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第八节能源的利用与开发1．关于功率，下列说法中正确的是()A．功率大的物体一定做功多B．做功少的物体功率一定小C．单位时间内做功越多，其功率越大D．由P＝Fv可知，机车运动速度越大，其功率一定越大【答案】C【解析】由功率的定义式P＝Wt可以判断出A、B均错，C正确；由P＝Fv可以看出，机车的速度大时，其功率(F与v的乘积)不一定大，故D错．2．(多选)机器的功率是1250W，这句话的意义是()A．机器能做功1250JB．机器每秒钟能做功1250JC．机器做1250J的功所需时间是1sD．以上理解都不对【答案】BC【解析】功率是功与时间的比值，功率为1250W，表明机器每秒钟做的功为1250J，故A错，B、C正确．3．(多选)一汽车在水平公路上行驶，设汽车在行驶过程中所受阻力不变，汽车的发动机始终以额定功率输出．关于牵引力和汽车速度的下列说法中正确的是()A．汽车加速行驶时，牵引力不变，速度增大B．汽车加速行驶时，牵引力增大，速度增大C．汽车加速行驶时，牵引力减小，速度增大D．当牵引力等于阻力时，速度达到最大值【答案】CD4．将一质量为m的物体从离地面高h处，以速度v0水平抛出，求物体从抛出到落地过程中重力的功率和在物体刚要落地时重力的功率．(不计空气阻力)【答案】mg12ghmg2gh【解析】平抛运动过程中重力做的功为W＝mgh，平抛运动的时间t＝2hg，从抛出到落地过程中重力的(平均)功率为P＝Wt＝mgh2hg＝mg12gh.物体刚要落地时竖直分速度为vy＝gt＝2gh.刚要落地时重力的功率为P′＝mgvy＝mg2gh.一、能源及其分类1．概念：在一定条件下能够提供可利用______的物质资源，都可以称为能源．2．分类(1)从人类开发能源的历史划分常规能源：____、______、________等．新能源：________、______等．能量煤石油天然气太阳能核能(2)从使用分类一次能源：未经人类加工转换的能源，如____、______、________、______、风能、生物能、海洋能等．二次能源：从一次能源直接或间接转化而来的能源．如：______、氢能、焦炭．(3)从能否再生分类可再生能源：________、风能等．不可再生能源：____、______等．煤石油天然气水能电能太阳能煤石油(4)从对环境的影响分类清洁能源(也称“绿色环保”能源)：________、______等．非清洁能源：____、______、天然气等．另外人类正在开发和利用的能源还有水能、风能、地热能、波浪能等．太阳能风能煤石油二、能源危机与环境污染1．能源危机按目前地球上已探明的煤和石油的储量及开采速度，煤可开采200年左右，天然气可开采60年左右，石油可开采40年左右，这些能源在几代人之后将不复存在，因此世界正面临能源危机．2．环境污染酸雨、______效应、臭氧层的破坏、城市热岛效应、土壤酸性化、生态平衡的破坏等是环境污染的直接体现．这些又带来了海平面升高、暴雨和干旱增多等灾害，严重威胁着人类及各种生物的生存．温室三、新能源的优点太阳能是同学们比较熟悉的，在人们的生活中得到了广泛的应用，在高科技方面也有应用，如人造卫星上的太阳能电池．像这样不污染环境的能源称为______能源，如太阳能、风能、水能、沼气等．清洁能源的利用，给我们的生活带来哪些方便与烦恼？【答案】石油、煤的使用，使我们的生产、生活更加方便，甚至改变了我们的生产生活方式，如电能的使用对照明、娱乐、空调、电动机、电动车改善了我们的生活条件、生产环境和方式．能源的利用带来的烦恼：大气污染、温室效应、水污染、电磁污染、交通阻塞、噪声等．1．能源危机(1)人们为了满足生产和生活对动力的需要，不断地发明和制造机器，用它来对外做功，而做功的过程就是能量转化的过程，并且能量的转移和转化具有方向性，虽然在转化和转移时能量总量保持不变，但由于方向性的制约，从而使能源的利用受到制约，使能源的利用有条件限制．能源危机与环境污染能量尽管是守恒的，但不同形式的能量在可利用的品质上是不同的，有的能量便于利用，有的能量不便于利用，能量的利用过程使得能量从便于利用的形式变为难以利用的形式．因此自然界中能量的转化具有方向性，我们要节约能源，维持能源利用的可持续发展．(2)世界能源消费主要以煤、石油、天然气为主，每年的消费量大约相当于80亿吨石油，我国的消费量约占世界的10.8%，其中煤的消耗量占世界的26.6%，成为全球第一大煤消费国，而这些能源都是非可再生的，用一点少一点．据估计，按目前的开采速度，石油、天然气可开采40年左右，煤可开采200～300年．虽然太阳能具有取之不尽、用之不竭的特点，但它的利用受天气的影响较大，还不能大规模利用．因此世界正面临能源危机．因此我们要节约能源，同时积极研究和开发利用新能源，如核能、太阳能等．2．环境污染如每燃烧一吨煤会产生440kg的二氧化碳、20kg二氧化硫、260kg灰渣、15kg烟尘，而二氧化硫、二氧化碳又是造成酸雨、加剧温室效应的直接原因．我国北方城市几乎100%的大气悬浮颗粒超标，25%的城市人口饮用不符合卫生标准的水，这是污染所致．随着我国人口的增加，经济的快速发展，能源需求将会进一步加大．例1二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，最后使大气升温，大气中的二氧化碳像暖房的玻璃一样，只准太阳的辐射热进来，却不让室内的长波热辐射出去，大气中的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观点之一，根据这种观点，以下说法不成立的是()A．在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量的二氧化碳，当时地球的气温很高B．经过漫长的年代，地壳的岩石和气体二氧化碳发生化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命C．工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中含量增大，地球上的气温正在升高D．现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电解析：地球形成的早期，地壳不如现在牢固，地球不如现在稳定，火山活动频繁，符合地质的发展规律，由于火山的喷发，排出大量的二氧化碳，这是必然的现象，进而导致当时地球的气温很高，地球上的岩石由于多种原因，其中包括岩石中的矿物成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了生命适合生存的条件．由于工业的发展和人类的活动，大量地使用常规能源，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．生活用电和工业用电是电能和其他形式的能的转变，会产生热．四个选项都很正确，但就温室效应这一观点而言来确定A、B、C是正确的．答案：D1．关于“节约能源”，下面的说法中正确的是()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【答案】C1．几种新能源(1)核能：在新能源中，当前最为人们所注意的是核能，又叫原子能，它是原子核发生变化放出的能量．人类对核能的利用始于20世纪40年代，到现在已经有了很大的发展，建立了很多核电站，生产出了巨大的电能．我国目前已经有了相当功率的核电站正在使用，如秦山核电站等，并且正在建设更多的核电站．未来的能源(2)太阳能：太阳发出的光和热具有能量，它是一个十分巨大的天然能源．据计算，单位时间内到达地面的太阳能的总量，大约是地球上目前正在为人类利用的各种能源的总功率的一两万倍，因此，太阳能是取之不尽、用之不竭、清洁无污染的能源，它的利用受到各国的重视，有着广阔的发展前途．(3)氢能：随着科技进步，氢能的利用展现出无限美好的前景．研究表明，把氢能用于交通运输等动力生产中，高效率和高效益的特性非常明显，飞机使用氢能比常规燃料效率高38%，氢气内燃机汽车效率是汽油燃料的2.5倍，氢燃料电池的效率可达80%，在催化剂加热器中氢能的热效率可达100%.因此，进入21世纪，许多国家都决心投入大量的人力、物力开发利用氢能．另外人类正在开发和利用的能源还有水能、风能、地热能、波浪能等．2．新能源的优点太阳能是同学们比较熟悉的，在人们的生活中得到了广泛的应用，在高科技方面也有应用，如人造卫星上的太阳能电池．像这样不污染环境的能源称为清洁能源，如太阳能、风能、水能、沼气等．例2能源问题是当前热门话题，传统的能源——煤和石油一方面储量有限，有朝一日将要被开采完毕，另一方面，使用过程中也带来污染．寻找新的、无污染的能源是人们努力的方向．利用潮汐发电即是一例．关于潮汐，古人说：“潮者，据朝来也；汐者，言夕至也．”图表示的是利用潮汐发电，左方为陆地和海湾，中间为大坝，其下有通道(图a)，潮落至最低点时放水发电(图b)．待内外水面高度相同，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又放水发电(图c)．设海湾面积为5.0×107m2，高潮与低潮间高度差3.0m，则一天内水流的平均功率为多少MW?注：实际上由于各种损失，发电功率仅为水流平均功率的10%～25%.例如法国兰斯河潮汐发电站水势能释放平均功率为240MW，而发电功率仅为62MW.解析：潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能．每次涨潮时流进海湾(落潮时流出海湾)的海水的重力为mg＝ρVg＝1.0×103×5.0×107×3×10N＝1.5×1012N，其重心的高度变化为：h＝1.5m，一天内海水两进两出，故水流功率为P＝4mght＝4×1.5×1012×1.524×3600W≈1.0×108W，即P≈100MW.答案：100MW2．(2018浙江二模)风力发电是一种环保的电能获取方式．如图为某风力发电站外观图，假设当地水平风速约为10m/s，该风力发电站利用风的动能转化为电能的效率约为20%，风力发电机的叶片长度为10m，空气的密度是1.29kg/m3，某一工厂用电的功率为320kW，则大约需要多少台这样的风力发电机同时为该工厂供电()A．6B．8C．10D．12【答案】B【解析】风的动能为Ek＝12mv2，t时间内风通过叶片为半径的圆柱体的质量为m＝ρV＝ρπl2vt，每台风力发电机的发电功率P1＝ηEkt＝12ρπl2v3η，设大约需要n台这样的风力发电机同时为该工厂供电，nP1＝P总．解得n＝8，故B正确、A、C、D错误．例3为了测量太阳的辐射功率，某人采取如下简单实验：取一个横截面积是3×10－2m2的不高的圆筒，筒内装水0.6kg，用来测量射到地面的太阳能．某一天中午在太阳光直射2min后，水的温度升高了1℃，求：(1)在阳光直射下，地球表面每平方厘米每分钟获得的能量：(2)假设射到大气顶层的太阳能只有43%到达地面，另外57%被大气吸收和反射，而未到达地面．由此估算太阳辐射的功率．综合拓展提高解析：(1)圆筒内的水经过2min照射后，增加的内能为ΔU＝Q＝cmΔt＝4.2×103×0.6×1J＝2.5×103J，每分钟获得的能量为P＝ΔUt＝2.5×103J2min＝1.25×103J/min，圆筒面积S＝3×10－2m2＝3×102cm2，地球每分钟每平方厘米获得的能量φ＝PS＝1.25×103J/min3×102cm2＝4.2J/(min·cm2)．(2)以太阳为球心，以日地距离r为半径做一个球面，根据上述观测，在此球面的每平方厘米面积上每秒接收到的太阳能(即射到大气顶层的太阳能)φ0满足φ＝φ0·43%·60s/min，解得φ0＝φ43%·60s/min＝4.2J/min·cm243%·60s/min＝0．163J/(s·cm2)．太阳是向四面八方均匀辐射的，上述球面每秒接收到的太阳能即为太阳的辐射功率P0，上述球面的面积为4π·r2，其中r＝1.5×1011m，所以，辐射功率P＝4π·r2×0.163J/(s·cm2)≈4.6×1026W.答案：(1)4.2J/(min·cm2)