第一节 能源及其应用（导学案）物理沪科版2020必修第三册

第一节 能源及其应用 导学案 1．知道自然界中能量的转化情况，知道能量守恒定律的内容.2.知道能量转移或转化的方向性，知道什么是能量耗散.3.知道什么是不可再生能源和可再生能源，了解能源的利用与社会发展的关系． 3知道什么是不可再生能源和可再生能源，了解能源的利用与社会发展的关系 【知识回顾】 一、能源 1．能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。 2．能源分类 按来源 来自太阳的能源：太阳光的热辐射能和间接来自太阳的煤、石油、天然气以及生物质能、水能、风能等。 地球本身蕴藏的能源：地热能和核燃料（如铀矿等）所蕴藏的原子核 能。 太阳、月球等天体与地球的相互作用产生的能源：潮汐 能等。 按生产方式 一次能源：自然界现成存在的能源。 如太阳能、水能、煤、石油、天然气等。 二次能源：由一次能源加工转换而成的能源产品 如电力、焦炭、煤气、蒸汽等 可再生能源：如太阳能、生物质能、风能、水能、潮汐能等 不可再生能源：如煤、石油、天然气等 按性质分类：燃料能源、非燃料能源。 按利用技术分类：常规能源、新能源。 二、新能源的开发和利用 1．水能：水力发电是水能的主要方面。 2．风能：风力发电是利用风能的最重要的方面。 3．太阳能：太阳能的利用有光热转换和光电转换，光伏发电是一种新兴的可（可/不可）再生能源，是太阳能利用的重要方面。 4．核能： （1）核裂变：用中子轰击铀核时铀核分裂成几个其他原子核，同时释放能量；较重的原子核分裂成几个较轻的原子核的过程。 eV 称为电子伏特，是能量单位，，1 eV =1.6×10−19J，1 MeV（兆电子伏特）= 106eV。 链式反应：铀核受中子轰击发生裂变时能放出 2 ~ 3 个中子和一定的能量，这 2 ~ 3 个中子又迅速引起周围其他铀核的裂变，因而使这种反应一开始就能自动持续进行。 能够发生链式反应的必要条件：铀块的最小体积超过临界体积。 （2）核聚变：若干个较轻的原子核也可以结合成一个较重的原子核，同时释放出巨大能量。 核能 氢弹（不可控） 核裂变 核聚变 原子弹（不可控） 核电站（可控） 太阳能来源于太阳内部________的核聚变 什么是能源？ 能量来自能源。能源是能提供多种形式、可以相互转换的能量的源泉。简单确切地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。人类利用的能源有太阳、草木、风、水、煤、石油、天然气等。 能源如何分类？ 能源有若干种，人类为了更好地认识能源，按照不同的分类准则对其进行了分类。 能源按来源可分为三大类：来自太阳的能源、地球本身蕴藏的能源及太阳、月球等天体与地球的相互作用产生的能源。来自太阳的能源有太阳光的热辐射能和间接来自太阳的煤、石油、天然气以及生物质能、水能、风能等；地球本身蕴藏的能源有地热能和核燃料（如铀矿等）所蕴藏的原子核能；太阳、月球等天体与地球的相互作用产生的能源有潮汐能等。 能源按生产的方式分类可分为一次能源和二次能源。一次能源是指在自然界现成存在的能源，如太阳能、水能、煤、石油、天然气等；二次能源是指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、焦炭、煤气、蒸汽等。 一次能源又可分为可再生能源和不可再生能源两大类。可以不断得到补充，或能在较短周期内再产生的能源称之为可再生能源，如太阳能、生物质能、风能、水能、潮汐能等；经过亿万年形成而短期内无法恢复的能源称之为不可再生能源，如煤、石油、天然气等。 还有其他不同的能源分类方式。如按能源的性质可分为燃料能源、非燃料能源；按能源的利用技术可分为常规能源、新能源等。 大家谈 家庭生活中一天所用的能量哪些来自可再生能源，哪些来自不可再生能源？ 如何开发和利用新能源？ 从保护环境和可持续发展的角度来看，煤、石油和天然气等燃料，不仅存量有限，而且有的燃料在使用时会排放大量有害气体，引起温室效应和大气污染。而太阳能、水能、风能具有可再生、无污染等特点。人们一直在研究和开发这些“清洁能源”，同时也在发展和利用核能。 1．水能 水力发电是利用水能的主要方面。一般需筑坝拦截江河水流或蓄水成水库，水流自上而下冲击安装在坝底的发电机组发电。可见水力发电的能源乃是上游水的势能。归根结底，能量来自太阳，因为上游水主要来自雨水，而雨水是靠太阳蒸发地表水系成为水汽，凝结成云而化雨下落。图 12-2 三峡水电站 图 12–2 三峡水电站 我国三峡水电站（图 12–2）位于湖北省宜昌市三斗坪镇境内，总装机容量达到 2 240 万千瓦，是我国最大的水力发电站和清洁能源生产基地。三峡水电站通过华东电网保障了上海市巨大的用电量。三峡工程是一项极具综合效益的水利工程，集发电、防洪、航运、供水灌溉等多种效益于一体。 水能不仅可再生，而且成本低、效率高。许多国家在规划电力工业时也往往优先发展水电。 2．风能 风力发电是利用风能的最重要的方面。风力发电就是把风的动能转化为电能。如图 12–3 所示的上海市东海大桥 10 万千瓦风电场是中国第一个国家海上风电示范项目。该项目位于上海市浦东新区临港新城至洋山深水港的东海大桥两侧，海上风电机组全部是我国自主研发。每年为国家节约燃煤几十万吨，减排大量二氧化碳。图 12–3 上海市东海大桥 10 万千瓦风电场 STSE 上海中心大厦（图 12–4）高达 632 m，大厦屋顶上全年平均风速可达到 8~10 m/s，非常适合利用风力来发电。上海中心的外幕墙上开了三个很大的开孔，安装高空风力发电系统，包含 270 台“垂直轴涡轮”风力发电机，总装机容量为 135 kW，每年可以为大厦提供 100 多万千瓦·时的绿色电力，供屋顶、观光层中的设备使用。 大厦顶部设计成现在的造型也是为了收集屋面雨水，将收集的雨水和生活废水作为中水（又叫再生水，是指废水或雨水经过适当处理后，达到一定水质指标的水）水源，两类不同水质的原水经各自的设施处理后，用于除酒店客房外的其他所有中水用 图 12–4 上海中心大厦 水场所，包括冲厕、绿化浇灌、水景补水、道路冲洗等，还有部分中水供陆家嘴地区市政绿化浇灌之用。 上海中心大厦内在多个高度设有“空中大堂”，方便租户就近享受休闲娱乐生活，从而减少能源消耗。如某人在 78 楼工作，从这一层出发，如果他能在上下不超过 14 层的范围内到达一处康乐区吃午餐，而不必一直下到楼底，就是节约了能源。 上海中心大厦又称“绿色大厦”。大厦采用双层幕墙结构，外层幕墙保证主体结构的规则性，内部再加一层幕墙构成了世界上最大的“保温瓶”。双幕墙系统用以调整室内外温差，起到绿色节能的功效。 风能也是太阳能的一种转化形式。太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀，引起大气层中气压分布不均匀，从而形成风。风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，但存在风能转换效率偏低的发展瓶颈。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 3．太阳能 太阳能的利用有光热转换和光电转换，光伏发电是一种新兴的可再生能源，是太阳能利用的重要方面。光伏的含义是利用半导体技术直接将太阳的光能转换成电能（称为光伏效应）输出，相应的发电元件称为太阳能电池或光伏电池。简单的光伏电池可为手表、计算器、路灯（图 12–5）提供能源，较复杂的光伏发电系统把光能转换成电能并实时输送上电网。我国太阳能光伏发电潜力巨大，到 2030 年光伏装机容量将达 1 亿千瓦，年发电量可达 1 300 亿千瓦·时。图 12–5 太阳能路灯 太阳能既便捷又环保。阳光普照大地、无需开采运输，可直接利用，且清洁无污染。同时，太阳能既量大又长久。每年照射到地球表面的太阳能相当于 130 万亿吨煤，其总量属当今世界最大能源。科学家认为太阳寿命仍有约 50 亿年，因此，太阳能可谓取之不尽、用之不竭。 我国太阳能发电技术走在世界前列，已成为世界最大的太阳能发电国。 大家谈 常见的计算器上都有一个小太阳能电池板，可以很多年不充电、不换电池。曾经有手机厂商推出太阳能电池手机，但这一技术措施未获推广，谈谈原因何在。 4．核能 核能是一种重要的新能源。我国核电工业历经艰辛，已具一定规模。其中秦山核电站（图 12–6）是中国自行设计、建造和运营管理的第一座 30 万千瓦压水堆核电站，地处浙江省嘉兴市海盐县。秦山核电站采用目前世界上技术成熟的压水堆，核岛内采用燃料包壳、压力壳和安全壳 3 道屏障，能承受极限事故引起的高压、高温和各种自然灾害等异常情况。秦山核电基地经过多次扩建，9 台机组的总装机容量达到 650 多 万千瓦，年发电量约 500 亿千瓦·时，成为国内核电机组数量最多、堆型最丰富、装机容量最大的核电基地。图 12–6 秦山核电站 核能的能量释放速度极快；并且核燃料的能量密度比传统化石燃料高几百万倍，因此核电厂所需的燃料体积小，运输储存都很方便。如果对核能有正确的认识，安全生产，核能也会和其他新能源一样为人类发展提供强有力的能量保障。 核裂变 1939 年，物理学家发现用中子轰击铀核时铀核分裂成几个其他原子核，同时释放出能量。较重的原子核分裂成几个较轻的原子核的过程叫做核裂变（图 12–7）。一个铀 235 核裂变可释放约 200 MeV 能量（eV 是能量单位，称为“电子伏特”，1 eV = 1.6×10−19 J，1 MeV = 106 eV）。若有足够数量的铀核裂变且能持续进行，那么，所释放的能量就能为人类所用。图 12–7 核裂变 图 12–8 多米诺骨牌 自 主 活 动 如图 12–8 所示，将若干枚骨牌排列起来，然后用手指轻轻向左推一下最右边第一枚骨牌，你会看到什么现象？ 如图 12–9 所示，铀核受中子轰击而发生裂变时能放出 2 ~ 3 个中子和一定的能量。这 2 ~ 3 个中子又迅速引起周围其他铀核的裂变，这就使裂变迅速扩大，释放出越来越多的能量。这种反应过程的产物可以引起随后的反应，因而使这种反应一经开始就能自动持续进行的反应过程叫做链式反应。链式反应能够迅速释放巨大的核能。图 12–9 链式反应 铀材料的体积大小是产生链式反应的一个重要条件。由于原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子射入铀块时可能一个铀核都没碰到就穿了出去。能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做临界体积。如果一块铀 235 的体积超过了临界体积，只要有中子进入就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内释放出大量核能，会发生猛烈的爆炸。原子弹就是根据这个原理制成的。 为了控制核裂变的链式反应速度从而安全稳定地利用核能，必须建立一种装置，使铀核不但能发生链式反应，而且中子的再生率是可以控制的。这种装置叫做反应堆。 目前，利用核能发电的技术已经成熟。作为核燃料的铀、钍等元素在地球上的可采储量的核能是煤、石油等所能提供的能量的 15 倍左右。因此，发展核电的前景广阔。 核聚变 若干个较轻的原子核也可以结合成一个较重的原子核，同时释放出巨大能量，这样的过程称为核聚变。太阳能就来源于太阳内部氢的核聚变。氢弹也是依靠核聚变释放出巨大的能量，是不可控核聚变。在我国的氢弹研究事业中，“两弹一星”元勋、核物理学家于敏（1926—2019）突破了氢弹原理研究的一系列问题，填补了我国原子核理论的空白，对我国的氢弹研制起到了关键作用，被誉为中国“氢弹之父”。他隐姓埋名 28 载，不求名利，无私奉献，为我国的国防科技事业做出了重要贡献。 可控核聚变是未来人类能源的理想来源，相比核裂变，核聚变的放射性污染等环境问题少很多。如氘和氚的核聚变反应，其原料可直接取自地球上储量巨大的海水。目前科学家们正在攻克可控核聚变问题。中国科学院合肥物质科学研究院研制的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克装置，即可控核聚变反应装置，被叫做“东方超环”，也被称为“人造小太阳”，2019 年已实现在 1×108 ℃ 条件下运行 10 s。 一、单选题 1．能源是人类社会活动的物质基础。下列能源属于不可再生能源的是（　　） A．太阳能 B．水能 C．风能 D．煤炭 【答案】D 【详解】根据可再生和不可再生能源的区别，可知煤、石油、天然气等化石源是短时间内不能再次产生的，是不可再生能源；太阳能、水能、风能等在短时间内可以再次产生，是可再生能源。 故选D。 2．当今世界的主要能源是（　　） A．太阳能 B．核能 C．化石能源 D．电能 【答案】C 【详解】太阳能和核能是正在开发和利用的新能源，在人类当前利用的能源中，化石能源——煤、石油、天然气仍占绝对地位，而电能是二次能源，由化石能源或新能源转化而来。 故选C。 3．利用下列能源，可以减少温室气体排放的是（　　） A．太阳能 B．煤 C．石油 D．天然气 【答案】A 【详解】A．使用太阳能不污染环境，是一种清洁能源，故A正确； B．煤燃烧时能够产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等物质，污染环境，故B错误； C．石油燃烧时能够产生大量的二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮等物质，污染环境，故C错误； D．天然气燃烧时能生成大量的二氧化碳、一氧化碳，污染环境，故D错误。 故选A。 二、填空题 4．石油、氧气、地热能、动能中属于常规能源的是 ，属于新能源的是 。 【答案】 石油 地热能 【详解】[1][2]属于常规能源的是石油，属于新能源的是地热能。 5．纯电新能源汽车采用的是电力驱动，而不是燃油驱动。电力属于 能源，石油属于 能源。（均选择：A．“一次”B．“二次”） 【答案】 B A 【详解】[1][2]纯电新能源汽车采用的是电力驱动，而不是燃油驱动。电力属于二次能源，石油属于一次能源。 三、综合题 中国空间站在距离地球表面高度约为400 km的轨道上绕地球运动，其运动可视为匀速圆周运动。 6．空间站运行的能量主要来源于太阳能，太阳能属于________。 A．一次能源 B．二次能源 C．不可再生能源 D．可再生能源 E．新能源 F．常规能源 7．与距地球表面高度约36000 km的卫星相比，空间站绕地球做匀速圆周运动的________。 A．周期更小 B．线速度更小 C．角速度更小 D．向心加速度更小 8．空间站内，宇航员可以________。 A．通过举哑铃来锻炼身体 B．用拉力器来锻炼肌肉力量 C．用体重秤称出自己的实际体重 9．在地面观察者手里的时钟走过30 min时，在高速飞行的空间站里的时钟走过的时间________。 A．略大于30 min B．略小于30 min C．等于30 min 10．已知地球质量为M，引力常量为G，空间站质量为m，运行轨道半径为r，则地球对空间站的引力大小为 。 【答案】6．ADE 7．A 8．B 9．B 10． 【解析】6．AB．一次能源是指自然界存在、不改变其形态就可直接利用的能源，故太阳能为一次能源，故A正确，B错误； CD．太阳能属于可再生能源，故D正确，C错误。 EF．太阳能属于新能源，故E正确，F错误。 故选ADE。 7．根据万有引力提供向心力可得 解得，，， 故空间站轨迹半径比卫星轨迹半径小，则空间站绕地球做匀速圆周运动的周期更小，角速度与线速度更大，向心加速度更大，故A正确，BCD错误。 故选A。 8．空间站中的物体处于完全失重状态，故体重秤、哑铃不能正常使用，弹簧拉力器可正常使用。 故选B。 9．根据狭义相对论钟慢效应可知，理论上站在地面的观察者手中的时钟走过的时间略大于空间站时间，故在高速飞行的空间站里的时钟走过的时间略小于30 min。 故选B。 10．地球对空间站的引力大小为 11．随着科技的不断发展和环境保护意识的崛起，中国的新能源汽车市场正迅速壮大。相比传统燃油车发动机的效率约10%-40%（随着发动机的工作状态变化），新能源车中纯电动汽车的电机效率高达约90%（行驶过程中几乎不变）。 汽车在平坦道路上保持匀速行驶受到来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。滚动阻力的大小与汽车重量成正比Ff=crmg，其中cr为滚阻系数。空气阻力的大小与汽车和速度的平方成正比f=kv2，其中k为常量，和空气密度，汽车的迎风面积等有关。 (1)新能源纯电动汽车所用的电能和传统燃油车所用的汽油（ ） A．都是一次能源 B．都是二次能源 C．都是新能源 D．都是不可再生能源 (2)某电动汽车的能耗总功率P和速度v的关系如图b所示，该汽车电池容量W为，则该汽车以60km/h的速度行驶时，能够行驶的里程x为 km；通常纯电动汽车驾驶员有这样一个经验：“一上高速，续航减半“。即纯电动汽车的行驶里程x随着匀速行驶速度v的增大而减小，试利用图像解释这一现象： 。 【答案】(1)B (2) 667 见解析 【详解】（1）新能源纯电动汽车所用的电能和传统燃油车所用的汽油都是二次能源。 故选B。 （2）[1][2]汽车以60km/h的速度行驶时，汽车的能耗总功率P为6.75kW，又汽车电池容量W为，则汽车可行驶的时间为 则汽车能够行驶的里程为 汽车的行驶里程为 其中k为能耗总功率P和速度v的关系图像中，速度为v时图像上对应的点和原点连线的斜率。随着v的增大，k增大，故当W一定时，减小，即随着速度的增加，电车续航将减小。 12．“绿色、低碳、节能” 采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。 (1)广泛应用且属于清洁能源的是 （选填：A．太阳能 B．煤炭 C．天然气）。 (2)下列做法不符合节能要求的是（　　） A．电脑使用完毕后关机并切断电源 B．长时间外出需要切断热水器电源 C．电视机长时间处于待机状态 D．手机充电结束后拔掉充电器 【答案】(1)A (2)C 【详解】（1）太阳能属于可再生资源，并且它们的使用也不会对环境及大气造成污染，属于清洁能源，煤炭和天然气燃烧后产生有害气体属于非清洁能源。 故选A。 （2）A．电脑使用完毕后关机并切断电源，有利于节省电能，A不符合题意； B．长时间外出需要切断热水器电源，有利于放止热水器反复加热而浪费电能，B不符合题意； C．电视机长时间处于待机状态，也会消耗电能，C符合题意； D．手机充电结束后拔掉充电器，有利于节省电能，D不符合题意。 故选C。 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $ 第一节 能源及其应用 导学案 1．知道自然界中能量的转化情况，知道能量守恒定律的内容.2.知道能量转移或转化的方向性，知道什么是能量耗散.3.知道什么是不可再生能源和可再生能源，了解能源的利用与社会发展的关系． 3知道什么是不可再生能源和可再生能源，了解能源的利用与社会发展的关系 【知识回顾】 一、能源 1．能源是自然界中能为人类提供某种形式_______的物质资源。 2．能源分类 按来源 来自太阳的能源：太阳光的热辐射能和间接来自太阳的煤、石油、天然气以及生物质能、水能、风能等。 地球本身蕴藏的能源：_________能和核燃料（如铀矿等）所蕴藏的原子______能。 太阳、月球等天体与地球的相互作用产生的能源：_________能等。 按生产方式 一次能源：自然界现成存在的能源。 如太阳能、水能、煤、石油、天然气等。 二次能源：由一次能源加工转换而成的能源产品 如电力、焦炭、煤气、蒸汽等 可再生能源：如太阳能、生物质能、风能、水能、潮汐能等 不可再生能源：如煤、石油、天然气等 按性质分类：燃料能源、非燃料能源。 按利用技术分类：常规能源、新能源。 二、新能源的开发和利用 1．水能：___________是水能的主要方面。 2．风能：___________是利用风能的最重要的方面。 3．太阳能：太阳能的利用有___________转换和___________转换，光伏发电是一种新兴的___________（可/不可）再生能源，是太阳能利用的重要方面。 4．核能： （1）核裂变：用___________轰击铀核时铀核分裂成几个其他原子核，同时释放能量；较重的原子核分裂成几个较轻的原子核的过程。 eV 称为电子伏特，是___________单位，，1 eV = _________J，1 MeV（兆电子伏特）= _________eV。 链式反应：铀核受___________轰击发生裂变时能放出 2 ~ 3 个中子和一定的能量，这 2 ~ 3 个中子又迅速引起周围其他铀核的___________，因而使这种反应一开始就能自动持续进行。 能够发生链式反应的必要条件：铀块的最小体积超过_________体积。 （2）核聚变：若干个较轻的原子核也可以___________成一个较重的原子核，同时释放出巨大能量。 核能 氢弹（不可控） 核裂变 核聚变 原子弹（不可控） 核电站（可控） 太阳能来源于太阳内部________的核聚变 什么是能源？ 能量来自能源。能源是能提供多种形式、可以相互转换的能量的源泉。简单确切地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。人类利用的能源有太阳、草木、风、水、煤、石油、天然气等。 能源如何分类？ 能源有若干种，人类为了更好地认识能源，按照不同的分类准则对其进行了分类。 能源按来源可分为三大类：来自太阳的能源、地球本身蕴藏的能源及太阳、月球等天体与地球的相互作用产生的能源。来自太阳的能源有太阳光的热辐射能和间接来自太阳的煤、石油、天然气以及生物质能、水能、风能等；地球本身蕴藏的能源有地热能和核燃料（如铀矿等）所蕴藏的原子核能；太阳、月球等天体与地球的相互作用产生的能源有潮汐能等。 能源按生产的方式分类可分为一次能源和二次能源。一次能源是指在自然界现成存在的能源，如太阳能、水能、煤、石油、天然气等；二次能源是指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、焦炭、煤气、蒸汽等。 一次能源又可分为可再生能源和不可再生能源两大类。可以不断得到补充，或能在较短周期内再产生的能源称之为可再生能源，如太阳能、生物质能、风能、水能、潮汐能等；经过亿万年形成而短期内无法恢复的能源称之为不可再生能源，如煤、石油、天然气等。 还有其他不同的能源分类方式。如按能源的性质可分为燃料能源、非燃料能源；按能源的利用技术可分为常规能源、新能源等。 大家谈 家庭生活中一天所用的能量哪些来自可再生能源，哪些来自不可再生能源？ 如何开发和利用新能源？ 从保护环境和可持续发展的角度来看，煤、石油和天然气等燃料，不仅存量有限，而且有的燃料在使用时会排放大量有害气体，引起温室效应和大气污染。而太阳能、水能、风能具有可再生、无污染等特点。人们一直在研究和开发这些“清洁能源”，同时也在发展和利用核能。 1．水能 水力发电是利用水能的主要方面。一般需筑坝拦截江河水流或蓄水成水库，水流自上而下冲击安装在坝底的发电机组发电。可见水力发电的能源乃是上游水的势能。归根结底，能量来自太阳，因为上游水主要来自雨水，而雨水是靠太阳蒸发地表水系成为水汽，凝结成云而化雨下落。图 12-2 三峡水电站 图 12–2 三峡水电站 我国三峡水电站（图 12–2）位于湖北省宜昌市三斗坪镇境内，总装机容量达到 2 240 万千瓦，是我国最大的水力发电站和清洁能源生产基地。三峡水电站通过华东电网保障了上海市巨大的用电量。三峡工程是一项极具综合效益的水利工程，集发电、防洪、航运、供水灌溉等多种效益于一体。 水能不仅可再生，而且成本低、效率高。许多国家在规划电力工业时也往往优先发展水电。 2．风能 风力发电是利用风能的最重要的方面。风力发电就是把风的动能转化为电能。如图 12–3 所示的上海市东海大桥 10 万千瓦风电场是中国第一个国家海上风电示范项目。该项目位于上海市浦东新区临港新城至洋山深水港的东海大桥两侧，海上风电机组全部是我国自主研发。每年为国家节约燃煤几十万吨，减排大量二氧化碳。图 12–3 上海市东海大桥 10 万千瓦风电场 STSE 上海中心大厦（图 12–4）高达 632 m，大厦屋顶上全年平均风速可达到 8~10 m/s，非常适合利用风力来发电。上海中心的外幕墙上开了三个很大的开孔，安装高空风力发电系统，包含 270 台“垂直轴涡轮”风力发电机，总装机容量为 135 kW，每年可以为大厦提供 100 多万千瓦·时的绿色电力，供屋顶、观光层中的设备使用。 大厦顶部设计成现在的造型也是为了收集屋面雨水，将收集的雨水和生活废水作为中水（又叫再生水，是指废水或雨水经过适当处理后，达到一定水质指标的水）水源，两类不同水质的原水经各自的设施处理后，用于除酒店客房外的其他所有中水用 图 12–4 上海中心大厦 水场所，包括冲厕、绿化浇灌、水景补水、道路冲洗等，还有部分中水供陆家嘴地区市政绿化浇灌之用。 上海中心大厦内在多个高度设有“空中大堂”，方便租户就近享受休闲娱乐生活，从而减少能源消耗。如某人在 78 楼工作，从这一层出发，如果他能在上下不超过 14 层的范围内到达一处康乐区吃午餐，而不必一直下到楼底，就是节约了能源。 上海中心大厦又称“绿色大厦”。大厦采用双层幕墙结构，外层幕墙保证主体结构的规则性，内部再加一层幕墙构成了世界上最大的“保温瓶”。双幕墙系统用以调整室内外温差，起到绿色节能的功效。 风能也是太阳能的一种转化形式。太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀，引起大气层中气压分布不均匀，从而形成风。风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，但存在风能转换效率偏低的发展瓶颈。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 3．太阳能 太阳能的利用有光热转换和光电转换，光伏发电是一种新兴的可再生能源，是太阳能利用的重要方面。光伏的含义是利用半导体技术直接将太阳的光能转换成电能（称为光伏效应）输出，相应的发电元件称为太阳能电池或光伏电池。简单的光伏电池可为手表、计算器、路灯（图 12–5）提供能源，较复杂的光伏发电系统把光能转换成电能并实时输送上电网。我国太阳能光伏发电潜力巨大，到 2030 年光伏装机容量将达 1 亿千瓦，年发电量可达 1 300 亿千瓦·时。图 12–5 太阳能路灯 太阳能既便捷又环保。阳光普照大地、无需开采运输，可直接利用，且清洁无污染。同时，太阳能既量大又长久。每年照射到地球表面的太阳能相当于 130 万亿吨煤，其总量属当今世界最大能源。科学家认为太阳寿命仍有约 50 亿年，因此，太阳能可谓取之不尽、用之不竭。 我国太阳能发电技术走在世界前列，已成为世界最大的太阳能发电国。 大家谈 常见的计算器上都有一个小太阳能电池板，可以很多年不充电、不换电池。曾经有手机厂商推出太阳能电池手机，但这一技术措施未获推广，谈谈原因何在。 4．核能 核能是一种重要的新能源。我国核电工业历经艰辛，已具一定规模。其中秦山核电站（图 12–6）是中国自行设计、建造和运营管理的第一座 30 万千瓦压水堆核电站，地处浙江省嘉兴市海盐县。秦山核电站采用目前世界上技术成熟的压水堆，核岛内采用燃料包壳、压力壳和安全壳 3 道屏障，能承受极限事故引起的高压、高温和各种自然灾害等异常情况。秦山核电基地经过多次扩建，9 台机组的总装机容量达到 650 多 万千瓦，年发电量约 500 亿千瓦·时，成为国内核电机组数量最多、堆型最丰富、装机容量最大的核电基地。图 12–6 秦山核电站 核能的能量释放速度极快；并且核燃料的能量密度比传统化石燃料高几百万倍，因此核电厂所需的燃料体积小，运输储存都很方便。如果对核能有正确的认识，安全生产，核能也会和其他新能源一样为人类发展提供强有力的能量保障。 核裂变 1939 年，物理学家发现用中子轰击铀核时铀核分裂成几个其他原子核，同时释放出能量。较重的原子核分裂成几个较轻的原子核的过程叫做核裂变（图 12–7）。一个铀 235 核裂变可释放约 200 MeV 能量（eV 是能量单位，称为“电子伏特”，1 eV = 1.6×10−19 J，1 MeV = 106 eV）。若有足够数量的铀核裂变且能持续进行，那么，所释放的能量就能为人类所用。图 12–7 核裂变 图 12–8 多米诺骨牌 自 主 活 动 如图 12–8 所示，将若干枚骨牌排列起来，然后用手指轻轻向左推一下最右边第一枚骨牌，你会看到什么现象？ 如图 12–9 所示，铀核受中子轰击而发生裂变时能放出 2 ~ 3 个中子和一定的能量。这 2 ~ 3 个中子又迅速引起周围其他铀核的裂变，这就使裂变迅速扩大，释放出越来越多的能量。这种反应过程的产物可以引起随后的反应，因而使这种反应一经开始就能自动持续进行的反应过程叫做链式反应。链式反应能够迅速释放巨大的核能。图 12–9 链式反应 铀材料的体积大小是产生链式反应的一个重要条件。由于原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子射入铀块时可能一个铀核都没碰到就穿了出去。能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做临界体积。如果一块铀 235 的体积超过了临界体积，只要有中子进入就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内释放出大量核能，会发生猛烈的爆炸。原子弹就是根据这个原理制成的。 为了控制核裂变的链式反应速度从而安全稳定地利用核能，必须建立一种装置，使铀核不但能发生链式反应，而且中子的再生率是可以控制的。这种装置叫做反应堆。 目前，利用核能发电的技术已经成熟。作为核燃料的铀、钍等元素在地球上的可采储量的核能是煤、石油等所能提供的能量的 15 倍左右。因此，发展核电的前景广阔。 核聚变 若干个较轻的原子核也可以结合成一个较重的原子核，同时释放出巨大能量，这样的过程称为核聚变。太阳能就来源于太阳内部氢的核聚变。氢弹也是依靠核聚变释放出巨大的能量，是不可控核聚变。在我国的氢弹研究事业中，“两弹一星”元勋、核物理学家于敏（1926—2019）突破了氢弹原理研究的一系列问题，填补了我国原子核理论的空白，对我国的氢弹研制起到了关键作用，被誉为中国“氢弹之父”。他隐姓埋名 28 载，不求名利，无私奉献，为我国的国防科技事业做出了重要贡献。 可控核聚变是未来人类能源的理想来源，相比核裂变，核聚变的放射性污染等环境问题少很多。如氘和氚的核聚变反应，其原料可直接取自地球上储量巨大的海水。目前科学家们正在攻克可控核聚变问题。中国科学院合肥物质科学研究院研制的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克装置，即可控核聚变反应装置，被叫做“东方超环”，也被称为“人造小太阳”，2019 年已实现在 1×108 ℃ 条件下运行 10 s。 一、单选题 1．能源是人类社会活动的物质基础。下列能源属于不可再生能源的是（　　） A．太阳能 B．水能 C．风能 D．煤炭 2．当今世界的主要能源是（　　） A．太阳能 B．核能 C．化石能源 D．电能 3．利用下列能源，可以减少温室气体排放的是（　　） A．太阳能 B．煤 C．石油 D．天然气 二、填空题 4．石油、氧气、地热能、动能中属于常规能源的是 ，属于新能源的是 。 5．纯电新能源汽车采用的是电力驱动，而不是燃油驱动。电力属于 能源，石油属于 能源。（均选择：A．“一次”B．“二次”） 三、综合题 中国空间站在距离地球表面高度约为400 km的轨道上绕地球运动，其运动可视为匀速圆周运动。 6．空间站运行的能量主要来源于太阳能，太阳能属于________。 A．一次能源 B．二次能源 C．不可再生能源 D．可再生能源 E．新能源 F．常规能源 7．与距地球表面高度约36000 km的卫星相比，空间站绕地球做匀速圆周运动的________。 A．周期更小 B．线速度更小 C．角速度更小 D．向心加速度更小 8．空间站内，宇航员可以________。 A．通过举哑铃来锻炼身体 B．用拉力器来锻炼肌肉力量 C．用体重秤称出自己的实际体重 9．在地面观察者手里的时钟走过30 min时，在高速飞行的空间站里的时钟走过的时间________。 A．略大于30 min B．略小于30 min C．等于30 min 10．已知地球质量为M，引力常量为G，空间站质量为m，运行轨道半径为r，则地球对空间站的引力大小为 。 11．随着科技的不断发展和环境保护意识的崛起，中国的新能源汽车市场正迅速壮大。相比传统燃油车发动机的效率约10%-40%（随着发动机的工作状态变化），新能源车中纯电动汽车的电机效率高达约90%（行驶过程中几乎不变）。 汽车在平坦道路上保持匀速行驶受到来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。滚动阻力的大小与汽车重量成正比Ff=crmg，其中cr为滚阻系数。空气阻力的大小与汽车和速度的平方成正比f=kv2，其中k为常量，和空气密度，汽车的迎风面积等有关。 (1)新能源纯电动汽车所用的电能和传统燃油车所用的汽油（ ） A．都是一次能源 B．都是二次能源 C．都是新能源 D．都是不可再生能源 (2)某电动汽车的能耗总功率P和速度v的关系如图b所示，该汽车电池容量W为，则该汽车以60km/h的速度行驶时，能够行驶的里程x为 km；通常纯电动汽车驾驶员有这样一个经验：“一上高速，续航减半“。即纯电动汽车的行驶里程x随着匀速行驶速度v的增大而减小，试利用图像解释这一现象： 。 12．“绿色、低碳、节能” 采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费，有效、合理地利用能源。 (1)广泛应用且属于清洁能源的是 （选填：A．太阳能 B．煤炭 C．天然气）。 (2)下列做法不符合节能要求的是（　　） A．电脑使用完毕后关机并切断电源 B．长时间外出需要切断热水器电源 C．电视机长时间处于待机状态 D．手机充电结束后拔掉充电器 本节课学习中，你有哪些收获，还有哪些问题？ / 学科网（北京）股份有限公司 $