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(共47张PPT)
第1节　能量的多种形式
第2节　能量的转化与
守恒
第3节　珍惜大自然
第6章　能源与可持续发展
学习目标 课标解读
1.知道能源的分类与应用,了解能源对人类社会发展的重要意义。 2.知道能量守恒定律的内容,知道第一类永动机不可能实现。 3.了解能量转化或转移的方向性,认识提高能量转化效率的重要性,知道第二类永动机不可能实现。 1.通过对机械能守恒定律的复习,形成能量守恒定律的概念。
2.通过对生活中能源利用的观察和分析,体会能量转化或转移的方向性。
3.通过阅读能源与社会发展的材料,养成自觉节约能源的好习惯。
探究·必备知识
「知识梳理」
一、能量的多种形式
1.多种形式的能量
能量以各种各样的形式存在,如机械能、内能、电能、光能、化学能和核能等。
2.能源的分类与应用
(1)能源可分为 和 。
一次能源
二次能源
(2)一次能源分为 能源和 能源。
①不可再生能源:煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源,这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生,所以这类能源被称为 。
②可再生能源:水能、风能、潮汐能等能源,归根结底来源于太阳能。这些能源在自然界可以再生,称为 。
3.能源的应用:近年来,我国在能源开发方面取得了很大成就,如太阳能发电、风能发电、 等。
可再生
不可再生
不可再生能源
可再生能源
核能发电
二、能量的转化与守恒
1.能量守恒定律
在一个孤立系统里,能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,它只能从一种形式 为其他形式,或者从一个物体 到其他物体,在转化或转移的过程中,能量的 保持不变。
2.能量守恒定律否定了制造第一类永动机的可能性。
转化
转移
总量
三、自然过程的方向性
1.英国物理学家开尔文及德国物理学家克劳修斯等总结出重要规律:自然发生的与 有关的一切宏观过程都是有方向性的 过程。
2.自然过程的方向性否定了制造 永动机的可能性。
3.熵
(1)定义:为描述系统 引入的物理量。熵就是某一系统中存在的一定单位的 能量的总和。
(2)熵越高,意味着系统越 ;熵越低,意味着系统越 。自发过程最可能向着系统 的方向进行。
热现象
不可逆
第二类
无序程度
无效
无序
有序
熵增加
「新知检测」
1.思考判断
(1)我国地大物博,能源是取之不尽用之不竭的。(　　)
(2)氢能源是目前最清洁的能源。(　　)
(3)第一类永动机不可能实现的原因是违反了能量守恒定律。(　　)
(4)第二类永动机不可能实现的原因是违反了能量守恒定律。(　　)
(5)熵越大,系统越无序。(　　)
√
×
√
×
√
2.思维探究
(1)第一类永动机和第二类永动机不可能实现的原因是相同的吗
【答案】 (1)不相同。第一类永动机不能实现是违反了能量守恒定律,第二类永动机不能实现是违反了自然过程的方向性。
(2)蒸汽机能否把蒸汽的内能全部转化为机械能
【答案】 (2)不能。蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功,即蒸汽推动活塞做功。这一过程中,一方面由于活塞摩擦汽缸而产生热能,另一方面热蒸汽与周围环境存在温度差,蒸汽会向周围环境散热。所以蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能,违背了自然过程的方向性,是不可能的。
突破·关键能力
要点一　对能量转化和转移方向性的理解
「情境探究」
平时生活中我们常说,热量能从高温物体传给低温物体,这体现了能量传递的方向性,而电冰箱是让“热”由低温环境传递到高温环境,这是不是与能量传递的方向性矛盾呢 说明理由。
【答案】 不矛盾。电冰箱能够把热量从低温环境传到高温环境,在该过程中电冰箱要消耗电能。一旦切断电源,电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了,相反,外界的热量会自发地传给电冰箱,使其温度逐渐升高。
「要点归纳」
能量守恒定律指明各种形式的能量可以相互转化,并且能量在转化或转移过程中总量不变。但在许多情况下能量的转化或转移是不可逆的,具体表现在:
(1)机械能与内能转化的方向性。
机械能可以全部转化为内能,但内能不可能自动地、并不引起任何变化地全部转化为机械能。机械能转化为内能不需要专门的装置,而内能要转化为机械能必须通过热机才能实现。
(2)热传递的方向性(内能转移的方向性)。
在热传递过程中,热量可以自发地从高温物体向低温物体转移,但不能自发地从低温物体向高温物体转移。自然界中内能的转移也具有方向性。
[例1] (双选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气,这说明了(　 　)
A.热量能自发地从低温物体传到高温物体
B.在一定条件下,热量可以从低温物体传到高温物体
C.热量的传递过程不具有方向性
D.在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
BD
【解析】 一切自发过程都有方向性,如热传导,热量总是由高温物体自发地传向低温物体;在外界帮助下热量可以从低温物体传向高温物体,电冰箱就是借助外界做功把热量从低温环境传向高温环境的。故选B、D。
(1)自然界的总能量不变,但利用能量时是有方向性的。
(2)热传递的方向性不能简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”,若采用其他手段(如提供电能)可以使过程可逆。
·名师点拨·
[针对训练1] (双选)下列过程可能发生的是(　 　)
A.自发地将排放在空气中的高温废气的内能收集起来,使其全部转化为汽车运动的机械能
B.将浓度为50%的酒精水溶液自发地分成水和酒精
C.利用其他手段使内能从低温物体转移到高温物体
D.利用搅拌的方法使液体的温度升高,内能增加
CD
【解析】 根据能量转化或转移的方向性可知,内能不可能自发地全部转化为机械能而不引起其他变化,故A错误;浓度为50%的酒精水溶液不可能自发地分成水和酒精,故B错误;内能不可能自发地从低温物体转移到高温物体,若采用其他手段(如提供电能)可以使过程可逆,故C正确;改变物体内能有两种方式,一是对物体做功,二是热传递,所以通过搅拌对液体做功时可以改变液体内能,使其温度升高,内能增加,故D正确。
要点二　能源和可持续发展
「情境探究」
近几年流行一种“自发电电动车”,基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处,车轮转动时,带动发电机运转,发出的电又继续供给电动车,你认为仅靠这种方式,电动车能持续运动下去吗
【答案】 仅靠这种方式,不能使电动车持续运动下去。因为靠这种方式,只能将电动车的一部分能量收集起来,电动车运动时受到的阻力做负功,不断把电动车的机械能转化为内能,根据能量守恒定律,要想使电动车持续运动下去,必须不断地给电动车补充新的能量,如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电。
「要点归纳」
1.能量与能源的区别
(1)能量是守恒的,既不会增加也不会减少。
(2)能源是可以提供可利用能量的物质。
2.解决能源危机的措施
(1)使用能源时,能量的可利用品质降低,所以应节约能源。
(2)化石能源的大量消耗会带来很多环境问题,开发新能源势在必行。
3.常规能源和新能源的转化途径
4.能源与可持续发展
(1)对常规能源合理有效地利用,保护环境与生态平衡。
(2)开发清洁的新能源和可再生能源。
(3)积极研发节能的新技术,提高能源利用效率。
[例2] (双选)关于能源的开发和利用,下列观点正确的是(　 　)
A.能源是有限的,无节制地使用常规能源,是一种盲目的短期行为
B.根据能量守恒定律,能源是取之不尽、用之不竭的
C.能源的开发和利用,无须考虑其对生态环境的影响
D.不断开发新能源,是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径
AD
【解析】 常规能源是有限的,所以无节制地利用常规能源是一种盲目的短期行为,故A正确;能量转化为不能利用或不易利用的能源,这样会减少可利用资源的数量,因此应该节约能源,故B错误;能源的开发和利用,必须同时考虑其对生态环境的影响,故C错误;不断开发新能源,是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径,也是根本途径,故 D正确。
节约能源的原因
(1)各种形式的能最终都转化为内能,流散到周围的环境中,分散在环境中的内能不管数量多么巨大,它也只能使地球、大气稍稍变暖一点,却不能驱动机器做功。
(2)从可被利用的价值来看,内能较机械能、电能等,是一种低品质的能量。
(3)能量耗散导致可利用能源减少,所以要节约能源。
·名师点拨·
[针对训练2] 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。下列说法正确的是(　　)
A.因为能量守恒,所以能源可以随意使用
B.不同形式的能量之间可以相互转化
C.因为能量不会消失,所以不可能有能源危机
D.能量可以被消灭,也可以被创生
B
【解析】 能量是守恒的,但在利用能源的过程中有能量耗散,耗散的能量不可再利用,符合自然界中一切与热现象有关的宏观过程都有方向性,是不可逆的,应节约能源,故A、C错误;自然界中的能量可以从一种形式转化为另一种形式,不同形式的能量间可以相互转化,故B正确;能量不能被创生,也不能被消灭,故D错误。
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
能量守恒定律的意义及应用
1.能量守恒定律的重要意义
(1)能量守恒定律是普遍适用的,对宏观世界与微观世界、高速运动与低速运动等都成立。
(2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系,对人类认识自然、改造自然起着重要的指导作用。
(3)能量守恒定律说明不需要任何动力和燃料却能不断对外做功的机械是不可能存在的。
2.表达式
(1)E初=E末,初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和。
(2)ΔE增=ΔE减,一种能量的增加量等于另外一种或几种能量的减少量。
[示例] 构建和谐、节约型社会的思想深得民心,也体现在生活的方方面面。自动充电式电动车就是很好的一例:将电动车的前轮装有发电机,发电机与蓄电池连接,当电动车滑行时,就可以向蓄电池充电,将其他形式的能转化成电能储存起来。现有某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水平路面上滑行,第一次关闭充电装置,让车自由滑行,其动能随位移的变化关系如图线①所示;第二次启动充电装置,其动能随位移的变化关系如图线②所示。求:
(1)电动车受到的摩擦阻力大小;
【答案】 (1)50 N
【解析】 (1)当关闭充电装置,让车自由滑行时,电动车的动能全部用来克服摩擦力做功,转化为内能,有Ek= s1,解得 =50 N。
(2)第二次启动充电装置,向蓄电池所充的电能。
【答案】 (2)200 J
【解析】 (2)当启动充电装置滑行时,电动车的动能一部分克服摩擦力做功,另一部分转化为蓄电池的电能,根据能量守恒定律有Ek= s2+E电,
故E电=Ek- s2=200 J。
「科学·技术·社会·环境」
能源的开发和利用
作为常规能源的煤炭、石油、天然气等面临枯竭,节能和开发新的能源已是人类必须面对的实际问题。能源对造福人类具有极其重要的意义,节约每一份能源,不仅能提高能源的利用价值,对于维护人类赖以生存的环境也有不可忽视的作用。新的能源有待于人类去开发,如核能的利用、太阳能的利用等,还有许多艰苦的工作需要去做。努力学习、努力探索才是应取的态度。
[示例] 太阳能是人类最基本的能源,它无污染、无费用,这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长,当太阳光照射地面时,在1 m2地面上1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103 J。太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置。某同学在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告:[水的比热容 c=4.2×103 J/(kg·℃)]
容积(V) 100 L
集热管的采光面积(S) 1.5 m2
效率(η) 40%
使用年限(z) 15年
(1)若他家每天大约需要100 kg热水,用这种热水器将这些水从25 ℃加热到45 ℃需要多长时间
【答案】 (1)3.9 h　
(2)与效率为80%的电热水器相比,他家每天节约多少电能
【答案】 (2)2.9 kW·h
检测·学习效果
1.能源亦称能量资源或能源资源,是国民经济的重要物质基础,未来国家命运取决于能源的掌控。能源的开发和有效利用程度以及人均消费量,是生产技术和生活水平的重要标志。下列能源为可再生能源的是(　　)
A.石油 B.天然气
C.风能 D.煤炭
C
【解析】 化石能源无法在短时间内再生,这类能源为不可再生能源,比如煤炭、石油和天然气;而水能、风能和潮汐能为可再生能源,选项C正确。
2.(双选)一辆汽车以80 km/h的速度匀速行驶,每10 km耗油约1 L,根据汽油的热值进行简单的计算可知,此时消耗的功率约为70 kW。如图所示为汽车行驶时功率分配的大致比例图,具体来说,在70 kW中,约有1 kW由于汽油的蒸发而“消失”,大约只有17 kW用于做功,而其余的 52 kW 包括了排气管排出的废热和散热器的热量,两者约各占一半,用于做功的17 kW也有不少损耗,
约5 kW用于发动机的水箱循环和空调,约 3 kW 消耗于传动装置,最后只有
9 kW到达驱动轮。下列说法正确的是(　 　)
A.汽油属于可再生能源
B.整辆车的总效率仅有13%左右
C.汽车匀速行驶时所受的阻力约为405 N
D.每1 s消耗的燃料最终转化为的内能大约5.2×104 J
BC
3.(双选)下列关于能量转移和转化的方向性,说法正确的是(　 　)
A.在自然界中所有能量都能被利用
B.能量的利用是有条件的,也是有代价的
C.不同温度的物体自发地发生热传递时,热传递的方向只能从高温物体到低温物体,不会相反
D.汽车刹车时,车的动能转化为内能,这些内能可以收集起来,再作为车行驶的动力
BC
【解析】 在自然界中不是所有能量都能利用,例如雷电带来的能量还不能被人类所利用,故A错误;能量的利用是有条件的,也是有代价的,例如利用核能来发电,一旦核泄漏将会造成极大的危害,故 B正确;热量可以自发地从高温物体传递给低温物体,但却不能自发地从低温物体传递到高温物体,说明能量转移具有方向性,故C正确;汽车刹车时,车的动能转化为内能,内能不可以自动地、不引起其他变化地完全转化为机械能,说明能量转化具有方向性,故D错误。
4.电能被广泛应用在动力、照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域,是科学技术发展、人民经济飞跃的主要动力。如图所示为火电站电能产生与使用过程中各阶段的能量转化效率,已知1 kg标准煤完全燃烧时产生的热量约为2.93×107 J。则(　　)
A.火电站的发电效率约为40%
B.提高输送电压可以提高火电站的发电效率
C.1 kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为9.4×106 J
D.用户端消耗1 kW·h的电能,火电站需要烧0.5 kg的标准煤
C
感谢观看第1节　能量的多种形式
第2节　能量的转化与守恒
第3节　珍惜大自然
学习目标 课标解读
1.知道能源的分类与应用,了解能源对人类社会发展的重要意义。 2.知道能量守恒定律的内容,知道第一类永动机不可能实现。 3.了解能量转化或转移的方向性,认识提高能量转化效率的重要性,知道第二类永动机不可能实现。 1.通过对机械能守恒定律的复习,形成能量守恒定律的概念。 2.通过对生活中能源利用的观察和分析,体会能量转化或转移的方向性。 3.通过阅读能源与社会发展的材料,养成自觉节约能源的好习惯。
知识梳理
一、能量的多种形式
1.多种形式的能量
能量以各种各样的形式存在,如机械能、内能、电能、光能、化学能和核能等。
2.能源的分类与应用
(1)能源可分为一次能源和二次能源。
(2)一次能源分为可再生能源和不可再生能源。
①不可再生能源:煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源,这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生,所以这类能源被称为不可再生能源。
②可再生能源:水能、风能、潮汐能等能源,归根结底来源于太阳能。这些能源在自然界可以再生,称为可再生能源。
3.能源的应用:近年来,我国在能源开发方面取得了很大成就,如太阳能发电、风能发电、核能发电等。
二、能量的转化与守恒
1.能量守恒定律
在一个孤立系统里,能量既不能凭空产生,也不能凭空消失,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其他物体,在转化或转移的过程中,能量的总量保持不变。
2.能量守恒定律否定了制造第一类永动机的可能性。
三、自然过程的方向性
1.英国物理学家开尔文及德国物理学家克劳修斯等总结出重要规律:自然发生的与热现象有关的一切宏观过程都是有方向性的不可逆过程。
2.自然过程的方向性否定了制造第二类永动机的可能性。
3.熵
(1)定义:为描述系统无序程度引入的物理量。熵就是某一系统中存在的一定单位的无效能量的总和。
(2)熵越高,意味着系统越无序;熵越低,意味着系统越有序。自发过程最可能向着系统熵增加的方向进行。
新知检测
1.思考判断
(1)我国地大物博,能源是取之不尽用之不竭的。(　×　)
(2)氢能源是目前最清洁的能源。(　√　)
(3)第一类永动机不可能实现的原因是违反了能量守恒定律。(　√　)
(4)第二类永动机不可能实现的原因是违反了能量守恒定律。(　×　)
(5)熵越大,系统越无序。(　√　)
2.思维探究
(1)第一类永动机和第二类永动机不可能实现的原因是相同的吗
(2)蒸汽机能否把蒸汽的内能全部转化为机械能
【答案】 (1)不相同。第一类永动机不能实现是违反了能量守恒定律,第二类永动机不能实现是违反了自然过程的方向性。
(2)不能。蒸汽的内能转化为机械能必定需要做功,即蒸汽推动活塞做功。这一过程中,一方面由于活塞摩擦汽缸而产生热能,另一方面热蒸汽与周围环境存在温度差,蒸汽会向周围环境散热。所以蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能,违背了自然过程的方向性,是不可能的。
要点一　对能量转化和转移方向性的理解
情境探究
平时生活中我们常说,热量能从高温物体传给低温物体,这体现了能量传递的方向性,而电冰箱是让“热”由低温环境传递到高温环境,这是不是与能量传递的方向性矛盾呢 说明
理由。
【答案】 不矛盾。电冰箱能够把热量从低温环境传到高温环境,在该过程中电冰箱要消耗电能。一旦切断电源,电冰箱就不能把其内部的热量传给外界的空气了,相反,外界的热量会自发地传给电冰箱,使其温度逐渐升高。
要点归纳
能量守恒定律指明各种形式的能量可以相互转化,并且能量在转化或转移过程中总量不变。但在许多情况下能量的转化或转移是不可逆的,具体表现在:
(1)机械能与内能转化的方向性。
机械能可以全部转化为内能,但内能不可能自动地、并不引起任何变化地全部转化为机械能。机械能转化为内能不需要专门的装置,而内能要转化为机械能必须通过热机才能实现。
(2)热传递的方向性(内能转移的方向性)。
在热传递过程中,热量可以自发地从高温物体向低温物体转移,但不能自发地从低温物体向高温物体转移。自然界中内能的转移也具有方向性。
[例1] (双选)电冰箱能够不断地把热量从温度较低的冰箱内部传给温度较高的外界空气,这说明了(　　)
A.热量能自发地从低温物体传到高温物体
B.在一定条件下,热量可以从低温物体传到高温物体
C.热量的传递过程不具有方向性
D.在自发的条件下热量的传递过程具有方向性
【答案】 BD
【解析】 一切自发过程都有方向性,如热传导,热量总是由高温物体自发地传向低温物体;在外界帮助下热量可以从低温物体传向高温物体,电冰箱就是借助外界做功把热量从低温环境传向高温环境的。故选B、D。
(1)自然界的总能量不变,但利用能量时是有方向性的。
(2)热传递的方向性不能简单理解为“热量不会从低温物体传给高温物体”,若采用其他手段(如提供电能)可以使过程可逆。
[针对训练1] (双选)下列过程可能发生的是(　　)
A.自发地将排放在空气中的高温废气的内能收集起来,使其全部转化为汽车运动的机械能
B.将浓度为50%的酒精水溶液自发地分成水和酒精
C.利用其他手段使内能从低温物体转移到高温物体
D.利用搅拌的方法使液体的温度升高,内能增加
【答案】 CD
【解析】 根据能量转化或转移的方向性可知,内能不可能自发地全部转化为机械能而不引起其他变化,故A错误;浓度为50%的酒精水溶液不可能自发地分成水和酒精,故B错误;内能不可能自发地从低温物体转移到高温物体,若采用其他手段(如提供电能)可以使过程可逆,故C正确;改变物体内能有两种方式,一是对物体做功,二是热传递,所以通过搅拌对液体做功时可以改变液体内能,使其温度升高,内能增加,故D正确。
要点二　能源和可持续发展
情境探究
近几年流行一种“自发电电动车”,基本原理是将一小型发电机紧靠车轮处,车轮转动时,
带动发电机运转,发出的电又继续供给电动车,你认为仅靠这种方式,电动车能持续运动
下去吗
【答案】 仅靠这种方式,不能使电动车持续运动下去。因为靠这种方式,只能将电动车的一部分能量收集起来,电动车运动时受到的阻力做负功,不断把电动车的机械能转化为内能,根据能量守恒定律,要想使电动车持续运动下去,必须不断地给电动车补充新的能量,如用脚蹬电动车或给电动车的电源充电。
要点归纳
1.能量与能源的区别
(1)能量是守恒的,既不会增加也不会减少。
(2)能源是可以提供可利用能量的物质。
2.解决能源危机的措施
(1)使用能源时,能量的可利用品质降低,所以应节约能源。
(2)化石能源的大量消耗会带来很多环境问题,开发新能源势在必行。
3.常规能源和新能源的转化途径
4.能源与可持续发展
(1)对常规能源合理有效地利用,保护环境与生态平衡。
(2)开发清洁的新能源和可再生能源。
(3)积极研发节能的新技术,提高能源利用效率。
[例2] (双选)关于能源的开发和利用,下列观点正确的是(　　)
A.能源是有限的,无节制地使用常规能源,是一种盲目的短期行为
B.根据能量守恒定律,能源是取之不尽、用之不竭的
C.能源的开发和利用,无须考虑其对生态环境的影响
D.不断开发新能源,是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径
【答案】 AD
【解析】 常规能源是有限的,所以无节制地利用常规能源是一种盲目的短期行为,故A正确;能量转化为不能利用或不易利用的能源,这样会减少可利用资源的数量,因此应该节约能源,故B错误;能源的开发和利用,必须同时考虑其对生态环境的影响,故C错误;不断开发新能源,是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径,也是根本途径,故 D正确。
节约能源的原因
(1)各种形式的能最终都转化为内能,流散到周围的环境中,分散在环境中的内能不管数量多么巨大,它也只能使地球、大气稍稍变暖一点,却不能驱动机器做功。
(2)从可被利用的价值来看,内能较机械能、电能等,是一种低品质的能量。
(3)能量耗散导致可利用能源减少,所以要节约能源。
[针对训练2] 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。下列说法正确的是(　　)
A.因为能量守恒,所以能源可以随意使用
B.不同形式的能量之间可以相互转化
C.因为能量不会消失,所以不可能有能源危机
D.能量可以被消灭,也可以被创生
【答案】 B
【解析】 能量是守恒的,但在利用能源的过程中有能量耗散,耗散的能量不可再利用,符合自然界中一切与热现象有关的宏观过程都有方向性,是不可逆的,应节约能源,故A、C错误;自然界中的能量可以从一种形式转化为另一种形式,不同形式的能量间可以相互转化,故B正确;能量不能被创生,也不能被消灭,故D错误。
模型·方法·结论·拓展
能量守恒定律的意义及应用
1.能量守恒定律的重要意义
(1)能量守恒定律是普遍适用的,对宏观世界与微观世界、高速运动与低速运动等都成立。
(2)能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系,对人类认识自然、改造自然起着重要的指导作用。
(3)能量守恒定律说明不需要任何动力和燃料却能不断对外做功的机械是不可能存在的。
2.表达式
(1)E初=E末,初状态各种能量的总和等于末状态各种能量的总和。
(2)ΔE增=ΔE减,一种能量的增加量等于另外一种或几种能量的减少量。
[示例] 构建和谐、节约型社会的思想深得民心,也体现在生活的方方面面。自动充电式电动车就是很好的一例:将电动车的前轮装有发电机,发电机与蓄电池连接,当电动车滑行时,就可以向蓄电池充电,将其他形式的能转化成电能储存起来。现有某人骑车以500 J的初动能在粗糙的水平路面上滑行,第一次关闭充电装置,让车自由滑行,其动能随位移的变化关系如图线①所示;第二次启动充电装置,其动能随位移的变化关系如图线②所示。求:
(1)电动车受到的摩擦阻力大小;
(2)第二次启动充电装置,向蓄电池所充的电能。
【答案】 (1)50 N　(2)200 J
【解析】 (1)当关闭充电装置,让车自由滑行时,电动车的动能全部用来克服摩擦力做功,转化为内能,有Ek= s1,解得 =50 N。
(2)当启动充电装置滑行时,电动车的动能一部分克服摩擦力做功,另一部分转化为蓄电池的电能,根据能量守恒定律有Ek= s2+E电,故
E电=Ek- s2=200 J。
科学·技术·社会·环境
能源的开发和利用
　　作为常规能源的煤炭、石油、天然气等面临枯竭,节能和开发新的能源已是人类必须面对的实际问题。能源对造福人类具有极其重要的意义,节约每一份能源,不仅能提高能源的利用价值,对于维护人类赖以生存的环境也有不可忽视的作用。新的能源有待于人类去开发,如核能的利用、太阳能的利用等,还有许多艰苦的工作需要去做。努力学习、努力探索才是应取的态度。
[示例] 太阳能是人类最基本的能源,它无污染、无费用,这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长,当太阳光照射地面时,在1 m2地面上1 s内平均得到的太阳辐射能约为1.0×103 J。太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置。某同学在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告:[水的比热容 c=4.2×103 J/(kg·℃)]
容积(V) 100 L
集热管的采光面积(S) 1.5 m2
效率(η) 40%
使用年限(z) 15年
(1)若他家每天大约需要100 kg热水,用这种热水器将这些水从25 ℃加热到45 ℃需要多长时间
(2)与效率为80%的电热水器相比,他家每天节约多少电能
【答案】 (1)3.9 h　(2)2.9 kW·h
【解析】 (1)设T为光照时间,k=1.0×103 J/(s·m2),
Q吸=cm(t-t0)=4.2×103×100×20 J
=8.4×106 J,
太阳能热水器传给水的热量Q放=kSTη,
因为Q吸=Q放,
所以T=
= s
=1.4×104 s≈3.9 h。
(2)由Q吸=Q电η1=Q放得
Q电== J=1.05×107 J≈2.9 kW·h。
1.能源亦称能量资源或能源资源,是国民经济的重要物质基础,未来国家命运取决于能源的掌控。能源的开发和有效利用程度以及人均消费量,是生产技术和生活水平的重要标志。下列能源为可再生能源的是(　　)
A.石油 B.天然气
C.风能 D.煤炭
【答案】 C
【解析】 化石能源无法在短时间内再生,这类能源为不可再生能源,比如煤炭、石油和天然气;而水能、风能和潮汐能为可再生能源,选项C正确。
2.(双选)一辆汽车以80 km/h的速度匀速行驶,每10 km耗油约1 L,根据汽油的热值进行简单的计算可知,此时消耗的功率约为70 kW。如图所示为汽车行驶时功率分配的大致比例图,具体来说,在70 kW中,约有1 kW由于汽油的蒸发而“消失”,大约只有17 kW用于做功,而其余的 52 kW 包括了排气管排出的废热和散热器的热量,两者约各占一半,用于做功的17 kW也有不少损耗,约5 kW用于发动机的水箱循环和空调,约 3 kW 消耗于传动装置,最后只有9 kW到达驱动轮。下列说法正确的是(　　)
A.汽油属于可再生能源
B.整辆车的总效率仅有13%左右
C.汽车匀速行驶时所受的阻力约为405 N
D.每1 s消耗的燃料最终转化为的内能大约5.2×104 J
【答案】 BC
【解析】 汽油属于不可再生能源,故A错误;整辆车的总效率仅有η=×100%≈13%,故B正确;汽车匀速行驶时所受的阻力等于牵引力F阻=F== N=405 N,故C正确;每1 s消耗的燃料最终转化为的内能大约E=7×104 J-9×103 J=6.1×104 J,故D错误。
3.(双选)下列关于能量转移和转化的方向性,说法正确的是(　　)
A.在自然界中所有能量都能被利用
B.能量的利用是有条件的,也是有代价的
C.不同温度的物体自发地发生热传递时,热传递的方向只能从高温物体到低温物体,不会相反
D.汽车刹车时,车的动能转化为内能,这些内能可以收集起来,再作为车行驶的动力
【答案】 BC
【解析】 在自然界中不是所有能量都能利用,例如雷电带来的能量还不能被人类所利用,故A错误;能量的利用是有条件的,也是有代价的,例如利用核能来发电,一旦核泄漏将会造成极大的危害,故 B正确;热量可以自发地从高温物体传递给低温物体,但却不能自发地从低温物体传递到高温物体,说明能量转移具有方向性,故C正确;汽车刹车时,车的动能转化为内能,内能不可以自动地、不引起其他变化地完全转化为机械能,说明能量转化具有方向性,故D错误。
4.电能被广泛应用在动力、照明、化学、纺织、通信、广播等各个领域,是科学技术发展、人民经济飞跃的主要动力。如图所示为火电站电能产生与使用过程中各阶段的能量转化效率,已知1 kg标准煤完全燃烧时产生的热量约为2.93×107 J。则(　　)
A.火电站的发电效率约为40%
B.提高输送电压可以提高火电站的发电效率
C.1 kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为9.4×106 J
D.用户端消耗1 kW·h的电能,火电站需要烧0.5 kg的标准煤
【答案】 C
【解析】 火电站的发电效率约为90%×40%×99%=35.64%,A错误;提高输送电压并不能提高火电站的发电效率,B错误;1 kg标准煤完全燃烧能输送到用户端的电能约为2.93×107×
35.64%×90% J≈9.4×106 J,C正确;由于1 kW·h=3.6×106 J, kg≈0.38 kg,用户端消耗
1 kW·h 的电能,火电站需要烧约0.38 kg的标准煤,D错误。
课时作业
1.自由摆动的秋千摆动幅度越来越小,下列说法正确的是(　　)
A.机械能守恒
B.能量正在消失
C.只有动能和重力势能的相互转化
D.减少的机械能转化为内能,但总能量守恒
【答案】 D
【解析】 秋千在摆动过程中受阻力作用,克服阻力做功,机械能减小,内能增加,但总能量不变。故选D。
2.以下说法正确的是(　　)
A.煤、石油、天然气等燃烧时可放出氧气
B.汽油是一种清洁能源
C.水能是可再生能源
D.煤、石油等常规能源是取之不尽、用之不竭的
【答案】 C
【解析】 煤、石油、天然气等是古代植物和动物的遗体转化成的,燃烧时放出二氧化碳,A错误;汽油燃烧会引起一些化合物的产生,导致有毒气体的生成,B错误;水能是可再生能源,C正确;煤、石油等存储量是有限的,是不可再生能源,D错误。
3.(双选)如图所示为装在屋顶上的太阳能电池板,每块电池板的面积为2 m2。晴天时,电池板每平方米每分钟接收到的太阳能为6×104 J,电池板的光电转化效率为25%。下列说法正确的是(　　)
A.太阳能为可再生能源
B.电池板的光电转化效率为25%,表示此过程能量不守恒
C.晴天时太阳照射2 h,每块电池板产生的电能为1.44×107 J
D.晴天时的一天,一块电池板产生的电能可以提供10盏60 W的白炽灯正常工作6.7 h
【答案】 AD
【解析】 太阳能可以从自然界里源源不断地得到,属于可再生能源,故A正确;电池板的
光电转化效率为25%,只是表示太阳能有25%的能转化成电能,并不代表能量不守恒,故B错误;由题意可知晴天时太阳照射2 h,每块电池板产生的电能E=2×6×104×2×60×25% J=
3.6×106 J,故C错误;晴天时的一天,日照按8 h计算,一块电池板产生的电能为E′=4E=1.44×107 J,能让10盏60 W的白炽灯工作的时间t== s=2.4×104 s=6.7 h,故D正确。
4.如图所示,有关核电站发电过程中的能量转化情况,下列说法正确的是(　　)
A.发电机是将电能转化为机械能
B.汽轮机是将内能转化为机械能
C.核电站是利用核聚变释放的核能
D.核电站是利用化学反应释放的核能
【答案】 B
【解析】 发电机将机械能转化为电能,故A错误;汽轮机将内能转化为机械能,故B正确;核电站利用的是核裂变释放的能量,故C、D错误。
5.两种共享单车采用了不同的方式获取电能:甲车靠小型发电机——踩动单车时,线圈在磁场中转动,产生电能,如图甲所示;乙车靠车筐底部的太阳能电池板——有光照时,产生电能,如图乙所示。这两种共享单车获取电能时,都是把其他形式的能转化为电能。关于它们的能量转化,下列说法正确的是(　　)
A.都是把机械能转化为电能
B.都是把光能转化为电能
C.甲车把机械能转化为电能,乙车把光能转化为电能
D.甲车把光能转化为电能,乙车把机械能转化为电能
【答案】 C
【解析】 甲车靠小型发电机,发电机是依据电磁感应原理工作的,在发电的过程中车轮
转动,将车轮的机械能转化为电能;乙车靠车筐底部的太阳能电池板,把光能转化为电能,
C正确。
6.如图所示,某地有一风力发电机,其叶片转动时可形成半径为20 m的圆面。某时间内该地的风速为6 m/s,风向恰好跟叶片转动的圆面垂直,该风力发电机可将经过此圆面内空气动能的10% 转化为电能,发电的功率约为16 kW,则下列说法正确的是(　　)
A.若风速变大,则发电的功率变大
B.每秒流经此圆面空气的动能约为1.6 kJ
C.每秒流经此圆面空气的动能约为16 kJ
D.经过此圆面空气动能的90%转化为内能
【答案】 A
【解析】 时间Δt内穿过圆面空气的质量为Δm=ρπr2vΔt,则发电功率为P=,解得P=,可知,若风速变大,则发电的功率变大,故A正确;P=16 kW,且P=,解得Δmv2=160 kJ,故B、C错误;该风力发电机可将经过此圆面内空气动能的10%转化为电能,空气还存在一定的动能,则经过此圆面转化为内能的值小于空气动能的90%,故D错误。
7.风能是可再生能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,设风力发电机每片叶片长度为30 m,所处地域全天风速平均为7.5 m/s,空气的密度为1.29 kg/m3,
圆周率π取3.14,下列说法错误的是(　　)
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代定桨距控制发电机后,每台风力发电机每天能多发电
7 200 kW·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7.69×105 J
D.若煤的热值为3.2×107 J/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 kg煤所产生的内能相当
【答案】 D
【解析】 设在时间t内发电机获得的风能为Ek,则Ek=mv2,由于m=ρV=ρπr2vt,所以Ek=mv2=ρπr2v3t=×1.29×3.14×302×7.53×t J≈7.69×105t J,故变桨距控制风力发电机将风能转化成电能的效率η==×100%≈52%,故A正确;由题图可知,当风速为7.5 m/s时,变桨距控制风力发电机的功率为400 kW,定桨距控制风力发电机的功率为100 kW,所以每台风力发电机每天能多发电E=(P1-P2)t=(400-100)×24 kW·h=7 200 kW·h,故B正确;
由A选项知,空气的动能为Ek=7.69×105t J,所以每台发电机每秒钟转化的空气动能均为Ek1=7.69×105 J,故C正确;完全燃烧45 kg煤所产生的内能E=mq=45×3.2×107 J=1.44×109 J,一台变桨距控制风力发电机每小时获得的风能为E′=7.69×105×3 600 J=2.8×109 J,故D
错误。
8.举重运动员把重物举起来,体内的一部分　　转化为重力势能;核电站是把　　　转化成了电能;电熨斗是把电能转化成了　　　　。
【答案】 化学能　核能　内能
【解析】 运动员把重物举起来要对重物做功,消耗体内的化学能,使得体内的一部分化学能转化为重力势能;核电站是把核能转化成了电能;电熨斗把电能转化成了内能。
9.如图所示,质量为m的小铁块A(A可视为质点)以水平速度v0从左侧冲上质量为m1、
长为l、置于光滑水平面C上的木板B,刚好不从木板上掉下,此时木板对地位移为x1,已知A、B间的动摩擦因数为μ,求这一过程中:
(1)木板增加的动能;
(2)小铁块减少的动能;
(3)系统机械能的减少量;
(4)系统产生的热量。
【答案】 (1)μmgx1　(2)μmg(x1+l)　(3)μmgl　(4)μmgl
【解析】 (1)对木板B根据动能定理得μmgx1=m1v2-0=ΔEkB,
所以木板增加的动能ΔEkB=μmgx1。
(2)滑动摩擦力对小铁块A做负功,根据功能关系可知ΔEkA=mv2-m=-μmg(x1+l),
即小铁块的动能减少了μmg(x1+l)。
(3)系统机械能的减少量为ΔE减=-ΔEkA-ΔEkB=μmgl。
(4)根据能量守恒定律,系统减少的机械能全部转化为内能,则Q=ΔE减=μmgl。
10.如图甲、乙所示是某类潮汐发电示意图。涨潮时开闸,水由通道进入海湾水库蓄水,待水面升至最高点时关闭闸门。当落潮时,开闸放水发电。设海湾水库面积为5.0×108 m2,平均潮差为3.0 m,一天涨落潮两次,发电的平均能量转化率为10%,则一天内发电的平均功率约为多少 (ρ水=1.0×103 kg/m3,g取10 m/s2)
【答案】 5.2×104 kW
【解析】 潮汐发电就是利用水的重力势能转化为电能,转化效率是10%,一次涨潮、落潮后水库内水的势能增加ΔE水=GΔh=mgΔh=ρ水VgΔh=ρ水ShgΔh,
Δh为水的重心下降的高度,即Δh= m,
则水的势能可转化为电能E电=ΔE水×10%=2.25×1012 J,
每天两次涨潮,则一天能发电E电′=4.5×1012 J,
所以每天的平均功率为P=≈5.2×104 kW。
11.风能是一种环保型能源,目前我国风力发电总装机容量已达2 640 MW(MW表示兆瓦)。风力发电是将风的动能转化为电能。设空气的密度为ρ,水平风速为v,风力发电机每个叶片的长度为L,风力发电机将风能转化为电能的效率为η。
(1)求该风力发电机的发电功率P的表达式;
(2)若某地平均水平风速为v=10 m/s,空气密度ρ=1.3 kg/m3,所用风力发电机的叶片长度L=4 m,效率η=25 %,平均每天发电20小时,则平均每天能获得多少电能
【答案】 (1)P=ηρπL2v3　(2)5.88×108 J
【解析】 (1)叶片旋转所形成的圆面积为S=πL2,时间t内流过该圆面积的空气柱体积为
V=Svt=πL2vt,
空气柱的质量为m=ρV=ρπL2vt,
空气柱的动能为Ek=mv2=ρπL2v3t,
转化成的电能为E=ηEk=ηρπL2v3t,
发电功率P==ηρπL2v3。
(2)将已知数据代入可求得平均每天获得的电能为
E=Pt=×25%×1.3×3.14×42×103×20×3 600 J=5.88×108 J。
初识电磁场与电磁波　能源与可持续发展　检测试题
一、单项选择题:本题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。
1.能量的耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性,下列现象属于能量耗散的是(　　)
A.利用水能发电转化成电能
B.利用太阳能发电转化成电能
C.电池的化学能转化成电能
D.火炉把房间的温度升高
【答案】 D
【解析】 机械能、太阳能、化学能转化为电能只是能量转化,一种形式的能转化为另一种形式的能,相互之间是可以转化的,没有涉及系统的内能流散到周围环境中。利用水能发电转化成电能、利用太阳能发电转化成电能、电池的化学能转化成电能都是能量相互转化,而火炉把房间的温度升高,属于能量耗散的过程中能量向可利用品质低的大气内能转化,故A、B、C错误,D正确。
2.下列关于电磁场和电磁波的说法正确的是(　　)
A.紫外线是一种频率比紫光更低的电磁波,能够灭菌
B.变化的磁场可以产生电场,变化的电场可以产生磁场
C.电磁波与声波一样不可以在真空中传播
D.麦克斯韦第一次在实验室通过实验验证了电磁波的存在
【答案】 B
【解析】 紫外线是一种频率比紫光更高的电磁波,能够灭菌,故A错误;根据麦克斯韦电磁场理论可知,变化的磁场可以产生电场,变化的电场可以产生磁场,故B正确;电磁波可以在真空中传播,故C错误;赫兹第一次在实验室通过实验验证了电磁波的存在,故D错误。
3.图甲和图乙中两点电荷带电荷量相等,图丙和图丁中通电导线电流大小相等,竖直线为两点电荷、两通电导线的中垂线,O为连线的中点。下列说法正确的是(　　)
A.图甲和图丁中,在连线和中垂线上,O点的场强和磁感应强度都最大
B.图甲和图丁中,在连线和中垂线上,关于O点对称的两点场强和磁感应强度都相同
C.图乙和图丙中,在连线和中垂线上,O点的场强和磁感应强度都最大
D.图乙和图丙中,在连线和中垂线上,关于O点对称的两点场强和磁感应强度相同
【答案】 D
【解析】 题图甲和题图丁中,在连线和中垂线上,关于O点对称的两点场强和磁感应强度大小都相等,方向不同,并且在O点的场强和磁感应强度都最小,故A、B错误;同理,题图乙和题图丙中,在连线上,O点的场强和磁感应强度都最小,在中垂线上则最大;而在连线和中垂线上关于O点对称的两点场强和磁感应强度大小相等,方向相同,故C错误,D正确。
4.如图所示是一条形磁铁周围部分磁感线分布示意图,线OO′是条形磁铁的中轴线。在磁场中取两个面积相等的圆环S1、S2进行研究,且圆环圆心在中轴线上,P、Q分别是圆环S1上下对称两点,P、P′分别是圆环S1、S2上相同位置的两点。下列说法正确的是(　　)
A.P点磁感应强度的大小比Q点的大
B.P点磁感应强度的大小比P′点的小
C.穿过S1的磁通量比穿过S2的大
D.穿过S1的磁通量与穿过S2的一样大
【答案】 C
【解析】 根据条形磁铁的磁感线分布特点及对称性可知,P、Q两点的磁感线疏密程度相同,故两点的磁感应强度大小相等,A错误;P点的磁感线比P′点的磁感线密,则P点的磁感应强度比P′点的大,B错误;由题图可知,穿过S1的磁感线条数比穿过S2的磁感线条数多,则穿过S1的磁通量比穿过S2的大,C正确,D错误。
二、双项选择题:本题共4小题,每小题6分,共24分。每小题有两项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分。
5.下列说法正确的是(　　)
A.闭合金属线圈处在变化的磁场中,一定产生感应电流
B.闭合金属线圈在磁场中运动,一定产生感应电流
C.只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,电路中就有感应电流产生
D.闭合金属线圈在磁场中转动,线圈中不一定产生感应电流
【答案】 CD
【解析】 闭合金属线圈处在变化的磁场中,如果线圈平面与磁场的方向平行,磁通量没有变化,没有感应电流产生,故A错误;整个的闭合金属线圈在磁场中做切割磁感线运动时,闭合金属线圈中磁通量没有变化,就没有感应电流产生,故B错误;根据感应电流产生的条件可知,只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,电路中就有感应电流产生,故C正确;闭合金属线圈在磁场中转动,若线圈平面与磁场的方向平行,则磁通量没有变化,不会产生感应电流,故D正确。
6.全球可利用的风能为2×107 MW(1 MW=106 W),比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍,我国风能资源总储量约1.6×105 MW 。装机容量达到2 240万千瓦的三峡水电站,已成为全世界最大的水力发电站和清洁能源生产基地。下列说法正确的是(　　)
A.风力发电是把机械能转化为电能
B.我国风能资源总储量约为7个三峡水电站的装机容量
C.风力发电过程违反能量守恒定律
D.水能和风能都是清洁能源且都是不可再生能源
【答案】 AB
【解析】 风力发电是把风的机械能转化为电能,A正确;我国风能资源总储量约1.6×
105 MW=1.6×1011 W,三峡水电站的装机容量为2 240万千瓦,合2.24×1010 W,因此我国风能资源总储量约为7个三峡水电站的装机容量,B正确;风力发电是把风的机械能转化为电能,不违反能量守恒定律,C错误;水能和风能都是清洁能源且都是可再生能源,D错误。
7.把一小段通电直导线垂直磁场方向放入一匀强磁场中,图中能正确反映各量间关系的是(　　)
A B
C D
【答案】 BC
【解析】 磁感应强度的大小和方向由磁场自身决定,不随F或Il的变化而变化,故B正确,D错误;当导线垂直于磁场放置时,有B=,即F=IlB,所以B不变的情况下F与Il成正比,故A错误,C正确。
8.高压输电线上使用正方形间隔棒支撑导线,目的是将导线间距固定为l,防止导线相碰,其截面图如图所示,abcd的几何中心为O,当L1、L2、L3、L4四根导线通有等大同向电流时,不计地磁场的影响,则(　　)
A.穿过abcd的磁通量为零
B.穿过abcd的磁通量不为零
C.O点的磁感应强度不为零
D.ad边中点处的磁感应强度不为零
【答案】 AD
【解析】 根据安培定则可知,四根通电导线产生的磁场方向与abcd所在平面平行,故穿过abcd的磁通量为零,故A正确,B错误;因四条导线中的电流大小相等,O点与四条导线的距离均相等,由安培定则和对称性可知,L1在O点的磁感应强度与L3在O点的磁感应强度等大反向,L2在O点的磁感应强度与L4在O点的磁感应强度等大反向,故O点的磁感应强度为零,故C错误;根据安培定则以及对称性,L1和L4在ad边中点处的磁感应强度方向与L2和L3在ad边中点处的磁感应强度方向相反,但大小不相等,所以ad边中点处的磁感应强度不为零,故D正确。
三、非选择题:共60分。
9.(3分)磁通量是　　　量,国际单位是　　　　,简称韦,符号为Wb,1 Wb=1 　　　　。
【答案】 标　韦伯　T·m2
【解析】 磁通量是标量;国际单位是韦伯;根据Φ=BS可知,1 Wb=1 T·m2。
10.(3分)根据　　　　电磁场理论,　　　　的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)一定是稳定的,周期性变化的电场(或磁场)产生的磁场(或电场)一定是　　　　变化的。
【答案】 麦克斯韦　均匀变化　周期性
【解析】 根据麦克斯韦电磁场理论,均匀变化的电场(或磁场)产生稳定的磁场(或电场);周期性变化的电场(或磁场)产生周期性变化的磁场(或电场),周期性变化的电场和磁场相互激发,形成统一的电磁场,电磁场传播出去就形成了电磁波。
11.(3分)量子假说认为,物质辐射(或吸收)的能量E只能是某一　　 　　能量单位ε的　　　　,这个能量值ε叫作　　　　。
【答案】 最小　整数倍　能量子
12.(6分)逆向思维是一种重要的思想方法,在这种思想方法的引领下,许多重要的科学定律被发现。“电生磁,磁生电”这种逆向互生的关系,体现了物理学中的一种对称美。请思考:
(1)1831年,物理学家法拉第用如图甲所示的实验,成功发现了磁生电现象,当开关始终处于闭合状态时,a线圈中　　 　　(选填“有”或“无”)感应电流产生,当开关闭合或断开瞬间,
a线圈中　　 　　(选填“有”或“无”)感应电流产生。
(2)如图乙所示是某兴趣小组研究磁生电现象所准备的器材。
请用实线将带有铁芯的线圈A、电源、滑动变阻器和开关连接成原线圈回路,将小量程电流表和线圈B连接成副线圈回路,并列举出在实验中改变副线圈回路磁通量,使副线圈回路产生感应电流的三种方式:
①　 ;
②　 ;
③　 。
【答案】 (1)无　有　(2)见解析
【解析】 (1)当开关始终处于闭合状态时,因穿过a线圈的磁通量不变,所以无感应电流产生。闭合开关瞬间,穿过a线圈的磁通量突然增大,所以有感应电流产生。断开开关瞬间,穿过a线圈的磁通量突然减小,所以有感应电流产生。
(2)实物连接如图所示。
①将线圈A插入线圈B中,合上(或断开)开关瞬间;
②合上开关后,将线圈A插入线圈B中或从线圈B中抽出;
③合上开关,将线圈A插入线圈B后,移动滑动变阻器的滑片。
13.(6分)某地要把河水抽高20 m进入蓄水池,用一台电动机通过传动效率为80%的皮带,带动效率为60%的离心水泵工作。工作电压为380 V,此时输入电动机的电功率为 19 kW,电动机的内阻为0.4 Ω。已知水的密度为1×103 kg/m3,重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)电动机内阻消耗的热功率;
(2)将蓄水池蓄入864 m3的水需要的时间(不计进、出水口的水流速度)。
【答案】 (1)1×103 W　(2)2×104 s
【解析】 (1)设电动机的电流为I,则I== A=50 A,
设电动机内阻r上消耗的热功率为Pr,则Pr=I2r=502×0.4 W=1×103 W。
(2)设蓄水总质量为M,所用抽水时间为t,抽水高度为h,容积为V,水的密度为ρ,则M=ρV,
设质量为M的河水增加的重力势能为ΔEp,
则ΔEp=Mgh,
设电动机的输出功率为P0,则P0=P-Pr,
根据能量守恒定律得P0t×60%×80%=ΔEp,
代入数据解得t=2×104 s。
14.(11分)太阳能汽车是利用太阳能电池将接收到的太阳能转化为电能,再利用电动机来驱动汽车的一种新型汽车。太阳能实验车上太阳能发电面板的有效面积S=8 m2,太阳光照射到每平方米太阳能板上的辐射功率为P0=1 kW,在晴朗的天气,电池对着太阳时产生的电压为U=120 V,并对车上的电动机提供I=10 A的电流,试问:
(1)太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是多少
(2)如果这辆汽车的电动机将电能最终转化为机械能的效率为75%,当汽车在水平路面上匀速行驶时,受到的牵引力为150 N,则汽车的行驶速度是多少
【答案】 (1)15%　(2)6 m/s
【解析】 (1)太阳能电池的面板接收到的太阳能的功率为P太=P0S=1×103×8 W=8 000 W,
转化为太阳能汽车的电功率为P电=UI=120×10 W=1 200 W,
太阳能电池将太阳能转化为电能的效率为η1=×100%=×100%=15%。
(2)汽车的机械功率为P机=P电×η2=1 200 W×75%=900 W,
当汽车匀速行驶时,有P机=Fv,
则v== m/s=6 m/s。
15.(12分)科学技术是一把双刃剑。电磁波的应用也是这样。它在使人类的生活发生日新月异变化的同时也存在副作用——电磁污染。频率超过0.1 MHz的电磁波的强度足够大时就会对人体构成威胁。按照有关规定,人体所受到的电磁辐射强度(即单位时间内垂直通过单位面积的电磁波的能量)不得超过某一规定值Ie。已知某无线通信设备发射电磁波的功率为P,设该通信设备向四面八方均匀地发射电磁波,且电磁波在传播过程中无能量损失。由数学知识可知,球面的面积S=4πr2(式中r为球半径),球半径与球面总是垂直的。根据上述资料,可估算出人体到该通信设备发射电磁波处的安全距离至少应为多少时,人体所受的电磁辐射强度才不会超过规定值
【答案】
【解析】 设人到发射电磁波处的距离为r,以发射电磁波处为球心,以r为半径作一球面,若球面上电磁波的辐射强度为Ie,
则4πr2Ie=P,
所以r=,
即人离波源的距离至少为才是安全区。
16.(16分) 如图所示,在直角三角形ABC的A点和B点分别固定一垂直于纸面的无限长通电直导线,其中A点处导线中电流大小为I0,方向垂直于纸面向外,∠A=30°,已知通电直导线形成的磁场在空间某点处的磁感应强度B=k,k为比例系数,r为该点到导线的距离,I为导线中的电流大小。今测得C点的磁场沿BC方向向右,求:
(1)B点处导线中电流的方向;
(2)B点处导线中电流的大小IB。
【答案】 (1)垂直于纸面向里　(2)I0
【解析】 (1)由题意,C点磁场的磁感应强度B合沿BC方向向右,设A点处导线和B点处导线在C点激发的磁场的磁感应强度分别为BA和BB,根据安培定则可知BA方向垂直于AC斜向右上,则BB的方向一定为垂直于BC向下,如图所示,所以B点处导线中电流垂直于纸面向里。
(2)由图可知=sin 30°,
由题意知BA=k,BB=k,
由几何关系知lAC=2lBC,
联立解得IB=I0。
模块检测试题
一、单项选择题:本题共4小题,每小题4分,共16分。在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的。
1.物理学的发展离不开物理学家的科学研究,以下符合史实的是(　　)
A.法拉第用电场线来形象描述电场,它是真实存在的
B.普朗克提出了能量子假说,基于此他又提出了光子说
C.奥斯特发现了电流的磁效应,使人们突破了对电与磁认识的局限性
D.楞次发现了电磁感应现象,使人们对电与磁内在联系的认识更加完善
【答案】 C
【解析】 电场线是假想的线,并非真实存在,A错误;爱因斯坦提出了光子说,B错误;奥斯特发现了电流的磁效应,使人们突破了对电与磁认识的局限性,C正确;法拉第发现了电磁感应现象,使人们对电与磁内在联系的认识更加完善,D错误。
2.如图所示为电视机显像管偏转线圈的示意图,磁环上的偏转线圈通以图示方向的电流时,圆环的圆心O处的磁场方向是(　　)
A.向左 B.向上
C.向下 D.向右
【答案】 B
【解析】通电的两个线圈可视为通电螺线管,两通电螺线管又可近似看成两个条形磁铁,其等效图如图所示。两个条形磁铁的下端均为N极,因此O点的磁场方向向上,故B正确。
3.某电场的电场线分布如图所示,A、B、C、D是电场中的四个点,则关于该电场,下列说法正确的是(　　)
A.该电场可能是某个孤立的带正电的点电荷形成的
B.B点的电场强度最大
C.B、D两点的电场强度方向相同
D.某电荷仅受静电力时能沿电场线从B点运动到D点
【答案】 B
【解析】 题图中电场线是弯曲的,所以不可能是孤立的点电荷形成的,故A错误;B点电场线最密集,电场强度最大,故B正确;B、D两点电场线的切线方向不同,所以两点的电场强度方向不同,故C错误;假设某电荷仅受静电力时能沿电场线从B点运动到D点,受力方向沿切线方向,没有指向轨迹的凹侧,不满足曲线运动的条件,假设不成立,故D错误。
4.随着生活水平的提高,电子秤已经成为日常生活中不可或缺的一部分,电子秤的种类也有很多,如图所示是用平行板电容器制成的厨房用电子秤及其电路简图。称重时,把物体放到电子秤面板上,压力作用会导致平行板上层膜片电极下移。则(　　)
A.膜片下移过程中,电流计有a到b的电流
B.电流计的示数逐渐减小
C.电容器储存的电能减小
D.电容器的电容减小
【答案】 B
【解析】 根据平行板电容器电容的决定式C=,当两个极板的距离减小时,电容器的电容增大;再根据电容定义式C=,由于电容器一直和电源相连,电压不变,当电容增大时,带电荷量增大,则电容器储存的电能增加,故C、D错误;膜片下移过程中,电容器带电荷量增大,电容器充电,则电流计有b到a的电流,但最终稳定时,电容器停止充电,电流为0,则电流计的示数逐渐减小,故A错误,B正确。
二、双项选择题:本题共4小题,每小题6分,共24分。每小题有两项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分。
5.M、N是某电场中一条电场线上的两点,从M点由静止释放一电子,电子仅在静电力作用下沿电场线由M点运动到N点,其电势能随位移变化的关系如图所示,则下列说法正确的是(　　)
A.M、N两点的电场强度关系为EMB.M、N两点的电场强度关系为EM>EN
C.M、N两点的电势关系为φM<φN
D.M、N两点的电势关系为φM>φN
【答案】 BC
【解析】 电子在电场中的Epx图像斜率大小表示电子所受电场力的大小,由M到N斜率的绝对值越来越小,故电子所受电场力越来越小,由F=qE已知,EM>EN,故A错误,B正确;负电荷在低电势处电势能大,故M点的电势低于N点的电势,即φM<φN,故C正确,D错误。
6.如图所示,在空间直角坐标系中,两条彼此绝缘的长直导线分别与Ox、Oy轴重合,电流均沿坐标轴正方向,已知真空中距无限长通电直导线的距离为r处的磁感应强度B=k(k为常数)。一闭合圆形金属线圈的圆心O′在xOy平面内沿直线 y=x运动,线圈的半径为R,y>R。下列说法正确的是(　　)
A.线圈的匝数越多,穿过线圈的磁通量越大
B.若I1=2I2,则圆心O′处的磁感应强度沿z轴正方向
C.若I1=I2,则金属线圈中有感应电流产生
D.若2I1=I2,则金属线圈中有感应电流产生
【答案】 BD
【解析】 穿过线圈的磁通量与线圈的匝数无关,故A错误;由安培定则可知长直导线I1在圆心O′处的磁感应强度沿z轴正方向,长直导线I2在圆心O′处的磁感应强度沿z轴负方向,根据B=k和I1=2I2可得圆心O′处的磁感应强度沿z轴正方向,故B正确;若I1=I2,穿过线圈的磁通量始终为0,磁通量不变,所以金属线圈中无感应电流产生,故C错误;若2I1=I2,穿过线圈的磁通量沿z轴负方向,金属线圈的圆心O′在xOy平面内沿直线 y=x运动的过程中,穿过线圈的磁通量发生变化,则金属线圈中有感应电流产生,故D正确。
7.三个电阻R1=2 Ω,R2=3 Ω,R3=5 Ω,将它们并联后加一恒定电压U,电路如图所示。流过每个电阻的电流分别是I1、I2、I3,每个电阻两端电压分别是U1、U2、U3,则下列说法正确的是(　　)
A.I1∶I2∶I3=5∶3∶2
B.U1∶U2∶U3=5∶3∶2
C.若再并联一个100 Ω的电阻,则并联的总阻值减小
D.若减小R1的阻值,则电路中并联的总阻值减小
【答案】 CD
【解析】 并联电路电压相等,故B错误;电流与电阻的关系I1∶I2∶I3=∶∶=∶∶,故A错误;再并联一个100 Ω的电阻,则并联的总阻值减小,故C正确;并联电路任意电阻减小,总电阻减小,故D正确。
8.如图所示的电路中,电源的电动势为 3.2 V,电阻R的阻值为30 Ω,小灯泡L的额定电压为3.0 V、额定功率为4.5 W,电压表内阻对电路无影响。当开关S接位置1时,电压表的示数为3.0 V,假如小灯泡电阻不变,下列说法正确的是(　　)
A.电源的内阻为2 Ω
B.小灯泡的电阻为4 Ω
C.当开关S接位置2时,小灯泡很亮
D.当开关S接位置2时,小灯泡两端的电压为 1.6 V
【答案】 AD
【解析】 开关S接位置1时,电压表的示数为U1=3.0 V,则有U1=E-I1r,而I1=,代入数值解得r=2 Ω,故A正确;根据关系式P=,可知小灯泡的电阻RL= Ω=2 Ω,故B错误;当开关S接位置2时,电路中的电流I2==0.8 A,小灯泡消耗的功率P=RL=1.28 W,约是正常工作时的,即小灯泡很暗,此时小灯泡两端的电压为U2=I2RL=1.6 V,故C错误,D正确。
三、非选择题:共60分。
9.(3分)如图所示,绝缘光滑圆环竖直放置,a、b、c为三个套在圆环上可自由滑动的空心带电小球。已知小球c位于圆环最高点,a、c连线与竖直方向成60°角,b、c连线与竖直方向成30°角,三个小球均处于静止状态。则a、b小球带　　　电荷,b、c小球带　　　电荷,
a、b小球的电荷量之比为　　　。
【答案】 同种　异种　∶9
【解析】 对c小球受力分析可得,a、b小球必须带同种电荷,c小球才能平衡,对b小球受力分析可得,b、c小球必须带异种电荷,b小球才能平衡;对c小球受力分析,将a、c小球之间的库仑力与b、c小球之间的库仑力正交分解,在水平方向有 ksin 60°=ksin 30°,又rac∶rbc=1∶,解得qa∶qb=∶9。
10.(3分) 如图所示,水平放置的平行板电容器上极板带正电,所带电荷量为Q,板间距离为d,上极板与静电计相连,静电计金属外壳和电容器下极板都接地,在两极板正中间P点有一个静止的带电油滴,则油滴带　　　　(选填“正电荷”或“负电荷”);现将电容器的上极板竖直向下移动一小段距离,则P点的电势　　　　(选填“变大”“变小”或“不变”),静电计指针张角　　　　(选填“变大”“变小”或“不变”)。
【答案】 负电荷　不变　变小
【解析】 油滴受力平衡,油滴所受的电场力方向向上,而极板间电场方向竖直向下,油滴所受电场力与电场方向相反,故油滴带负电荷;电容器下极板接地,其电势始终为零,P点与下极板间的距离dP0不变,P点与下极板间的电势差为UP0=φP=EdP0,可知P点的电势不变,根据C=,C=,联立得U=,电容器带电荷量Q不变,将电容器的上极板竖直向下移动一小段距离,使d变小,则电容器两极板间的电势差变小,静电计指针张角变小。
11.(3分)如图所示的线框,面积为S,处于磁感应强度为B的匀强磁场中,B的方向与线框平面成θ角,当线框沿顺时针方向转过90°到如图所示的虚线位置时,初位置穿过线框的磁通量大小Φ1为　　　 　;末位置穿过线框的磁通量大小Φ2为　　 　　;磁通量的变化量ΔΦ为　　　　。
【答案】 BSsin θ　BScos θ　BS(cos θ+sin θ)
【解析】 初态时磁通量大小是Φ1=BSsin θ;顺时针转过90°时,末态时磁通量大小是Φ2=BScos θ;设从线框上表面穿过时磁通量为正,则初始时磁通量为负,末态时磁通量为正,磁通量的变化量是ΔΦ=BScos θ-(-BSsin θ)=BS(cos θ+sin θ)。
12.(6分)某同学测量一段金属丝的电阻率。
(1)用螺旋测微器测量金属丝的直径,结果如图甲所示,其读数为　　　　 mm。
(2)根据图乙所示电路图连接好电路,测量金属丝Rx的电阻。某次测量时,电压表的量程为0～3 V,电流表的量程为0～0.6 A,测量结果如图丙所示,此时电压值为　　 　 V,电流值为　　　 A。
(3)有另一同学想用伏安法测量电阻R, 现有的器材及其代号和规格如下:
待测圆柱体电阻R(电阻约220 Ω);
电流表A1(量程0～5 mA,内阻约50 Ω);
电流表A2(量程0～15 mA,内阻约30 Ω);
电压表V1(量程0～3 V,内阻约10 kΩ);
电压表V2(量程0～15 V,内阻约25 kΩ);
直流电源E(电动势4 V,内阻不计);
滑动变阻器R1(阻值范围0～15 Ω,允许通过的最大电流 2.0 A);
开关S;
导线若干。
①为使实验误差较小,要求测得多组数据进行分析,电流表选用　　 　　,电压表选用　　　　。
②请在虚线框中画出测量的电路图,并标明所用器材的代号,并用实线代替导线在图丁中连接实物图。
【答案】 (1)0.795　(2)0.80　0.27 (3)①A2　V1　②图见解析
【解析】 (1)金属丝的直径为d=0.5 mm+29.5×0.01 mm=0.795 mm。
(2)电压值为U=0.80 V,电流值为I=0.27 A。
(3)①待测电阻两端的电压能够达到的最大值为4 V,电压表V2的量程为0～15 V,测量时其指针偏转幅度小于量程的三分之一,读数误差较大,故电压表应选择V1。通过待测电阻的最大电流为Im== A≈13.6 mA,故电流表应选择A2。
②滑动变阻器的阻值比待测电阻的阻值小得多,为方便调节,获取更多组数据,滑动变阻器应采用分压式接法。待测电阻的阻值满足>R,为了减小系统误差,电流表应采用外接法。测量的电路图如图a所示。实物连接图如图b所示。
13.(6分)精确测量干电池电动势和内阻需要考虑电表内阻的影响。可用器材有:电压表(量程1.5 V,内阻约为1.5 kΩ)、电流表(量程0～0.6 A)、滑动变阻器、开关、干电池和导线若干。某小组开展了以下实验。
(1)考虑电流表内阻影响
①用图甲所示电路测量电流表的内阻。从图乙电压表和电流表读数可得电流表内阻
RA=　　　 Ω(保留2位有效数字)。
②用图丙所示电路测量干电池电动势和内阻。电压表读数、电流表读数、干电池内阻和电流表内阻分别用U、I、r和RA表示,则干电池电动势E=U+　　　　　　(用I、r和RA表示)。
③调节滑动变阻器测得多组电表读数,作出图丁所示的UI图像。则待测干电池电动势E=　　　　 V(保留3位有效数字),内阻r=　　　　 Ω(保留1位小数)。
(2)考虑电压表内阻影响
该小组也尝试用图戊所示电路测量电压表内阻,但发现实验无法完成。原因是　　　　。
A.电路设计会损坏仪器
B.滑动变阻器接法错误
C.电压太大无法读数
D.电流太小无法读数
【答案】 (1)①1.0　②I(r+RA)　③1.40　1.0
(2)D
【解析】 (1)①由题图乙可知,电压表读数为U=0.60 V,电流表读数为I=0.58 A,根据欧姆定律可得电流表内阻为RA== Ω=1.0 Ω。
②由闭合电路欧姆定律可知,干电池电动势的表达式为E=U+I(r+RA)。
③根据E=U+I(r+RA)可得U=-(r+RA)I+E,根据题图丁可知,纵截距b=E=1.40 V,图线斜率的绝对值|k|=r+RA= Ω=2.0 Ω,所以待测干电池电动势为E=1.40 V,干电池内阻为r=1.0 Ω。
(2)由于将电压表串联接在电路中,电压表内阻很大,电路中电流太小无法读数。故选D。
14.(11分)如图所示,在水平方向的匀强电场中,用长为L的绝缘细线拴住一质量为m、
电荷量为q的小球,细线的上端固定。开始时将细线和小球拉至水平位置,突然松开后,
小球由静止开始向下摆动,当细线转过60°角时的速度恰好为零。求:
(1)A、B两点的电势差UAB;
(2)电场强度的大小。
【答案】 (1)-　(2)
【解析】 (1)小球由静止释放,若没有电场,小球运动到最低点后再摆动到左边与释放点等高的地方,而有电场时,细线转过60°角时小球速度恰好为零,由此可知,静电力一定做负功,根据动能定理得mgLsin 60°+qUAB=0,
解得UAB=-。
(2)A、B两点沿电场方向的距离为L(1-cos 60°),
则电场强度E=,由此可得E=。
15.(12分)如图甲是某XCT机的实物图。其产生X射线主要部分的示意图如图乙所示,图中P、Q之间的加速电压为U0,M、N两板之间的偏转电压为U,电子从电子枪逸出后沿图中虚线OO′射入,经加速电场、偏转电场区域后,打到水平靶台的中心点C,产生X射线(图中虚线箭头所示)。已知电子质量为m,电荷量为e,偏转极板M、N长为L,间距也为L,虚线OO′距离靶台竖直高度为h=2L,靶台水平位置可以调节,不考虑电子的重力、电子间相互作用力及电子从电子枪逸出时的初速度大小,不计空气阻力。
(1)求电子进入偏转电场区域时速度的大小;
(2)若M、N两板之间电压大小U=2U0,为使电子击中靶台中心点C,求靶台中心点C离N板右侧的水平距离s及电子刚出偏转电场区域时的速度。
【答案】 (1)　(2)L　2,方向与初速度方向成45°斜向右下
【解析】 (1)根据动能定理有eU0=m,
解得v0=。
(2)根据类平抛运动规律有y=at2,L=v0t,
若M、N两板之间电压大小U=2U0,根据牛顿第二定律有e=ma,
解得y=L,
根据几何关系可知=,
解得s=L。
根据类平抛运动规律有L=v0t,vy=at,
则电子刚出偏转电场区域时的速度大小为v=,
则电子刚出偏转电场区域时的速度方向与初速度方向的夹角的正切值为tan θ=,
联立解得速度大小为v=2,正切值 tan θ=1,方向与初速度方向成45°斜向右下。
16.(16分) 如图所示,电源电动势E=12 V,内阻为r=1 Ω,R1=1 Ω,R2=6 Ω,开关闭合后,电动机恰好正常工作。已知电动机的额定电压U0为6 V, 电动机的线圈的电阻R0为0.5 Ω, 求:
(1)R1中的电流;
(2)电源的输出功率和效率;
(3)电动机的输入功率及电动机正常工作时产生的机械功率。
【答案】 (1)3 A　(2)27 W　75%　(3)12 W　10 W
【解析】 (1)根据闭合电路的欧姆定律有E=I(R1+r)+U0,
代入数据解得I=3 A。
(2)电源的总功率为P总=EI=36 W,
电源的输出功率为P出=EI-I2r=27 W,
则电源的效率为η=×100%=75%。
(3)流过R2的电流为I2==1 A,
则流过电动机的电流为I0=I-I2=2 A,
电动机的输入功率为P入=U0I0=12 W,
电动机线圈的热功率为P热=R0=2 W,
电动机产生的机械功率为P机=P入-P热=10 W。

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