br-jxynf高考物理熱點分析能源的開發(fā)和利用

1、、 . 我們打敗了敵人。 我們把敵人打敗了。童夢無憂網(wǎng) 試管嬰兒論壇 本文由ywgssf貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 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

2、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(fù)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(yīng)和消費將向多元化、 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(yīng)特別注意依靠科技進步和政策引導(dǎo)，提高能源 效率，尋求能源的清潔化利用，積極倡導(dǎo)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

3、， 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(fēng)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，而技術(shù)和資金則是推動力出路在于科學(xué)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(xué)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

4、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 1.5 × 10 m ,漲潮時水深 20 m ,此時若關(guān)上水壩閘門,可使水位保持 7 2 20 m 不變,退潮時壩外水位降至 18 m , 假設(shè)利用此水壩建水利發(fā)電站,已知重力勢力轉(zhuǎn)變 為電能的效率為 10%,每天有 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 1 100 kV ,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(yīng)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： E = mg 發(fā)電站的功率 P = h h × 2 &#

5、215; 10% = Sh ? g ? × 2 × 10% = 6 × 1010 J 2 2 輸電電流 I = E = 6.9 × 10 5 W t 2 P = 6 .9 A U 輸電線上損失的功率 P = I R = 476.1W 用戶得到的功率 Pm = p ? p = 6.89 × 10 W . 5 例 2 （2008 年北京理綜卷考題） ）風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機是將風(fēng)能（氣流的功能）轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其主要部件包括風(fēng)輪機、齒輪 箱，發(fā)電機等。如圖 1 所示 （1）利用總電阻 R = 10? 的

6、線路向外輸送風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的 電能。輸送功率 P0 = 300 kW ，輸電電壓 U = 10 kW ，求異線上損失的功率與輸送功率的 比值; （2）風(fēng)輪機葉片旋轉(zhuǎn)所掃過的面積為風(fēng)力發(fā)電機可接受風(fēng)能的面積。 設(shè)空氣密度為 p，氣流速度為 v，風(fēng)輪機葉片長度為 r。求單位時間內(nèi)流向風(fēng)輪機的最大風(fēng) 能 Pm;在風(fēng)速和葉片數(shù)確定的情況下，要提高風(fēng)輪機單位時間接受的風(fēng)能，簡述可采取的措 施。 （3） 已知風(fēng)力發(fā)電機的輸出電功率 P 與 Pm 成正比。 某風(fēng)力發(fā) 電機的風(fēng)速 v19m/s 時能夠輸出電功率 P1=540kW。 我國某地區(qū) 風(fēng)速不低于 v2=6m/s 的時間每年約為 5000 小時，試估算

7、這臺 風(fēng)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(dǎo)線上損失的功率為 P=I2R=( 損失的功率與輸送功率的比值 （2） P0 300 × 103 2 R=( ) × 10W = 9kW U 10 × 103 2 P 9 × 103 = = 0.03 (2)風(fēng)垂直流向風(fēng)輪機時，提供的風(fēng)能功率最大. P0 300 × 103 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(fēng)能的最大功率可表示為 2 P 風(fēng)= 1 1 1 ( ptS )v 2 = pt t 2 v 2 = pr 2v 2 2 2 2 2 采

8、取措施合理，如增加風(fēng)輪機葉片長度，安裝調(diào)向裝置保持風(fēng)輪機正面迎風(fēng)等。 v ?6? （3）按題意，風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率為 P2= 2 ? P = ? ? × 540 kW=160 kW 1 v1 ?9? 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 8×10 4V。 （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

9、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）電池板的電動勢 E 等于不接外電路時兩極間的電壓 U，即 EU8×10 6V （2）由閉合電路歐姆定律 I 代入數(shù)值，得 I 短4×10 5 E R+r 外電路短路時，R0 I 短 E r （3）設(shè)電阻 R 兩端的電壓為 UR 代入數(shù)值，得 UR1.6×10 4V URIR 結(jié)合上式有 UR ER R+r 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

10、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，做切割磁感線運動.假定這一范 圍內(nèi)的地磁場是均勻的.磁感應(yīng)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(yīng)電流，試求： （1）金屬懸繩中產(chǎn)生的感應(yīng)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(yīng)電動勢看

11、作電源模型， 當(dāng)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： 3 E=Blv=4×10-5×20×103×6.5×103 V=5.2×103 V （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 （電離層） t= 2R 2 × 3.14 × (6400 × 10 3 + 3000 × 10 3 ) = s=9.1

12、5;103 s 3 v 6.5 × 10 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， 磁場中有兩塊金屬板 A，B（相當(dāng)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(yīng)強

13、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(dāng)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(dǎo)現(xiàn)象，在金屬盤上方釋放一永磁體，當(dāng)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， 運行所需槽形導(dǎo)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

14、發(fā)電是由等離子體動能轉(zhuǎn)化成電能；當(dāng)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) Um q qvB，得最大電壓為 U m Bvd； d 2 U m ( Bvd ) 2 （2）當(dāng)外電阻Rr時，此磁流體發(fā)電機有最大功率 Pm = = 4r 4r （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(yīng) 電流（因是超導(dǎo)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 4 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(dǎo)軌的底部和側(cè)壁裝有線圈， 其作用是提供磁場，列車能達到這樣高速的主

15、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(yīng)性強的優(yōu)勢。在核電站中，核反應(yīng)堆 釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能。 核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)， 釋放出 大量核能 （1）核反應(yīng)方程式 235 141 92 92 U+n 56 Ba+ 36 Kr+aX 是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一 ， a= 。 mU、 Ba 、m k r 以 m 種， 為中子， 為待求粒子， 為 X 的個數(shù)， X 為 n X a 則 分別表示 235 141 92 92 U、 56 Ba、 36 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

16、播的速度，則在上述核反應(yīng)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 定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題（1）中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程放出的核能 E=2.78 × 10 的質(zhì)量 解析： （1）由核反應(yīng)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（ mU ? m Ba ? mk r ? 2mn )c 2 （2）反應(yīng)堆每年提供的核能 E總 = PT 以 M 表示每年消耗的 解得 M = mU PT ?E 235 92 U ?11 J， 92 U 核的質(zhì)量 mU = 390 &

17、#215; 10 235 27 235 kg 。 求每年 （1 年=3.15×107s） 消耗的 92 U 其中 T 表示 1 年的時間 的質(zhì)量，得 M : mU = E總 : ?E ， 代入數(shù)據(jù)得 M = 1.10 × 10 3 kg 四、相關(guān)練習(xí)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，車燈的電功率降低了（ ） A35.8 W B43.2 W C48.2 W D76.8

18、 W 圖3 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 5 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 C.電勢能先減小后增大 B.速率先減小后增大 D.電勢能先增大后減 圖4 3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 t1 和

19、t2 的關(guān)系是（ A. t1= t2 C. t1>t2 B. t1<t2 D.無法確定 ） 圖5 4如圖 6 所示，兩根傾斜平行放置的光滑導(dǎo)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(dǎo)體棒在拉力 F 作用下， 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 a b 圖6 5風(fēng)能是可以再生的能源，是可持續(xù)利用的“清潔”能源，因此被

20、稱為“藍天白煤” ，已知 空氣密度為 ，風(fēng)速為 v ，風(fēng)力發(fā)電機可把垂直通過面積為 S 的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能。求該 風(fēng)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 h ，其噴灌半徑可 6 達 10 h ，每分鐘噴水的質(zhì)量為 m ，所用的水從地下深 h 的井里 抽取，設(shè)水以相同的速度噴出，若水泵效率為 ，則配

21、套電動機 的功率 P 至少為多少？（取 g = 10m / s 2 ） 。 8. 一條河流， 流量 Q = 2m ? S 3 ?1 ，落差 h = 5 m ，現(xiàn)利用其發(fā) 電，若發(fā)電機總效率為 50%， 圖7 輸出電壓為 240 V，輸電線路總 電阻 R = 30 ? ，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，

22、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(yīng)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(fù)運動，便有電流通 過 電 燈 當(dāng) 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)試畫出感應(yīng)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(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā) 生的： p + 12 C 13 N 6 7

23、 13 7 N 13 C + e + + 6 p + 13 C 6 14 N 7 p + 14 N 15 O 7 8 15 8 O 15 N + e + + 7 p + 15 N 12 C + 7 6 其中 p 為質(zhì)子，為粒子，e 為正電子， 為一種中微子已知質(zhì)子的質(zhì)量為 mp 1.672648×10 27 粒子的質(zhì)量 ma6.644929×10 27 ，正電子的質(zhì)量為 me9.11×10 31 ，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(yīng)完成后 7 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

24、車燈電阻，I 為沒有啟動電動機時流過電流 表的電流。 在沒有啟動電動機時， 滿足閉合電路歐姆定律， r+R= 此時車燈功率為：P= I R = 120W 。 2 E E ， R= 得 ? r = 1 .2 ? 。 I I / 啟動電動機后，流過電流表的電流 I = 58 A ，此時 車燈兩端的電壓為：U = E ? I / r = 9.6V ，所以此時車燈功率為 P / = 動后車燈軾率減少了 ?P = P ? P / = 43.2W ) 二、AC 3.C 4.ABCD U2 =76.8W 電動機啟 R 5.解析：在時間 t 內(nèi)垂直通過面積 S 的風(fēng)向前推進的距離為 vt ，則形成一長為 vt

25、 、底 1 2 mv ，風(fēng)力發(fā)電機的 2 ?E 作用是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，故其功率為單位時間內(nèi)所轉(zhuǎn)化的風(fēng)的動能，根據(jù) P = ，有 t 面積為 S 的空氣柱，柱體質(zhì)量為 m = (vtS ), 對應(yīng)的動能 E k = P= Ek 1 = Sv 2 . t 2 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=C

26、mt 可得：Pt/(4R2)·s·45%=Cmt P=（Cmt·4R2）/（t·s·45）=4×1026W 7.解析：設(shè)水離開龍頭時的速度為 v0 ，因水離開龍頭之后做平拋運動，由平拋運動規(guī)律得： h= 1 2 2 gt ,10h = v0 t.解得v 0 = 50 gh, 電 動 機 做 功 所 消 耗 的 電 能 為 2 8 E= mg (h + h) + 1 2 mv0 mg (h + 26h) 2 2 , 將 v0 = 50 gh代入， 有E = 。因消耗這 些 電 能 所 需 時 間 為 t = 60 s ， 所 以 配 套

27、 電 動 機 的 功 率 至 少 應(yīng) 為 P= E mg (h + 26h) = t 60 B1 B2 8.解析：按題意畫出遠距離輸電的示意圖 如圖 9 所示，電源端的輸出功率 U1 U2 U1 U2 mgh ? P總 = ? ? × ? t ? = 2 × 10 × 10 3 × 10 × 5 × 0.5 = 5 × 10 4 W . 輸電線上的功率損失 P損 = I R ，所以輸電線中電流為 2 圖9 I= P損 R = P總 × 6% R = 5 × 10 4 × 0.06 = 10 A 30 則升壓器 B1 的原線圈電壓 U 1 = U 出 = 204 V ，副線圈送電電壓為 U2 = P總 I = 5 × 10 4 = 5 × 10 3V 10 n1 ：n2 = U 1 ：U 2 = 240 = 6：125 5 × 10 3 所以升壓變壓器的變壓比為 輸電線上電壓的損耗 ?U 損 =