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第二十二章　能源与可持续发展
第1节　能源利用的现状和面临的挑战　第2节　新能源的发展
@基础巩固
人类利用能源的历程
1.[物理观念](2024·南京中考)下列能源中，属于可再生能源的是 ( )
A.天然气 B.太阳能 C.煤 D.核燃料
2.(2024·广州三模)能源是人类生存和发展的基础，人类社会的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替.关于能源的开发和利用，下列说法不正确的是 ( )
A.能量在利用的过程中，其转化和转移是有方向性的
B.太阳能是一次能源，可直接利用且污染小，开发前景广阔
C.核能是可再生能源，开发和利用核能是人类获取能源的一个新途径
D.煤是不可再生能源，而且以煤为主要燃料的火电站容易造成环境污染
能源利用面临的挑战
3.[科学态度与责任](2024·兰州中考)2024年4月至10月，世界园艺博览会在成都举行.本届世园会的主题为“公园城市美好人居”，秉持“绿色低碳、节约持续、共享包容”的理念.下列说法中不正确的是 ( )
A.园区内的输电线如果用超导材料制作，可以降低由于输电线发热而引起的电能损耗
B.园区内使用新能源转运车，是因为新能源汽车比燃油车的能量转化效率高
C.园区内使用节水装置，是因为地球上淡水资源有限，我们需要节约用水
D.因为自然界中的能量是守恒的，所以我们不需要节约能源
4.(2024·广州二模)关于2023年我国能源的统计数据如下表，则 ( )
总发电装机容量 29.2亿千瓦
太阳能发电装机容量 6亿千瓦 同比增长55.2％
煤电装机容量 总容量占比39.9％
煤电发电量 总发电量占比近六成
A.太阳能发电装机容量占比超过50％
B.太阳能电池将太阳能转化为化学能
C.该年度可再生能源发电量不到50％
D.太阳能、水能、核能是可再生能源
核能、太阳能
5.(2024·广州三模)核能发电过程如图所示，下列说法正确的是 ( )
第5题图
A.核能是可再生能源
B.核反应堆是通过核聚变释放的能量
C.汽轮机是热机的一种，它工作时将内能转化为机械能D.核能发电过程产生大量高温的水蒸气，温度相同的水蒸气和水，水蒸气的内能一定更大
6.[物理学与日常生活](2024·广州三模)如图是某公园中安装的一款太阳能路灯，顶端是太阳能电池板，它白天向灯杆中的蓄电池充电，而夜晚则由蓄电池给路灯供电.下列说法符合题意的是 ( )
第6题图
A.白天阳光照射太阳能电池板时，太阳能转化为化学能
B.白天太阳能电池板向蓄电池充电时，化学能转化为电能
C.白天太阳能电池板向蓄电池充电时，蓄电池相当于一个电源
D.夜晚蓄电池给路灯供电时，蓄电池把化学能转化为电能
7.(2024·广州三模)原子是由原子核和 构成的，原子核带 电荷，如图是铀－235原子核模型示意图，利用中子轰击该原子核能诱发 (选填“核裂变”或“核聚变”).
第7题图
8.(2024·深圳三模)目前我国的光伏发电装机容量已位居世界第一.如图所示，光伏发电也从原本的国家项目走进了许多农村家庭，很多房屋的屋顶上安装了光伏发电板，基本能够满足一个家庭的日常用电.下列关于利用太阳能的说法正确的是 ( )
A.太阳能是太阳内部氢原子核发生裂变释放的能量
B.光伏发电是将太阳能全部转化成电能供人们使用
C.湿衣服在阳光下比在阴凉处干得快，表明温度越高分子运动越剧烈
D.光伏发电板数量越多，能提供的电压就越大，光伏发电板的连接方式为并联
@能力提升
9.(2024·广州二模)能源按不同的分类方式可进行不同分类.下
列四组能源中，能归入如图所示阴影部分的一组是 ( )
A.煤炭、地热能
B.太阳能、风能
C.水能、天然气
D.石油、核能
10.(2024·广州月考改编)根据资料，2024年中国能源消耗总量约是2012年的1.65倍，各种能源消耗的百分比如图所示.下列说法正确的是 ( )
　　　
A.把燃油汽车都换成纯电动车，将明显减少使用不可再生能源
B.我国主要能源都不能短期内从自然界得到补充
C.我国2012年的用煤量比2024年多
D.我国的核电站利用可控核聚变来释放核能
@拓展培优
11.[科学思维]太阳是人类能源的宝库，目前人类直接利用太阳能的方式主要有以下两种：
(1)如图甲所示，太阳能汽车利用太阳能电池将太阳能E1转化为电能E2，储存在车上的蓄电池内，为汽车提供动力.太阳能是一种 (选填“可再生”或“不可再生”)能源，E1 E2(选填“＞”“＝”或“＜”).
(2)如图乙所示，太阳能热水器将太阳能转化为内能，若热水器装满100 L、20 ℃的水，在阳光的照射下，水温升高到60 ℃，那么这些水吸收的热量为 J；若改用效率为60％的天然气灶给这些水加热，温度升高30 ℃时，则需要完全燃烧 m3的天然气.[天然气的热值为4.2×107 J/m3，水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，1 L＝1 dm3，水的密度ρ＝1.0×103 kg/m3]
第3节　跨学科实践：为节约能源设计方案
@基础巩固
1.如图所示，碳的耗用量称为“碳足迹”.一般情况下，排放的二氧化碳越多，碳足迹就越大.碳足迹的计算包括用于电力、建设、运输等方面的能源，以及我们所使用的消耗品.以下做法可以减少“碳足迹”的是 ( )
A.减少一次性餐具的使用
B.以私家车出行代替公共交通工具
C.大量使用天然气等燃料
D.将生活垃圾进行焚烧处理
2.[科学态度与责任]节约资源是我国的基本国策，下列关于节约资源说法正确的是 ( )
A.虽然地球储水量大，但可利用的淡水在减少，所以要节约用水
B.平时家里无人时，应该断开电冰箱电源
C.太阳能取之不尽用之不竭，所以使用太阳能热水器不必节约
D.LED灯功率小耗电少，所以无人时也可以不关
3.如图是某电动汽车充电站的一排充电桩，这些充电桩是 (选填“串”或“并”)联的；若充电站充电价格是每度电1.6元，一次充满50度电池容量的电动车的用电成本至少是 元.电动汽车较燃油车有哪些优点： (写出一点即可).
@能力提升
4.为落实中国对世界承诺的节能减排目标，加强政策扶持新能源经济战略，国家相关部委推出太阳能屋顶计划(如图所示).太阳能电池板的参数如下表所示，其中光电转换效率是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率.[煤的热值q＝3×107 J/kg，水的比热容c＝4.2×103 J/(kg·℃)]
太阳能电池板 平均输出功率 200 W
一块电池板面积 1.6 m2
光电转换效率 10％
　　
(1)若中午时分，太阳能电池板单位面积上单位时间接收到的光能为2 500 J，则此时一块太阳能电池板输出电能的实际功率是多少？
(2)小明家的屋顶面积达到200 m2，太阳能电池板依次相连平铺在屋顶，理论上他家屋顶日输出电能的平均功率为多大？
(3)用太阳能发电代替发电效率为40％的火力发电站，按照第(2)问中的条件，小明家一天(一天太阳能发电时间按8 h计算)理论上可节约多少吨的煤？假设这些煤完全燃烧，可使8 400 kg的水温度升高多少摄氏度？(结果保留整数)
@拓展培优
5.[物理学与工程实践]在跨学科实践课上，某小组开展了“设计太阳能路灯照明系统”的项目化学习活动.下面是该小组同学交流的实践过程，请帮助他们完成下列内容.
【项目分解】
(1)设计制作太阳能照明电路.
(2)设计太阳能路灯照明系统.
【项目实施】
(1)小明先设计了如图甲所示的电路，连接好电路后，放到阳光下，闭合开关灯泡发光.此电路中 提供电能.
(2)考虑到太阳能板只能在白天将太阳能转化为电能，路灯晚上实现照明.因此需要此照明系统白天储能，晚上进行照明，于是增加了蓄电池和光控开关(光控开关S在明亮环境自动接b，在较暗的环境自动接a)来实现这一功能，设计电路如图乙所示.请简要说明该路灯照明系统白天和晚上的工作过程： .
【项目拓展】
小明家附近的一条路想要安装100盏路灯，要求路灯高6 m，每晚照明时间8 h；小组同学建议安装太阳能路灯，下表是小组成员为这条路选用的路灯的元件及参数，蓄电池的电池容量由功率和时　
太阳能路灯部分技术参数表
灯杆 灯杆高6 m，灯臂长1 m
LED灯 12 V/30 W
太阳能板 单晶片电池板12 V/70 W
蓄电池 直流电压12 V，电池容量900 W·h
间相乘得到[如果功率单位用瓦特(W)，时间单位用小时(h)，电池的容量就为瓦特小时(W·h)].
(1)根据以上信息可知蓄电池的容量900 W·h＝ J，由于阴天阳光不足，太阳能电池板几乎无法给蓄电池充电，这个太阳能照明系统能够在连续阴天的情况下至少保证 天晚上的正常照明(假设蓄电池能够释放储存的全部电能).
(2)请写出相比于普通路灯，太阳能路灯的优点： (写出一条即可).第二十二章　能源与可持续发展
第1节　能源利用的现状和面临的挑战　第2节　新能源的发展
@基础巩固
人类利用能源的历程
1.[物理观念](2024·南京中考)下列能源中，属于可再生能源的是 (　B　)
A.天然气 B.太阳能 C.煤 D.核燃料
2.(2024·广州三模)能源是人类生存和发展的基础，人类社会的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替.关于能源的开发和利用，下列说法不正确的是 (　C　)
A.能量在利用的过程中，其转化和转移是有方向性的
B.太阳能是一次能源，可直接利用且污染小，开发前景广阔
C.核能是可再生能源，开发和利用核能是人类获取能源的一个新途径
D.煤是不可再生能源，而且以煤为主要燃料的火电站容易造成环境污染
能源利用面临的挑战
3.[科学态度与责任](2024·兰州中考)2024年4月至10月，世界园艺博览会在成都举行.本届世园会的主题为“公园城市美好人居”，秉持“绿色低碳、节约持续、共享包容”的理念.下列说法中不正确的是 (　D　)
A.园区内的输电线如果用超导材料制作，可以降低由于输电线发热而引起的电能损耗
B.园区内使用新能源转运车，是因为新能源汽车比燃油车的能量转化效率高
C.园区内使用节水装置，是因为地球上淡水资源有限，我们需要节约用水
D.因为自然界中的能量是守恒的，所以我们不需要节约能源
4.(2024·广州二模)关于2023年我国能源的统计数据如下表，则 (　C　)
总发电装机容量 29.2亿千瓦
太阳能发电装机容量 6亿千瓦 同比增长55.2％
煤电装机容量 总容量占比39.9％
煤电发电量 总发电量占比近六成
A.太阳能发电装机容量占比超过50％
B.太阳能电池将太阳能转化为化学能
C.该年度可再生能源发电量不到50％
D.太阳能、水能、核能是可再生能源
核能、太阳能
5.(2024·广州三模)核能发电过程如图所示，下列说法正确的是 (　C　)
第5题图
A.核能是可再生能源
B.核反应堆是通过核聚变释放的能量
C.汽轮机是热机的一种，它工作时将内能转化为机械能D.核能发电过程产生大量高温的水蒸气，温度相同的水蒸气和水，水蒸气的内能一定更大
6.[物理学与日常生活](2024·广州三模)如图是某公园中安装的一款太阳能路灯，顶端是太阳能电池板，它白天向灯杆中的蓄电池充电，而夜晚则由蓄电池给路灯供电.下列说法符合题意的是 (　D　)
第6题图
A.白天阳光照射太阳能电池板时，太阳能转化为化学能
B.白天太阳能电池板向蓄电池充电时，化学能转化为电能
C.白天太阳能电池板向蓄电池充电时，蓄电池相当于一个电源
D.夜晚蓄电池给路灯供电时，蓄电池把化学能转化为电能
【解析】白天阳光照射太阳能电池板时，太阳能电池板吸收太阳能，将太阳能转化为电能利用，也可以给蓄电池充电，将电能转化成化学能储存起来，以便在晚上使用，此时蓄电池相当于用电器，故ABC不符合题意；白天太阳能电池板向蓄电池充电时，将太阳能电池板产生的电能转化为蓄电池内的化学能，夜晚蓄电池给路灯供电时，会将储藏在蓄电池内的化学能转化为电能从而给路灯供电，故D符合题意.
7.(2024·广州三模)原子是由原子核和　电子　构成的，原子核带　正　电荷，如图是铀－235原子核模型示意图，利用中子轰击该原子核能诱发　核裂变　(选填“核裂变”或“核聚变”).
第7题图
8.(2024·深圳三模)目前我国的光伏发电装机容量已位居世界第一.如图所示，光伏发电也从原本的国家项目走进了许多农村家庭，很多房屋的屋顶上安装了光伏发电板，基本能够满足一个家庭的日常用电.下列关于利用太阳能的说法正确的是 (　C　)
A.太阳能是太阳内部氢原子核发生裂变释放的能量
B.光伏发电是将太阳能全部转化成电能供人们使用
C.湿衣服在阳光下比在阴凉处干得快，表明温度越高分子运动越剧烈
D.光伏发电板数量越多，能提供的电压就越大，光伏发电板的连接方式为并联
@能力提升
9.(2024·广州二模)能源按不同的分类方式可进行不同分类.下
列四组能源中，能归入如图所示阴影部分的一组是 (　B　)
A.煤炭、地热能
B.太阳能、风能
C.水能、天然气
D.石油、核能
10.(2024·广州月考改编)根据资料，2024年中国能源消耗总量约是2012年的1.65倍，各种能源消耗的百分比如图所示.下列说法正确的是 (　B　)
　　　
A.把燃油汽车都换成纯电动车，将明显减少使用不可再生能源
B.我国主要能源都不能短期内从自然界得到补充
C.我国2012年的用煤量比2024年多
D.我国的核电站利用可控核聚变来释放核能
【解析】原油的占比只有19％左右，而我国的发电主要是火力发电，即依靠煤为主的不可再生能源，把燃油汽车都换成纯电动车，不可再生能源减少也不会十分明显，故A错误；我国主要能源是煤、石油、天然气，都属于不可再生的化石能源，故B正确；2024年中国能源消耗总量是2012年的1.65倍，由题图知，我国2024年的用煤量的百分比为53.2％比2012年的67％下降了，但总量上升了，故C错误；目前人类掌握的可控核能主要利用的是核裂变，核电站是利用可控原子核的裂变释放的核能来发电的，故D错误.
@拓展培优
11.[科学思维]太阳是人类能源的宝库，目前人类直接利用太阳能的方式主要有以下两种：
(1)如图甲所示，太阳能汽车利用太阳能电池将太阳能E1转化为电能E2，储存在车上的蓄电池内，为汽车提供动力.太阳能是一种　可再生　(选填“可再生”或“不可再生”)能源，E1　＞　E2(选填“＞”“＝”或“＜”).
(2)如图乙所示，太阳能热水器将太阳能转化为内能，若热水器装满100 L、20 ℃的水，在阳光的照射下，水温升高到60 ℃，那么这些水吸收的热量为　1.68×107　J；若改用效率为60％的天然气灶给这些水加热，温度升高30 ℃时，则需要完全燃烧　0.5　m3的天然气.[天然气的热值为4.2×107 J/m3，水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，1 L＝1 dm3，水的密度ρ＝1.0×103 kg/m3]
第3节　跨学科实践：为节约能源设计方案
@基础巩固
1.如图所示，碳的耗用量称为“碳足迹”.一般情况下，排放的二氧化碳越多，碳足迹就越大.碳足迹的计算包括用于电力、建设、运输等方面的能源，以及我们所使用的消耗品.以下做法可以减少“碳足迹”的是 (　A　)
A.减少一次性餐具的使用
B.以私家车出行代替公共交通工具
C.大量使用天然气等燃料
D.将生活垃圾进行焚烧处理
2.[科学态度与责任]节约资源是我国的基本国策，下列关于节约资源说法正确的是 (　A　)
A.虽然地球储水量大，但可利用的淡水在减少，所以要节约用水
B.平时家里无人时，应该断开电冰箱电源
C.太阳能取之不尽用之不竭，所以使用太阳能热水器不必节约
D.LED灯功率小耗电少，所以无人时也可以不关
3.如图是某电动汽车充电站的一排充电桩，这些充电桩是　并　(选填“串”或“并”)联的；若充电站充电价格是每度电1.6元，一次充满50度电池容量的电动车的用电成本至少是　80　元.电动汽车较燃油车有哪些优点：　节约能源(或行驶费用低，或环保等)　(写出一点即可).
@能力提升
4.为落实中国对世界承诺的节能减排目标，加强政策扶持新能源经济战略，国家相关部委推出太阳能屋顶计划(如图所示).太阳能电池板的参数如下表所示，其中光电转换效率是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率.[煤的热值q＝3×107 J/kg，水的比热容c＝4.2×103 J/(kg·℃)]
太阳能电池板 平均输出功率 200 W
一块电池板面积 1.6 m2
光电转换效率 10％
　　
(1)若中午时分，太阳能电池板单位面积上单位时间接收到的光能为2 500 J，则此时一块太阳能电池板输出电能的实际功率是多少？
(2)小明家的屋顶面积达到200 m2，太阳能电池板依次相连平铺在屋顶，理论上他家屋顶日输出电能的平均功率为多大？
(3)用太阳能发电代替发电效率为40％的火力发电站，按照第(2)问中的条件，小明家一天(一天太阳能发电时间按8 h计算)理论上可节约多少吨的煤？假设这些煤完全燃烧，可使8 400 kg的水温度升高多少摄氏度？(结果保留整数)
解：(1)太阳每秒钟照射到电池板单位面积上的光能约为2 500 J，一块电池板面积为1.6 m2，光电转换效率为10％，所以一块太阳能电池板输出电能的实际功率
P输出＝2 500 J/(s·m2)×1.6 m2×10％＝400 W
(2)理论上他家屋顶日输出电能的平均功率P输出'＝×200 m2＝2.5×104 W
(3)由P＝可知，小明家一天输出的电能W＝P输出't＝2.5×104 W×8×3 600 s＝7.2×108 J
由η＝可知，煤完全燃烧需要放出的热量Q放＝＝＝1.8×109 J
由Q放＝mq可知，煤的质量m＝＝＝60 kg＝0.06 t
由题意知，Q吸＝Q放＝1.8×109 J，由Q吸＝cmΔt知，水升高的温度
Δt＝＝≈51 ℃
答：(1)此时一块太阳能电池板输出电能的实际功率是400 W；(2)理论上他家屋顶日输出电能的平均功率为2.5×104 W；(3)小明家一天理论上可节约0.06 t的煤，假设这些煤完全燃烧，可使8 400 kg的水温度升高51 ℃.
@拓展培优
5.[物理学与工程实践]在跨学科实践课上，某小组开展了“设计太阳能路灯照明系统”的项目化学习活动.下面是该小组同学交流的实践过程，请帮助他们完成下列内容.
【项目分解】
(1)设计制作太阳能照明电路.
(2)设计太阳能路灯照明系统.
【项目实施】
(1)小明先设计了如图甲所示的电路，连接好电路后，放到阳光下，闭合开关灯泡发光.此电路中　太阳能板　提供电能.
(2)考虑到太阳能板只能在白天将太阳能转化为电能，路灯晚上实现照明.因此需要此照明系统白天储能，晚上进行照明，于是增加了蓄电池和光控开关(光控开关S在明亮环境自动接b，在较暗的环境自动接a)来实现这一功能，设计电路如图乙所示.请简要说明该路灯照明系统白天和晚上的工作过程：　白天，光控开关S接b，太阳能电池板将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，晚上，光控开关S接a，蓄电池给LED灯供电，使LED灯发光(答案合理即可)　.
【项目拓展】
小明家附近的一条路想要安装100盏路灯，要求路灯高6 m，每晚照明时间8 h；小组同学建议安装太阳能路灯，下表是小组成员为这条路选用的路灯的元件及参数，蓄电池的电池容量由功率和时　
太阳能路灯部分技术参数表
灯杆 灯杆高6 m，灯臂长1 m
LED灯 12 V/30 W
太阳能板 单晶片电池板12 V/70 W
蓄电池 直流电压12 V，电池容量900 W·h
间相乘得到[如果功率单位用瓦特(W)，时间单位用小时(h)，电池的容量就为瓦特小时(W·h)].
(1)根据以上信息可知蓄电池的容量900 W·h＝　3.24×106　J，由于阴天阳光不足，太阳能电池板几乎无法给蓄电池充电，这个太阳能照明系统能够在连续阴天的情况下至少保证　3　天晚上的正常照明(假设蓄电池能够释放储存的全部电能).
【解析】【项目拓展】(1)蓄电池的容量W＝Pt＝900 W×3 600 s＝3.24×106 J，这个太阳能照明系统能够在连续阴天的情况下工作的时间t＝＝＝30 h，因为每天工作8 h，故至少保证工作的天数n＝＝3.75天，即至少保证工作3天.
(2)请写出相比于普通路灯，太阳能路灯的优点：　节能(或环保，或无污染等)　(写出一条即可).

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