D .石油、水能、核能 【解析】 新能源具有污染少、储量大的特

15、点，如太阳能、风能、现代生物质 能、地热能、海洋能以及核能、氢能等。图中阴影部分所代表的能源应该既是 新能源、可再生能源，又是来源于太阳辐射，四个选项中只有B符合条件。 【点悟】太阳能是地球“能源之母”它的能量来源于热核反应，是一种核能。 地球上除核能、地热能、潮汐能不是来源于太阳能，其他能源均来源于太阳能。 类型之二开发利用新能源 區12 2014?长沙如图20-2-2所示是我省某高校学生设计的一款小夜灯，它 的一侧是太阳能电池板，另一侧是高效节能的 LED灯。关于小夜灯中所应用 的物理知识，下列说法正确的是（A ） 图 20- 2- 2 A .太阳能电池板主要是靠白天接受阳光的照射而获得能

16、量 B. 太阳能电池板将电能转化为内能 C. LED灯的发光物体是由电阻很小的铜质材料制成的 D. LED灯不发光时也有电流通过 【解析】 因为只有白天才有太阳光，所以太阳能电池板主要是靠白天接受阳 光的照射而获得能量，A说法正确；太阳能电池板是将光能转化为电能， B说 法错误；二极管是由硅和锗等材料制作成，而硅和锗是半导体材料，因此LED 灯的发光物体是由半导体材料制成的，C说法错误；LED灯不发光时没有电流 通过，D说法错误，故选A。 【点悟】 本题考查太阳能的利用，半导体的应用等，注意从生活中领悟知识 的无处不在。 al 1下列关于核能的说法，错误的是（D ） A .核电站是利用核能来发

17、电的 B.核反应堆中发生的是链式反应 C.核电站发生泄漏时会对人和生物造成伤害 D.核废料不会对环境造成污染 2 凡是能够提供 能量 的物质资源都可以叫做能源。我们常见的煤、石油、 天然气被称为化石能源 3.太阳把空气和地面晒热，太阳能转化为 内能_，晒热的空气上升，空气 流动形成风，又转化为 风能太阳使地面上一部分水蒸发，蒸发的水汽升 空形成云，云又以雨雪等形式落下，流入江河，太阳能转化为 水能植物 吸收太阳能，进行光合作用，太阳能转化为_化学能 1. 2014?海南下列能源中属于可再生能源的是 A 石油 B .天然气 C.太阳能 D 核能 2. 2014?巴中下列关于能源利用的说法中正确的

18、是 A 煤、石油、太阳能都是不可再生资源 B.风能、太阳能是绿色能源，应大力开发利用 C.核电站是利用原子核聚变所释放的能量来发电 D.火箭发射利用的燃料是液态氢，是因为它含有的热量多 【解析】 太阳能是可再生能源，所以A错误；风能、太阳能属于可再生能源, 使用起来环保无污染，所以B正确；核电站是利用原子核裂变所释放的能量来 所以 随州 发电，所以C错误；火箭发射利用的燃料是液态氢， 是因为它的热值高, D错误，故选B。 3. 2014?广州化石能源是当今我国的主要消耗能源，下列说法正确的是（ A .核电站发生核泄漏会造成危害 B. 使用化石能源不会对环境造成破坏 C. 我国消耗的能源以可再生

19、能源为主 D. 化石能源可短期内从自然界得到补充 4. 2014?随州长期以来随州人民的生活能源离不开煤、石油、天然气这些, 由于这些在自然界中越用越少且又排放污染， 人们正在寻找理想能源。 市的“齐星公司”正在研发太阳能的高效利用。因为太阳能可直接从自然界中 获取，所以叫它。太阳能取之不尽又清洁环保！我们期待太阳能的深度开发, 我们期待蓝天白云！以上叙述中、分别是指 A .化石能源、不可再生能源、一次能源 B. 二次能源、可再生能源、一次能源 C. 可再生能源、一次能源、二次能源 D. 化古能源、二次能源、不可再生能源 【解析】 像煤、石油、天然气等是由古代动植物的遗骸经一系列复杂变化而 形

20、成的燃料，属于化石能源；像煤、石油和天然气等这些化石燃料，不能短时 期内从自然界得到补充，属于不可再生能源；因为太阳能可直接从自然界中获 取，所以叫它一次能源，故选A。 5.关于太阳能的转化，下面说法不正确的是 A .太阳能可转化为物体的内能 B. 太阳能可转化为风能和水能 C. 太阳能可转化为植物的化学能 D. 太阳能可转化为潮汐能和地热能 【解析】地热能来源于地球内部。潮汐能是太阳、月亮对地球的万有引力所 带来的能量。这两种能源与太阳能无关。 6.侈选）关于核能的获得，下列说法中正确的是 (BC A .核反应堆是原子核裂变时，在极短时间内释放出大量核能的装置 B. 当原子核内部发生变化时会

21、释放出巨大的能量，核裂变和核聚变是获得核 能的两种方式 C.核电站是使核能转化为内能，再通过汽轮发电机转化为电能的装置 D. 在核电站的反应堆中发生的是可控制的核聚变 BSl -能力提升 R曲 7. 2014?锦州新能源在现代社会中有着广泛的应用。太阳能属于_可再生_ （填 “可再生”或“不可再生”）能源；警用电动车逐渐成为警察巡逻的主要交通 工具，电动车行驶时，车上的锂离子电池将化学能转化为 ，电_能,再转化为 机械能；警察和指挥中心无线通信时是通过电磁波_（填“超声波”或“电 磁波”）进行联络的。 【解析】 太阳能是可再生能源；锂离子电池是电源的一种，它在对外供电的 时候是把化学能转化为电

22、能；警用电动车和地面指挥中心无线通信， 是利用电 磁波来工作的。 8我国实施的可再生能源法不仅向人们显示了可再生能源对于未来社会生活 的重大意义，同时，也为可再生能源未来的发展指出了更明确的方向。 （1）目前我国常用的能源有煤炭、石油、天然气、风能、水能、核能、太阳能等, 其中属于可再生能源的是风能、水能、太阳能0 （2）与不可再生能源相比，可再生能源的主要优点是 可以从自然界里源源不断 地得到0 C纽拓展创新 9. 2014?德州太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，下表是小华家 的太阳能热水器某天在阳光照射下的相关信息。 太阳照射时 装水量（kg） 水升咼的温 水的比热容 太阳能吸热

23、 间(h) 度C） J/ (kg?C) 功率(J/h) 10 100 50 4.2 X 103 3.0 X 106 求：（1）水在10 h内吸收的热量; 太阳能热水器的能量转化效率。 【解析】（1）水吸收的热量为 Q 吸=cm A t= 4.2X 103 J/(kg?C) X 100 kgX 50 C = 2.1 X 107 J； 太阳能热水器10 h吸收的太阳能为 Q总=Pt= 3.0X 106 J/hX 10 h = 3X 107 J, n= A 100%=100% = 70%。 Q总3X 10 J 第三节 材料的开发和利用 1. 材料与社会发展 作用：简单回顾一下历史便可知晓，正是在历史

24、发展过程中以及与此相联系的 人类知识和经验的增长过程中，材料的使用才得以发展。 2. 材料的导电性 导体：容易导电的物体叫导体，如各种金属、酸碱盐的水溶液、铅笔芯、人 体、大地等是导体。 绝缘体：不容易导电的物体叫绝缘体，如纯净的水、空气、塑料、橡胶、玻 璃、陶瓷 等是绝缘体。 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，如_锗、硅和砷化钾 等都是半导体。 3. 开发新材料 -l-A 零 超导现象：有些材料当温度降低到某一温度时，材料的电阻突然变为 的现象。 超导材料：能够发生_超导现象的材料叫超导材料。 应用：运用电阻为零的特性制作电动机线圈、 输电导线等，可减少电能损失, 提高电能利用

25、率。运用超导磁浮的特性制造磁悬浮列车、超导船等，既减少 了能量损失，又提高了交通工具的运行速度和安全性能。 纳米材料：指制成材料的基本单元大小限制在 _1100一纳米范围的材料,材 料的性能会发生显著变化，如颜色、导电性、导热性、硬度、磁性等会产生很 大的变化。由纳米材料组成的物质也就有了许多一般物质没有的特性。 基本单元的分类：纳米颗粒、纳米管、纳米膜。 应用：工业、农业、医疗、国家安全等各个方面都有广泛的应用。 类型之一理解材料的导电性 如图20-3- 1所示，关于闸刀开关上的一些部件的导电性能，下列说法 中正确的是（A ） 静魅头 图 20- 3- 1 *5 A .瓷柄是绝缘体 B. 胶

26、盖是导体 C. 动触头是绝缘体 D.静触头是绝缘体 【点悟】能正确理解导体和绝缘体的区别是解答此类问题的关键，以同学们家 里都有的闸刀开关为题，充分考查了导体和绝缘体的有关知识，充分体现了 “从生活走向物理”的理念。 类型之二认识新材料 32 “纳米”是一种长度单位，1 nm=_10_9_m，纳米技术是以1 nm100 nm这样的尺度为研究对象的前沿科学。目前，我国在对纳米技术的研究方面 已跻身世界前列，尤其是对“超级纤维”（碳纳米管的研制）走在了世界前沿。 已知我国已研制成的碳纳米管的强度（可理解为“单位面积能承受的最大压 1 力”）是钢的100倍,而碳纳米管的密度仅为钢的1。假设有两根足够

27、长的细杆, 一根由上述碳纳米管制成，一根由钢制成，将它们分别在地面附近竖直悬挂起 来,设它们能承受自身重力而不断裂的最大长度分别为 L纳与L钢，则L纳：L 600： 1 。 【解析】材料受到自身的拉力为 F= G = mg= p V弟 p SLg 0纳_ p纳L纳 即100_ L纳 所以 L纳_ 600 G钢二p钢L钢，即1= 6L钢，所以L钢二1。 【点悟】正确理解纳米材料的结构特点和应用，是解答此类问题的关键。本例 题中，以纳米材料为背景，通过计算来说明纳米材料在抗拉力方面的优越性能, 要求学生利用数学知识进行综合分析。 1.如果以下电器选用超导材料制作，不能正常工作的是（B ） A .微

28、波炉 B .电饭锅C .电动机D .发电机 2以下物体中，属于半导体材料的是（B ） A .铝线 B .硅 C. 食盐水溶液D .牛皮 3.有一种碳纳米管的直径只有1.4 nm, 5万个这种碳纳米管并排起来只有一 根头发丝那么粗，则这种碳纳米管的直径约等于1.4X109_ m，根头发丝 的直径等于 _7X 104 nm,合_Z0. 4. 超导磁悬浮列车是应用超导体的 一超导磁浮_现象,使列车悬在导轨上面, 减小了 摩擦力，提高了运行速度和安全性能。 01分层作业 1. 下列说法中，错误的是 A .水银在咼温时是超导体 B. 水银的温度降到269 r时，可以变成超导体 C. 由纳米材料制成的导线

29、将大大提高计算机的性能 D. 当光照射到某些半导体时，半导体内将会产生电流，由此可制成太阳能电 池 2. 关于纳米材料，下列说法不正确的是 A .纳米材料的基本单元空间尺度小 B. 纳米“机器人”已经设计并制造出来了 C. 有的纳米材料强度高、硬度大，有的纳米材料磁性强 D. 利用纳米技术可制作量子磁盘，提高存贮量 3. 若常温下的超导体研制成功，则它将适合于作 A .保险丝 B .输电线 C.电炉丝 D .滑动变阻器的线圈 【解析】 超导体电阻为零，电流通过超导体时，不会产生电热，所以电热器 中的电热丝不能用超导体。输电线用超导体，输电过程中将没有电能损失。 4. 以下所列各组物品，其中均属

30、于导体的一组是 A .塑料瓶盖、铁钉、铝箔 B. 铅笔芯、铁钉、铝箔 C. 铅笔芯、蜡纸、铁钉 D. 塑料瓶盖、蜡纸、铅笔芯 5. 2014?济宁为配合济宁市“五城同创”活动，小梦提出下列环保建议：开 发新能源，减少化石燃料的燃烧；使用手帕，减少餐巾纸的使用；市内出 行乘公交车或骑自行车，少开私家车；使用一次性发泡塑料餐具和塑料袋; 分类回收垃圾。其中你认为可行的是 A . B . C. D . 【解析】 开发新能源，减少化石燃料的燃烧，能减少空气污染物的排放, 所以正确；提倡使用手帕，减少餐巾纸的使用，有利于保护植被，充分利用 植物的光合作用吸收大气中的二氧化碳， 防止温室效应，还能减少生产纸的能 耗，所以正确；化石燃料的燃烧能产生大量的空气污染物，所以市内出行乘 公交车或骑自行车，少开私家车，减少化石燃料的燃烧，所以正确；大量使 用一次性发泡塑料餐具和塑料袋，不仅会造成环境污染，还增加了资源和能源 消耗，所以错误；分类回收不仅节约资