資源簡介

12.4 能源與可持續(xù)發(fā)展
1.理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。 2.理解能源的利用實際上是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程。 3.了解常規(guī)能源的使用帶來的環(huán)境污染。 4.了解開發(fā)新能源的方法和意義。
知識點一　能量守恒定律
1.能量守恒定律內(nèi)容
能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。
2.能量守恒定律意義
能量守恒定律的建立，是人類認識自然的一次重大飛躍。它是最普遍、最重要、最可靠的自然規(guī)律之一，而且是大自然普遍和諧性的一種表現(xiàn)形式。
知識點二　能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性
1.能量轉(zhuǎn)化：自然界中存在著各種不同形式的能量，并且各種形式的能量是可以相互轉(zhuǎn)化的，但在大多數(shù)情況下，各種形式的能量最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
2.能量轉(zhuǎn)化的方向：物體的機械能可以自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不可能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機械能而使物體恢復(fù)原來的機械運動。
3.能量的耗散：燃料燃燒時，一旦把自己的熱量釋放出去，就不會再次自動聚集起來供人類重新利用。電池中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，電能又通過燈泡轉(zhuǎn)化為熱能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用，這種現(xiàn)象叫作能量的耗散。能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成了不便于利用的了。
知識點三　能源的分類與應(yīng)用
1.能源開發(fā)：能量的利用過程是不可逆的，自然界中的常規(guī)能源的儲量是有限的，并且是不可再生的，所以我們要珍惜現(xiàn)有的能源，盡力提高現(xiàn)有能源的利用效率。注意研究和開發(fā)新能源，目前，正在開發(fā)的新能源有風能、海洋能、太陽能、地熱能、氫能、生物質(zhì)能及核能等。
2.常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化途徑
3.能源的分類
能源分類方法 能源分類名稱 特點 舉例
按形式或轉(zhuǎn)換特點分 一次能源 自然形成，未經(jīng)加工 太陽能、風能、地熱能、核能、潮汐能
二次能源 由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電能
按利用技術(shù)分 常規(guī)能源 已大規(guī)模正常使用 煤、石油、天然氣、水能
新能源 正在開發(fā)，或有新的利用方式 太陽能、核能、地熱能、海洋能、沼氣、風能
按可否再生分 可再生能源 可循環(huán)使用 水能、風能、生物質(zhì)能、地熱能
不可再生能源 短期內(nèi)無法轉(zhuǎn)換獲得 煤、石油、天然氣、核燃料
按對環(huán)境污染情況分 清潔能源 對環(huán)境基本上沒有污染 太陽能、海洋能、風能、水能
污染能源 會嚴重污染環(huán)境 化石燃料(煤、石油、天然氣)
知識點四　能源與社會發(fā)展
1.人類對能源的利用大致經(jīng)歷了三個時期，即柴薪時期、煤炭時期和石油時期。自工業(yè)革命以來，煤和石油成為人類的主要能源。
2.能源短缺和環(huán)境惡化已成為關(guān)系到人類社會能否持續(xù)發(fā)展的大問題。
3.能量耗散反映了能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性，所以自然界的能量雖然守恒，但還是很有必要節(jié)約能源。
4.人類與能源的關(guān)系
(1)有利方面：能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善，人類社會每一次重大的經(jīng)濟飛躍和生產(chǎn)革命，都與新的能源和動力機械的利用密切相關(guān)，能源消耗的多少已經(jīng)成為一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。
2021年6月11日，我國成功將北京三號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，如圖衛(wèi)星兩翼的太陽能電池板把太陽能轉(zhuǎn)化為電能供衛(wèi)星使用。關(guān)于太陽能等能源與可持續(xù)發(fā)展，以下說法正確的是（　　）
A．利用太陽能、風能和氫能等能源替代化學能源可以改善空氣質(zhì)量
B．人類在不斷地開發(fā)和利用新能源，所以能量可以被創(chuàng)造
C．水電站里的發(fā)電機裝置可以將水庫中儲存的水的機械能全部轉(zhuǎn)化為電能
D．核能對環(huán)境的污染比常規(guī)能源對環(huán)境的污染大
【解答】解：A、改善空氣質(zhì)量，就應(yīng)該從根本上減少碳排放量，用新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源，節(jié)能減排，故A正確；
B、能量是守恒的，既不能創(chuàng)造也不可能消失，但能量品質(zhì)會下降，故要節(jié)約能源，故B錯誤；
C、由于水下落過程以及發(fā)電機裝置都有摩擦，故該裝置不可能將水庫中儲存的水的機械能全部轉(zhuǎn)化為電能，故C錯誤；
D、核能屬于新能源，是一種清潔能源，故D錯誤。
故選：A。
“神舟”六號載人飛船上的電子儀器及各種動作的控制都是靠太陽能電池供電的，由于光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。“神舟”飛船上的太陽能電池就是依靠光伏效應(yīng)設(shè)計的單晶硅太陽能電池。在正常照射下，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達30%。單片單晶硅太陽能電池可產(chǎn)生0.6V的電動勢，可獲得0.1A的電流，則每秒照射到這種太陽能電池上的太陽光的能量是（　　）
A．0.6J B．0.3J C．0.2J D．0.06J
【解答】解：每秒照射到這種太陽能電池上的太陽光的能量是，故ABD錯誤，C正確。
故選：C。
第19屆亞運會于9月23日晚在杭州盛大開幕。此次亞運會開幕式將實體煙花燃放改成電子煙花表演展示，通過數(shù)字技術(shù)、光學投影等展現(xiàn)煙花綻放場景，傳遞出中國綠色低碳環(huán)保且負責任的發(fā)展中大國形象。以下說法正確的是（　　）
A．能量在使用過程中總量保持不變，故無需節(jié)約用電，可盡情燃放電子煙花
B．不斷開發(fā)新能源，發(fā)展新技術(shù)，是緩解能源危機、加強環(huán)境保護的重要手段
C．電子煙花技術(shù)將電能全部轉(zhuǎn)化為光能和內(nèi)能，過程中不存在能量耗散
D．相比于傳統(tǒng)煙花，使用電子煙花完全無污染
【解答】解：A.能量在使用過程中總量是保持不變的，但是能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化是具有方向的，是不可逆的過程，所以仍然需要節(jié)約用電，故A錯誤；
B.不斷開發(fā)新能源，發(fā)展新技術(shù)才能緩解能源危機，從而減少化石能源依賴有利于保護環(huán)境，故B正確；
C.電子煙花將電能轉(zhuǎn)化為光能和內(nèi)能，同時會有聲音及熱損耗，會伴有能量耗散，故C錯誤；
D.使用電子煙花只是減少了污染，而不是完全沒有污染，比如光污染依然存在；
故選：B。
位于錢塘江南岸的杭州奧體中心主體育場俗稱“大蓮花”。為這朵“大蓮花”調(diào)節(jié)溫度的，不僅有中央空調(diào)，還有江水源空調(diào)。江水源空調(diào)就是用多組江水源熱泵抽取錢塘江的水，再利用江水與體育場室內(nèi)空氣的溫差，實現(xiàn)制冷和制熱，從而讓場館達到冬暖夏涼的效果。已知每組江水源熱泵由電動機、水泵、輸水鋼管組成，錢塘江抽水處水源距離地表6m深，安裝抽水泵時將一根輸水鋼管豎直打入地底下與錢塘江地下水源連通，水泵出水口離地表高度為0.45m，水流由出水口水平噴出時的速度為4m/s，每秒出水量為3kg。水泵由功率為330W的電動機帶動，已知電動機額定電壓為220V，水泵的抽水效率為75%（抽水效率是指水泵的輸出功率與輸入功率的比值），水的密度為1.0×103kg/m3，則（　　）
A．出水口鋼管橫截面積為2.5×10﹣3m2
B．水泵的輸入功率為217.5W
C．每秒內(nèi)水流機械能增加24J
D．電機發(fā)熱功率為40W
【解答】解：A.根據(jù)Q＝v0S，可得出水口鋼管橫截面積為Sm3＝7.5×10﹣4m2，故A錯誤；
C.每秒內(nèi)水流機械能增加ΔE＝Δmghm3×10×（6+0.45）J3×42J＝217.5J，故C錯誤；
B.水泵的輸入功率為P入290W，故B錯誤；
D.電機發(fā)熱功率為P熱＝P電﹣P入＝（330﹣290）W＝40W，故D正確。
故選：D。
風力發(fā)電已成為我國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑之一。如圖所示，風力發(fā)電機是一種將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。某風力發(fā)電機在風速為9m/s時，輸出電功率為405kW，風速在5～10m/s范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化效率可視為不變。該風機葉片旋轉(zhuǎn)一周掃過的面積為A，空氣密度為ρ，風場風速為v，并保持風正面吹向葉片。則下列說法中正確的是（　　）
A．該風力發(fā)電機的輸出電功率與風速成正比
B．單位時間流過面積A的流動空氣動能為
C．若每天平均有1.0×108kW的風能資源，則每天發(fā)電量為2.4×109kW h
D．若風場每年有5000h 風速在6～10m/s范圍內(nèi)，則該發(fā)電機年發(fā)電量至少為6.0×104kW h
【解答】解：AB、單位時間內(nèi)流過面積A的流動空氣體積：V0＝A vt＝Av
單位時間流過面積A的流動空氣質(zhì)量：m0＝ρV0＝ρAv
單位時間流過面積A的流動空氣動能：Ek
設(shè)轉(zhuǎn)化效率為η，轉(zhuǎn)化成的電能為：E＝η EkηρStv3
該風力發(fā)電機的輸出電功率PηρSv3，則該風力發(fā)電機的輸出電功率與風速的三次方成正比，故AB錯誤；
C、由于風力發(fā)電存在轉(zhuǎn)化效率，若每天平均有1.0×108kW的風能資源，則每天發(fā)電量約為W＝η Pt＝η×1.0×108kW×24h＝2.4η×109kW h＜2.4×109kW h，故C錯誤；
D、由題意可知風力發(fā)電機在風速為v＝9m/s時，輸出電功率為P＝405kW
由PρSv3，可得
代入數(shù)據(jù)可得風速為v1＝6m/s時的輸出功率：P1＝120kW
若風場每年有5000h風速在6～10m/s的風能資源，則該發(fā)電機年發(fā)電量：E′＝P1 t＝120kW×5000h＝6.0×105kW h，故D正確；
故選：D。
風能是可再生資源中發(fā)展最快的清潔能源，我國目前正逐步采用變槳距控制風力發(fā)電機替代定槳距控制風力發(fā)電機，來提高風力發(fā)電的效率。具體風速對應(yīng)的功率如圖所示，設(shè)如圖中風力發(fā)電機每片葉片長度為30米，所處地域全天風速均為7.5m/s，空氣的密度為1.29kg/m3，圓周率π取3.14，下列選項不正確的是（　　）
A．變槳距控制風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化成電能的效率為52%
B．用變槳距控制風力發(fā)電機替換定槳距控制發(fā)電機后，每臺風力發(fā)電機每天能多發(fā)電7200kW h
C．無論采用變槳距控制風力發(fā)電機還是定槳距控制風力發(fā)電機，每臺發(fā)電機每秒鐘轉(zhuǎn)化的空氣動能均為7.69×105J
D．若煤的熱值為3.2×107J/kg，那么一臺變槳距控制風力發(fā)電機每小時獲得的風能與完全燃燒45千克煤所產(chǎn)生的內(nèi)能相當
【解答】解：AC、在一秒鐘內(nèi)空氣所走的路程是：L＝7.5m；
此時該部分空氣的體積為V＝SL＝πR2 L＝3.14×302×7.5m3＝21195m3，
故此時吹過葉片的空氣的質(zhì)量是：m＝ρV＝1.29kg/m3×21195m3＝27342kg；
每秒鐘通過風力發(fā)電機葉片的空氣的動能：Ek
代入數(shù)據(jù)可得：Ek＝7.69×105J
由圖可知，當風速為7.5m/s時，變槳發(fā)電機的發(fā)電功率為400kW＝4×105W，所以其發(fā)電效率：η100%100%≈52%．故AC正確；
B、由圖可知在風速為7.5m/s時，定槳發(fā)電機發(fā)電的功率為100kW，則變槳距控制風力發(fā)電機替換定槳距控制風力發(fā)電機后，每臺風力發(fā)電機每天能多發(fā)電：
W＝ΔP t＝（400﹣100）kW×24h＝7200kW h.故B正確；
D、一臺變槳距控制風力發(fā)電機每小時獲得的風能為：E＝Ek×3600＝7.69×105×3600J＝2.77×109J
需要消耗煤的質(zhì)量：m'kg＝86.6kg。故D錯誤；
本題選擇不正確的
故選：D。
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（氣流的動能）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，如圖所示。
（1）風輪機葉片旋轉(zhuǎn)所掃過的面積為風力發(fā)電機可接收風能的面積。設(shè)空氣密度為ρ，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。
（2）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)電機在風速v1＝9m/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5000h。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。
【解答】解：（1）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
m0＝ρvS，S＝πr2
風能的最大功率可表示為
P風m0v2
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。
（2）按題意，風力發(fā)電機的輸出功率為
P2160kW
最小年發(fā)電量約為
W＝P2t＝160×5000kW h＝8×105kW h
答：（1）單位時間內(nèi)流向風輪機的最大風能Pm為。
（2）這臺風力發(fā)電機在該地區(qū)的最小年發(fā)電量是8×105千瓦時。
關(guān)于能量和能源，下列說法正確的是（　　）
A．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量有可能增加
B．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量會不斷減少
C．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量保持不變，故節(jié)約能源沒有必要
D．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，且現(xiàn)有可利用的能源有限，故必須節(jié)約能源
【解答】解：A、根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律可知能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中總量既不會增加，也不會減少。故A正確。
B、根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律可知能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中總量既不會增加，也不會減少。故B錯誤。
C、能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量保持不變，但品質(zhì)越來越差，即可利用率越來越低，故必需節(jié)約能源。故C錯誤。
D、能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性即朝可利用率低的方向轉(zhuǎn)化，且現(xiàn)有可利用的能源有限，故必須節(jié)約能源，故D正確。
故選：D。
下列說法正確的是（　　）
A．隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的
B．“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，因而是不可能的
C．太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了
D．有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量可以憑空產(chǎn)生
【解答】解：A、第一類永動機違背了熱力學第一定律即能量守恒定律，第二類永動機違背了熱力學第二定律，故永動機是不可以制成的，故A錯誤；
B、沒有不吃草的馬，說明“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，故B正確；
C、根據(jù)能量守恒定律可知，宇宙中的總能量是守恒的，故太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，照射到宇宙空間的能量也會轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，能量不會消失，故C錯誤；
D、根據(jù)能量守恒定律可知，能量不能憑空產(chǎn)生，“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，戴在手上卻能一直走動，但是一定要戴在運動的手上，說明里面有自動上發(fā)條的裝置，能量是不可以憑空產(chǎn)生，故D錯誤。
故選：B。
如圖所示是架在屋頂?shù)奶柲軣崴鳌Ｒ阎獑挝粫r間內(nèi)太陽垂直射到地面附近單位面積的能量E0為7×103J/（m2 s）。一臺熱水器的聚熱面積為2m2，若每天相當于太陽直射熱水器4h，太陽能的20%可轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，那么這個熱水器一天內(nèi)最多能利用的太陽能為（　　）
A．4×108J B．4×107J C．2×108J D．2×107J
【解答】解：這個熱水器一天內(nèi)最多能利用的太陽能為J，故B正確，ACD錯誤；
故選：B。
風力發(fā)電已成為我國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑之一。如圖所示，風力發(fā)電機是一種將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。某風力發(fā)電機轉(zhuǎn)化效率可視為不變，該風力發(fā)電機將空氣動能轉(zhuǎn)化為電能的效率為η，該風機葉片旋轉(zhuǎn)一周掃過的面積為A，空氣密度為ρ，風場風速為v，并保持風正面吹向葉片。則風力發(fā)電機發(fā)電的功率為（　　）
A．ρAv3 B．ηρAv3 C．ρAv2 D．ηρAv2
【解答】解：葉片旋轉(zhuǎn)所形成的圓面積為A
單位時間內(nèi)流過該圓面積的空氣柱體積為
V＝S vt＝Av
空氣柱的質(zhì)量為
m＝ρ V＝ρAv
空氣柱的動能為
EkρAv v2ρAv3
設(shè)轉(zhuǎn)化效率為η，轉(zhuǎn)化成的電能為E＝η EkηρAtv3
PηρAv3，故ACD錯誤，B正確；
故選：B。
如圖，某地有一風力發(fā)電機，它的葉片轉(zhuǎn)動時可形成半徑為20m的圓面。某時間內(nèi)該地區(qū)的風速是6.0m/s，風向恰好跟葉片轉(zhuǎn)動的圓面垂直，已知空氣的密度為1.2kg/m3，假如這個風力發(fā)電機能將此圓內(nèi)10%的空氣動能轉(zhuǎn)化為電能，則此風力發(fā)電機發(fā)電的功率約為（　　）
A．2.7kW B．16.3kW C．27kW D．163kW
【解答】解：依題意，風力發(fā)電機能將圓內(nèi)10%的空氣動能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)能量守恒定律有
Pt＝Ek×10%
又因為
Ek
兩式聯(lián)立，代入題中相關(guān)數(shù)據(jù)求得此風力發(fā)電機發(fā)電的功率
P≈163000W＝16.3kW
故選：B。
在人類經(jīng)濟發(fā)展中環(huán)境保護日益重要，而利用太陽能發(fā)電投資少，見效快。如果用太陽能替代化石燃料可以減少溫室氣體的排放，減輕污染，有利于環(huán)境保護。以農(nóng)村住宅屋頂發(fā)電為例，如屋頂放置垂直太陽光線的光電池板，面積為10米×5米，已知太陽光垂直照射到地球表面的光能平均為1400焦/米2 秒，如果太陽平均每天有6小時的垂直照射，現(xiàn)在的光電轉(zhuǎn)化率大約為23%，那么這個屋頂在一天內(nèi)發(fā)電大約有（　　）
A．10000度 B．1000度 C．100度 D．10度
【解答】解：由1度＝1kW h＝3.6×106J可知這個屋頂在一天內(nèi)發(fā)電大約有E＝ηεSt＝1400×10×5×6×3600×23% J≈100度，故ABD錯誤，C正確。
故選：C。
如圖所示是架在屋頂?shù)奶柲軣崴鳌Ｒ阎獑挝粫r間內(nèi)太陽垂直射到地面附近單位面積的能量E0為7×103J/（m2 s）。一臺熱水器的聚熱面積為2m2，若每天相當于太陽直射熱水器4h，太陽能的20%可轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，下列分析正確的是（　　）
A．太陽垂直射到地面附近的熱輻射功率為7×103W
B．這臺熱水器單位時間聚集的太陽能最多為7×103J
C．這臺熱水器一天內(nèi)最多能利用的太陽能為5.6×104J
D．這臺熱水器全年內(nèi)最多轉(zhuǎn)化的水的內(nèi)能約為1.4×1010J
【解答】解：A、由功率的公式可知，，故A正確；
B、由題意可知，這臺熱水器單位時間內(nèi)聚集的太陽能最多為：，故B錯誤；
C、根據(jù)題意，這臺熱水器一天內(nèi)最多能利用的太陽能為：，故C錯誤；
D、根據(jù)題意，這臺熱水器全年內(nèi)最多轉(zhuǎn)化的水的內(nèi)能為：，故D錯誤；
故選：A。
電動機通電后，電動機帶動其他機器運轉(zhuǎn)，一段時間后，電動機的外殼就會變得燙手，則下列關(guān)于能的轉(zhuǎn)化和守恒的說法中正確的是（　　）
A．電能全部轉(zhuǎn)化為機械能，總的能量守恒
B．電能一部分轉(zhuǎn)化為機械能，另一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總的能量守恒
C．電路中的電功與電動機產(chǎn)生的熱量大小相等
D．電能轉(zhuǎn)化為機械能和內(nèi)能，機械能守恒
【解答】解：A、因為電動機的外殼就會變得燙手，說明有少量一部分電能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，故A錯誤；
B、電能轉(zhuǎn)化為機械能和內(nèi)能，機械能增加了，但能的總量守恒，故B正確；
C、在轉(zhuǎn)化中是電能轉(zhuǎn)化為機械能以及內(nèi)能，電路中的電功大于電動機產(chǎn)生的熱量大小，故C錯誤；
D、電能一部分轉(zhuǎn)化為機械能，另一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總的能量守恒，機械能增大，故D錯誤。
故選：B。
下表是某共享電動汽車的主要參數(shù)，根據(jù)信息，下列說法正確的是（　　）
空車質(zhì)量 800kg
電池能量 50kW h
標準承載 200kg
最大續(xù)航（充滿電最大行駛路程） 200km
所受阻力與汽車總重比值（忽略空氣阻力） 0.09
A．工作時，電動汽車的電動機是將機械能轉(zhuǎn)化成電池的化學能
B．電池充滿電時的電荷量為1.8×108C
C．標準承載下，電動汽車以72km/h的速度勻速行駛10min所用電能為2.4kW h
D．若標準承載下汽車以120km/h速度勻速行駛，汽車電動機輸出功率不小于30kW
【解答】解：A、工作時，電動汽車的電動機是將電能轉(zhuǎn)化成機械能，故A錯誤；
B、由公式W＝Pt得電池充滿電時的電能為
W＝50kW h＝50×1000×3600J＝1.8×108J
所以50kW h為充滿電時的電能不是電荷量，根據(jù)題目已知信息無法求得電池充滿電時的電荷量，故B錯誤；
C、標準承載下，電動汽車以v＝72km/h＝20m/s的速度勻速行駛時，F(xiàn)＝0.09mg
功率P＝Fv＝0.09mgv＝0.09×（800+200）×10×20W＝1.8×104W＝18kW
如果電能全部轉(zhuǎn)化為機械能時，根據(jù)W＝Pt＝18kW h＝3kW h
但實際過程中電能不可能全部轉(zhuǎn)化為機械能，所以耗電量大于3kW h，故C錯誤；
D、若標準承載下汽車速度能達120km/h，功率P＝Fv2＝0.09mgv2＝0.09×（800+200）×10W＝30000W＝30kW，則汽車電動機最大輸出功率不小于30kW，故D正確。
故選：D。
如圖所示是一個直流電動機提升重物的裝置重物質(zhì)量m＝50kg，電源電壓U＝100V，不計各處的摩擦，當電動機以v＝0.9m/s的恒定速度將重物向上提升1m時，電路中的電流I＝5A，g取10m/s2，由此可知（　　）
A．電動機線圈的電阻r＝2Ω
B．電動機線圈的電阻r＝1Ω
C．此過程中無用功為50J
D．該裝置的效率為80%
【解答】解：AB、重物勻速上升，電機對重物的拉力等于重力，所以拉力的功率等于重力的功率，
即P機＝mgv＝50×10×0.9W＝450W。
又電動機的電功率等于機械功率加熱功率，UI＝P機+I2r 得r＝2Ω，故B錯誤，A正確；
C、無用功為電機內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量，Q＝I2rt＝52×2JJ，故C錯誤；
D、裝置的效率為η%%＝90%，故D錯誤。
故選：A。
環(huán)保汽車將為2008年奧運會場館服務(wù)。某輛以蓄電池為驅(qū)動能源的環(huán)保汽車，總質(zhì)量m＝3×103kg．當它在水平路面上以v＝36km/h的速度勻速行駛時，驅(qū)動電機的輸入電流I＝50A，電壓U＝300V．在此行駛狀態(tài)下：
（1）求驅(qū)動電機的輸入功率P電；
（2）若驅(qū)動電機能夠?qū)⑤斎牍β实?0%轉(zhuǎn)化為用于牽引汽車前進的機械功率P機，求汽車所受阻力與車重的比值（g取10m/s2）；
（3）設(shè)想改用太陽能電池給該車供電，其他條件不變，求所需太陽能電池板的最小面積。結(jié)合計算結(jié)果，簡述你對該設(shè)想的思考。
已知太陽輻射的總功率P0＝4×1026W，太陽到地球的距離r＝1.5×1011m，太陽光傳播到達地面的過程中大約有30%的能量損耗，該車所用太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為15%。
【解答】解：（1）驅(qū)動電機的輸入功率 P電＝IU＝1.5×104W
故驅(qū)動電機的輸入功率P電＝1.5×104W。
（2）在勻速行駛時：P機＝0.9P電＝Fv＝fv，故有：，v＝36km/h＝10m/s，
代入數(shù)據(jù)得汽車所受阻力與車重之比為：。
故汽車所受阻力與車重的比值為0.045。
（3）當陽光垂直電磁板入射時，所需板面積最小，設(shè)其為S，距太陽中心為r的球面面積：S0＝4πr2。
若沒有能量的損耗，太陽能電池板接受到的太陽能功率為P′，則 ①
設(shè)太陽能電池板實際接收到的太陽能功率為P，P＝（1﹣30%）P/②
所以由①②可得：
由于P電＝15%P，所以電池板的最小面積S101m2
故所需最小面積為101m2。
分析可行性并提出合理的改進建議：現(xiàn)在還不能達到設(shè)計要求，要進一步提高太陽能電池轉(zhuǎn)化率，減小車的質(zhì)量，提高電動機效率。12.4 能源與可持續(xù)發(fā)展
1.理解能量耗散和品質(zhì)降低的概念。 2.理解能源的利用實際上是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程。 3.了解常規(guī)能源的使用帶來的環(huán)境污染。 4.了解開發(fā)新能源的方法和意義。
知識點一　能量守恒定律
1.能量守恒定律內(nèi)容
能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到別的物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。
2.能量守恒定律意義
能量守恒定律的建立，是人類認識自然的一次重大飛躍。它是最普遍、最重要、最可靠的自然規(guī)律之一，而且是大自然普遍和諧性的一種表現(xiàn)形式。
知識點二　能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化的方向性
1.能量轉(zhuǎn)化：自然界中存在著各種不同形式的能量，并且各種形式的能量是可以相互轉(zhuǎn)化的，但在大多數(shù)情況下，各種形式的能量最終都轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
2.能量轉(zhuǎn)化的方向：物體的機械能可以自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能不可能自發(fā)地全部轉(zhuǎn)化為機械能而使物體恢復(fù)原來的機械運動。
3.能量的耗散：燃料燃燒時，一旦把自己的熱量釋放出去，就不會再次自動聚集起來供人類重新利用。電池中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，電能又通過燈泡轉(zhuǎn)化為熱能和光能，熱和光被其他物質(zhì)吸收之后變成周圍環(huán)境的內(nèi)能，我們無法把這些內(nèi)能收集起來重新利用，這種現(xiàn)象叫作能量的耗散。能量耗散表明，在能源的利用過程中，即在能量的轉(zhuǎn)化過程中，能量在數(shù)量上并未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的變成了不便于利用的了。
知識點三　能源的分類與應(yīng)用
1.能源開發(fā)：能量的利用過程是不可逆的，自然界中的常規(guī)能源的儲量是有限的，并且是不可再生的，所以我們要珍惜現(xiàn)有的能源，盡力提高現(xiàn)有能源的利用效率。注意研究和開發(fā)新能源，目前，正在開發(fā)的新能源有風能、海洋能、太陽能、地熱能、氫能、生物質(zhì)能及核能等。
2.常規(guī)能源和新能源的轉(zhuǎn)化途徑
3.能源的分類
能源分類方法 能源分類名稱 特點 舉例
按形式或轉(zhuǎn)換特點分 一次能源 自然形成，未經(jīng)加工 太陽能、風能、地熱能、核能、潮汐能
二次能源 由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化氣、酒精、汽油、電能
按利用技術(shù)分 常規(guī)能源 已大規(guī)模正常使用 煤、石油、天然氣、水能
新能源 正在開發(fā)，或有新的利用方式 太陽能、核能、地熱能、海洋能、沼氣、風能
按可否再生分 可再生能源 可循環(huán)使用 水能、風能、生物質(zhì)能、地熱能
不可再生能源 短期內(nèi)無法轉(zhuǎn)換獲得 煤、石油、天然氣、核燃料
按對環(huán)境污染情況分 清潔能源 對環(huán)境基本上沒有污染 太陽能、海洋能、風能、水能
污染能源 會嚴重污染環(huán)境 化石燃料(煤、石油、天然氣)
知識點四　能源與社會發(fā)展
1.人類對能源的利用大致經(jīng)歷了三個時期，即柴薪時期、煤炭時期和石油時期。自工業(yè)革命以來，煤和石油成為人類的主要能源。
2.能源短缺和環(huán)境惡化已成為關(guān)系到人類社會能否持續(xù)發(fā)展的大問題。
3.能量耗散反映了能量轉(zhuǎn)化的宏觀過程具有方向性，所以自然界的能量雖然守恒，但還是很有必要節(jié)約能源。
4.人類與能源的關(guān)系
(1)有利方面：能源的利用給人類的生活帶來了極大的改善，人類社會每一次重大的經(jīng)濟飛躍和生產(chǎn)革命，都與新的能源和動力機械的利用密切相關(guān)，能源消耗的多少已經(jīng)成為一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。
2021年6月11日，我國成功將北京三號衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，如圖衛(wèi)星兩翼的太陽能電池板把太陽能轉(zhuǎn)化為電能供衛(wèi)星使用。關(guān)于太陽能等能源與可持續(xù)發(fā)展，以下說法正確的是（　　）
A．利用太陽能、風能和氫能等能源替代化學能源可以改善空氣質(zhì)量
B．人類在不斷地開發(fā)和利用新能源，所以能量可以被創(chuàng)造
C．水電站里的發(fā)電機裝置可以將水庫中儲存的水的機械能全部轉(zhuǎn)化為電能
D．核能對環(huán)境的污染比常規(guī)能源對環(huán)境的污染大
“神舟”六號載人飛船上的電子儀器及各種動作的控制都是靠太陽能電池供電的，由于光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。“神舟”飛船上的太陽能電池就是依靠光伏效應(yīng)設(shè)計的單晶硅太陽能電池。在正常照射下，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達30%。單片單晶硅太陽能電池可產(chǎn)生0.6V的電動勢，可獲得0.1A的電流，則每秒照射到這種太陽能電池上的太陽光的能量是（　　）
A．0.6J B．0.3J C．0.2J D．0.06J
第19屆亞運會于9月23日晚在杭州盛大開幕。此次亞運會開幕式將實體煙花燃放改成電子煙花表演展示，通過數(shù)字技術(shù)、光學投影等展現(xiàn)煙花綻放場景，傳遞出中國綠色低碳環(huán)保且負責任的發(fā)展中大國形象。以下說法正確的是（　　）
A．能量在使用過程中總量保持不變，故無需節(jié)約用電，可盡情燃放電子煙花
B．不斷開發(fā)新能源，發(fā)展新技術(shù)，是緩解能源危機、加強環(huán)境保護的重要手段
C．電子煙花技術(shù)將電能全部轉(zhuǎn)化為光能和內(nèi)能，過程中不存在能量耗散
D．相比于傳統(tǒng)煙花，使用電子煙花完全無污染
位于錢塘江南岸的杭州奧體中心主體育場俗稱“大蓮花”。為這朵“大蓮花”調(diào)節(jié)溫度的，不僅有中央空調(diào)，還有江水源空調(diào)。江水源空調(diào)就是用多組江水源熱泵抽取錢塘江的水，再利用江水與體育場室內(nèi)空氣的溫差，實現(xiàn)制冷和制熱，從而讓場館達到冬暖夏涼的效果。已知每組江水源熱泵由電動機、水泵、輸水鋼管組成，錢塘江抽水處水源距離地表6m深，安裝抽水泵時將一根輸水鋼管豎直打入地底下與錢塘江地下水源連通，水泵出水口離地表高度為0.45m，水流由出水口水平噴出時的速度為4m/s，每秒出水量為3kg。水泵由功率為330W的電動機帶動，已知電動機額定電壓為220V，水泵的抽水效率為75%（抽水效率是指水泵的輸出功率與輸入功率的比值），水的密度為1.0×103kg/m3，則（　　）
A．出水口鋼管橫截面積為2.5×10﹣3m2
B．水泵的輸入功率為217.5W
C．每秒內(nèi)水流機械能增加24J
D．電機發(fā)熱功率為40W
風力發(fā)電已成為我國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑之一。如圖所示，風力發(fā)電機是一種將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。某風力發(fā)電機在風速為9m/s時，輸出電功率為405kW，風速在5～10m/s范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)化效率可視為不變。該風機葉片旋轉(zhuǎn)一周掃過的面積為A，空氣密度為ρ，風場風速為v，并保持風正面吹向葉片。則下列說法中正確的是（　　）
A．該風力發(fā)電機的輸出電功率與風速成正比
B．單位時間流過面積A的流動空氣動能為
C．若每天平均有1.0×108kW的風能資源，則每天發(fā)電量為2.4×109kW h
D．若風場每年有5000h 風速在6～10m/s范圍內(nèi)，則該發(fā)電機年發(fā)電量至少為6.0×104kW h
風能是可再生資源中發(fā)展最快的清潔能源，我國目前正逐步采用變槳距控制風力發(fā)電機替代定槳距控制風力發(fā)電機，來提高風力發(fā)電的效率。具體風速對應(yīng)的功率如圖所示，設(shè)如圖中風力發(fā)電機每片葉片長度為30米，所處地域全天風速均為7.5m/s，空氣的密度為1.29kg/m3，圓周率π取3.14，下列選項不正確的是（　　）
A．變槳距控制風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化成電能的效率為52%
B．用變槳距控制風力發(fā)電機替換定槳距控制發(fā)電機后，每臺風力發(fā)電機每天能多發(fā)電7200kW h
C．無論采用變槳距控制風力發(fā)電機還是定槳距控制風力發(fā)電機，每臺發(fā)電機每秒鐘轉(zhuǎn)化的空氣動能均為7.69×105J
D．若煤的熱值為3.2×107J/kg，那么一臺變槳距控制風力發(fā)電機每小時獲得的風能與完全燃燒45千克煤所產(chǎn)生的內(nèi)能相當
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（氣流的動能）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，如圖所示。
（1）風輪機葉片旋轉(zhuǎn)所掃過的面積為風力發(fā)電機可接收風能的面積。設(shè)空氣密度為ρ，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。
（2）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)電機在風速v1＝9m/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5000h。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。
關(guān)于能量和能源，下列說法正確的是（　　）
A．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量有可能增加
B．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量會不斷減少
C．能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移過程中，其總量保持不變，故節(jié)約能源沒有必要
D．能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移具有方向性，且現(xiàn)有可利用的能源有限，故必須節(jié)約能源
下列說法正確的是（　　）
A．隨著科技的發(fā)展，永動機是可以制成的
B．“既要馬兒跑，又讓馬兒不吃草”違背了能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，因而是不可能的
C．太陽照射到地球上的光能轉(zhuǎn)化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空間的能量都消失了
D．有種“全自動”手表，不用上發(fā)條，也不用任何形式的電源，卻能一直走動，說明能量可以憑空產(chǎn)生
如圖所示是架在屋頂?shù)奶柲軣崴鳌Ｒ阎獑挝粫r間內(nèi)太陽垂直射到地面附近單位面積的能量E0為7×103J/（m2 s）。一臺熱水器的聚熱面積為2m2，若每天相當于太陽直射熱水器4h，太陽能的20%可轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，那么這個熱水器一天內(nèi)最多能利用的太陽能為（　　）
A．4×108J B．4×107J C．2×108J D．2×107J
風力發(fā)電已成為我國實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑之一。如圖所示，風力發(fā)電機是一種將風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。某風力發(fā)電機轉(zhuǎn)化效率可視為不變，該風力發(fā)電機將空氣動能轉(zhuǎn)化為電能的效率為η，該風機葉片旋轉(zhuǎn)一周掃過的面積為A，空氣密度為ρ，風場風速為v，并保持風正面吹向葉片。則風力發(fā)電機發(fā)電的功率為（　　）
A．ρAv3 B．ηρAv3 C．ρAv2 D．ηρAv2
如圖，某地有一風力發(fā)電機，它的葉片轉(zhuǎn)動時可形成半徑為20m的圓面。某時間內(nèi)該地區(qū)的風速是6.0m/s，風向恰好跟葉片轉(zhuǎn)動的圓面垂直，已知空氣的密度為1.2kg/m3，假如這個風力發(fā)電機能將此圓內(nèi)10%的空氣動能轉(zhuǎn)化為電能，則此風力發(fā)電機發(fā)電的功率約為（　　）
A．2.7kW B．16.3kW C．27kW D．163kW
在人類經(jīng)濟發(fā)展中環(huán)境保護日益重要，而利用太陽能發(fā)電投資少，見效快。如果用太陽能替代化石燃料可以減少溫室氣體的排放，減輕污染，有利于環(huán)境保護。以農(nóng)村住宅屋頂發(fā)電為例，如屋頂放置垂直太陽光線的光電池板，面積為10米×5米，已知太陽光垂直照射到地球表面的光能平均為1400焦/米2 秒，如果太陽平均每天有6小時的垂直照射，現(xiàn)在的光電轉(zhuǎn)化率大約為23%，那么這個屋頂在一天內(nèi)發(fā)電大約有（　　）
A．10000度 B．1000度 C．100度 D．10度
如圖所示是架在屋頂?shù)奶柲軣崴鳌Ｒ阎獑挝粫r間內(nèi)太陽垂直射到地面附近單位面積的能量E0為7×103J/（m2 s）。一臺熱水器的聚熱面積為2m2，若每天相當于太陽直射熱水器4h，太陽能的20%可轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，下列分析正確的是（　　）
A．太陽垂直射到地面附近的熱輻射功率為7×103W
B．這臺熱水器單位時間聚集的太陽能最多為7×103J
C．這臺熱水器一天內(nèi)最多能利用的太陽能為5.6×104J
D．這臺熱水器全年內(nèi)最多轉(zhuǎn)化的水的內(nèi)能約為1.4×1010J
電動機通電后，電動機帶動其他機器運轉(zhuǎn)，一段時間后，電動機的外殼就會變得燙手，則下列關(guān)于能的轉(zhuǎn)化和守恒的說法中正確的是（　　）
A．電能全部轉(zhuǎn)化為機械能，總的能量守恒
B．電能一部分轉(zhuǎn)化為機械能，另一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，總的能量守恒
C．電路中的電功與電動機產(chǎn)生的熱量大小相等
D．電能轉(zhuǎn)化為機械能和內(nèi)能，機械能守恒
下表是某共享電動汽車的主要參數(shù)，根據(jù)信息，下列說法正確的是（　　）
空車質(zhì)量 800kg
電池能量 50kW h
標準承載 200kg
最大續(xù)航（充滿電最大行駛路程） 200km
所受阻力與汽車總重比值（忽略空氣阻力） 0.09
A．工作時，電動汽車的電動機是將機械能轉(zhuǎn)化成電池的化學能
B．電池充滿電時的電荷量為1.8×108C
C．標準承載下，電動汽車以72km/h的速度勻速行駛10min所用電能為2.4kW h
D．若標準承載下汽車以120km/h速度勻速行駛，汽車電動機輸出功率不小于30kW
如圖所示是一個直流電動機提升重物的裝置重物質(zhì)量m＝50kg，電源電壓U＝100V，不計各處的摩擦，當電動機以v＝0.9m/s的恒定速度將重物向上提升1m時，電路中的電流I＝5A，g取10m/s2，由此可知（　　）
A．電動機線圈的電阻r＝2Ω
B．電動機線圈的電阻r＝1Ω
C．此過程中無用功為50J
D．該裝置的效率為80%
環(huán)保汽車將為2008年奧運會場館服務(wù)。某輛以蓄電池為驅(qū)動能源的環(huán)保汽車，總質(zhì)量m＝3×103kg．當它在水平路面上以v＝36km/h的速度勻速行駛時，驅(qū)動電機的輸入電流I＝50A，電壓U＝300V．在此行駛狀態(tài)下：
（1）求驅(qū)動電機的輸入功率P電；
（2）若驅(qū)動電機能夠?qū)⑤斎牍β实?0%轉(zhuǎn)化為用于牽引汽車前進的機械功率P機，求汽車所受阻力與車重的比值（g取10m/s2）；
（3）設(shè)想改用太陽能電池給該車供電，其他條件不變，求所需太陽能電池板的最小面積。結(jié)合計算結(jié)果，簡述你對該設(shè)想的思考。
已知太陽輻射的總功率P0＝4×1026W，太陽到地球的距離r＝1.5×1011m，太陽光傳播到達地面的過程中大約有30%的能量損耗，該車所用太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為15%。

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