第4节 能源与可持续发展
知能演练提升
能力提升
1.如图所示的设施中,用于发电的能源属于可再生能源的是( )
A.风能和水能 B.风能和煤的化学能
C.风能和核能 D.煤的化学能和核能
2.关于能源及能源的利用,下列说法错误的是( )
A.煤、石油和天然气等化石能源归根到底是来自太阳能
B.能源的利用过程,实质上是能量的转化和转移过程
C.现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D.由于我国煤和石油的储量十分丰富,所以太阳能和核能的开发在我国并不十分重要
3.下列说法正确的是( )
A.未来的理想能源要能大规模替代核能、水能、风能
B.未来的理想能源要能大规模替代太阳能
C.未来的理想能源要能大规模替代化石能源
D.以上说法都正确
4.长久性地解决人类对能源需求的根本方法是( )
A.充分利用地球上的化石能源
B.改进工艺,提高能源利用率
C.依靠科学技术进步,不断开发新能源
D.尽可能地少用能源
5.能源问题是现代社会发展的三大基本问题之一。能源家族中:①煤炭 ②核能 ③石油 ④天然气 ⑤水能 ⑥风能 ⑦地热能等,属于不可再生的是 ;不是直接或间接来自太阳的是 。(填序号)
★6.能源危机制约着现代社会的发展,开发和利用可再生能源是人类立足自身解决能源问题的重要举措之一。
(1)目前,煤、石油、天然气等化石燃料成为最主要的能源,它们的大量使用打破了生物圈中碳循环的平衡,使大气中 的含量迅速增加,导致全球气温升高。
(2)氢能源是我国正在开发的新能源之一,其使用的主要途径是设法构成原电池。从能量转换的角度看,原电池是一种将 转化为电能的装置。
(3)某辆以蓄电池为能源的环保汽车,总质量是 1 000 kg;当它在水平路面上以一定速度匀速行驶时,驱动电机的输入电流为20 A,输入电压为50 V,在此状态下,驱动电机的输入功率为 W。设想改用太阳能电池给该车供电,所需的太阳能电池板的面积至少应为 m2。(按阳光垂直照射时,地球表面每平方米面积上每秒内可获得800 J的能量,太阳能电池的转换效率为20%计算)
探究创新
★7.阅读下列短文,回答相关问题。
汽车作为曾经推动人类文明向前跃进的现代社会的产物,在给人类的生活带来便捷舒适的同时,对自然生态环境的恶化也有难以推卸的责任。大气污染主要来源于工业污染和汽车尾气。A市近几年来汽车保有量的增长很快,环保面临如汽车污染等问题的考验。
将氢气应用于汽车发动机的技术已在我国研制成功;以酒精为燃料的汽车已在北京市、河南省使用;很多地方已将一部分汽车改用液化气作燃料。
(1)请提出A市治理汽车污染的一条合理化建议:_____________________________。
(2)就目前情况看,氢气作燃料的汽车要投入使用前,你认为还要研究解决的问题有_____________________________。
(3)若实验用以氢气为燃料的汽车运行1 km,需要2.858×106 J能量。现这辆车行驶30 km,需 g氢气。(已知每克氢气燃烧放出1.429×105 J能量)
知能演练·提升
1.A 风能和水能可从自然界中源源不断地得到补充,属于可再生能源,故A正确;煤的化学能和核能不能在短时期内从自然界中得到补充,属于不可再生能源,故B、C、D错误。
2.D 煤、石油和天然气等化石能源归根到底是来自太阳能,即它们间接来自太阳能,故选项A正确;能源不会消灭和创生,只能发生转化和转移,因此能源的利用过程,实质上是能的转化和转移过程,故选项B正确;现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气,即仍以化石能源为主,故选项C正确;虽然我国的煤和石油的储量十分丰富,但是它们是化石能源,用完以后不能在短时间内形成,太阳能和核能的开发和利用是十分重要的,故选项D错误。
3.C 未来的理想能源要能大规模替代煤、石油、天然气等常规能源,潜在的替代能源有核能、风能、水能、太阳能等。
4.C 当前人类所需能量大部分来自化石能源。化石能源属于不可再生能源,全世界能源的消耗逐年上涨,化石能源会在不太长的时间内消耗殆尽,所以A错;工艺的改进,对能源利用率的提高是有一定成效的,但不能从根本上解决问题,唯有提高科学技术,不断开发新能源,才能从根本上解决问题,所以B错,C对;能源是人类社会发展的动力,没有了能源,也就没有了人类的进步,所以D错。
5.解析 煤、石油、天然气和核能属于不可再生能源,风能和地热能属于可再生能源;核能和地热能不是直接或间接来自太阳。
答案 ①②③④ ②⑦
6.答案 (1)二氧化碳
(2)化学能
(3)1 000 6.25
7.解析 (1)减少汽车的使用,就要限制私家车,发展公共交通;或者用酒精或液化气作汽车的燃料。
(2)从来源、运输、贮存、使用等方面考虑:①氢气的来源问题;②如何贮存和运输大量的氢气;③汽车上如何灌装一定量的氢气;④如何安全使用氢气,或者价格过高问题或防止爆炸问题等。
(3)汽车行驶30 km需要的能量Q=30 km×2.858×106 J/km=8.574×107 J,
需要的氢气m==600 g。
答案 (1)用酒精或液化气作汽车的燃料(写一条即可)
(2)价格过高问题或安全问题(写一条即可)
(3)600第3节 太阳能
知能演练提升
能力提升
1.太阳能是人类能源的宝库,下列能源不是来源于太阳能的是( )
A.地热能 B.风能
C.水能 D.生物质能
2.下列关于太阳能的说法错误的是( )
A.太阳能十分巨大,供应时间长久,目前太阳能的转换率也很高
B.太阳内部不断地进行核聚变,以电磁波的形式向外辐射能量
C.太阳能分布广泛,获取方便,无须开采运输
D.太阳能安全、清洁,开采利用太阳能不会对环境造成污染
3.下图是某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.太阳能电池板主要是靠白天接收阳光的照射而获得能量
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
4.我国在“人造太阳”的项目中取得重大突破。“人造太阳”是利用氢核 (选填“裂”或“聚”)变来获得巨大能量的。利用“人造太阳”发电可缓解电力紧张,电能是 (选填“一次”或“二次”)能源。
5.太阳能清洁无污染,是人类能源的宝库。太阳能属于 (选填“一次”或“二次”)能源。太阳能是在太阳内部氢原子核发生 释放出的能。
6.我国在宁夏建造的一座试验性发电站的示意图如图所示。阳光穿过透明的集热棚顶使棚内空气变热,热空气从烟囱中上冲,带动发电机转动发电。
(1)这种发电站利用的能源是 能,它 (选填“能”或“不能”)将获得的能量完全转化为电能。
(2)这种发电方式与火力发电相比优点是 ,不足是 (各写出一条即可)。
★7.请阅读下列短文,回答相关问题。
太阳能飞机
太阳能飞机“阳光动力2号”(如图所示)的机身和机翼均采用极轻的碳纤维材料。它的翼展达到72 m,比波音747-8型的翼展还要宽3.5 m。机长22.4 m,接近一个篮球场的长度,而质量仅有2 300 kg,跟一辆中型轿车相差无几。它的起飞速度为46 km/h,最大速度约140 km/h。
“阳光动力2号”的机翼、机身和水平尾翼上共贴敷了17 248片135 μm厚的单晶硅薄膜太阳能电池。这些电池可以产生最大70 kW的功率,这些电力可以输出给四台单台功率为13.5 kW的电动机带动四扇4 m直径的双叶螺旋桨给飞机提供动力。
“阳光动力2号”白天会爬升到8 500 m的高度以避开气流并最大化利用太阳能,此时的温度急剧升高,而夜晚则半滑翔飞行,逐渐降低到1 500 m的高度,其速度并不大,因此夜里对能源的需求也大大减少。
(1)“阳光动力2号”的机身和机翼均采用极轻的碳纤维材料。“极轻”的物理含义是 。
(2)“阳光动力2号”吸收 能转化为电能,电能再转化为飞机需要的其他形式能。
(3)在狭小的机舱内,两名瑞士飞行员将轮流驾驶,飞行5个昼夜,速度按80 km/h计算,飞行的距离是 km。
(4)“阳光动力2号”从夜晚航行转为白天航行过程中,飞机的重力势能逐渐 。
探究创新
★8.社会发展到今天,能源危机开始困扰人类。人们正在寻找各种可能的未来能源,以维持人类社会的持续发展。热核聚变是在上亿摄氏度的高温条件下利用氢的同位素氘、氚在可控情况下发生的核聚变。聚变反应中释放出来的核能提供大量的热量,就像一个“人造太阳”。反应后的生成物是无放射性污染的氦。
预计建成的实验反应堆,可以在16 min产生1.44×1012 J的热量。据媒体报道:1 L海水提取的氢的同位素,在完全聚变反应中释放的能量,相当于300 L汽油完全燃烧所释放的热量。请根据所提供的数据进行计算。
(1)若汽油的密度约为0.7×103 kg/m3,300 L汽油的质量是多少 (1 L=1×10-3 m3)
(2)若汽油的热值为4.6×107 J/kg,300 L汽油完全燃烧能释放多少热量
(3)从1.49×102 L海水中提取氢的同位素,在发生聚变时可以产生1.44×1012 J的热量,若这些热量转化为电能的效率为50%,则它可以供给一台功率是200 W的电视机正常工作多少小时
知能演练·提升
1.A 地热能是由于地球内部发生变化时产生的能量,与太阳能无关,生物质能、水能、风能都来源于太阳能。
2.A 太阳能作为一种新能源,具有来源丰富、不需要开采运输、使用安全、清洁、无污染等优点,但由于其能量比较分散,且受季节、气候、昼夜变化的影响较大,给大规模利用带来困难。目前光电转换效率较低,还有待于研究更好的光电转换材料。
3.A 太阳能电池板是靠白天接收阳光的照射,把太阳能转化为电能,故A选项正确,B选项错误;LED灯的发光物体是由半导体材料制成的,C选项错误;LED灯不发光时没有电流通过,D选项错误。
4.解析 “人造太阳”是利用氢原子核发生聚变时,释放出的核能来获得巨大能量的;电能是消耗其他能源经过加工转换来的,属于二次能源。
答案 聚 二次
5.解析 太阳能属于直接从自然界获得的能源,叫作一次能源;在太阳内部时刻发生由“氢”聚变成“氦”的聚变反应,不停地释放出巨大的能量。
答案 一次 聚变
6.解析 (1)这种发电站利用太阳能将空气加热,产生的热空气上升带动发电机发电,所以这种发电站利用的能源是太阳能;在发电的过程中,还有相当一部分热空气会从烟囱中跑掉,不能将内能全部转化为机械能带动发电机发电,所以这种发电站也不能将获得的能量完全转化为电能。(2)火力发电会产生大量的废气污染环境,与此相比这种发电方式最大的优点就是清洁无污染,不足之处是受天气影响较大。
答案 (1)太阳 不能
(2)清洁无污染 受天气影响较大
7.解析 (1)“阳光动力2号”的机身和机翼均采用极轻的碳纤维材料,“极轻”表示体积一定时,材料的质量非常小,也就是密度很小,所以物理含义是密度极小;
(2)“阳光动力2号”吸收太阳能转化为电能,电能再转化为飞机需要的其他形式的能量;
(3)因为v=,所以连续飞行的距离是s=vt=80 km/h×120 h=9 600 km;
(4)在白天,“阳光动力2号”会爬升到8 500 m的高度,而夜晚则半滑翔飞行,逐渐降低高度。此过程质量不变,但所处高度变化,所以从夜晚航行转为白天航行过程中,飞机的重力势能逐渐增加。
答案 (1)密度极小
(2)太阳
(3)9 600
(4)增加
8.解析 (1)m=ρV=0.7×103 kg/m3×300×10-3 m3=210 kg。
(2)Q放=mq=210 kg×4.6×107 J/kg
=9.66×109 J。
(3)t=
=3.6×109 s=106 h。
答案 (1)210 kg
(2)9.66×109 J
(3)106 h第2节 核能
知能演练提升
能力提升
1.下列关于核能的说法正确的是( )
A.核反应堆中发生的链式反应是不可控制的
B.核电站产生的核废料仍具有放射性,一般深埋在人烟稀少的地方
C.核反应堆可将核能直接转化成电能
D.我国已建成可控核聚变反应堆
2.关于核能,下列说法正确的是( )
A.原子核很小,因此其中不可能存在大量的能量
B.人们现在能够利用可控核聚变的能量
C.对于核裂变的链式反应,人们还不能控制
D.无论是较大的原子核分裂,还是较小的原子核的结合,其中都会伴随着巨大的能量变化
3.和平与发展是当今时代的主题,但是也存在某些不安定因素,加强国防建设有必要,下列有关说法正确的是( )
A.第二次世界大战末,美国在日本广岛投掷原子弹,原子弹是利用聚变的原理制成的
B.1967年6月17日,我国第一颗氢弹爆炸成功,氢弹的威力比原子弹更大,氢弹是利用聚变的原理制成的
C.我国的第一座核电站是浙江嘉兴的秦山核电站,核电站是利用聚变获得的能量来发电的
D.核电非常清洁,没有污染
4.核电站发电流程如图所示,在核电站的发电过程中,下列所述能量转化顺序正确的是( )
A.核能→化学能→内能→电能
B.核能→化学能→机械能→电能
C.核能→内能→机械能→电能
D.核能→机械能→内能→电能
5.下列关于核能的说法正确的是( )
A.物质是由原子组成的,原子中有原子核,所以利用任何物质都能得到核能
B.到目前为止,人类获得核能有两种途径,即原子核的裂变和聚变
C.原子弹和氢弹都是利用原子核裂变的原理
D.原子核只有在人为的条件下才会发生裂变和聚变
6.核能是一种 (选填“可再生”或“不可再生”)能源。核电站利用核能发电,它的核心设备是核反应堆,核反应堆是通过可控 (选填“核裂变”或“核聚变”)反应释放核能的设备。核电站中的汽轮机属于 (选填“发电机”“电动机”或“热机”)。
★7.目前释放核能的方式有两种:一是使原子核裂变,二是使原子核 。1938年,科学家首次用 (选填“电子”“中子”或“质子”)轰击比较大的原子核,使其发生裂变,变成两个中等大小的原子核,同时释放出巨大的能量。1 kg铀全部裂变释放的能量超过2 000 t煤完全燃烧时释放的能量。如果煤的热值为3×107 J/kg,那么1 kg铀全部裂变释放的能量至少为 J。
探究创新
★8.请阅读下列材料,回答相关问题。
在常规化石能源非常紧缺的今天,核能受到越来越高的重视。核电站的大体组成如图所示,核材料在原子反应堆中发生核反应产生大量的热能,冷却剂将这些热能带到热交换器将水变成水蒸气,水蒸气推动蒸汽轮机,蒸汽轮机带动发电机发电,最终实现了核能到电能的转换。
(1)从能源的分类来看,核能是属于 (选填“一次能源”或“二次能源”)。
(2)发电机发电时让线圈在 中旋转而产生电流,这种现象在物理学中称之为 现象。
(3)核电站所需的核能是利用原子核 (选填“裂变”或“聚变”)所产生的。
(4)核电站的核废料具有 性,对环境会造成相当大的危害,因此要将核废料深埋到人迹稀少的沙漠地带。
知能演练·提升
1.B 核电站的核反应堆发生的链式反应是可以控制的,A错误;核污染主要是指核燃料或核废料具有的放射性,因此一般将核废料埋在人烟稀少的地方,B正确;核能发电的能量传递和转化过程是核能→水和蒸汽的内能→发电机转子的机械能→电能,C错误;我国已建成可控核裂变反应堆,D错误。
2.D 原子核虽小,但其中存在大量的能量,选项A说法错误;人们现在能够利用可控核裂变的能量,还无法利用可控核聚变的能量,选项B说法错误;对于核裂变的链式反应,人们已经能够控制,核反应堆就是利用了可控的核裂变,选项C说法错误;无论是较大的原子核分裂,还是较小的原子核的结合,其中都会伴随着巨大的能量变化,选项D说法正确。
3.B 原子弹利用的是裂变能,故选项A错误;氢弹是利用聚变的原理制成的,故选项B正确;核电站是利用裂变获得的能量来发电,故选项C错误;核能不属于洁净的能源,核能有污染,故选项D错误。
4.C 在核反应堆中,核能转化为介质的内能,在汽轮机中蒸汽的内能转化为机械能,在发电机中,机械能转化为电能,最终输送到电网上,因此,选项C的描述符合题意。
5.B 原子弹是利用裂变的链式反应能在极短的时间内释放出巨大能量的原理制成的,而氢弹则是利用轻核的聚变制成的。原子核的裂变和聚变这是到目前为止,人类获得核能的两种途径。
6.解析 核能属于一旦消耗就很难再生的能源,是不可再生能源。 核电站是利用可控的核裂变释放能量来发电的。 核电站中的汽轮机是利用内能工作的,属于热机。
答案 不可再生 核裂变 热机
7.解析 2 000 t=2×106 kg;Q=mq=2×106 kg×3×107 J/kg=6×1013 J。
答案 聚变 中子 6×1013
8.解析 (1)从能源的分类来看,核能是直接从自然界获取的,所以属于一次能源;
(2)发电机发电时是让线圈在磁场中旋转而切割磁感线运动,从而产生感应电流,这就是电磁感应现象;
(3)核电站是利用原子核裂变发生可控链式反应时释放的大量能量来发电的;
(4)核电站的核废料具有放射性,会对环境造成相当大的危害。
答案 (1)一次能源
(2)磁场 电磁感应
(3)裂变
(4)放射第1节 能源
知能演练提升
能力提升
1.从人类生存的环境考虑,下列能源最理想的是( )
A.氢气 B.煤
C.石油 D.天然气
2.关于用水制取二级能源氢气,以下研究方向不正确的是( )
A.组成水的氢和氧均为燃烧的物质,因此可研究在水不分解的情况下,使氢气成为二级能源
B.设法将太阳光聚焦,产生高温,使水分解成为氢气
C.寻找高效催化剂,使水分解产生氢气
D.寻找特殊的化学物质,用于开发廉价能源,以分解水制取氢气
3.高铁动车组在高速行驶时是利用车上电动机提供的动力,到站前又可以先停止供电,车速从200 km/h减至90 km/h,这段时间是利用车的惯性前进,磁场中线圈随车轮一起转动,产生感应电流,在90 km/h以下才进行机械刹车,这样既可以减少机械磨损又可以节约能源。整个过程中没有涉及的能量转化是 ( )
A.电能转化为机械能
B.机械能转化为电能
C.机械能转化为内能
D.内能转化为机械能
4.在下列有关能或能源的讨论中,你认为错误的是( )
A.人类社会面临能量危机,总有一天能量会被消耗殆尽
B.煤、石油、天然气等的储量有限,人类面临能源危机
C.很多传统能源已走向枯竭,但我们可以开发新的能源
D.太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能实际是无限的
5.四旋翼无人机如图所示,它的操控系统能够实现“一键起飞、一键返回、规划航线自动飞行和自动跟踪”等功能,它的操控系统是靠 传递信息的;无人机是利用电能来工作的,电能属于 (选填“一次能源”或“二次能源”)。
6.能源是现代社会发展的三大基本要素之一,能源家族有:①柴薪;②煤炭;③石油;④天然气;⑤水能;⑥风能;⑦太阳能;⑧地热能等。在大量耗用各种能源时,会造成空气污染的有 ;会造成水土流失和沙漠化的有 。(填题中序号)
探究创新
★7.阅读下列材料,回答问题。
随着社会的发展和科技的进步,人们发现煤浑身是宝,它不仅是一种重要能源,还是一种十分重要的有机化工原料。
“煤三兄弟”中变质程度最深的是无烟煤,它的发热量最高,火力强,烟尘很少,燃烧后灰渣不多,是一种很好的燃料。烟煤虽说变质程度比无烟煤差,发热中等,却是三兄弟中最有出息的,它不仅可以用来炼焦冶炼钢铁,而且还可以被汽化、液化用于生产和生活的许多方面;褐煤变质程度最差,发热量最低,却是很好的化工原料。
把煤放到炼焦炉里,隔绝空气,加热到1 000 ℃左右时,可得到焦炭、煤焦油和焦炉气等产品。焦炭可用于生产煤气、电极、合成氨、电石等,电石除了照明、切割和焊接外,还是生产塑料、纤维橡胶的重要化工原料。焦炉气是气体燃料和化工原料。煤焦油是制造染料、香料、合成橡胶、塑料、合成纤维、农药、化肥、炸药、洗涤剂、除草剂、溶剂、沥青、油漆、糖精、卫生球等的“原料仓库”。
就连煤燃烧过程中产生的硫氧化物也可用来生产出优质硫酸;煤灰和煤渣,可用来制造水泥等建筑材料。
噢!从煤里竟能得到这么多宝贝,怪不得它被人们誉为“万能的原料、黑色的金子”呢!
(1)根据煤在形成过程中变质程度,可将煤分为 、 和 。其中 是最好的燃料。
(2)煤焦化后的产物为 、 和 ,它们都是重要的化工原料。煤气是用 生产出来的,属 次能源。
(3)根据你对煤的用途的了解,试想象一下,假若地球上的煤没有了,我们的生活会有什么变化 请列举三例。
知能演练·提升
1.A
2.A 用水制取二级能源氢气过程中,水必然要分解。
3.D 高铁动车组高速行驶时,利用车上电动机提供的动力,电能转化为机械能。到站前停止供电后,利用车的惯性前进,磁场中线圈随车轮一起转动,产生感应电流,机械能转化为电能。动车行驶过程中,克服机械部件间摩擦,机械能转化为内能。只有选项D中的能量转化没有体现。
4.A 人类消耗能量的过程,是能量的转化过程,其总量是保持不变的,总有一天能量会被消耗殆尽的说法是错误的,选项A符合题意;煤、石油、天然气属于不可再生能源,总量不断减少,人类面临能源危机,选项B正确,不符合题意;随着科学技术的发展,人类会发现和利用新能源以替代传统的化石能源,选项C正确,不符合题意;太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能等都是可再生能源,是取之不尽的,选项D正确,不符合题意。
5.解析 四旋翼无人机的操控系统是靠电磁波传递信息的;生活中所使用的电能都是通过其他形式的能转化而来的,是二次能源。
答案 电磁波 二次能源
6.答案 ①②③ ①
7.解析 (1)仔细阅读材料即可得出答案;(2)煤气应属于二次能源;(3)针对煤的用途展开想象。
答案 (1)无烟煤 烟煤 褐煤 无烟煤
(2)焦炭 煤焦油 焦炉气 焦炭 二
(3)如果地球上的煤没有了,就无法用焦炭冶炼钢铁,无法生产煤气、电极、合成氨等,无法为制造染料、香料、塑料等提供原料等等。
