能源的開發(fā)和利用

1、七彩教育網(wǎng) 2009年高考物理熱點分析能源的開發(fā)和利用 世界現(xiàn)階段能源消費呈現(xiàn)以下熱點：1）受經(jīng)濟發(fā)展和人口增長的影響，世界一次能源消費量不斷增加；2）世界能源消費呈現(xiàn)不同的增長模式，發(fā)達國家因進入后工業(yè)化社會，經(jīng)濟向低能耗、高產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展，能源消費增長速率明顯低于發(fā)展中國家；3）世界能源消費結(jié)構(gòu)趨向優(yōu)質(zhì)化，但地區(qū)差異仍然很大；4）世界能源資源仍比較豐富，但能源貿(mào)易及運輸壓力增大。未來，伴隨著能源消費的持續(xù)增長和能源資源分布集中度的日益增大，對能源資源的爭奪將日趨激烈，爭奪的方式也更加復雜；同時，化石能源對環(huán)境的污染和全球氣候的影響將日趨嚴重。面對以上挑戰(zhàn)，世界能源供應和消費將向多元化、

2、清潔化、高效化、全球化和市場化趨勢發(fā)展。鑒于國情，我國應特別注意依靠科技進步和政策引導，提高能源效率，尋求能源的清潔化利用，積極倡導能源、環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，并積極借鑒國際先進經(jīng)驗，建立和完善我國能源安全體系，歐洲在這一方面的努力堪稱世界楷模，這為我國解決能源問題提供了借鑒。首先是核能，由于成本低產(chǎn)量大而備受各國歡迎。其次，我國獨特的梯級地形和眾多的河流為發(fā)展水電提供了天然的優(yōu)勢，水電不僅成本低且環(huán)保，還可成為調(diào)節(jié)用水的節(jié)流閥。另外，我國的地理氣候條件為發(fā)展風能太陽能也提供了不可估量的空間，尤其太陽能利用得到了世界的矚目.由此看來，中國能源問題的出路，政策法規(guī)是保障，新能源的開發(fā)利用是關(guān)鍵

3、，而技術(shù)和資金則是推動力出路在于科學技術(shù)的進步二、考點鏈接 能源危機是制約現(xiàn)代社會發(fā)展的嚴重問題，開發(fā)和利用可再生能源是中國立足自身解決能源困擾的重要舉措一切能量來自能源，能量是物理學的一重要概念,機械能、內(nèi)能、電能、光能、核能形形色色的能可以相互轉(zhuǎn)化,但總能量保持不變,這就是能的轉(zhuǎn)化與守恒定律,這一規(guī)律象一根紅線一樣慣穿整個高中物理.開發(fā)新能源和用能量轉(zhuǎn)化的觀點分析物體的運動與相互作用規(guī)律是近幾年高考的熱點.三、例題分析 例1某海灣共占面積,漲潮時水深20,此時若關(guān)上水壩閘門,可使水位保持20不變,退潮時壩外水位降至18,假設(shè)利用此水壩建水利發(fā)電站,已知重力勢力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男蕿?0%,每天

4、有2次漲潮,則該電站一天能發(fā)出的電能是多少?若輸電電壓為100,輸電線的電阻是10,用戶端得到的電功率是多少?解析：水的重力勢能應從水的重心算起，一天2次漲潮、落潮，可發(fā)電2次，所以一天產(chǎn)生的電能為：發(fā)電站的功率 輸電電流輸電線上損失的功率用戶得到的功率例2（2008年北京理綜卷考題）風能將成為21世紀大規(guī)模開發(fā)的一種可再生清潔能源。風力發(fā)電機是將風能（氣流的功能）轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其主要部件包括風輪機、齒輪箱，發(fā)電機等。如圖1所示（1）利用總電阻的線路向外輸送風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能。輸送功率，輸電電壓，求異線上損失的功率與輸送功率的比值;（2）風輪機葉片旋轉(zhuǎn)所掃過的面積為風力發(fā)電機可接受風能的

5、面積。 設(shè)空氣密度為p，氣流速度為v，風輪機葉片長度為r。求單位時間內(nèi)流向風輪機的最大風能Pm;在風速和葉片數(shù)確定的情況下，要提高風輪機單位時間接受的風能，簡述可采取的措施。（3）已知風力發(fā)電機的輸出電功率P與Pm成正比。某風力發(fā)電機的風速v19m/s時能夠輸出電功率P1=540kW。我國某地區(qū)風速不低于v2=6m/s的時間每年約為5000小時，試估算這臺風力發(fā)電機在該地區(qū)的最小年發(fā)電量是多少千瓦時。 圖1解析：（1）導線上損失的功率為P=I2R=(損失的功率與輸送功率的比值（2）(2)風垂直流向風輪機時，提供的風能功率最大.單位時間內(nèi)垂直流向葉片旋轉(zhuǎn)面積的氣體質(zhì)量為pvS,S=r2風能的最大

6、功率可表示為P風=采取措施合理，如增加風輪機葉片長度，安裝調(diào)向裝置保持風輪機正面迎風等。（3）按題意，風力發(fā)電機的輸出功率為P2=kW=160 kW最小年發(fā)電量約為W=P2t=160×5000 kW·h=8×105kW·h例3人造地球衛(wèi)星常常利用太陽能電池作為電源，太陽能電池由許多片電池板組成。設(shè)某太陽能電池板的內(nèi)電阻為r20，它不接外電路時兩極間的電壓為8×104V。（1）該太陽能電池板的電動勢為多大？（2）該太陽能電池板的短路電流為多大？（3）若在該太陽能電池板的兩極間連接一只定值電阻R，R5，則電阻R兩端的電壓為多大？解析：（1）電池板的

7、電動勢E等于不接外電路時兩極間的電壓U，即EU8×106V （2）由閉合電路歐姆定律I 外電路短路時，R0 I短 代入數(shù)值，得I短4×105 （3）設(shè)電阻R兩端的電壓為UR URIR 結(jié)合上式有UR 代入數(shù)值，得UR1.6×104V 例4據(jù)報道，1992年7月，美國“阿特蘭蒂斯”號航天飛機進行了一項衛(wèi)星懸繩發(fā)電實驗，實驗取得了部分成功.航天飛機在地球赤道上空離地面約3000 km處由東向西飛行，相對地面速度大約6.5×103 m/s，從航天飛機上向地心方向發(fā)射一顆衛(wèi)星，攜帶一根長20 km，電阻為800 的金屬懸繩，使這根懸繩與地磁場垂直，做切割磁感線運

8、動.假定這一范圍內(nèi)的地磁場是均勻的.磁感應強度為4×10-5T，且認為懸繩上各點的切割速度和航天飛機的速度相同.根據(jù)理論設(shè)計，通過電離層（由等離子體組成）的作用，懸繩可以產(chǎn)生約3 A的感應電流，試求：（1）金屬懸繩中產(chǎn)生的感應電動勢；（2）懸繩兩端的電壓；（3）航天飛機繞地球運行一圈懸繩輸出的電能（已知地球半徑為6400 km）.解析：將飛機下金屬懸繩切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢看作電源模型，當它通過電離層放電可看作直流電路模型.如圖2所示. （1）金屬繩產(chǎn)生的電動勢：E=Blv=4×10-5×20×103×6.5×103 V=5.2&#

9、215;103 V（電離層）（2）懸繩兩端電壓，即路端電壓可由閉合電路歐姆定律得：U=E-Ir=5.2×103-3×800 V=2.8×103 V 圖2（3）飛機繞地運行一周所需時間t=s=9.1×103 s則飛機繞地運行一圈輸出電能：E=UIt=2800×3×9.1×103 J=.6×107 J例5 磁流體發(fā)電技術(shù)是世界上正在研究的新興技術(shù)，它有效率高（可達45-55，火力發(fā)電效率為30）、污染少等優(yōu)點，將一束等離子體（高溫下電離的氣體，含有大量帶正電和帶負電的微粒）以聲速的0.82.5倍的速度噴射入勻強磁場中，

10、磁場中有兩塊金屬板A，B（相當于電源的兩個極，并與外電阻R相連），這時A，B上就積聚電荷產(chǎn)生電壓，設(shè)粒子所帶電量為q，進入磁場的噴射速度是v，磁場的磁感應強度為B，AB間的距離為d（1）說明磁流體發(fā)電中能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求出兩極間電壓的最大值（2）設(shè)磁流體發(fā)電機內(nèi)阻為r，當外電阻R是多少時輸出功率最大?并求最大輸出功率（3）磁懸浮現(xiàn)象是指將某種低溫液態(tài)物質(zhì)倒入金屬盤后，能使金屬盤達到轉(zhuǎn)變溫度從而產(chǎn)生超導現(xiàn)象，在金屬盤上方釋放一永磁體，當它下落到盤上方某一位置時即產(chǎn)生磁懸浮現(xiàn)象，試分析說明產(chǎn)生磁懸浮現(xiàn)象的原因（4）利用磁懸浮現(xiàn)象，人們已經(jīng)設(shè)計制成磁懸浮高速列車，此種列車車廂下部裝有電磁鐵，運行所需

11、槽形導軌的底部和側(cè)壁裝有線圈，其作用是什么?這種列車的運行速度是一般列車的34倍，簡述能達到這樣高速的原因解析：（1）磁流體發(fā)電是由等離子體動能轉(zhuǎn)化成電能；當兩極間有最大電壓時，進入兩極間的等離子體所受的電場力與洛倫茲力相等，根據(jù)qvB，得最大電壓為Bvd；（2）當外電阻Rr時，此磁流體發(fā)電機有最大功率（3）這是由于永磁體被釋放下落的過程中穿過金屬盤的磁通量增加，盤中將產(chǎn)生感應電流（因是超導材料，無焦耳熱產(chǎn)生），其磁場方向與永磁體的磁場方向相反，從而使永磁體受到阻礙其下落的力，使磁體保持懸浮狀態(tài)；（4）磁懸浮高速列車車廂下部裝有電磁鐵，運行所需槽形導軌的底部和側(cè)壁裝有線圈，其作用是提供磁場，列

12、車能達到這樣高速的主要原因是大大減小了運行中的摩擦力。例6在其他能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應性強的優(yōu)勢。在核電站中，核反應堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能。核反應堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應，釋放出大量核能（1）核反應方程式U+nBa+Kr+aX是反應堆中發(fā)生的許多核反應中的一種，n 為中子，X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X為 ，a= 。以mU、m、分別表示U、Ba、Kr核的質(zhì)量，mn、mp分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應過程中放出的核能E= 。（2）有一座發(fā)電能力為P=1.00×106kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率=40%。假定反

13、應堆中發(fā)生的裂變反應全是本題（1）中的核反應，已知每次核反應過程放出的核能E=2.78J，U核的質(zhì)量。求每年（1年=3.15×107s）消耗的U的質(zhì)量解析：（1）由核反應過程中電荷守恒和質(zhì)量守恒得X為n；a=3 由質(zhì)能方程可知放出的核能為（2）反應堆每年提供的核能 其中T表示1年的時間 以M表示每年消耗的U的質(zhì)量，得 解得 ， 代入數(shù)據(jù)得 M四、相關(guān)練習及參考答案 1.汽車電動機啟動時車燈會瞬時變暗，如圖3所示，在打開車燈的情況下，電動機未啟動時電流表讀數(shù)為10 A，電動機啟動時電流表讀數(shù)為58 A，若電源電動勢為12.5 V，內(nèi)阻為0.05 ，電流表內(nèi)阻不計，則因電動機啟動，車燈的

14、電功率降低了（ ） 圖3A35.8 W B43.2 W C48.2 W D76.8 W 2如圖4所示，帶正電的點電荷固定于Q點，電子在庫侖力作用下，做以Q為焦點的橢圓運動。M、P、N為橢圓上的三點，P點是軌道上離Q最近的點。電子在從M經(jīng)P到達N點的過程中A.速率先增大后減小 B.速率先減小后增大C.電勢能先減小后增大 D.電勢能先增大后減 圖43如圖5所示，一輕質(zhì)彈簧一端懸掛在天花板上，另一端吊一條形磁鐵，使彈簧發(fā)生一形變x，使磁鐵上下振動，由于空氣阻力，經(jīng)過t1時間，磁鐵停下來。若將磁鐵下方放置一電阻恒定的圓形團合線圈，再使彈簧發(fā)生一同樣的形變x，使磁鐵上下振動，經(jīng)過t2時間，磁鐵停下來，則

15、t1和t2的關(guān)系是（ ） A. t1= t2 B. t1<t2 C. t1>t2 D.無法確定 圖54如圖6所示，兩根傾斜平行放置的光滑導電軌道，軌道間接有電阻R，處于垂直軌道平面的勻強磁場中，一根放置在軌道上的導體棒在拉力F作用下，BFRab圖6沿軌道勻速上滑，同在上滑的過程中（ ） A、作用在ab桿上所有力做功的代數(shù)和為零B、拉力F和安培力做功的代數(shù)和等于ab桿機械能的增加量C、拉力F和和重力做功的代數(shù)和等于回路內(nèi)能的增加量D、拉力F所做的功等于ab桿機械能與回路內(nèi)能增加量之和5風能是可以再生的能源，是可持續(xù)利用的“清潔”能源，因此被稱為“藍天白煤”，已知空氣密度為，風速為，風

16、力發(fā)電機可把垂直通過面積為S的風的動能轉(zhuǎn)化為電能。求該風力發(fā)電機的功率。6橫截面積為3dm2的圓筒內(nèi)裝有0.6kg的水太陽光垂直照射2min，水溫升高了l設(shè)大氣頂層的太陽能只有45到達地面，試估算太陽的全部輻射功率為多少瓦(保留1位有效數(shù)字，設(shè)太陽與地球之間距離為1.5×1011m)7推行節(jié)水工程的轉(zhuǎn)動噴水“龍頭”如圖7所示，“龍頭”距地面高度為，其噴灌半徑可達10，每分鐘噴水的質(zhì)量為，所用的水從地下深的井里抽取，設(shè)水以相同的速度噴出，若水泵效率為，則配套電動機的功率P至少為多少？（?。?。 8. 一條河流，流量，落差，現(xiàn)利用其發(fā) 電，若發(fā)電機總效率為50%，輸出電壓為240 V，輸電

17、線路總 圖7電阻，允許損失功率為發(fā)電機輸出功率的6%，為滿足用電的要求，使用戶獲得220 V電壓，則該輸電線路所使用的理想升壓、降壓變壓器的匝數(shù)比各是多少？能使多少盞“220V 100W”的電燈正常發(fā)光？ 9如圖8(a)所示是某人設(shè)計的一種振動發(fā)電裝置，它的結(jié)構(gòu)是一個半徑為r=0. 1 m的20匝線圈，線圈套在永久磁鐵槽中，磁場的磁感線均沿半徑方向均勻分布，其右視圖如圖8(b)在線圈所在位置磁感應強度B的大小均為0. 2 T。線圈的電阻為2，它的引出線接有8的燈L，外力推動線圈的P端做往復運動，便有電流通過電燈當線圈向右的位移隨時間變化的規(guī)律如圖8(c)所示時(x取向右為正）： 圖8(1)試畫

18、出感應電流隨時間變化的圖象在圖132(b)中取逆時針電流為正(2)求每一次推動線圈運動過程中的作用力(3)求該發(fā)電機的功率（摩擦等損耗不計）10 .如下一系列核反應是在恒星內(nèi)部發(fā) 生的： 其中p為質(zhì)子，a為a粒子，e為正電子，為一種中微子已知質(zhì)子的質(zhì)量為mp1.672648×1027a粒子的質(zhì)量ma6.644929×1027，正電子的質(zhì)量為me9.11×1031，中微子的質(zhì)量可忽略不計真空中的光速c3.00×108m/s試計算該系列核反應完成后釋放的能量參考答案:1.B (提示:假設(shè)r為電源內(nèi)阻，R為車燈電阻，I為沒有啟動電動機時流過電流 表的電流。在沒

19、有啟動電動機時，滿足閉合電路歐姆定律，r+R=，得。此時車燈功率為：P=。 啟動電動機后，流過電流表的電流，此時車燈兩端的電壓為：，所以此時車燈功率為P=電動機啟動后車燈軾率減少了)2、 AC 3.C 4.ABCD5.解析：在時間內(nèi)垂直通過面積S的風向前推進的距離為，則形成一長為、底面積為S的空氣柱，柱體質(zhì)量為對應的動能，風力發(fā)電機的作用是把風能轉(zhuǎn)化為電能，故其功率為單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)化的風的動能，根據(jù)，有6.解析：筒中水的溫度之所以升高是因為它吸收了太陽輻射的熱量這一部分熱量從范圍來看，僅是太陽整個熱輻射球面的一小部分，從熱傳遞的效率來看。它又是這一小部分的45太陽在2分鐘內(nèi)在單位輻射球面積上輻射的熱量為Pt（4R2）式中R為太陽到地球的距離，4R2是以太陽為中心，以R為半徑的太陽能輻射球的表面積根據(jù)Q=Cmt可得：Pt/(4R2)·s·45%=