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12.4 能源与可持续发展
1.理解能量耗散和品质降低的概念。 2.理解能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。 3.了解常规能源的使用带来的环境污染。 4.了解开发新能源的方法和意义。
知识点一　能量守恒定律
1.能量守恒定律内容
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
2.能量守恒定律意义
能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。
知识点二　能量转移或转化的方向性
1.能量转化：自然界中存在着各种不同形式的能量，并且各种形式的能量是可以相互转化的，但在大多数情况下，各种形式的能量最终都转化为内能。
2.能量转化的方向：物体的机械能可以自发地全部转化为内能，但内能不可能自发地全部转化为机械能而使物体恢复原来的机械运动。
3.能量的耗散：燃料燃烧时，一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为热能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的了。
知识点三　能源的分类与应用
1.能源开发：能量的利用过程是不可逆的，自然界中的常规能源的储量是有限的，并且是不可再生的，所以我们要珍惜现有的能源，尽力提高现有能源的利用效率。注意研究和开发新能源，目前，正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核能等。
2.常规能源和新能源的转化途径
3.能源的分类
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
按形式或转换特点分 一次能源 自然形成，未经加工 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源 由一次能源经加工转换而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能
按利用技术分 常规能源 已大规模正常使用 煤、石油、天然气、水能
新能源 正在开发，或有新的利用方式 太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
按可否再生分 可再生能源 可循环使用 水能、风能、生物质能、地热能
不可再生能源 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气、核燃料
按对环境污染情况分 清洁能源 对环境基本上没有污染 太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 化石燃料(煤、石油、天然气)
知识点四　能源与社会发展
1.人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期和石油时期。自工业革命以来，煤和石油成为人类的主要能源。
2.能源短缺和环境恶化已成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。
3.能量耗散反映了能量转化的宏观过程具有方向性，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源。
4.人类与能源的关系
(1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命，都与新的能源和动力机械的利用密切相关，能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志。
2021年6月11日，我国成功将北京三号卫星送入预定轨道，如图卫星两翼的太阳能电池板把太阳能转化为电能供卫星使用。关于太阳能等能源与可持续发展，以下说法正确的是（　　）
A．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化学能源可以改善空气质量
B．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
C．水电站里的发电机装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能
D．核能对环境的污染比常规能源对环境的污染大
【解答】解：A、改善空气质量，就应该从根本上减少碳排放量，用新能源代替传统的化石能源，节能减排，故A正确；
B、能量是守恒的，既不能创造也不可能消失，但能量品质会下降，故要节约能源，故B错误；
C、由于水下落过程以及发电机装置都有摩擦，故该装置不可能将水库中储存的水的机械能全部转化为电能，故C错误；
D、核能属于新能源，是一种清洁能源，故D错误。
故选：A。
“神舟”六号载人飞船上的电子仪器及各种动作的控制都是靠太阳能电池供电的，由于光照而产生电动势的现象称为光伏效应。“神舟”飞船上的太阳能电池就是依靠光伏效应设计的单晶硅太阳能电池。在正常照射下，太阳能电池的光电转换效率可达30%。单片单晶硅太阳能电池可产生0.6V的电动势，可获得0.1A的电流，则每秒照射到这种太阳能电池上的太阳光的能量是（　　）
A．0.6J B．0.3J C．0.2J D．0.06J
【解答】解：每秒照射到这种太阳能电池上的太阳光的能量是，故ABD错误，C正确。
故选：C。
第19届亚运会于9月23日晚在杭州盛大开幕。此次亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示，通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景，传递出中国绿色低碳环保且负责任的发展中大国形象。以下说法正确的是（　　）
A．能量在使用过程中总量保持不变，故无需节约用电，可尽情燃放电子烟花
B．不断开发新能源，发展新技术，是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段
C．电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能，过程中不存在能量耗散
D．相比于传统烟花，使用电子烟花完全无污染
【解答】解：A.能量在使用过程中总量是保持不变的，但是能量的转移和转化是具有方向的，是不可逆的过程，所以仍然需要节约用电，故A错误；
B.不断开发新能源，发展新技术才能缓解能源危机，从而减少化石能源依赖有利于保护环境，故B正确；
C.电子烟花将电能转化为光能和内能，同时会有声音及热损耗，会伴有能量耗散，故C错误；
D.使用电子烟花只是减少了污染，而不是完全没有污染，比如光污染依然存在；
故选：B。
位于钱塘江南岸的杭州奥体中心主体育场俗称“大莲花”。为这朵“大莲花”调节温度的，不仅有中央空调，还有江水源空调。江水源空调就是用多组江水源热泵抽取钱塘江的水，再利用江水与体育场室内空气的温差，实现制冷和制热，从而让场馆达到冬暖夏凉的效果。已知每组江水源热泵由电动机、水泵、输水钢管组成，钱塘江抽水处水源距离地表6m深，安装抽水泵时将一根输水钢管竖直打入地底下与钱塘江地下水源连通，水泵出水口离地表高度为0.45m，水流由出水口水平喷出时的速度为4m/s，每秒出水量为3kg。水泵由功率为330W的电动机带动，已知电动机额定电压为220V，水泵的抽水效率为75%（抽水效率是指水泵的输出功率与输入功率的比值），水的密度为1.0×103kg/m3，则（　　）
A．出水口钢管横截面积为2.5×10﹣3m2
B．水泵的输入功率为217.5W
C．每秒内水流机械能增加24J
D．电机发热功率为40W
【解答】解：A.根据Q＝v0S，可得出水口钢管横截面积为Sm3＝7.5×10﹣4m2，故A错误；
C.每秒内水流机械能增加ΔE＝Δmghm3×10×（6+0.45）J3×42J＝217.5J，故C错误；
B.水泵的输入功率为P入290W，故B错误；
D.电机发热功率为P热＝P电﹣P入＝（330﹣290）W＝40W，故D正确。
故选：D。
风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机在风速为9m/s时，输出电功率为405kW，风速在5～10m/s范围内，转化效率可视为不变。该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。则下列说法中正确的是（　　）
A．该风力发电机的输出电功率与风速成正比
B．单位时间流过面积A的流动空气动能为
C．若每天平均有1.0×108kW的风能资源，则每天发电量为2.4×109kW h
D．若风场每年有5000h 风速在6～10m/s范围内，则该发电机年发电量至少为6.0×104kW h
【解答】解：AB、单位时间内流过面积A的流动空气体积：V0＝A vt＝Av
单位时间流过面积A的流动空气质量：m0＝ρV0＝ρAv
单位时间流过面积A的流动空气动能：Ek
设转化效率为η，转化成的电能为：E＝η EkηρStv3
该风力发电机的输出电功率PηρSv3，则该风力发电机的输出电功率与风速的三次方成正比，故AB错误；
C、由于风力发电存在转化效率，若每天平均有1.0×108kW的风能资源，则每天发电量约为W＝η Pt＝η×1.0×108kW×24h＝2.4η×109kW h＜2.4×109kW h，故C错误；
D、由题意可知风力发电机在风速为v＝9m/s时，输出电功率为P＝405kW
由PρSv3，可得
代入数据可得风速为v1＝6m/s时的输出功率：P1＝120kW
若风场每年有5000h风速在6～10m/s的风能资源，则该发电机年发电量：E′＝P1 t＝120kW×5000h＝6.0×105kW h，故D正确；
故选：D。
风能是可再生资源中发展最快的清洁能源，我国目前正逐步采用变桨距控制风力发电机替代定桨距控制风力发电机，来提高风力发电的效率。具体风速对应的功率如图所示，设如图中风力发电机每片叶片长度为30米，所处地域全天风速均为7.5m/s，空气的密度为1.29kg/m3，圆周率π取3.14，下列选项不正确的是（　　）
A．变桨距控制风力发电机将风能转化成电能的效率为52%
B．用变桨距控制风力发电机替换定桨距控制发电机后，每台风力发电机每天能多发电7200kW h
C．无论采用变桨距控制风力发电机还是定桨距控制风力发电机，每台发电机每秒钟转化的空气动能均为7.69×105J
D．若煤的热值为3.2×107J/kg，那么一台变桨距控制风力发电机每小时获得的风能与完全燃烧45千克煤所产生的内能相当
【解答】解：AC、在一秒钟内空气所走的路程是：L＝7.5m；
此时该部分空气的体积为V＝SL＝πR2 L＝3.14×302×7.5m3＝21195m3，
故此时吹过叶片的空气的质量是：m＝ρV＝1.29kg/m3×21195m3＝27342kg；
每秒钟通过风力发电机叶片的空气的动能：Ek
代入数据可得：Ek＝7.69×105J
由图可知，当风速为7.5m/s时，变桨发电机的发电功率为400kW＝4×105W，所以其发电效率：η100%100%≈52%．故AC正确；
B、由图可知在风速为7.5m/s时，定桨发电机发电的功率为100kW，则变桨距控制风力发电机替换定桨距控制风力发电机后，每台风力发电机每天能多发电：
W＝ΔP t＝（400﹣100）kW×24h＝7200kW h.故B正确；
D、一台变桨距控制风力发电机每小时获得的风能为：E＝Ek×3600＝7.69×105×3600J＝2.77×109J
需要消耗煤的质量：m'kg＝86.6kg。故D错误；
本题选择不正确的
故选：D。
风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等，如图所示。
（1）风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接收风能的面积。设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为r。求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm。
（2）已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机在风速v1＝9m/s时能够输出电功率P1＝540kW。我国某地区风速不低于v2＝6m/s的时间每年约为5000h。试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。
【解答】解：（1）风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大。单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为
m0＝ρvS，S＝πr2
风能的最大功率可表示为
P风m0v2
采取措施合理，如增加风轮机叶片长度，安装调向装置保持风轮机正面迎风等。
（2）按题意，风力发电机的输出功率为
P2160kW
最小年发电量约为
W＝P2t＝160×5000kW h＝8×105kW h
答：（1）单位时间内流向风轮机的最大风能Pm为。
（2）这台风力发电机在该地区的最小年发电量是8×105千瓦时。
关于能量和能源，下列说法正确的是（　　）
A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加
B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少
C．能量在转化和转移过程中，其总量保持不变，故节约能源没有必要
D．能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源
【解答】解：A、根据能量转化和守恒定律可知能量在转化和转移过程中总量既不会增加，也不会减少。故A正确。
B、根据能量转化和守恒定律可知能量在转化和转移过程中总量既不会增加，也不会减少。故B错误。
C、能量在转化和转移过程中，其总量保持不变，但品质越来越差，即可利用率越来越低，故必需节约能源。故C错误。
D、能量的转化和转移具有方向性即朝可利用率低的方向转化，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源，故D正确。
故选：D。
下列说法正确的是（　　）
A．随着科技的发展，永动机是可以制成的
B．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的
C．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了
D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生
【解答】解：A、第一类永动机违背了热力学第一定律即能量守恒定律，第二类永动机违背了热力学第二定律，故永动机是不可以制成的，故A错误；
B、没有不吃草的马，说明“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，故B正确；
C、根据能量守恒定律可知，宇宙中的总能量是守恒的，故太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，照射到宇宙空间的能量也会转化为其他形式的能量，能量不会消失，故C错误；
D、根据能量守恒定律可知，能量不能凭空产生，“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，戴在手上却能一直走动，但是一定要戴在运动的手上，说明里面有自动上发条的装置，能量是不可以凭空产生，故D错误。
故选：B。
如图所示是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量E0为7×103J/（m2 s）。一台热水器的聚热面积为2m2，若每天相当于太阳直射热水器4h，太阳能的20%可转化为水的内能，那么这个热水器一天内最多能利用的太阳能为（　　）
A．4×108J B．4×107J C．2×108J D．2×107J
【解答】解：这个热水器一天内最多能利用的太阳能为J，故B正确，ACD错误；
故选：B。
风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机转化效率可视为不变，该风力发电机将空气动能转化为电能的效率为η，该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。则风力发电机发电的功率为（　　）
A．ρAv3 B．ηρAv3 C．ρAv2 D．ηρAv2
【解答】解：叶片旋转所形成的圆面积为A
单位时间内流过该圆面积的空气柱体积为
V＝S vt＝Av
空气柱的质量为
m＝ρ V＝ρAv
空气柱的动能为
EkρAv v2ρAv3
设转化效率为η，转化成的电能为E＝η EkηρAtv3
PηρAv3，故ACD错误，B正确；
故选：B。
如图，某地有一风力发电机，它的叶片转动时可形成半径为20m的圆面。某时间内该地区的风速是6.0m/s，风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为1.2kg/m3，假如这个风力发电机能将此圆内10%的空气动能转化为电能，则此风力发电机发电的功率约为（　　）
A．2.7kW B．16.3kW C．27kW D．163kW
【解答】解：依题意，风力发电机能将圆内10%的空气动能转化为电能，根据能量守恒定律有
Pt＝Ek×10%
又因为
Ek
两式联立，代入题中相关数据求得此风力发电机发电的功率
P≈163000W＝16.3kW
故选：B。
在人类经济发展中环境保护日益重要，而利用太阳能发电投资少，见效快。如果用太阳能替代化石燃料可以减少温室气体的排放，减轻污染，有利于环境保护。以农村住宅屋顶发电为例，如屋顶放置垂直太阳光线的光电池板，面积为10米×5米，已知太阳光垂直照射到地球表面的光能平均为1400焦/米2 秒，如果太阳平均每天有6小时的垂直照射，现在的光电转化率大约为23%，那么这个屋顶在一天内发电大约有（　　）
A．10000度 B．1000度 C．100度 D．10度
【解答】解：由1度＝1kW h＝3.6×106J可知这个屋顶在一天内发电大约有E＝ηεSt＝1400×10×5×6×3600×23% J≈100度，故ABD错误，C正确。
故选：C。
如图所示是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量E0为7×103J/（m2 s）。一台热水器的聚热面积为2m2，若每天相当于太阳直射热水器4h，太阳能的20%可转化为水的内能，下列分析正确的是（　　）
A．太阳垂直射到地面附近的热辐射功率为7×103W
B．这台热水器单位时间聚集的太阳能最多为7×103J
C．这台热水器一天内最多能利用的太阳能为5.6×104J
D．这台热水器全年内最多转化的水的内能约为1.4×1010J
【解答】解：A、由功率的公式可知，，故A正确；
B、由题意可知，这台热水器单位时间内聚集的太阳能最多为：，故B错误；
C、根据题意，这台热水器一天内最多能利用的太阳能为：，故C错误；
D、根据题意，这台热水器全年内最多转化的水的内能为：，故D错误；
故选：A。
电动机通电后，电动机带动其他机器运转，一段时间后，电动机的外壳就会变得烫手，则下列关于能的转化和守恒的说法中正确的是（　　）
A．电能全部转化为机械能，总的能量守恒
B．电能一部分转化为机械能，另一部分转化为内能，总的能量守恒
C．电路中的电功与电动机产生的热量大小相等
D．电能转化为机械能和内能，机械能守恒
【解答】解：A、因为电动机的外壳就会变得烫手，说明有少量一部分电能转化成了内能，故A错误；
B、电能转化为机械能和内能，机械能增加了，但能的总量守恒，故B正确；
C、在转化中是电能转化为机械能以及内能，电路中的电功大于电动机产生的热量大小，故C错误；
D、电能一部分转化为机械能，另一部分转化为内能，总的能量守恒，机械能增大，故D错误。
故选：B。
下表是某共享电动汽车的主要参数，根据信息，下列说法正确的是（　　）
空车质量 800kg
电池能量 50kW h
标准承载 200kg
最大续航（充满电最大行驶路程） 200km
所受阻力与汽车总重比值（忽略空气阻力） 0.09
A．工作时，电动汽车的电动机是将机械能转化成电池的化学能
B．电池充满电时的电荷量为1.8×108C
C．标准承载下，电动汽车以72km/h的速度匀速行驶10min所用电能为2.4kW h
D．若标准承载下汽车以120km/h速度匀速行驶，汽车电动机输出功率不小于30kW
【解答】解：A、工作时，电动汽车的电动机是将电能转化成机械能，故A错误；
B、由公式W＝Pt得电池充满电时的电能为
W＝50kW h＝50×1000×3600J＝1.8×108J
所以50kW h为充满电时的电能不是电荷量，根据题目已知信息无法求得电池充满电时的电荷量，故B错误；
C、标准承载下，电动汽车以v＝72km/h＝20m/s的速度匀速行驶时，F＝0.09mg
功率P＝Fv＝0.09mgv＝0.09×（800+200）×10×20W＝1.8×104W＝18kW
如果电能全部转化为机械能时，根据W＝Pt＝18kW h＝3kW h
但实际过程中电能不可能全部转化为机械能，所以耗电量大于3kW h，故C错误；
D、若标准承载下汽车速度能达120km/h，功率P＝Fv2＝0.09mgv2＝0.09×（800+200）×10W＝30000W＝30kW，则汽车电动机最大输出功率不小于30kW，故D正确。
故选：D。
如图所示是一个直流电动机提升重物的装置重物质量m＝50kg，电源电压U＝100V，不计各处的摩擦，当电动机以v＝0.9m/s的恒定速度将重物向上提升1m时，电路中的电流I＝5A，g取10m/s2，由此可知（　　）
A．电动机线圈的电阻r＝2Ω
B．电动机线圈的电阻r＝1Ω
C．此过程中无用功为50J
D．该装置的效率为80%
【解答】解：AB、重物匀速上升，电机对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机＝mgv＝50×10×0.9W＝450W。
又电动机的电功率等于机械功率加热功率，UI＝P机+I2r 得r＝2Ω，故B错误，A正确；
C、无用功为电机内阻产生的热量，Q＝I2rt＝52×2JJ，故C错误；
D、装置的效率为η%%＝90%，故D错误。
故选：A。
环保汽车将为2008年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量m＝3×103kg．当它在水平路面上以v＝36km/h的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I＝50A，电压U＝300V．在此行驶状态下：
（1）求驱动电机的输入功率P电；
（2）若驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率P机，求汽车所受阻力与车重的比值（g取10m/s2）；
（3）设想改用太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求所需太阳能电池板的最小面积。结合计算结果，简述你对该设想的思考。
已知太阳辐射的总功率P0＝4×1026W，太阳到地球的距离r＝1.5×1011m，太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15%。
【解答】解：（1）驱动电机的输入功率 P电＝IU＝1.5×104W
故驱动电机的输入功率P电＝1.5×104W。
（2）在匀速行驶时：P机＝0.9P电＝Fv＝fv，故有：，v＝36km/h＝10m/s，
代入数据得汽车所受阻力与车重之比为：。
故汽车所受阻力与车重的比值为0.045。
（3）当阳光垂直电磁板入射时，所需板面积最小，设其为S，距太阳中心为r的球面面积：S0＝4πr2。
若没有能量的损耗，太阳能电池板接受到的太阳能功率为P′，则 ①
设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为P，P＝（1﹣30%）P/②
所以由①②可得：
由于P电＝15%P，所以电池板的最小面积S101m2
故所需最小面积为101m2。
分析可行性并提出合理的改进建议：现在还不能达到设计要求，要进一步提高太阳能电池转化率，减小车的质量，提高电动机效率。12.4 能源与可持续发展
1.理解能量耗散和品质降低的概念。 2.理解能源的利用实际上是能量的转化和转移过程。 3.了解常规能源的使用带来的环境污染。 4.了解开发新能源的方法和意义。
知识点一　能量守恒定律
1.能量守恒定律内容
能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变。
2.能量守恒定律意义
能量守恒定律的建立，是人类认识自然的一次重大飞跃。它是最普遍、最重要、最可靠的自然规律之一，而且是大自然普遍和谐性的一种表现形式。
知识点二　能量转移或转化的方向性
1.能量转化：自然界中存在着各种不同形式的能量，并且各种形式的能量是可以相互转化的，但在大多数情况下，各种形式的能量最终都转化为内能。
2.能量转化的方向：物体的机械能可以自发地全部转化为内能，但内能不可能自发地全部转化为机械能而使物体恢复原来的机械运动。
3.能量的耗散：燃料燃烧时，一旦把自己的热量释放出去，就不会再次自动聚集起来供人类重新利用。电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为热能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用，这种现象叫作能量的耗散。能量耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成了不便于利用的了。
知识点三　能源的分类与应用
1.能源开发：能量的利用过程是不可逆的，自然界中的常规能源的储量是有限的，并且是不可再生的，所以我们要珍惜现有的能源，尽力提高现有能源的利用效率。注意研究和开发新能源，目前，正在开发的新能源有风能、海洋能、太阳能、地热能、氢能、生物质能及核能等。
2.常规能源和新能源的转化途径
3.能源的分类
能源分类方法 能源分类名称 特点 举例
按形式或转换特点分 一次能源 自然形成，未经加工 太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能
二次能源 由一次能源经加工转换而成 焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能
按利用技术分 常规能源 已大规模正常使用 煤、石油、天然气、水能
新能源 正在开发，或有新的利用方式 太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能
按可否再生分 可再生能源 可循环使用 水能、风能、生物质能、地热能
不可再生能源 短期内无法转换获得 煤、石油、天然气、核燃料
按对环境污染情况分 清洁能源 对环境基本上没有污染 太阳能、海洋能、风能、水能
污染能源 会严重污染环境 化石燃料(煤、石油、天然气)
知识点四　能源与社会发展
1.人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期和石油时期。自工业革命以来，煤和石油成为人类的主要能源。
2.能源短缺和环境恶化已成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。
3.能量耗散反映了能量转化的宏观过程具有方向性，所以自然界的能量虽然守恒，但还是很有必要节约能源。
4.人类与能源的关系
(1)有利方面：能源的利用给人类的生活带来了极大的改善，人类社会每一次重大的经济飞跃和生产革命，都与新的能源和动力机械的利用密切相关，能源消耗的多少已经成为一个国家和地区经济发展水平的重要标志。
2021年6月11日，我国成功将北京三号卫星送入预定轨道，如图卫星两翼的太阳能电池板把太阳能转化为电能供卫星使用。关于太阳能等能源与可持续发展，以下说法正确的是（　　）
A．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化学能源可以改善空气质量
B．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造
C．水电站里的发电机装置可以将水库中储存的水的机械能全部转化为电能
D．核能对环境的污染比常规能源对环境的污染大
“神舟”六号载人飞船上的电子仪器及各种动作的控制都是靠太阳能电池供电的，由于光照而产生电动势的现象称为光伏效应。“神舟”飞船上的太阳能电池就是依靠光伏效应设计的单晶硅太阳能电池。在正常照射下，太阳能电池的光电转换效率可达30%。单片单晶硅太阳能电池可产生0.6V的电动势，可获得0.1A的电流，则每秒照射到这种太阳能电池上的太阳光的能量是（　　）
A．0.6J B．0.3J C．0.2J D．0.06J
第19届亚运会于9月23日晚在杭州盛大开幕。此次亚运会开幕式将实体烟花燃放改成电子烟花表演展示，通过数字技术、光学投影等展现烟花绽放场景，传递出中国绿色低碳环保且负责任的发展中大国形象。以下说法正确的是（　　）
A．能量在使用过程中总量保持不变，故无需节约用电，可尽情燃放电子烟花
B．不断开发新能源，发展新技术，是缓解能源危机、加强环境保护的重要手段
C．电子烟花技术将电能全部转化为光能和内能，过程中不存在能量耗散
D．相比于传统烟花，使用电子烟花完全无污染
位于钱塘江南岸的杭州奥体中心主体育场俗称“大莲花”。为这朵“大莲花”调节温度的，不仅有中央空调，还有江水源空调。江水源空调就是用多组江水源热泵抽取钱塘江的水，再利用江水与体育场室内空气的温差，实现制冷和制热，从而让场馆达到冬暖夏凉的效果。已知每组江水源热泵由电动机、水泵、输水钢管组成，钱塘江抽水处水源距离地表6m深，安装抽水泵时将一根输水钢管竖直打入地底下与钱塘江地下水源连通，水泵出水口离地表高度为0.45m，水流由出水口水平喷出时的速度为4m/s，每秒出水量为3kg。水泵由功率为330W的电动机带动，已知电动机额定电压为220V，水泵的抽水效率为75%（抽水效率是指水泵的输出功率与输入功率的比值），水的密度为1.0×103kg/m3，则（　　）
A．出水口钢管横截面积为2.5×10﹣3m2
B．水泵的输入功率为217.5W
C．每秒内水流机械能增加24J
D．电机发热功率为40W
风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机在风速为9m/s时，输出电功率为405kW，风速在5～10m/s范围内，转化效率可视为不变。该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。则下列说法中正确的是（　　）
A．该风力发电机的输出电功率与风速成正比
B．单位时间流过面积A的流动空气动能为
C．若每天平均有1.0×108kW的风能资源，则每天发电量为2.4×109kW h
D．若风场每年有5000h 风速在6～10m/s范围内，则该发电机年发电量至少为6.0×104kW h
风能是可再生资源中发展最快的清洁能源，我国目前正逐步采用变桨距控制风力发电机替代定桨距控制风力发电机，来提高风力发电的效率。具体风速对应的功率如图所示，设如图中风力发电机每片叶片长度为30米，所处地域全天风速均为7.5m/s，空气的密度为1.29kg/m3，圆周率π取3.14，下列选项不正确的是（　　）
A．变桨距控制风力发电机将风能转化成电能的效率为52%
B．用变桨距控制风力发电机替换定桨距控制发电机后，每台风力发电机每天能多发电7200kW h
C．无论采用变桨距控制风力发电机还是定桨距控制风力发电机，每台发电机每秒钟转化的空气动能均为7.69×105J
D．若煤的热值为3.2×107J/kg，那么一台变桨距控制风力发电机每小时获得的风能与完全燃烧45千克煤所产生的内能相当
风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力发电机是将风能（气流的动能）转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱、发电机等，如图所示。
（1）风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接收风能的面积。设空气密度为ρ，气流速度为v，风轮机叶片长度为r。求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm。
（2）已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。某风力发电机在风速v1＝9m/s时能够输出电功率P1＝540kW。我国某地区风速不低于v2＝6m/s的时间每年约为5000h。试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。
关于能量和能源，下列说法正确的是（　　）
A．能量在转化和转移过程中，其总量有可能增加
B．能量在转化和转移过程中，其总量会不断减少
C．能量在转化和转移过程中，其总量保持不变，故节约能源没有必要
D．能量的转化和转移具有方向性，且现有可利用的能源有限，故必须节约能源
下列说法正确的是（　　）
A．随着科技的发展，永动机是可以制成的
B．“既要马儿跑，又让马儿不吃草”违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的
C．太阳照射到地球上的光能转化成了其他形式的能量，但照射到宇宙空间的能量都消失了
D．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生
如图所示是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量E0为7×103J/（m2 s）。一台热水器的聚热面积为2m2，若每天相当于太阳直射热水器4h，太阳能的20%可转化为水的内能，那么这个热水器一天内最多能利用的太阳能为（　　）
A．4×108J B．4×107J C．2×108J D．2×107J
风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一。如图所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置。某风力发电机转化效率可视为不变，该风力发电机将空气动能转化为电能的效率为η，该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片。则风力发电机发电的功率为（　　）
A．ρAv3 B．ηρAv3 C．ρAv2 D．ηρAv2
如图，某地有一风力发电机，它的叶片转动时可形成半径为20m的圆面。某时间内该地区的风速是6.0m/s，风向恰好跟叶片转动的圆面垂直，已知空气的密度为1.2kg/m3，假如这个风力发电机能将此圆内10%的空气动能转化为电能，则此风力发电机发电的功率约为（　　）
A．2.7kW B．16.3kW C．27kW D．163kW
在人类经济发展中环境保护日益重要，而利用太阳能发电投资少，见效快。如果用太阳能替代化石燃料可以减少温室气体的排放，减轻污染，有利于环境保护。以农村住宅屋顶发电为例，如屋顶放置垂直太阳光线的光电池板，面积为10米×5米，已知太阳光垂直照射到地球表面的光能平均为1400焦/米2 秒，如果太阳平均每天有6小时的垂直照射，现在的光电转化率大约为23%，那么这个屋顶在一天内发电大约有（　　）
A．10000度 B．1000度 C．100度 D．10度
如图所示是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量E0为7×103J/（m2 s）。一台热水器的聚热面积为2m2，若每天相当于太阳直射热水器4h，太阳能的20%可转化为水的内能，下列分析正确的是（　　）
A．太阳垂直射到地面附近的热辐射功率为7×103W
B．这台热水器单位时间聚集的太阳能最多为7×103J
C．这台热水器一天内最多能利用的太阳能为5.6×104J
D．这台热水器全年内最多转化的水的内能约为1.4×1010J
电动机通电后，电动机带动其他机器运转，一段时间后，电动机的外壳就会变得烫手，则下列关于能的转化和守恒的说法中正确的是（　　）
A．电能全部转化为机械能，总的能量守恒
B．电能一部分转化为机械能，另一部分转化为内能，总的能量守恒
C．电路中的电功与电动机产生的热量大小相等
D．电能转化为机械能和内能，机械能守恒
下表是某共享电动汽车的主要参数，根据信息，下列说法正确的是（　　）
空车质量 800kg
电池能量 50kW h
标准承载 200kg
最大续航（充满电最大行驶路程） 200km
所受阻力与汽车总重比值（忽略空气阻力） 0.09
A．工作时，电动汽车的电动机是将机械能转化成电池的化学能
B．电池充满电时的电荷量为1.8×108C
C．标准承载下，电动汽车以72km/h的速度匀速行驶10min所用电能为2.4kW h
D．若标准承载下汽车以120km/h速度匀速行驶，汽车电动机输出功率不小于30kW
如图所示是一个直流电动机提升重物的装置重物质量m＝50kg，电源电压U＝100V，不计各处的摩擦，当电动机以v＝0.9m/s的恒定速度将重物向上提升1m时，电路中的电流I＝5A，g取10m/s2，由此可知（　　）
A．电动机线圈的电阻r＝2Ω
B．电动机线圈的电阻r＝1Ω
C．此过程中无用功为50J
D．该装置的效率为80%
环保汽车将为2008年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量m＝3×103kg．当它在水平路面上以v＝36km/h的速度匀速行驶时，驱动电机的输入电流I＝50A，电压U＝300V．在此行驶状态下：
（1）求驱动电机的输入功率P电；
（2）若驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率P机，求汽车所受阻力与车重的比值（g取10m/s2）；
（3）设想改用太阳能电池给该车供电，其他条件不变，求所需太阳能电池板的最小面积。结合计算结果，简述你对该设想的思考。
已知太阳辐射的总功率P0＝4×1026W，太阳到地球的距离r＝1.5×1011m，太阳光传播到达地面的过程中大约有30%的能量损耗，该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15%。

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