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22.2 新能源的发展
【题型1】原子结构 2
【题型2】裂变和聚变 5
【题型3】太阳能及其利用 9
【题型4】太阳能热水器中的热量计算 12
一、核能 1．核能和化石能源属于不可再生能源。 2．核燃料铀是放射性物质，所以其废料也会有放射性。 3．核能分为裂变和聚变两种，裂变分为两种：可控链式反应和不可控链式反应，前者主要应用在核反应堆中，后者应用在原子弹中；聚变主要应用在氢弹上。 4．核电发电是利用的核裂变，可以释放大量的能量，因此核能的特点就是用料省，运输方便，产能多、功率大。 5．核电站在运行时不会产生对环境污染的气体物质，是比较清洁的能源。 二、太阳能 1．太阳能来自太阳内部，是太阳内部氢原子核在超高温下发生聚变释放出巨大的核能而产生的。 2．大部分太阳能是以光和热的形式向四周辐射开。 3．人们常说，太阳是人类的“能源之母”，今天我们开采化石燃料来获取能量，实际上是在开采上亿年前地球所接收的太阳能；因此可以说地球上除核能、地热能等以外的所有能源，几乎都来自太阳能。 4．太阳能的直接利用 （1）太阳能的直接利用：目前直接利用太阳能的方式有两种，一种是光热转换，把太阳能转化为内能；另一种途径是光电转换，把太阳能直接转化为电能。 （2）太阳能的间接利用：将太阳能转化为化学能，如植物的光合作用。
【题型1】原子结构
（2025 永寿县校级一模）如图是原子模型结构，其中a是（　　）
A．原子核 B．质子 C．中子 D．电子
【答案】B
【分析】原子的结构和太阳系相似，它的中心叫原子核，由质子和中子两种微粒组成，集中了全部的正电荷；周围有电子在绕核运动。
【解答】解：原子是由原子核和核外电子组成的，原子核又是由质子和中子组成的，其中中子不带电，质子带正电；a位于最内部而且带正电，是质子。
故选：B。
【点评】本题考查原子的结构，属于基础内容。
方法点拨 任何物质的原子都是由位于原子中心区域带正电的原子核和核外带负电的电子组成的；原子核又是由带正电的质子和不带电的中子组成的。
【变式1】（2025春 霍邱县期末）对于原子的结构，下列说法正确的是（　　）
A．原子是由原子核和核外夸克组成
B．组成原子核的质子带负电，中子不带电
C．原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成
D．夸克是由比其更小的质子与中子组成
【答案】C
【分析】根据原子、原子核、质子与中子结构的知识分析答题。
【解答】解：A、原子由位于原子中央的原子核与核外电子组成，故A错误；
B、原子核由带正电的质子与不带电的中子组成，故B错误；
C、原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成，故C正确；
D、夸克是比质子与中子更小的物质微粒，质子与中子是由夸克组成的，故D错误；
故选：C。
【点评】本题考查了物质结构的知识，难度不大，是一道基础题，掌握基础知识即可正确解题。
【变式2】（2025 永寿县校级模拟）如图所示是氦的原子模型示意图，下列说法正确的是（　　）
A．甲是原子核 B．乙由质子和中子组成
C．甲带负电，乙不带电 D．原子失去甲后带负电
【答案】B
【分析】物质是由原子组成的，原子由原子核和核外电子构成，原子核位于原子中心，核外电子绕核运动。原子核由质子（带正电）和中子（不带电）组成，核外电子带负电，质子和核外电子带电荷数相等，通常情况下，原子呈电中性，物体也呈电中性。当两个不同的物体相互摩擦时，由于不同物质的原子核对核外电子的束缚能力不同：束缚电子能力强的物体，会得到电子，从而因电子数多于质子数而带负电；束缚电子能力弱的物体，会失去电子，从而因质子数多于电子数而带正电。
【解答】解：A、原子由原子核和核外电子组成，原子核位于原子中心，核外电子绕核运动。图中乙是原子核，甲是核外电子，故A错误。
B、原子核（乙）由质子和中子组成，故B正确。
C、甲是核外电子，电子带负电；乙是原子核，原子核由质子（带正电）和中子（不带电）组成，整体正电，故C错误。
D、原子失去电子（甲）后，正电荷数大于负电荷数，会带正电，故D错误。
故选：B。
【点评】此题考查了对原子的核式结构以及带电情况，属于基础性题。
【变式3】（2025 巨野县一模）人们对微观世界的物质结构尺度的探索大致如图所示，其中Y应该是（　　）
A．原子 B．中子 C．电子 D．中微子
【答案】A
【分析】物质由大量分子或者大量原子组成。
【解答】解：如图所示，病毒由大量的分子构成，分子由原子构成，原子由原子核和核外电子组成，原子核包括质子和中子两部分，质子由更小的微粒夸克组成，由此可知Y位于分子和原子核之间，因此Y应该代表原子，故A符合题意，BCD不符合题意。
故选：A。
【点评】本题考查了原子的核式结构，属于基础题。
【题型2】裂变和聚变
（2025 富县模拟）“烛龙一号”是我国研发的首款碳﹣14核电池，它利用如图所示的核反应来释放的能量。下列说法正确的是（　　）
A．该反应与氢弹爆炸的核反应类型相同
B．参与该核反应的中子带正电荷
C．释放的中子可以引发新的核反应
D．核反应释放出巨大的能量违背能量守恒定律
【答案】C
【分析】（1）核电池是利用核裂变反应，氢弹是核聚变反应；
（2）原子核内部有质子和中子，质子带正电，中子不带电；
（3）链式反应是连续进行的核反应；
（4）能量守恒定律：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其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总量不变；
【解答】解：A．图中用中子轰击较大的原子核，使其变成两个中等大小的原子核，同时释放出巨大的能量，这种反应叫做裂变，氢弹爆炸的核反应是核聚变，两者核反应类型不同，故A错误；
B．质子带正电荷，参与该核反应的中子不带电，故B错误；
C．图中用中子轰击较大的原子核，使其变成两个中等大小的原子核，释放3个中子，所释放的中子又能够引起其它的原子核发生裂变，故C正确；
D．核反应释放出巨大的能量不是凭空产生的遵循能量守恒定律，故D错误。
故选C。
【点评】此题考查了核裂变和核聚变知识，属于基础性题。
方法点拨 1．裂变： （1）1938年，科学家用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生了裂变。1kg铀全部裂变，释放的能量超过2000 t煤完全燃烧时释放的能量。 （2）核裂变又称核分裂，是一个原子核分裂成几个原子核的变化。裂变只有一些质量非常大的原子核像铀、钍和钚等才能发生核裂变。 （3）发生裂变的条件：用中子轰击铀核，铀核才能发生裂变，放出能量。外界中子停止轰击，裂变也就停止了。 （4）原子的原子核在吸收一个中子以后会分裂成两个或更多个质量较小的原子核，同时放出二个到三个中子和很大的能量，又能使别的原子核接着发生核裂变……使过程持续进行下去，这种过程称作链式反应。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量称为原子核能，俗称原子能。 2．聚变： （1）核聚变又称核融合、融合反应或聚变反应。有时把聚变也叫作热核反应。核是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。 （2）氘核与氚核在超高温下结合形成氦核和一个中子，同时释放大量核能。大量轻核聚变，可在瞬间释放出惊人的能量。氢弹利用的就是聚变在瞬间释放的能量。 （3）核聚变是核裂变相反的核反应形式。人们现在还不能进行受控核聚变，这主要是因为进行核聚变需要的条件非常苛刻。科学家正在努力研究可控核聚变，核聚变可能成为未来的能量来源。 【注意】核反应堆中发生的链式反应是可控的，而原子弹爆炸发生的链式反应是不加控制的。
【变式1】（2025 贵州二模）阳江核电站是我国广东省的第四座核电站。下列关于核能和核能发电的说法中，正确的是（　　）
A．核能是一次能源，利用核裂变发电
B．核能是一次能源，利用核聚变发电
C．核能是二次能源，利用核裂变发电
D．核能是二次能源，利用核聚变发电
【答案】A
【分析】（1）一次能源是指能从自然界直接获取的能源；
（2）核电站是利用裂变的链式反应释放出巨大能量的原理。
【解答】解；核能直接取自于地壳中的核物质，可从自然界直接获取，无需经过生产过程，属于一次能源。阳江核电站利用核裂变发电。故A正确，BCD错误。
故选：A。
【点评】本题考查核裂变及对二次能源与一次能源的分类，属基础题。
【变式2】（2025 孝感模拟）“中国环流三号”是我国目前设计参数最高、规模最大的核聚变大科学装置，也被称为中国的新一代“人造太阳”。下列说法正确的是（　　）
A．核聚变产生的核能是不可再生能源
B．核聚变的原料是相对原子质量较大的铀核
C．核反应中辐射出的γ射线是一种波长很短的超声波
D．“人造太阳”运行时，同原子弹爆炸时所发生的核反应相同
【答案】A
【分析】核能分为裂变和聚变两种；核能等能源会越用越少，不能在短期内从自然界得到补充，这类能源称为不可再生能源；
核聚变的原料是质量较小的原子核，如氘、氚等；
γ射线是一种，波长很短的电磁波。
【解答】解：
A、核能所利用的核燃料（如用于核聚变的氘、氚等），在短期内无法从自然界中得到补充，所以核聚变产生的核能是不可再生能源，故A正确；
B、核聚变的原料是质量较小的原子核，如氘、氚等；而相对原子质量较大的铀核是核裂变的原料，并非核聚变的原料，故B错误；
C、核反应中辐射出的γ射线是一种电磁波，并非超声波（超声波是频率高于20000Hz的声波），故C错误；
D、人造太阳”运行时发生的是核聚变反应；而原子弹爆炸时发生的是核裂变反应，二者核反应类型不同，故D错误。
故选：A。
【点评】本题考查了核聚变、核裂变、电磁波，是一道综合题。
【变式3】（2025 洛阳二模）2025年1月，我国全超导托卡马克核聚变实验装置首次完成1000秒“高质量燃烧”，标志着我国可控核聚变实现从基础科学向工程实践的重大跨越。下列说法错误的是（　　）
A．核能属于不可再生能源
B．核聚变实验装置的原理与核反应堆的工作原理相同
C．核聚变实验装置利用水冷却，是因为水的比热容大
D．冷却过程是通过热传递的方式改变实验装置的内能
【答案】B
【分析】（1）不可再生能源：不可能在短期内从自然界得到补充的能源。例：化石能源（煤炭、石油、天然气）、核能。
（2）核聚变实验装置的原理是让两个轻原子核在极高温度和压力下聚合成一个重原子核，从而释放出巨大能量。而核反应堆的工作原理是核裂变。
（3）水的比热容大，相同质量的水和其他物质相比，升高相同的温度时，水能够吸收更多的热量。
（4）冷却过程是通过热传递的方式改变实验装置的内能。
【解答】解：A、核能所利用的核燃料在地球上的储量是有限的，属于经过亿万年形成、短期内无法恢复的能源，所以核能属于不可再生能源，故A正确，不符合题意。
B、核聚变实验装置的原理是让两个轻原子核在极高温度和压力下聚合成一个重原子核，从而释放出巨大能量。而核反应堆的工作原理是核裂变，是一个重原子核分裂成两个或多个更小的原子核并释放能量，通过控制棒等装置控制核裂变的速率，二者原理不同，故B错误，符合题意。
C、因为水的比热容大，相同质量的水和其他物质相比，升高相同的温度时，水能够吸收更多的热量，所以核聚变实验装置利用水冷却，可以更好地带走装置产生的热量，故C正确，不符合题意。
D、冷却过程中，水从实验装置吸收热量，使实验装置的温度降低，内能减小，是通过热传递的方式改变实验装置的内能，故D正确，不符合题意。
故选：B。
【点评】本题考查了核能的种类和水的比热容较大的应用，核能属于不可再生能源及改变内能的方法，难度不大，属于基础题。
【题型3】太阳能及其利用
（2025 邯郸模拟）我国“天宫”空间站使用了领先世界的柔性砷化镓太阳能电池来供电，它不仅薄如蝉翼还不受太空恶劣环境影响，光电转化率超过30%。下列有关说法正确的是（　　）
A．太阳能来自太阳内部的核裂变
B．太阳能电池板采用超导体材料制作
C．光电转化率是指光能转化成电能的功率
D．太阳能是一种清洁无污染的可再生能源
【答案】D
【分析】（1）太阳能的能量来自于太阳内部的核聚变；
（2）导电性能介于导体和绝缘体之间的材料称作半导体；
（3）光电转化率是指光能转化成电能的效率；
（2）太阳能是一种清洁、无污染、可再生能源，它取之不尽用之不竭，是一种新型的能源，越来越被广泛利用。
【解答】解：A、太阳能的能量来自于太阳内部的核聚变，故A错误；
B、太阳能电池板采用半导体材料制作，故B错误；
C、光电转化率是指光能转化成电能的效率，故C错误；
D、太阳能是一种清洁、无污染的可再生资源，故D正确。
故选：D。
【点评】本题考查与太阳能有关的知识，涉及的知识面广泛，但是难度不大。
方法点拨 1．太阳——巨大的“核能火炉” （1）直径为地球的110倍，体积为地球的130万倍，质量为地球的33万倍。 （2）太阳内部发生聚变，释放巨大的能量，以光和热向四周辐射。 （3）太阳已经稳定地燃烧了50亿年，在经过50亿年才会燃尽。 2．太阳能的优点和缺点： （1）优点：十分巨大、供应时间长、分布广阔、获取方便、安全、干净、不污染环境； （2）缺点：分散性广、昼夜稳定性差、可转化率低。 3．太阳能及其利用 （1）太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的辐射能量； （2）地球上几乎所有的能源都来自太阳能（除：核能、地热能、潮汐能）； （3）目前直接利用太阳能的途径主要有两种：一种是用集热器把水等物质加热，例如太阳能热水器；另一种是用太阳能电池把太阳能转化成电能。
【变式1】（2025 包头一模）如图，我国空间站太阳翼采用“T”字构型，可接收更多的太阳能，提高发电效果。关于太阳能的利用，下列说法正确的是（　　）
A．太阳能属于不可再生能源
B．太阳能电池也会污染环境
C．太阳翼工作时将太阳能转化为电能
D．太阳能的转化效率可以达到100%
【答案】C
【分析】A．可以从自然界中源源不断地得到的能源为可再生能源；
B．太阳能电池在制造环节的化学污染和废弃后的回收处理问题，但在使用过程不会污染环境；
C．太阳翼工作时，将吸收的太阳能转化为电能；
D．能量转换存在损耗。
【解答】解：
A．太阳能可源源不断地从自然界得到，是可再生能源，故A错误；
B．太阳能电池在制造环节的化学污染和废弃后的回收处理问题，但在使用过程不会污染环境，故B错误；
C．太阳翼工作时，将吸收的太阳能转化为电能，故C正确；
D．能量转换存在损耗，所以太阳能的转化效率不会达到100%，故D错误。
故选：C。
【点评】本题考查能量的有关知识，是一道综合题。
【变式2】（2025 盐城校级二模）为节约能源，路灯采用了太阳能LED照明灯，太阳能清洁无污染，属于　 　 （可再生/不可再生）能源，太阳能电池可以将　 　能转化为电能，再以化学能的方式存储在蓄电池里，但这些化学能却无法自动转化为太阳能，该现象说明能量的转化具有　 　性。
【答案】可再生；太阳；方向。
【分析】可再生能源：可以从自然界中源源不断地得到的能源．例：水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能。
太阳能电池工作时，消耗了太阳能，产生了电能。
能量的转化和转移过程具有方向性。
【解答】解：太阳能可以在自然界中源源不断的获取，属于可再生资源。
太阳能电池工作时，消耗了太阳能，产生了电能，即将太阳能转化为电能。
能量的转化和转移过程具有方向性，例如化学能不能自动转化为太阳能，说明能量转化具有方向性。
故答案为：可再生；太阳；方向。
【点评】此题考查了能源的转化与分类，属于基础知识。
【变式3】（2025 驻马店三模）太阳能电池作为一种新能源产品，具有宽广的前景。太阳能是　 　 （选填“可再生”或“不可再生”）能源，除太阳能电池外，生活中人们利用太阳能的实例还有：　 　。
【答案】可再生；太阳能热水器。
【分析】可再生能源：可以从自然界中源源不断地得到的能源；
目前直接利用太阳能的途径主要有两种：一种是用集热器把水等物质加热，例如太阳能热水器；另一种是用太阳能电池把太阳能转化成电能。
【解答】解：太阳能可以从自然界源源不断地得到，是可再生能源，除太阳能电池外，生活中人们利用太阳能的实例还有：太阳能热水器。
故答案为：可再生；太阳能热水器。
【点评】本题考查太阳能的有关知识，是一道基础题。
【题型4】太阳能热水器中的热量计算
（2025 睢阳区一模）太阳能热水器是把太阳能转化为　 　的设备，某热水器中水的质量为100kg，让100kg初温为20℃的水温度升高到40℃的过程中，水吸收的热量是　 　 J。如果热水器的加热效率是50%，则这段时间内吸收的太阳能是　 　 J。[水的比热容为4.2×103J/（kg ℃）]
【答案】内能；8.4×106；1.68×107。
【分析】太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备；
水吸收的热量，可由热量的计算公式Q吸＝cm（t﹣t0）直接求出；
吸收的太阳能的50%被水吸收，据此求出吸收的太阳能。
【解答】解：太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备；
水吸收的热量
Q吸＝cm（t﹣t0）＝4.2×103J/（kg ℃）×100kg×（40℃﹣20℃）＝8.4×106J；
吸收的太阳能：Q太阳能1.68×107J。
故答案为：内能；8.4×106；1.68×107。
【点评】本题考查了太阳能热水器使用、吸热公式计算、效率公式的应用，通过做题使学生了解太阳能的优点，引导学生积极开发新能源。
方法点拨 1．根据热量的计算公式为Q=cm△t，计算出水温度升高需吸收的热量； 2．太阳能热水器所释放的热量=功率×时间。
【变式1】（2025 工业园区校级模拟）某品牌太阳能热水器的光热转换效率为50%，该太阳能热水器内装有100kg、温度为20℃的水，阳光照射一天后，水温升高50℃，则热水器内的水吸收了　 　 J的热量，这些热量由太阳能转化而来，热水器接收的总的太阳能相当于完全燃烧了　 　 m3的天然气。（已知水的比热容为4.2×103J/（kg ℃），天然气的热值约为8.4×107J/m3。）
【答案】2.1×107；0.5。
【分析】（1）知道水的质量、水的初温和末温、水的比热容，利用吸热公式Q吸＝cmΔt求热水器内的水吸收的热量；
（2）又知道光热转换效率，利用η求热水器接收的总的太阳能；由题知Q放＝E，再利用Q放＝Vq求天然气的质量。
【解答】解：热水器内的水吸收的热量：
；
太阳能热水器的光热转换效率为50%，则热水器接收的总的太阳能
这些太阳能相当于完全燃烧的天然气体积为。
故答案为：2.1×107；0.5。
【点评】本题考查了学生对吸热公式Q吸＝cmΔt、燃料完全放热公式Q放＝Vq以及效率公式的掌握和运用，计算时注意气体燃料热值的单位是J/m3。
【变式2】（2025 香坊区一模）某太阳能热水器装有100kg初温为20℃的水，经过一天的太阳照射，水温升高到90℃，则这些水吸收的热量是　 　 J；这相当于完全燃烧　 　 m3天然气所放出的热量。[c水＝4.2×103J/（kg ℃）；q天然气＝2.1×107J/m3]。
【答案】2.94×107；1.4。
【分析】（1）利用物质吸热公式求出吸收的热量；
（2）由题意可知，Q放＝Q吸，利用燃料燃烧放热公式的变形V求出天然气的体积。
【解答】解：（1）水吸收的热量Q吸＝cm（t﹣t0）
＝4.2×103J/（kg ℃）×100kg×（90℃﹣20℃）
＝2.94×107J；
（2）由题意可知Q放＝Q吸＝2.94×107J，
由Q放＝Vq可得需要天然气的体积：V1.4m3。
故答案为：2.94×107；1.4。
【点评】本题综合考查了水吸收热量的计算和燃料燃烧放出热量的计算，因条件已给出，难度不大。
【变式3】（2025 武威三模）太阳能具有环保、可再生等优点，某品牌太阳能热水器中水的质量为50kg，初温为20℃。[水的比热容c水＝4.2×103J/（kg ℃）]
求：（1）若这些水吸收了8.4×106J的热量，水温升高了多少℃？
（2）若在一个标准大气压下将这些水烧开，则需要吸收多少热量？
【答案】（1）若这些水吸收了8.4×106J的热量，水温升高了40℃；
（2）这些水需要吸收1.58×107J热量。
【分析】（1）知道水的质量、比热容和吸收的热量，利用吸热公式可求水温的升高值；
（2）已知在一个标准大气压下水的沸点为100℃，再利用吸热公式Q＝cm（t﹣t0）可求水烧开时吸收的热量。
【解答】解：（1）根据Q＝cmΔt可知，水升高的温度：
Δt40℃。
（2）水吸收的热量：
Q吸＝c水m水（t﹣t0）
＝4.2×103J/（kg ℃）×50kg×（100℃﹣20℃）
＝1.58×107J。
答：（1）若这些水吸收了8.4×106J的热量，水温升高了40℃；
（2）这些水需要吸收1.58×107J热量。
【点评】本题考查了吸热公式Q吸＝cmΔt的应用，属于基础题目，难度不大。

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