第二十章 能源、材料与社会

第二十章能源、材料与社会__能量的转化与守恒__能量的转化与守恒能量转化图图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阅读图文，回答问题。

与伟大同行图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__(填变化情况)，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1 2 3 4 5 6数通过分析数据，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)升降一次配重做功W＝G·h＝420 N×1 m＝420 J，水增加的内能Q＝cm(t－t0)＝4.2×103 J/(kg·℃)×0.5 kg×0.2 ℃＝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。

1．下列关于能量的转化与转移过程，正确的是(B) A．草→太阳→兔子吃草→人吃兔子B．太阳→树木→钻木取火→用火烤食C．太阳→电能→风能→电灯发光D．石油→太阳→汽油→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(C) 核反应堆―→蒸汽轮机―→发电机―→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(B) 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(D) 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(D)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。

这些现象中能量转化有共性的是(D)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少空气污染，提高空气质量；可以有效减缓温室气体的排放。

8．古人的钻木取火过程，是将机械能转化为__内__能；水力发电是将水的机械能转化为__电__能；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。

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。

下表给出了在不同风速下一台风车获得的能量。

平均风速(m/s) 5 10 15 20 25 301 s内获得的能量(×104 J) 4 8 12 16 20 24(1)若某时间内风速为10 m/s，一台风车工作1小时所产生的电能可供10只“220 V100 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3×107 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＝8×104 J/s×3 600 s＝2.88×108 J，风车工作1小时产生的电能为W＝Pt＝10×100 W×8×3 600 s＝2.88×107 J，故风车发电的效率为η＝W电W总＝2.88×107J2.88×108 J×100%＝10%；(2)100台风车一年获得的风能为W＝100×12×104J/s×4 000×3 600 s＝1.728×1014 J，根据W＝mq得1.728×1014 J＝m×3×107 J/kg，解得m＝5.76×106 kg；图20－1－3(3)空气流质量为m＝ρV＝ρv tS＝1.3 kg/m3×10 m/s×60 s×100 m3＝78 000 kg。

__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：(1)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；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。

(2)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，这种现象叫做裂变。

铀核裂变时，还同时放出2～3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20－2－1所示阴影部分的一组是(B)图20－2－1A．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[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20－2－2A．太阳能电池板主要是靠白天接受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【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。