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    粤教版同步学案第五章 第二节 能源的利用方式【解析版】
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    高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第二节 能源的利用方式学案设计

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    这是一份高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第二节 能源的利用方式学案设计,共9页。


    一、能源的分类
    1.化石能源:如石油、煤炭、天然气等.
    现状:①给人类带来环境污染.②能源短缺.
    2.新能源:如水能、风能、太阳能、核能等.
    二、水能
    1.水能指水体的动能、势能、压力能等.
    广义的水能资源:河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源.
    狭义的水能资源:河流的水能资源.
    2.水力发电:水的势能→水轮机的机械能eq \(――――→,\s\up7(发电机发电))电能
    3.特点:可再生、无污染.
    三、风能
    1.风力发电:风的动能eq \(――――――――――→,\s\up7(风力带动风车叶片转动))风车叶片的机械能eq \(――――――→,\s\up7(带动发电机转动))电能.
    2.特点:清洁、安全、可再生.
    四、太阳能
    太阳能的利用方式:光热转换、光电转换、光化学转换.
    五、核能
    1.核能是核反应中释放的能量,核裂变和核聚变是核反应的两种方式.
    2.核裂变:由较重的原子核分裂成两个或多个质量较轻的原子核的反应叫作核裂变.
    核聚变:由两个质量较轻的原子核在一定条件下聚合成一个较重的原子核的反应叫作核聚变.
    (1)水能的利用主要利用其重力势能,将重力势能转化为水轮机的动能,然后转化为电能.( √ )
    (2)风力发电是将风能转化为电能.( √ )
    (3)家庭用的太阳能热水器是将太阳能转化为水的内能.(热能)( √ )
    一、水能的利用
    1.水能的利用
    水能包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等.水流能的利用主要利用水的动能和重力势能,水力发电是利用水的动能带动水轮机转动,转化为水轮机的动能,然后带动发电机发电.
    2.水能是清洁能源,是可再生能源.
    如图1是某类潮汐发电图.涨潮时开闸,水由通道进入海湾水库蓄水,待水面升至最高点时关闭闸门(见图a).当落潮时,开闸放水发电(见图b).设海湾水库面积为5.0×108 m2,平均潮差为3.0 m,一天涨落潮两次,发电的平均能量转化率为10%,则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103 kg/m3,g取10 N/kg)( )
    图1
    A.2.6×104 kW B.5.2×104 kW
    C.2.6×105 kW D.5.2×105 kW
    答案 B
    解析 利用潮汐发电,就是水的重力势能转化为电能,水能转化电能的效率是10%,一次涨潮、退潮后水坝内水的势能增加:
    W水=GΔh=mgΔh=ρ水VgΔh=ρ水ShgΔh
    Δh为水的重心下降的高度,即:Δh=eq \f(3,2) m
    则水的势能可转变为电能:W电=W水×10%=2.25×1012 J.
    每天两次涨潮,则该电站一天能发电W电′=2W电=4.5×1012 J,所以每天的平均功率为P=eq \f(W电′,t)≈5.2×104 kW,故A、C、D错误,B正确.
    二、风能的利用
    1.风力发电是风能的主要利用方式,风力带动风车叶片旋转,把风的动能转变为风车叶片的动能,发电机在风车叶片的带动下旋转发电.
    2.风能是清洁能源,是可再生能源.
    近年来我国建立了许多风力发电厂,如图2所示.某台风力发电机的输出功率为P,输出电压为U,则输电线上的电流为 .风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积.某台风力发电机风轮机叶片的长度为r,设空气的密度为ρ,气流速度为v,则在时间t内风轮机可以接受到的最大风能为 .
    图2
    答案 eq \f(P,U) eq \f(πρr2v3t,2)
    解析 某台风力发电机的输出功率为P,输出电压为U,则输电线上的电流为:I=eq \f(P,U);在时间t内通过风轮机的最大空气质量为m=ρvtπr2.
    时间t内风轮机可以接受到的最大风能为E=eq \f(1,2)mv2=eq \f(1,2)ρvtπr2·v2=eq \f(πρr2v3t,2).
    三、太阳能的利用
    1.太阳能的利用方式很多,常见的有以下几种:
    (1)太阳能热水器:太阳能→水的内能.
    (2)温室大棚、太阳房:太阳能→空气的内能.
    (3)太阳能电池:太阳能→电能
    2.太阳能是清洁能源,是可再生能源.
    太阳能是人类最基本的能源,它无污染、无费用,这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长,当太阳光照射地面时,在1 m2地面上1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103 J.太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置,目前已经逐渐地出现在我们的生活中,晓阳在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告:(水的比热容c=4.2×103 J/kg·℃)
    容积(V) 100 L
    集热管的采光面积(S) 1.5 m2
    效率(η) 40%
    使用年限(z) 15年
    (1)晓阳家每天大约需要100 kg热水,用这种热水器将这些水从25 ℃加热到45 ℃需要多长时间?
    (2)与效率为80%的电热水器相比,晓阳家每天节约多少电能?
    答案 (1)3.9 h (2)2.9 kW·h
    解析 (1)设T为光照时间,k=1.0×103 J/(s·m2),
    Q吸=cm(t-t0)=4.2×103×100×20 J=8.4×106 J,
    太阳能热水器传给水的热量Q放=kSTη,
    因为Q吸=Q放,所以T=eq \f(Q放,kSη)=eq \f(8.4×106,1.0×103×1.5×40%) s=1.4×104 s≈3.9 h.
    (2)由Q电=Wη1=Q放得W=eq \f(Q电,η1)=eq \f(8.4×106,0.8) J=1.05×107 J≈2.9 kW·h.
    1.(风能的利用)风力发电是一种环保的电能获取方式.图3为某风力发电站外观图.假设当地水平风速约为10 m/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10 m,空气的密度是1.29 kg/m3,某一工厂用电的功率为320 kW,则大约需要多少台这样的风力发电机同时为该工厂供电( )
    图3
    A.6 B.8
    C.10 D.12
    答案 B
    解析 叶片旋转所形成的圆面积为S=πL2,t秒内流过该圆面积的风柱体积为V=Svt=πL2vt,风柱体的质量为m=ρV=ρπL2vt,风柱体的动能为Ek=eq \f(1,2)mv2=eq \f(1,2)ρπL2v3t,转化成的电能为E=ηEk=eq \f(1,2)ηρπL2v3t,输出的电功率为P=eq \f(E,t)=eq \f(1,2)ηρπL2v3=eq \f(1,2)×0.2×1.29×3.14×102×103 W≈41 kW,故需要n=eq \f(320 kW,41 kW)≈8台风力发电机,B正确.
    2.(太阳能的利用)图4所示中的路灯为太阳能路灯,每只路灯的光伏电池板有效采光面积约0.3 m2.晴天时电池板上每平方米每小时接收到的太阳辐射能约为3×106 J.如果每天等效日照时间约为6 h,光电池一天产生的电能可供30 W的路灯工作8 h.光电池的光电转换效率约为( )
    图4
    A.4.8% B.9.6%
    C.16% D.44%
    答案 C
    解析 每天(6 h)太阳能电池板吸收的太阳能:W总=0.3×3×106×6 J=5.4×106 J,
    路灯正常工作,P=P额=30 W,
    正常工作8 h消耗的电能:W=Pt=30×8×3 600 J=8.64×105 J,利用太阳能的效率:η=eq \f(W,W总)×100%=eq \f(8.64×105,5.4×106)×100%=16%,选C.
    3.(核能的利用)如图5所示,有关核电站发电过程中的能量转化情况,下列说法正确的是( )
    图5
    A.发电机是将电能转化为机械能
    B.汽轮机是将内能转化为机械能
    C.核电站是利用核聚变释放的核能
    D.核电站是利用化学反应释放的核能
    答案 B
    解析 发电机将机械能转化为电能,故A错误;汽轮机将内能转化为机械能,故B正确;核电站利用的是核裂变释放的能量,故C、D错误.
    4.(水能的利用)利用水能不产生污染物,水能是一种清洁能源,位于美国和加拿大交界处的尼亚加拉瀑布流量达每秒6 000 m3,而且是一年四季流量稳定,瀑布落差50 m.若利用这一资源发电,设其效率为50%,估算发电机的输出功率.(g取10 m/s2,ρ水=1.0×103 kg/m3)
    答案 1.5×109 W
    解析 取每秒流下的水量研究:m0=ρV=6×106 kg,
    由能量守恒定律有:m0gh×50%=P·t,t取1 s,h=50 m,
    所以P=6×106×10×50×50% W=1.5×109 W.
    考点一 太阳能的利用
    1.(2019·福建高二学业考试)下列关于能量转化的说法中正确的是( )
    A.电灯主要是将电能转化为机械能
    B.电风扇主要是将电能转化为化学能
    C.电热水器主要是将电能转化为机械能
    D.太阳能热水器主要是将太阳能转化为内能
    答案 D
    解析 电灯工作时,将电能转化为内能,故A错误;电风扇工作时,消耗电能,主要将电能转化为机械能,故B错误;电热水器工作时,将电能转化为内能,故C错误;太阳能热水器工作时,将太阳能转化为内能,故D正确.
    2.市面上出售一种装有太阳能电扇的帽子(如图1所示).在阳光的照射下,小电扇快速转动,能给炎热的夏季带来一丝凉意.该装置的能量转化情况是( )
    图1
    A.太阳能→电能→机械能
    B.太阳能→机械能→电能
    C.电能→太阳能→机械能
    D.机械能→太阳能→电能
    答案 A
    解析 太阳能电池板将太阳能转化为电能储存在电池板中,太阳能电池板对小电动机供电时,小电动机将电能转化为小电扇快速转动的机械能,故A正确,B、C、D错误.
    3.2017年12月8日消息,青岛科技大学在石墨烯量子点高效太阳能电池研究方面取得突破,提高了其光电转换效率.近期科学家研制出一种新的太阳能电池,在正常照射下可将光能转换成电能的效率高达45%,若用这种太阳能电池产生5 V的电动势,可获得0.9 A的电流,则每秒照射到这种太阳能电池上的太阳光的能量约是( )
    A.2 J B.4.5 J C.10 J D.50 J
    答案 C
    解析 根据W=EIt可得,太阳能电池每秒产生的能量为W=5×0.9×1 J=4.5 J,设太阳每秒照射的能量为Q,根据题意得Q×45%=W,所以Q=10 J,选项C正确.
    考点二 水能的利用
    4.某一水力发电站的水位的平均落差为50 m,每秒钟有6×106 kg的水用来发电,水的重力势能有10%转化为电能,g取10 m/s2,则( )
    A.每秒钟水减少的重力势能约为3×108 J
    B.发电的平均功率约为6×108 W
    C.每天的发电量约为7.2×106 kW·h
    D.若将这些电能以0.5 元/度的价格卖出,则一年收入约为3 600万元
    答案 C
    5.某省市的水利发展规划指出,若按现有供水能力测算,供水缺口极大,联合运用蓄水、引水和提水工程进行灌溉是目前解决供水问题的重要手段之一.某地要把河水抽高20 m,进入蓄水池,用一台电动机通过传动效率为80%的皮带,带动效率为60%的离心水泵工作.工作电压为380 V,此时输入电动机的电功率为19 kW,电动机的内阻为0.4 Ω.已知水的密度为1×103 kg/m3,则下列说法正确的是( )
    A.通过电动机的电流为950 A
    B.电动机的热功率为2 kW
    C.电动机的输出功率为16 kW
    D.蓄水池蓄入864 m3的水需要2×104 s
    答案 D
    解析 设电动机的电功率为P,则P=UI,可知电流I=50 A,A错误;设电动机内阻r上消耗的热功率为Pr,则Pr=I2r,代入数据解得Pr=1×103 W,B错误;设蓄水池中水的总质量为M,所用抽水时间为t.已知抽水高度为h,容积为V,水的密度为ρ,则M=ρV,设质量为M的河水增加的重力势能为ΔEp,则ΔEp=Mgh,设电动机的输出功率为P0,则P0=P-Pr=P-I2r=18 kW,C错误;由题意得P0t×60%×80%=ΔEp,代入数据解得t=2×104 s,D正确.
    考点三 风能的利用
    6.能将机械能转化为电能的装置是( )
    A.干电池 B.风力发电机
    C.电动机 D.太阳能电池
    答案 B
    解析 干电池将化学能转化为电能;风力发电机将机械能转化为电能;电动机将电能转化为机械能;太阳能电池将太阳能转化为电能,故选B.
    7.(2020·广东模拟)风力发电是一种环保的电能获取方式.某风力发电机的叶片转动形成的圆面积为S,某时间风的速度大小为v,风向恰好跟此圆面垂直;此时空气的密度为ρ,该风力发电机将空气动能转化为电能的效率为η,则风力发电机的功率为( )
    A.ηρSv2 B.eq \f(1,2)ηρSv2
    C.ηρSv3 D.eq \f(1,2)ηρSv3
    答案 D
    解析 时间t内,撞击到风力发电机上的空气的动能为Ek=eq \f(1,2)mv2=eq \f(1,2)ρtSv3,故风力发电机的功率为P=eq \f(W,t)=eq \f(ηEk,t)=eq \f(1,2)ηρSv3,故D正确.
    8.浙江最大抽水蓄能电站2016年在缙云开建,其工作原理是:在用电低谷时(如深夜),电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中,到用电高峰时,再利用蓄水池中的水发电.如图2所示,若该电站蓄水池(上水库)有效总库容量(可用于发电)为7.86×106 m3,发电过程中上下水库平均水位差637 m,年抽水用电为2.4×108 kW·h,年发电量为1.8×108 kW·h(水的密度为ρ=1.0×103 kg/m3,重力加速度为g=10 m/s2,以下水库水面为参考平面).则下列说法正确的是( )
    图2
    A.抽水蓄能电站的总效率约为65%
    B.发电时流入下水库的水流速度可达到113 m/s
    C.蓄水池中能用于发电的水的重力势能约为Ep=5.0×1013 J
    D.该电站平均每天所发电能可供给一个大城市居民用电(电功率以105 kW计算)约10 h
    答案 C
    解析 已知年抽水用电为2.4×108 kW·h,年发电量为1.8×108 kW·h,则抽水蓄能电站的总效率为η=eq \f(1.8×108 kW·h,2.4×108 kW·h)×100%=75%,故A错误;若没有任何阻力,由机械能定律守恒得mgh=eq \f(1,2)mv2,得v=eq \r(2gh)≈113 m/s,由题知,水流下的过程中受到阻力,所以发电时流入下水库的水流速度小于113 m/s,故B错误;蓄水池中能用于发电的水的重力势能为Ep=mgh=ρVgh=1.0×103×7.86×106×10×637 J≈5.0×1013 J,故C正确;该电站平均每天所发电量为E=eq \f(1.8×108,365) kW·h,可供给一个大城市居民用电(电功率以105 kW计算)的时间为t=eq \f(\f(1.8×108,365) kW·h,105 kW)≈5.0 h,故D错误.
    9.横截面积S=3 dm2的圆筒内装有质量m=0.6 kg的水,被太阳光垂直照射2 min,水的温度升高了1 ℃.设大气顶层的太阳能只有45%到达地面,太阳与地球之间的平均距离为1.5×1011 m,试估算出太阳的全部辐射功率是多少?(已知水的比热容c=4 200 J/kg·℃.保留1位有效数字)
    答案 4×1026 W
    解析 横截面积是3×10-2 m2的圆筒在2 min内吸收的热量为Q=cmΔt=4.2×103×0.6×1 J=2.52×103 J
    在阳光直射下,地球表面每平方米每秒钟获得的能量为E=eq \f(Q,St)=eq \f(2.52×103,3×10-2×120) J/(m2·s)=700 J/(m2·s)
    每平方米每秒钟射到大气顶层的太阳能总量为E0=eq \f(E,45%)
    太阳辐射的功率为P=E0·4πr2
    代入数据解得,P=4×1026 W.
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