第二十章 能源材料与社会讲课讲稿.docx

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第二十章能源材料与社会讲课讲稿

第二十章能源、材料与社会

第二十章　能源、材料与社会

第一节__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＝100N，

大配重重量G大＝520N，

每升降一次配重各自移动的距离h＝1m，

热量计中水的质量m＝500g，

升降次数与水温变化的关系：

升降次数

1

2

3

4

5

6

温度变化/℃

0.2

0.39

0.59

0.78

0.98

1.18

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＝420N×1m＝420J，

水增加的内能

Q＝cm（t－t0）＝4.2×103J/（kg·℃）×0.5kg×0.2℃＝420J，

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　）

―→

―→

―→

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4000亿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1.3kg/m3，一台风车的轮叶转动时可以形成面积为100m2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

30

1s内获得的能量（×104J）

4

8

12

16

20

24

（1）若某时间内风速为10m/s，一台风车工作1小时所产生的电能可供10只“220V　100W”灯泡正常工作8h，求这台风车发电的效率。

（2）若此地年平均风速为15m/s，100台这样的风车一年（工作时间按4000h计算）获得的风能相当于完全燃烧多少千克煤？

（煤的热值为3×107J/kg）

（3）若风速为10m/s，则1min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＝8×104J/s×3600s＝2.88×108J，

风车工作1小时产生的电能为

W＝Pt＝10×100W×8×3600s＝2.88×107J，

故风车发电的效率为

η＝

＝

×100%＝10%；

（2）100台风车一年获得的风能为

W＝100×12×104J/s×4000×3600s＝1.728×1014J，

根据W＝mq得1.728×1014J＝m×3×107J/kg，

解得m＝5.76×106kg；

（3）空气流质量为

m＝ρV＝ρvtS＝1.3kg/m3×10m/s×60s×100m3＝78000kg。

第二节__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20－2－1

A．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20－2－2

A．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。

【点悟】本题考查太阳能的利用，半导体的应用等，注意从生活中领悟知识的无处不在。

1．下列关于核能的说法，错误的是（　D　）

A．核电站是利用核能来发电的

B．核反应堆中发生的是链式反应

C．核电站发生泄漏时会对人和生物造成伤害

D．核废料不会对环境造成污染

2．凡是能够提供__能量__的物质资源都可以叫做能源。

我们常见的煤、石油、天然气被称为__化石能源__。

3．太阳把空气和地面晒热，太阳能转化为__内能__，晒热的空气上升，空气流动形成风，又转化为__风能__；太阳使地面上一部分水蒸发，蒸发的水汽升空形成云，云又以雨雪等形式落下，流入江河，太阳能转化为__水能__；植物吸收太阳能，进行光合作用，太阳能转化为__化学能__。

1．[2014•海南]下列能源中属于可再生能源的是（　C　）

A．石油　　　　　　B．天然气

C．太阳能D．核能

2．[2014•巴中]下列关于能源利用的说法中正确的是（　B　）

A．煤、石油、太阳能都是不可再生资源

B．风能、太阳能是绿色能源，应大力开发利用

C．核电站是利用原子核聚变所释放的能量来发电

D．火箭发射利用的燃料是液态氢，是因为它含有的热量多

【解析】太阳能是可再生能源，所以A错误；风能、太阳能属于可再生能源，使用起来环保无污染，所以B正确；核电站是利用原子核裂变所释放的能量来发电，所以C错误；火箭发射利用的燃料是液态氢，是因为它的热值高，所以D错误，故选B。

3．[2014•广州]化石能源是当今我国的主要消耗能源，下列说法正确的是（　A　）

A．核电站发生核泄漏会造成危害

B．使用化石能源不会对环境造成破坏

C．我国消耗的能源以可再生能源为主

D．化石能源可短期内从自然界得到补充

4．[2014•随州]长期以来随州人民的生活能源离不开煤、石油、天然气这些①，由于这些②在自然界中越用越少且又排放污染，人们正在寻找理想能源。

随州市的“齐星公司”正在研发太阳能的高效利用。

因为太阳能可直接从自然界中获取，所以叫它③。

太阳能取之不尽又清洁环保！

我们期待太阳能的深度开发，我们期待蓝天白云！

以上叙述中①、②、③分别是指（　A　）

A．化石能源、不可再生能源、一次能源

B．二次能源、可再生能源、一次能源

C．可再生能源、一次能源、二次能源

D．化古能源、二次能源、不可再生能源

【解析】像煤、石油、天然气等是由古代动植物的遗骸经一系列复杂变化而形成的燃料，属于化石能源；像煤、石油和天然气等这些化石燃料，不能短时期内从自然界得到补充，属于不可再生能源；因为太阳能可直接从自然界中获取，所以叫它一次能源，故选A。

5．关于太阳能的转化，下面说法不正确的是（　D　）

A．太阳能可转化为物体的内能

B．太阳能可转化为风能和水能

C．太阳能可转化为植物的化学能

D．太阳能可转化为潮汐能和地热能

【解析】地热能来源于地球内部。

潮汐能是太阳、月亮对地球的万有引力所带来的能量。

这两种能源与太阳能无关。

6．（多选）关于核能的获得，下列说法中正确的是（　BC　）

A．核反应堆是原子核裂变时，在极短时间内释放出大量核能的装置

B．当原子核内部发生变化时会释放出巨大的能量，核裂变和核聚变是获得核

能的两种方式

C．核电站是使核能转化为内能，再通过汽轮发电机转化为电能的装置

D．在核电站的反应堆中发生的是可控制的核聚变

7．[2014•锦州]新能源在现代社会中有着广泛的应用。

太阳能属于__可再生__（填“可再生”或“不可再生”）能源；警用电动车逐渐成为警察巡逻的主要交通工具，电动车行驶时，车上的锂离子电池将化学能转化为__电__能，再转化为机械能；警察和指挥中心无线通信时是通过__电磁波__（填“超声波”或“电磁波”）进行联络的。

【解析】太阳能是可再生能源；锂离子电池是电源的一种，它在对外供电的时候是把化学能转化为电能；警用电动车和地面指挥中心无线通信，是利用电磁波来工作的。

8．我国实施的《可再生能源法》不仅向人们显示了可再生能源对于未来社会生活的重大意义，同时，也为可再生能源未来的发展指出了更明确的方向。

（1）目前我国常用的能源有煤炭、石油、天然气、风能、水能、核能、太阳能等，其中属于可再生能源的是__风能、水能、太阳能__。

（2）与不可再生能源相比，可再生能源的主要优点是__可以从自然界里源源不断地得到__。

9．[2014•德州]太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，下表是小华家的太阳能热水器某天在阳光照射下的相关信息。

太阳照射时间（h）

装水量（kg）

水升高的温度（℃）

水的比热容[J/（kg•℃）]

太阳能吸热功率（J/h）

10

100

50

4.2×103

3.0×106

求：

（1）水在10h内吸收的热量；

（2）太阳能热水器的能量转化效率。

【解析】

（1）水吸收的热量为

Q吸＝cmΔt＝4.2×103J/（kg•℃）×100kg×50℃＝2.1×107J；

（2）太阳能热水器10h吸收的太阳能为

Q总＝Pt＝3.0×106J/h×10h＝3×107J，

η＝

×100%＝

×100%＝70%。

第三节__材料的开发和利用__

1．材料与社会发展

作用：

简单回顾一下历史便可知晓，正是在历史发展过程中以及与此相联系的人类知识和经验的增长过程中，材料的使用才得以发展。

2．材料的导电性

导体：

容易导电的物体叫导体，如__各种金属、酸碱盐的水溶液、铅笔芯、人体、大地__等是导体。

绝缘体：

不容易导电的物体叫绝缘体，如__纯净的水、空气、塑料、橡胶、玻璃、陶瓷__等是绝缘体。

半导体：

导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质，如__锗、硅和砷化钾__等都是半导体。

3．开发新材料

超导现象：

有些材料当温度降低到某一温度时，材料的电阻突然变为__零__的现象。

超导材料：

能够发生__超导__现象的材料叫超导材料。

应用：

①运用电阻为零的特性制作电动机线圈、输电导线等，可减少电能损失，提高电能利用率。

②运用超导磁浮的特性制造磁悬浮列车、超导船等，既减少了能量损失，又提高了交通工具的运行速度和安全性能。

纳米材料：

指制成材料的基本单元大小限制在__1～100__纳米范围的材料，材料的性能会发生显著变化，如颜色、导电性、导热性、硬度、磁性等会产生很大的变化。

由纳米材料组成的物质也就有了许多一般物质没有的特性。

基本单元的分类：

纳米颗粒、纳米管、纳米膜。

应用：

工业、农业、医疗、国家安全等各个方面都有广泛的应用。

类型之一　理解材料的导电性

如图20－3－1所示，关于闸刀开关上的一些部件的导电性能，下列说法中正确的是（　A　）

图20－3－1

A．瓷柄是绝缘体

B．胶盖是导体

C．动触头是绝缘体

D．静触头是绝缘体

【点悟】能正确理解导体和绝缘体的区别是解答此类问题的关键，以同学们家里都有的闸刀开关为题，充分考查了导体和绝缘体的有关知识，充分体现了“从生活走向物理”的理念。

类型之二　认识新材料

“纳米”是一种长度单位，1nm＝__10－9__m，纳米技术是以1nm～100nm这样的尺度为研究对象的前沿科学。

目前，我国在对纳米技术的研究方面已跻身世界前列，尤其是对“超级纤维”（碳纳米管的研制）走在了世界前沿。

已知我国已研制成的碳纳米管的强度（可理解为“单位面积能承受的最大压力”）是钢的100倍，而碳纳米管的密度仅为钢的

。

假设有两根足够长的细杆，一根由上述碳纳米管制成，一根由钢制成，将它们分别在地面附近竖直悬挂起来，设它们能承受自身重力而不断裂的最大长度分别为L纳与L钢，则L纳∶L钢＝__600∶1__。

【解析】材料受到自身的拉力为

F＝G＝mg＝ρVg＝ρSLg，

＝

，即

＝

，所以

＝

。

【点悟】正确理解纳米材料的结构特点和应用，是解答此类问题的关键。

本例题中，以纳米材料为背景，通过计算来说明纳米材料在抗拉力方面的优越性能，要求学生利用数学知识进行综合分析。

1．如果以下电器选用超导材料制作，不能正常工作的是（　B　）

A．微波炉　　B．电饭锅　　C．电动机　　D．发电机

2．以下物体中，属于半导体材料的是（　B　）

A．铝线B．硅

C．食盐水溶液D．牛皮

3．有一种碳纳米管的直径只有1.4nm，5万个这种碳纳米管并排起来只有一根头发丝那么粗，则这种碳纳米管的直径约等于__1.4×10－9__m，—根头发丝的直径等于__7×104__nm，合__70__μm。

4．超导磁悬浮列车是应用超导体的__超导磁浮__现象，使列车悬在导轨上面，减小了__摩擦力__，提高了运行速度和安全性能。

1．下列说法中，错误的是（　A　）

A．水银在高温时是超导体

B．水银的温度降到－269℃时，可以变成超导体

C．由纳米材料制成的导线将大大提高计算机的性能

D．当光照射到某些半导体时，半导体内将会产生电流，由此可制成太阳能电

池

2．关于纳米材料，下列说法不正确的是（　B　）

A．纳米材料的基本单元空间尺度小

B．纳米“机器人”已经设计并制造出来了

C．有的纳米材料强度高、硬度大，有的纳米材料磁性强

D．利用纳米技术可制作量子磁盘，提高存贮量

3．若常温下的超导体研制成功，则它将适合于作（　B　）

A．保险丝B．输电线

C．电炉丝D．滑动变阻器的线圈

【解析】超导体电阻为零，电流通过超导体时，不会产生电热，所以电热器中的电热丝不能用超导体。

输电线用超导体，输电过程中将没有电能损失。

4．以下所列各组物品，其中均属于导体的一组是（　B　）

A．塑料瓶盖、铁钉、铝箔

B．铅笔芯、铁钉、铝箔

C．铅笔芯、蜡纸、铁钉

D．塑料瓶盖、蜡纸、铅笔芯

5．[2014•济宁]为配合济宁市“五城同创”活动，小梦提出下列环保建议：

①开发新能源，减少化石燃料的燃烧；②使用手帕，减少餐巾纸的使用；③市内出行乘公交车或骑自行车，少开私家车；④使用一次性发泡塑料餐具和塑料袋；⑤分类回收垃圾。

其中你认为可行的是（　A　）

A．①②③⑤B．①③④⑤

C．①③⑤D．①②③④⑤

【解析】①开发新能源，减少化石燃料的燃烧，能减少空气污染物的排放，所以正确；②提倡使用手帕，减少餐巾纸的使用，有利于保护植被，充分利用植物的光合作用吸收大气中的二氧化碳，防止温室效应，还能减少生产纸的能耗，所以正确；③化石燃料的燃烧能产生大量的空气污染物，所以市内出行乘公交车或骑自行车，少开私家车，减少化石燃料的燃烧，所以正确；④大量使用一次性发泡塑料餐具和塑料袋，不仅会造成环境污染，还增加了资源和能源消耗，所以错误；⑤分类回收不仅节约资源，还可减少污染，所以正确，故选A。

6．关于半导体，下列说法错误的是（　D　）

A．有的半导体，在光照下电阻减小，利用这种半导体可以做成体积很小的光

敏电阻

B．常用的电器中，如收音机、电脑等都利用了半导体元件

C．半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间

D．由半导体材料制成的二极管的导电性能很特殊，它只允许电流从负极流向

正极

7．某些物质在温度突然低到某个值（临界转变温度）以下时，突然变得__电阻为零__，这种现象叫超导性；从能量角度看，用超导体做成的输电线的最大特点是__没有电能损失__。

8．纳米材料统指制成材料的基本单元大小限制在__1～100__nm__范围内的材料，这大约相当于10～1000个原子紧密排列在一起的尺度。

9．请你提出一种方法，判断一个二极管允许电流从它的哪端流入哪端流出。

【答案】如图所示，用干电池、小灯泡．开关、二极管、导线连接一简单电路，闭合开关，观察小灯泡的发光情况。

若小灯泡发光，则二极管与电源正极相连的哪端为电流流入端，另一端为电流流出端。

第9题答图

10．假如可以大规模地实现超导体的应用，请你设想一下：

世界有什么变化？

【答案】输电线可以比以前制作的更细，而且也没有电能损失；电动机可以制造的更小；可以普及超导磁