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第十八章 信息、材料、能源和可持续发展
知识梳理




































考点1 现代顺风耳——电话
1876年，美国的贝尔发明了电话。
最简单的电话由话筒和听筒组成。话筒相当于变阻器，听筒相当于扬声器。
为了提高线路的利用率，人们发明了电话交换机，一般电话之间都是通过电话交换机来完成的。
早期的电话交换机是手工操作的。1891年出现了利用电磁继电器接线的自动电话交换机。现在的程控电话交换机利用了电子计算机技术。
“占线”现象包括：① 对方的话机在使用；② 一般是打长途电话时，两台交换机之间有太多的用户要通话。
电话分模拟和数字两种。使用模拟信号的通信方式叫做模拟通信，使用数字信号的通信方式叫做数字通信。
模拟信号缺点：模拟信号在长距离运输和多次加工、放大的过程中，信号电流的波形会改变，从而使信号丢失一些信息，表现为声音、图像的失真，严重时会使通信中断。
数字信号优点：① 形式简单，数字信号只包括两种状态，抗干扰能力强；② 可以通过不同编码进行加密。
现代的电话全部采用数字信号进行传输和处理，但在交换机和用户家中一两千米的距离上，还在使用模拟信号。


考点2 电磁波的海洋
导线中电流的迅速变化会在空间激起电磁波。
光是一种电磁波。真空中电磁波传播的速度c是宇宙间物质运动的最快速度。
真空中电磁波的波速为c，它等于波长λ和频率f的乘积：c＝λf
其中c≈3×105km/s＝3×108m/s，λ的单位是米，f的单位是赫兹。
将电磁波按照波长由小到大顺序排序，分别是：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、短波、中波和长波。
雷达的天线能发射和接收电磁波。电磁波需要用天线来发射和接收。
在微波炉中，食物的分子在微波的作用下剧烈振动，使得内能增加，温度升高。







经典例题
1．电磁波是一个大家族，如图是它们的家族谱．下列说法错误的是（　　）

A．可见光也是一种电磁波
B．真空中不同电磁波的传播速度不同
C．红外线比紫外线的频率低
D．电磁波的频率越高，波长越短
【解答】B．

2．如图是电磁波及其应用实例，下列说法正确的是（　　）

A．紫外线是紫色的
B．电视机遥控器用γ射线遥控
C．体检胸透用的电磁波频率比无线电波低
D．可见光与无线电波在真空中的传播速度相同
【解答】D
3．关于以下用电器说法正确的是（　　）

A．图中微波炉加热食品快是因为微波传播速度比电磁波速度快
B．图中烤箱是利用红外线对食物进行加热
C．图中条形码扫描器发出的是超声波
D．图中紫外线消毒灯发出的紫外线是可见光
【解答】B
4．电磁波家族有无线电波、红外线、可见光、紫外线等，它们的　波速　相同（选填“频率”、“波长”或“波速”），它们都　能　在真空中传播，电台发射的某种电磁波波长为3m，其频率是　108　Hz．
【解答】波速；能；108m．

考点3 广播、电视和移动通信
无线电广播信号的发射由广播电台完成。话筒把声音信号转换成电信号，用调制器把音频电信号加载到高频电流上，再通过天线发射出去。
信号的接收由收音机的天线完成，通过转动收音机调谐器的旋钮，可以选择特定频率的信号，经过放大，送到扬声器里。扬声器把音频电信号转换成声音。
图像信号的工作过程：摄像机把图像变成电信号，发射机把电信号加载到高频电流上，再通过天线发射出去。电视机的接收天线接收这样的高频信号，通过电视机把图像信号取出、放大，由显像管还原成图像。
移动电话机即是无线电发射台又是无线电接收台，工作时用电磁波将信息发射到空中，并在空中捕获电磁波。它跟其他用户的通话要靠较大的固定无线电台（基地台）转接，基地台与电话交换机相连。
由声音变成的电信号，它的频率跟声音的频率相同，在几十赫到几千赫之间，叫做音频信号。
由图像变成的电信号，它的频率在几赫到几兆赫之间，叫做视频信号。
音频电流和视频电流在空间激发电磁波的能力都很差，需要把它们加载到具有更好的发射能力的电流上，才能发射到天空中，这种电流就是射频电流。

考点4 越来越宽的信息之路
本节课提到了微波通信、卫星通信、光纤通信和网络通信。
作为载体的无线电波，频率越高，相同时间内传输的信息越多。微波的波长在10m～1mm之间，频率在30MHz～3×105MHz之间。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。
微波的性质更接近光波，大致沿直线传播。因此，必须每隔50km左右就要建设一个微波中继站。
在地球的周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面。
1960年，美国科学家梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器，它能产生频率单一、方向高度集中的激光。
激光的优点：平行度好、单色度好、亮度高。
通信用的激光一般在光导纤维中传播。光导纤维是很细的玻璃丝。激光在里面多次反射。
目前人们经常使用的网络通信形式是电子邮件。像“abc@server.com.cn”，表示信箱属于一个叫“abc”的人，他的服务器名叫“server.com.cn”。“cn”表示中国，“com”表示商业网站，“edu”表示教育网。
世界上最大的计算机网络是因特网。
经典例题
1．关于信息传递下列说法正确的是（　　）
A．蝙蝠是通过电磁波确定障碍物位置的 B．卫星与地面通过电磁波传递信息
C．电磁波和超声波可在真空中传递信息 D．卫星导航是靠声纳来传递路况信息的
【解答】B

考点5 能源家族
化石能源：煤、石油、天然气。
生物质能：由生命物质提供的能量称为生物质能。所有生命物质中都含有生物质能。
一次能源：可以从自然界直接获取的能源为一次能源。如风能、太阳能、地热能和核能。
二次能源：无法从自然界直接获取，必须通过一次能源的消耗才能得到的能源称为二次能源。如电能。
不可再生能源：凡是越用越少，不能在短期内从自然界得到补充的能源，都属于不可再生能源。如化石能源、核能。
可再生能源：可以从自然界中源源不断地得到的能源，属于可再生能源。如水的动能、风能、太阳能、生物质能。
按使用开发的时间长短来分类，能源还可以分成常规能源和新能源。如化石能源、水能、风能等数常规能源，核能、太阳能、潮汐能、地热能属新能源。

经典例题
1．下列关于信息的传递和能量的利用说法正确的是（　　）
A．利用声波和电磁波传递信息时都需要介质
B．手机利用超声波传递信息
C．煤、石油、天然气、太阳能等都是不可再生能源
D．核能是指原子核发生分裂或聚合时所释放的能量
【解答】D

考点6 核能
核能：原子核在分裂和聚合的过程中，可以释放出惊人的能量，这就是核能。
核裂变
裂变：用中子轰击比较大的铀核时，铀核变成两个中等大小的原子核，同时释放出巨大的能量，这个过程就是裂变。
链式反应：在裂变过程中，会同时产生几个新的中子，这些中子又会轰击其他的原子核，这一过程不断进行下去，于是裂变能持续下去，并释放更多的核能，这就是链式反应。
应用：核反应堆、原子弹。
核电站：核电站利用核能发电，它的核心设备是核反应堆。核反应堆中发生的链式反应，是可以控制的。
原子弹爆炸时发生的链式反应是不加控制的。
核聚变
聚变：如果将质量很小的原子核，如氘核和氚核，在超高温度下结合成新的原子核，会释放出更大的能能，这就是聚变。聚变又称热核反应。
应用：氢弹（不加控制的核聚变）
核聚变释放的能量更多，目前人类还无法控制核聚变。

经典例题
1．核能是人类开发和利用的一种有前途的新能源，下列说法不正确的是（　　）
A．核能不能短时间内从自然界得到补充
B．利用核能不会对环境造成影响
C．核电站利用核能发电，将核能转化为电能
D．化石能源仍然是我国目前消耗的主要能源
【解答】B

考点7 太阳能
在太阳的内部，氢原子核在超高温度条件下发生聚变，释放出巨大的核能。
大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射除去。
我们今天使用的煤、石油、天然气等化石燃料，实际上是来自上亿年前地球所接收的太阳能。
太阳能的利用：① 利用集热器加热物质（太阳能转化为内能）；
② 用太阳能电池把太阳能转化为电能（太阳能转化为电能）。
目前利用太阳能方面存在的困难：① 分散，不便于集中使用；② 功率变化较大，不稳定；③ 利用时转换效率太低。





经典例题
1．如图所示是利用太阳能电池工作的一种新型动力车．它上面的太阳能接收板的有效面积为8m2，天气晴朗且接收板正对阳光时，每平方米面积上每秒钟能接收到太阳辐射的能量为1000J，太阳能，电池提供的电压为120V，可供电动机正常工作的电流为10A．
（1）太阳能属于　可　（选填“可”或“不可”）再生能源．
（2）太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是　15%　．
（3）电动机正常作时，将电能主要转化为　机械　能，若转化效率是80%，且该车沿水平路面匀速行驶时所获得的牵引力是150N，则该车匀速行驶的速度是　6.4　m/s．
【解答】解：（1）太阳能属于可再生能源，可以从自然界中源源不断的得到；
（2）太阳能电池1s输出的电能为：
W=UIt=120V×10A×1s=1200J；
太阳能电池板1s接收的能量为：
E=1000J/（m2?s）×8m2×1s=8000J；
效率为：
η===15%；
（3）电动机工作时主要将电能转化为机械能；
若转化效率是80%，则转化成的机械能为：
W机=W?η=1200J×80%=960J；
输出功率为：P===960W；
因为做匀速直线运动，
所以P===Fv，
v===6.4m/s．
故答案为：（1）可；（2）15%；（3）机械；6.4．

考点8 能源革命
人类历史上不断进行着能量转化技术的进步，就是所谓的能源革命。
能源革命的轨迹：利用天然能源（太阳能、风能、水能）→钻木取火→蒸汽机的发明→利用电能→利用核能等新能源。
能量的转化和转移具有方向性。
经典例题
1．各种形式的能量都不是孤立的，它们可以在一定条件下发生转化，且能量的转化是有方向的，下面几幅图按能量转化的顺序，排列正确的是（　　）

A．①②③④ B．②③④① C．②①③④ D．①③④②
【解答】C．
考点9 能源与可持续发展
21世纪的能源趋势：由于世界人口的急剧增加和经济的不断发展，能源的消耗量持续增长，特别是近40年以来，能耗增长速度明显加快，而目前人类的主要能源仍是化石能源。
能源消耗对环境的影响：人类在能源革命的进程中给自己带来了便利，也给自己带来了麻烦，主要表现为大量燃烧化石能源，使得空气污染和“温室效应”加剧；一些欠发达国家过分依靠柴薪能源，加剧了水土流失和土地沙漠化。
未来的理想能源必须满足以下四个条件：① 必须足够丰富；② 必须足够便宜，多数人用得起；③ 相关技术必须成熟；④必须足够安全，不会严重影响环境。
解决能源紧张的途径：由于人类的生存和发展使得能源的消耗量持续增长，因此人类必须不断地开发和利用新能源，同时增强节能意识，不断提高能源的利用率，这是目前解决能源紧张的重要途径。
我们对待化石能源的态度：减少使用。

经典例题
1．最近，科学家们研制出了一种超轻材枓“碳海绵”一一世界上最轻的一类物质，把一块“碳海绵”放在狗尾巴草上，狗尾巴草的茸毛几乎没变形．“碳海绵”比同体积的普通海绵轻得多．说明“碳海绵”这种材料的　密度　较小，将“碳海绵”压缩80%后仍可恢复原状，这说明“碳海绵”发生的是　弹性　形变（选填“弹性”或“塑性”）．

【解答】密度；弹性．
2．潮汐能是一种可再生的清洁能源．潮汐发电是在海湾或有潮汐的河口建筑一座水坝，形成水库，如图所示，水坝下方有通道，内置水轮发电机组，无论涨潮或落潮，海水经过通道均可推动发电机组发电．有一所电站，发电机组在工作过程中能将20%的水能转化为电能，平均功率达到1.8×l04kW．该电站在某次涨潮前水库的水量为l06m3，涨潮后水库的水量为7×l06m3，并达到最高水位20m．涨潮过程中水流经过通道的平均流量（单位时间内通过的水的体积）Q为3×l06m3/h，海水密度为1.03×103kg/m3，那么在这次涨潮中：
（1）水库底部所受水的压强最大是多少？
（2）水流推动发电机组持续发电多长时间？
（3）水流对发电机组做了多少功？（g=10N/kg）
【解答】解：（1）水库底部所受水的最大压强：
p=ρgh=1.03×103kg/m3×10N/kg×20m=2.06×105Pa；
（2）水的体积V=V1﹣V0=7×l06m3﹣l06m3=6×l06m3，
水流推动发电机组持续发电时间：
t===2h；
（3）由P=得，
W=Pt=1.8×l04kW×2h=3.6×104kW?h，
∵η=，∴水流对发电机组做的功：W水===1.8×105kW?h=6.48×1011J．
答：（1）水库底部所受水的压强最大是2.06×105Pa；
（2）水流推动发电机组持续发电2h；
（3）水流对发电机组做了6.48×1011J功．


例题巩固
1．如图是电磁波家族,各种电磁波在真空中的传播速度相同。“红巨星”和“蓝巨星”分别是两类恒星。前者呈暗红色,温度较低。而后者呈蓝色,温度极高。根据所给信息你可以推测得到(　　)
A.恒星温度越高,发光频率越低
B.红巨星发出的红光与蓝巨星发出的蓝光都是电磁波
C.红外线波长比蓝巨星发出的蓝光波长短
D.在真空中,红巨星发出的红光的传播速度比蓝巨星发出的蓝光的小
[答案]　B

2．关于电磁波,下列说法正确的是(　　)
A.红外线、紫外线、超声波都属于电磁波 B.不同频率的电磁波在真空中传播速度不同
C.电磁波可以传递信息和能量 D.电磁波的波长越长,频率越大
[答案]　C

3．以下说法正确的是(　　)
A.半导体具有良好的导电性能 B.超导体是一种电阻很大的材料
C.纳米技术是大尺度范围内的科学技术 D.超导材料用于输送电力可以降低电能损耗
[答案]　D

4．关于能源和能量,下列说法正确的是(　　)
A.在热传递过程中,热量能自发地从低温物体转移到高温物体
B.化石能源、水能和风能实际上都源自太阳能
C.为了避免城市的热岛效应,将核电站产生的核废料深埋在无人区
D.核能是可再生能源
[答案]　B

5．黑匣子是用来记录飞机飞行中各种数据的装置,一旦出现空难,只要找到黑匣子,人们便可知道飞机失事的原因。黑匣子装备了水下信标,一旦飞机坠入水中,信标便开始发送超声波脉冲。从中我们可知(　　)
A.超声波脉冲可以在真空中传播
B.超声波脉冲可以被人耳直接听到
C.超声波脉冲主要是用来传递信息
D.超声波脉冲在水中的传播速度是3×108 m/s
[答案]　C

6．关于材料和能源的说法,正确的是(　　)
A.我们日常生活中使用的二极管是由导体制成的
B.如果将来可以利用超导材料制造电子元件,就不必考虑散热问题
C.当前的核电站都是利用核聚变来获取核能的
D.太阳能是不可再生能源
[答案]　B

7．4G手机使用4G网络,4G指的是第四代移动通信技术。4G是集3G与WLAN于一体,并能够传输高质量视频图像,4G系统能够以10 MB的速度下载,上传的速度也能达到5 MB,能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G网络在传输高质量视频图像信息时,首先把视频图像信息转换成________信号,再通过________来传输信息,它在真空中的传播速度是________m/s。
[答案]　电　电磁波　3×108
8．核能是一种新能源,核裂变是产生核能的一种方式,另一种核反应是________;半导体二极管具有________导电性;若用超导体输电,优点是可以在输电过程中________电能损失。
[答案]　核聚变　单向　减少
9．近代物理揭示了原子是由原子核和________组成;原子核由质子和________组成,其内部蕴含着大量的能量,若能使原子核发生核裂变或________,就能释放出大量的核能。
[答案]　电子　中子　核聚变

10．(3分)人们的生活已经离不开现代通信,现代通信可分为微波通信、________、______　和__________。
[答案]　卫星通信　光纤通信　网络通信

11．半导体和金属的导电能力随温度的变化特点是不同的,因此,利用它们制成的元件在生活中也各有各的用途。
温度/℃ 0 20 40 60 80
R的阻值/Ω 100 120 140 160 180
(1)一个由某半导体材料制成的加热器,通电后,加热器在发热的同时,也在向外界放热。图甲为发热功率P发热和散热功率P散热与温度t之间关系的图像。由图像可知,加热器工作时的稳定温度为________℃。当温度稍高于稳定温度时,P发热________(填“>”“=”或“<”)P散热,此时发热功率变________。
(2)某种家用固体电热灭蚊器就使用这种材料,当灭蚊器使用时,整个房间很快便充满了灭蚊片的味道,这是一种________现象。
(3)由某金属材料制成的电阻R与电源、电流表、电阻R'串联起来,连接成图乙所示的电路。用该电阻R做测温探头,把电流表的刻度改为相应的温度刻度,得到一个简单的“金属电阻温度计”。电阻R随温度t变化的情况如上面表格,则电流刻度较大处对应的温度刻度较________;电阻R'在该电路中起到________的作用。

[答案]　(1)70　<　小　(2)扩散　(3)小　保护电路　(每空1分)


课后作业
1．精细陶瓷以硬度大、耐高温、绝缘性能好、有的还有高透光性等特点成为当代新材料之一。下列陶瓷制品中主要利用耐高温这一物理属性的是(　　)
A.陶瓷制成的汽油机火花塞 B.陶瓷刀具
C.陶瓷制成的光导纤维 D.陶瓷制成的人工膝关节
[答案]　A

2.2015年2月,著名媒体人柴静发布雾霾调查视频《穹顶之下》,其中谈到“中国的PM2.5(直径小于2.5微米的颗粒),百分之六十来自于燃煤和燃油”,关于“2.5微米及燃煤、燃油的能源名称”,下列选项表达正确的是(　　)
A.2.5 nm,一次能源
B.2.5 μm,可再生能源
C.2.5×10-9 m,二次能源
D.2.5×10-6 m,化石能源
[答案]　D

3．关于能量和能源,下列说法错误的是(　　)
A.能量的转化、能量的转移,都是有方向性的
B.人类在耗用各种能源时,不可避免地会对环境造成影响
C.化石能源、水能、核能,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
D.可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向
[答案]　C

4．同学们都是未来理想能源的探索者和使用者。关于未来的理想能源,下列说法不合理的是(　　)
A.必须全部转化为电能,可以保证大规模使用
B.必须足够丰富,可以保证长期使用
C.必须足够便宜,可以保证多数人用得起
D.必须足够安全、清洁,可以保证不会严重影响环境
[答案]　A

5．近年,我市部分居民用上了管道天然气,天然气属于________能源(填“可再生”或“不可再生”)。点燃天然气,将食用油倒入锅中,通过________的方式使油的内能增加,温度升高;若油锅起火,可采取的措施是____________________(写一条)。
[答案]　不可再生　热传递　将菜倒入锅中(其他合理答案均可)

6．我们生活在电磁波的海洋中,当需要防止电磁波干扰时,通常用金属壳将电磁波与需加以屏蔽的区域隔开,避免电磁波进入,这种做法就是电磁屏蔽。中国科技馆有一个金属小屋,侧面的大窗上镶嵌着一块电磁屏蔽玻璃,如图所示。请你自选器材设计一个实验,检验这块电磁屏蔽玻璃是否能够屏蔽电磁波。写出实验步骤和判断方法。

[答案]　示例:
实验步骤:实验者持手机在屋外,观察到手机有信号;然后,实验者持手机在屋内关门后,观察手机是否有信号。
判断方法:如果屋内手机无信号,说明电磁屏蔽玻璃有屏蔽作用;如果屋内手机有信号,说明电磁屏蔽玻璃没有屏蔽作用。









信息

电话

话筒：把声信号转化为电信号
听筒：把电信号转化为声信号
交换机的作用：提高线路的利用率
通信方式：模拟通信、数字通信

电磁波

产生：电流迅速变化
传播：不需要介质，真空中电磁波的传播速度c=3x108m/s
波速、波长、频率的关系：
应用：无线电广播、电视、移动电话
信息之路：微波通信、卫星通信、光纤通信、网络通信

材料

材料的物理性质

导热性

导电性

导体：如金属等
半导体：如二极管（具有单向导电性）等
绝缘体：如陶瓷等

磁性
弹性
硬度
延展性
密度
比热容等

新材料：超导材料和纳米材料等

能源

能源分类

是否从自然界直接获取

一次能源：如化石能源、核能、风能、水能、太阳能等
二次能源：如电能

是否可以再生

不可再生能源：如化石能源、核能等
可再生能源：如风能、水能、太阳能等

核能：获得核能的两条途径

核裂变

核反应堆：可控的链式反应
原子弹：不可控的链式反应

核聚变（热核反应）

太阳内部
氢弹

太阳能

核能火炉
能源宝库
地球上大部分能量的来源
煤、石油、天然气的形成与太阳能有关
太阳能的利用：集热器、太阳能电池


能源危机

能量转移和转化过程是有方向性的，能源是有限的，要节约
能量消耗对环境的影响

可持续发展：开发可再生能源









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第十八章 信息、材料、能源和可持续发展 同步测试卷
1．笔记本电脑外壳多采用优质的ABS工程塑料,这主要是利用这种塑料的(　　)
A.导电性好　　B.磁性强　　C.密度大　　D.硬度大
[答案]　D

2．使用蓝牙耳机接听手机来电,信号传输示意图如图。蓝牙通信的电磁波(　　)
A.是蓝光
B.波长比手机通信的电磁波短
C.在真空中传播速度为340 m/s
D.在真空中传播速度比手机通信的电磁波小
[答案]　B

3．3G(第三代数字通讯技术)手机不仅能传递声音信息还能无线上网,3G手机传递信息是通过下列哪种波实现的(　　)
A.超声波　　B.次声波　　C.红外线　　D.电磁波
[答案]　D

4．“新材料”是相对于传统材料而言的,新材料的使用对推动社会进步正在发挥着越来越大的作用,下列关于“新材料”描述不正确的是(　　)
A.“超导材料”属于新材料
B.“超导材料”可以应用于电饭锅并使其效率提高
C.“半导体材料”的导电性会受温度、光照、杂质等外界因素的影响
D.“半导体材料”广泛应用于手机、电视机、电脑的元件及芯片
[答案]　B

5．下列关于电磁波和声波的说法错误的是(　　)
A.电磁波和声波都可以在真空中传播 B.电磁波和声波都可以传递信息
C.电磁波和声波都具有能量 D.声呐系统是利用超声波进行定位的
[答案]　A

6．如图是电磁波家族,真空中各种电磁波的传播速度相同。某类恒星温度较低,呈暗红色;另一类恒星温度极高,呈蓝色。根据所给信息可推测(　　)
A.红外线波长比蓝光波长短
B.红光与X射线都是电磁波
C.恒星温度越高,发出的光频率越低
D.真空中红光比无线电波传播速度大
[答案]　B


7．(多选)物质有很多属性,可以利用这些属性为我们服务。下列说法正确的是(　　)
A.电器外壳和导线外皮使用塑料,是利用材料的绝缘性
B.铁镬和铝锅使用金属制成,是利用了材料的导电性
C.制造飞机常用铝合金材料,是因为这些材料的密度较小
D.录像带将声音和图像记录并保存下来,应用了物质的超导性
[答案]　AC

8．广播电台的发射线路靠迅速变化的交变电流向外发射电磁波,交变电流在每秒内周期性变化1次发射的电磁波频率为1 Hz。若某电台节目发射频率为88.2 MHz,说明发射线路中的交变电流每秒钟周期性变化为______次。收音机通过______电磁波来工作,手机通过______电磁波来实现远距离通话。(后两空选填“发射”、“接收”或“发射和接收”)
[答案]　8.82×107　接收　发射和接收

9．组成物体的物质不同,它们的物理属性一般不同。在羽绒服、弹簧测力计、指南针和保险丝等物体中,利用弹性工作的是________,利用磁性工作的是________。
[答案]　弹簧测力计　指南针

10．在水银、硅、铁、玻璃中,属于半导体材料的是________。太阳能电池可将太阳能直接转化为______。在输电导线、发电机线圈、电炉丝中,不可能应用超导材料的是________。
[答案]　硅　电能　电炉丝

11．阅读下面的短文,回答问题
半导体制冷
半导体材料有P型半导体和N型半导体两种,除了可以用于各种电子元器件外,还可以用作制冷材料。如图是一个半导体制冷单元的原理图,P型半导体和N型半导体的上端和铜片A连接,下端分别与铜片B连接后接到直流电源的两端,此时电路的电流方向是从N型半导体经铜片A流向P型半导体,铜片A会从空气吸收热量,铜片B会向空气放出热量;反之,改变直流电源的正负极方向,使电流方向从P型半导体经铜片A流向N型半导体,这时铜片A会向空气放出热量,铜片B会从空气吸收热量。由于单个制冷单元制冷量很小,为了满足实际需要,需要多个制冷单元同时工作。
请回答下列问题:

(1)如图,若要使一个电冰箱箱内的温度下降,铜片A置于电冰箱______,铜片B置于电冰箱______(前两空选填“箱内”、“箱外”),这就是半导体电冰箱的工作原理。若将图中电源换成交流电源,此时电冰箱能否正常制冷?答:______。
(2)若将图中P型半导体与N型半导体位置互换,其他条件不变,则铜片A上表面空气的温度将______。若将图中电源正负极互换,其他条件不变,则铜片B表面空气的温度将______。
[答案]　(1)箱内　箱外(每空1分,共2分)　不能(2分)(2)上升　下降(每空1分,共2分)



12．以下微观粒子按空间尺度由小到大排序正确的是(　　)
A.原子　原子核　质子　　B.质子　原子核　原子　　
C.原子核　质子　原子　　D.原子　质子　原子核
[答案]　B

13．下列能源中属于可再生能源的是(　　)
A.煤　　B.水能　　C.石油　　D.天然气
[答案]　B

14．下列能源属于可再生能源的是(　　)
A.风能　　B.天然气　　C.核能　　D.石油
[答案]　A

15．关于能源、能量,下列说法正确的是(　　)
A.可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向
B.核能的利用会造成放射性污染,所以应该关闭核电站
C.能量是守恒的,不会发生能源危机
D.化石能源、水能、核能,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
[答案]　A

16．当今世界,科学高速发展,技术革新日新月异。以下与物理有关的科技论述中,正确的是(　　)
A.太阳能电池是把太阳能转化成内能
B.推广使用太阳能等新能源可以减缓“温室效应”
C.各种家用电器可以利用超导材料制作,能有效节约电能
D.纳米机器人能轻松钻入人体,是因为纳米尺度非常小,大约为10-3 m
[答案]　B

17．下列说法正确的是(　　)
A.电磁波可以传递信息,声波不能传递信息
B.当固体被压缩时,分子间的距离变小,作用力表现为引力
C.遥控器发出的红外线不能在真空中传播
D.地球上的能源主要来自于太阳,太阳能是一次能源
[答案]　D

18．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.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
[答案]　A
19．我市地处沿海,风力资源极为丰富,随着各项大型风力发电项目的建设,我市将成为广东省知名风力发电基地。如图甲是某地风力发电的外景。风力发电机组主要由风机叶片和发电机组成。请回答下列问题:

(1)风力发电利用的是风能,风能是清洁的________(选填“可再生”或“不可再生”)能源;
(2)风机叶片具有质量轻、强度高、耐磨损等性能,通常用密度________(选填“大”或“小”)、硬度大的复合材料制成;叶片形状像飞机的机翼,若叶片位置和风向如图乙所示,由于叶片两面空气流速不同而产生________差,使风叶旋转;
(3)风叶产生的动力通过传动系统传递给发电机,发电机是利用________原理,把机械能转化为电能;
(4)某风力发电机的输出功率与风速的关系如图丙所示,由图像可以知道,当风速在v1到v2之间时,风速越大,发电机组的电功率________;
(5)请你根据图像判断,台风来临时,能否给风力发电带来最大的经济效益?________(选填“能”或“不能”)。
[答案]　(1)可再生　(2)小　压力　(3)电磁感应　(4)越大　(5)不能










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第十八章 信息、材料、能源和可持续发展
知识梳理




































考点1 现代顺风耳——电话
1876年，美国的贝尔发明了电话。
最简单的电话由话筒和听筒组成。话筒相当于变阻器，听筒相当于扬声器。
为了提高线路的利用率，人们发明了电话交换机，一般电话之间都是通过电话交换机来完成的。
早期的电话交换机是手工操作的。1891年出现了利用电磁继电器接线的自动电话交换机。现在的程控电话交换机利用了电子计算机技术。
“占线”现象包括：① 对方的话机在使用；② 一般是打长途电话时，两台交换机之间有太多的用户要通话。
电话分模拟和数字两种。使用模拟信号的通信方式叫做模拟通信，使用数字信号的通信方式叫做数字通信。
模拟信号缺点：模拟信号在长距离运输和多次加工、放大的过程中，信号电流的波形会改变，从而使信号丢失一些信息，表现为声音、图像的失真，严重时会使通信中断。
数字信号优点：① 形式简单，数字信号只包括两种状态，抗干扰能力强；② 可以通过不同编码进行加密。
现代的电话全部采用数字信号进行传输和处理，但在交换机和用户家中一两千米的距离上，还在使用模拟信号。


考点2 电磁波的海洋
导线中电流的迅速变化会在空间激起电磁波。
光是一种电磁波。真空中电磁波传播的速度c是宇宙间物质运动的最快速度。
真空中电磁波的波速为c，它等于波长λ和频率f的乘积：c＝λf
其中c≈3×105km/s＝3×108m/s，λ的单位是米，f的单位是赫兹。
将电磁波按照波长由小到大顺序排序，分别是：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、短波、中波和长波。
雷达的天线能发射和接收电磁波。电磁波需要用天线来发射和接收。
在微波炉中，食物的分子在微波的作用下剧烈振动，使得内能增加，温度升高。







经典例题
1．电磁波是一个大家族，如图是它们的家族谱．下列说法错误的是（　　）

A．可见光也是一种电磁波
B．真空中不同电磁波的传播速度不同
C．红外线比紫外线的频率低
D．电磁波的频率越高，波长越短

2．如图是电磁波及其应用实例，下列说法正确的是（　　）

A．紫外线是紫色的
B．电视机遥控器用γ射线遥控
C．体检胸透用的电磁波频率比无线电波低
D．可见光与无线电波在真空中的传播速度相同

3．关于以下用电器说法正确的是（　　）

A．图中微波炉加热食品快是因为微波传播速度比电磁波速度快
B．图中烤箱是利用红外线对食物进行加热
C．图中条形码扫描器发出的是超声波
D．图中紫外线消毒灯发出的紫外线是可见光


4．电磁波家族有无线电波、红外线、可见光、紫外线等，它们的　 　相同（选填“频率”、“波长”或“波速”），它们都　能　在真空中传播，电台发射的某种电磁波波长为3m，其频率是　 　Hz．

考点3 广播、电视和移动通信
无线电广播信号的发射由广播电台完成。话筒把声音信号转换成电信号，用调制器把音频电信号加载到高频电流上，再通过天线发射出去。
信号的接收由收音机的天线完成，通过转动收音机调谐器的旋钮，可以选择特定频率的信号，经过放大，送到扬声器里。扬声器把音频电信号转换成声音。
图像信号的工作过程：摄像机把图像变成电信号，发射机把电信号加载到高频电流上，再通过天线发射出去。电视机的接收天线接收这样的高频信号，通过电视机把图像信号取出、放大，由显像管还原成图像。
移动电话机即是无线电发射台又是无线电接收台，工作时用电磁波将信息发射到空中，并在空中捕获电磁波。它跟其他用户的通话要靠较大的固定无线电台（基地台）转接，基地台与电话交换机相连。
由声音变成的电信号，它的频率跟声音的频率相同，在几十赫到几千赫之间，叫做音频信号。
由图像变成的电信号，它的频率在几赫到几兆赫之间，叫做视频信号。
音频电流和视频电流在空间激发电磁波的能力都很差，需要把它们加载到具有更好的发射能力的电流上，才能发射到天空中，这种电流就是射频电流。

考点4 越来越宽的信息之路
本节课提到了微波通信、卫星通信、光纤通信和网络通信。
作为载体的无线电波，频率越高，相同时间内传输的信息越多。微波的波长在10m～1mm之间，频率在30MHz～3×105MHz之间。一条微波线路可以同时开通几千、几万路电话。
微波的性质更接近光波，大致沿直线传播。因此，必须每隔50km左右就要建设一个微波中继站。
在地球的周围均匀地配置3颗同步通信卫星，就覆盖了几乎全部地球表面。
1960年，美国科学家梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器，它能产生频率单一、方向高度集中的激光。
激光的优点：平行度好、单色度好、亮度高。
通信用的激光一般在光导纤维中传播。光导纤维是很细的玻璃丝。激光在里面多次反射。
目前人们经常使用的网络通信形式是电子邮件。像“abc@server.com.cn”，表示信箱属于一个叫“abc”的人，他的服务器名叫“server.com.cn”。“cn”表示中国，“com”表示商业网站，“edu”表示教育网。
世界上最大的计算机网络是因特网。

经典例题
1．关于信息传递下列说法正确的是（　　）
A．蝙蝠是通过电磁波确定障碍物位置的 B．卫星与地面通过电磁波传递信息
C．电磁波和超声波可在真空中传递信息 D．卫星导航是靠声纳来传递路况信息的

考点5 能源家族
化石能源：煤、石油、天然气。
生物质能：由生命物质提供的能量称为生物质能。所有生命物质中都含有生物质能。
一次能源：可以从自然界直接获取的能源为一次能源。如风能、太阳能、地热能和核能。
二次能源：无法从自然界直接获取，必须通过一次能源的消耗才能得到的能源称为二次能源。如电能。
不可再生能源：凡是越用越少，不能在短期内从自然界得到补充的能源，都属于不可再生能源。如化石能源、核能。
可再生能源：可以从自然界中源源不断地得到的能源，属于可再生能源。如水的动能、风能、太阳能、生物质能。
按使用开发的时间长短来分类，能源还可以分成常规能源和新能源。如化石能源、水能、风能等数常规能源，核能、太阳能、潮汐能、地热能属新能源。

经典例题
1．下列关于信息的传递和能量的利用说法正确的是（　　）
A．利用声波和电磁波传递信息时都需要介质
B．手机利用超声波传递信息
C．煤、石油、天然气、太阳能等都是不可再生能源
D．核能是指原子核发生分裂或聚合时所释放的能量

考点6 核能
核能：原子核在分裂和聚合的过程中，可以释放出惊人的能量，这就是核能。
核裂变
裂变：用中子轰击比较大的铀核时，铀核变成两个中等大小的原子核，同时释放出巨大的能量，这个过程就是裂变。
链式反应：在裂变过程中，会同时产生几个新的中子，这些中子又会轰击其他的原子核，这一过程不断进行下去，于是裂变能持续下去，并释放更多的核能，这就是链式反应。
应用：核反应堆、原子弹。
核电站：核电站利用核能发电，它的核心设备是核反应堆。核反应堆中发生的链式反应，是可以控制的。
原子弹爆炸时发生的链式反应是不加控制的。
核聚变
聚变：如果将质量很小的原子核，如氘核和氚核，在超高温度下结合成新的原子核，会释放出更大的能能，这就是聚变。聚变又称热核反应。
应用：氢弹（不加控制的核聚变）
核聚变释放的能量更多，目前人类还无法控制核聚变。

经典例题
1．核能是人类开发和利用的一种有前途的新能源，下列说法不正确的是（　　）
A．核能不能短时间内从自然界得到补充
B．利用核能不会对环境造成影响
C．核电站利用核能发电，将核能转化为电能
D．化石能源仍然是我国目前消耗的主要能源

考点7 太阳能
在太阳的内部，氢原子核在超高温度条件下发生聚变，释放出巨大的核能。
大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射除去。
我们今天使用的煤、石油、天然气等化石燃料，实际上是来自上亿年前地球所接收的太阳能。
太阳能的利用：① 利用集热器加热物质（太阳能转化为内能）；
② 用太阳能电池把太阳能转化为电能（太阳能转化为电能）。
目前利用太阳能方面存在的困难：① 分散，不便于集中使用；② 功率变化较大，不稳定；③ 利用时转换效率太低。


经典例题
1．如图所示是利用太阳能电池工作的一种新型动力车．它上面的太阳能接收板的有效面积为8m2，天气晴朗且接收板正对阳光时，每平方米面积上每秒钟能接收到太阳辐射的能量为1000J，太阳能，电池提供的电压为120V，可供电动机正常工作的电流为10A．
（1）太阳能属于　 　（选填“可”或“不可”）再生能源．
（2）太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是　 　．
（3）电动机正常作时，将电能主要转化为　 　能，若转化效率是80%，且该车沿水平路面匀速行驶时所获得的牵引力是150N，则该车匀速行驶的速度是　 m/s．

考点8 能源革命
人类历史上不断进行着能量转化技术的进步，就是所谓的能源革命。
能源革命的轨迹：利用天然能源（太阳能、风能、水能）→钻木取火→蒸汽机的发明→利用电能→利用核能等新能源。
能量的转化和转移具有方向性。

经典例题
1．各种形式的能量都不是孤立的，它们可以在一定条件下发生转化，且能量的转化是有方向的，下面几幅图按能量转化的顺序，排列正确的是（　　）

A．①②③④ B．②③④① C．②①③④ D．①③④②

考点9 能源与可持续发展
21世纪的能源趋势：由于世界人口的急剧增加和经济的不断发展，能源的消耗量持续增长，特别是近40年以来，能耗增长速度明显加快，而目前人类的主要能源仍是化石能源。
能源消耗对环境的影响：人类在能源革命的进程中给自己带来了便利，也给自己带来了麻烦，主要表现为大量燃烧化石能源，使得空气污染和“温室效应”加剧；一些欠发达国家过分依靠柴薪能源，加剧了水土流失和土地沙漠化。
未来的理想能源必须满足以下四个条件：① 必须足够丰富；② 必须足够便宜，多数人用得起；③ 相关技术必须成熟；④必须足够安全，不会严重影响环境。
解决能源紧张的途径：由于人类的生存和发展使得能源的消耗量持续增长，因此人类必须不断地开发和利用新能源，同时增强节能意识，不断提高能源的利用率，这是目前解决能源紧张的重要途径。
我们对待化石能源的态度：减少使用。

经典例题
1．最近，科学家们研制出了一种超轻材枓“碳海绵”一一世界上最轻的一类物质，把一块“碳海绵”放在狗尾巴草上，狗尾巴草的茸毛几乎没变形．“碳海绵”比同体积的普通海绵轻得多．说明“碳海绵”这种材料的　 　较小，将“碳海绵”压缩80%后仍可恢复原状，这说明“碳海绵”发生的是　 　形变（选填“弹性”或“塑性”）．


2．潮汐能是一种可再生的清洁能源．潮汐发电是在海湾或有潮汐的河口建筑一座水坝，形成水库，如图所示，水坝下方有通道，内置水轮发电机组，无论涨潮或落潮，海水经过通道均可推动发电机组发电．有一所电站，发电机组在工作过程中能将20%的水能转化为电能，平均功率达到1.8×l04kW．该电站在某次涨潮前水库的水量为l06m3，涨潮后水库的水量为7×l06m3，并达到最高水位20m．涨潮过程中水流经过通道的平均流量（单位时间内通过的水的体积）Q为3×l06m3/h，海水密度为1.03×103kg/m3，那么在这次涨潮中：
（1）水库底部所受水的压强最大是多少？
（2）水流推动发电机组持续发电多长时间？
（3）水流对发电机组做了多少功？（g=10N/kg）




例题巩固
1．如图是电磁波家族,各种电磁波在真空中的传播速度相同。“红巨星”和“蓝巨星”分别是两类恒星。前者呈暗红色,温度较低。而后者呈蓝色,温度极高。根据所给信息你可以推测得到(　　)
A.恒星温度越高,发光频率越低
B.红巨星发出的红光与蓝巨星发出的蓝光都是电磁波
C.红外线波长比蓝巨星发出的蓝光波长短
D.在真空中,红巨星发出的红光的传播速度比蓝巨星发出的蓝光的小

2．关于电磁波,下列说法正确的是(　　)
A.红外线、紫外线、超声波都属于电磁波 B.不同频率的电磁波在真空中传播速度不同
C.电磁波可以传递信息和能量 D.电磁波的波长越长,频率越大

3．以下说法正确的是(　　)
A.半导体具有良好的导电性能 B.超导体是一种电阻很大的材料
C.纳米技术是大尺度范围内的科学技术 D.超导材料用于输送电力可以降低电能损耗

4．关于能源和能量,下列说法正确的是(　　)
A.在热传递过程中,热量能自发地从低温物体转移到高温物体
B.化石能源、水能和风能实际上都源自太阳能
C.为了避免城市的热岛效应,将核电站产生的核废料深埋在无人区
D.核能是可再生能源

5．黑匣子是用来记录飞机飞行中各种数据的装置,一旦出现空难,只要找到黑匣子,人们便可知道飞机失事的原因。黑匣子装备了水下信标,一旦飞机坠入水中,信标便开始发送超声波脉冲。从中我们可知(　　)
A.超声波脉冲可以在真空中传播
B.超声波脉冲可以被人耳直接听到
C.超声波脉冲主要是用来传递信息
D.超声波脉冲在水中的传播速度是3×108 m/s

6．关于材料和能源的说法,正确的是(　　)
A.我们日常生活中使用的二极管是由导体制成的
B.如果将来可以利用超导材料制造电子元件,就不必考虑散热问题
C.当前的核电站都是利用核聚变来获取核能的
D.太阳能是不可再生能源

7．4G手机使用4G网络,4G指的是第四代移动通信技术。4G是集3G与WLAN于一体,并能够传输高质量视频图像,4G系统能够以10 MB的速度下载,上传的速度也能达到5 MB,能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G网络在传输高质量视频图像信息时,首先把视频图像信息转换成________信号,再通过________来传输信息,它在真空中的传播速度是________m/s。

8．核能是一种新能源,核裂变是产生核能的一种方式,另一种核反应是________;半导体二极管具有________导电性;若用超导体输电,优点是可以在输电过程中________电能损失。

9．近代物理揭示了原子是由原子核和________组成;原子核由质子和________组成,其内部蕴含着大量的能量,若能使原子核发生核裂变或________,就能释放出大量的核能。


10．(3分)人们的生活已经离不开现代通信,现代通信可分为微波通信、________、______　和__________。




11．半导体和金属的导电能力随温度的变化特点是不同的,因此,利用它们制成的元件在生活中也各有各的用途。
温度/℃ 0 20 40 60 80
R的阻值/Ω 100 120 140 160 180
(1)一个由某半导体材料制成的加热器,通电后,加热器在发热的同时,也在向外界放热。图甲为发热功率P发热和散热功率P散热与温度t之间关系的图像。由图像可知,加热器工作时的稳定温度为________℃。当温度稍高于稳定温度时,P发热________(填“>”“=”或“<”)P散热,此时发热功率变________。
(2)某种家用固体电热灭蚊器就使用这种材料,当灭蚊器使用时,整个房间很快便充满了灭蚊片的味道,这是一种________现象。
(3)由某金属材料制成的电阻R与电源、电流表、电阻R'串联起来,连接成图乙所示的电路。用该电阻R做测温探头,把电流表的刻度改为相应的温度刻度,得到一个简单的“金属电阻温度计”。电阻R随温度t变化的情况如上面表格,则电流刻度较大处对应的温度刻度较________;电阻R'在该电路中起到________的作用。





课后作业
1．精细陶瓷以硬度大、耐高温、绝缘性能好、有的还有高透光性等特点成为当代新材料之一。下列陶瓷制品中主要利用耐高温这一物理属性的是(　　)
A.陶瓷制成的汽油机火花塞 B.陶瓷刀具
C.陶瓷制成的光导纤维 D.陶瓷制成的人工膝关节

2.2015年2月,著名媒体人柴静发布雾霾调查视频《穹顶之下》,其中谈到“中国的PM2.5(直径小于2.5微米的颗粒),百分之六十来自于燃煤和燃油”,关于“2.5微米及燃煤、燃油的能源名称”,下列选项表达正确的是(　　)
A.2.5 nm,一次能源
B.2.5 μm,可再生能源
C.2.5×10-9 m,二次能源
D.2.5×10-6 m,化石能源

3．关于能量和能源,下列说法错误的是(　　)
A.能量的转化、能量的转移,都是有方向性的
B.人类在耗用各种能源时,不可避免地会对环境造成影响
C.化石能源、水能、核能,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
D.可再生能源是未来理想能源的一个重要发展方向


4．同学们都是未来理想能源的探索者和使用者。关于未来的理想能源,下列说法不合理的是(　　)
A.必须全部转化为电能,可以保证大规模使用
B.必须足够丰富,可以保证长期使用
C.必须足够便宜,可以保证多数人用得起
D.必须足够安全、清洁,可以保证不会严重影响环境

5．近年,我市部分居民用上了管道天然气,天然气属于________能源(填“可再生”或“不可再生”)。点燃天然气,将食用油倒入锅中,通过________的方式使油的内能增加,温度升高;若油锅起火,可采取的措施是____________________(写一条)。

6．我们生活在电磁波的海洋中,当需要防止电磁波干扰时,通常用金属壳将电磁波与需加以屏蔽的区域隔开,避免电磁波进入,这种做法就是电磁屏蔽。中国科技馆有一个金属小屋,侧面的大窗上镶嵌着一块电磁屏蔽玻璃,如图所示。请你自选器材设计一个实验,检验这块电磁屏蔽玻璃是否能够屏蔽电磁波。写出实验步骤和判断方法。










信息

电话

话筒：把声信号转化为电信号
听筒：把电信号转化为声信号
交换机的作用：提高线路的利用率
通信方式：模拟通信、数字通信

电磁波

产生：电流迅速变化
传播：不需要介质，真空中电磁波的传播速度c=3x108m/s
波速、波长、频率的关系：
应用：无线电广播、电视、移动电话
信息之路：微波通信、卫星通信、光纤通信、网络通信

材料

材料的物理性质

导热性

导电性

导体：如金属等
半导体：如二极管（具有单向导电性）等
绝缘体：如陶瓷等

磁性
弹性
硬度
延展性
密度
比热容等

新材料：超导材料和纳米材料等

能源

能源分类

是否从自然界直接获取

一次能源：如化石能源、核能、风能、水能、太阳能等
二次能源：如电能

是否可以再生

不可再生能源：如化石能源、核能等
可再生能源：如风能、水能、太阳能等

核能：获得核能的两条途径

核裂变

核反应堆：可控的链式反应
原子弹：不可控的链式反应

核聚变（热核反应）

太阳内部
氢弹

太阳能

核能火炉
能源宝库
地球上大部分能量的来源
煤、石油、天然气的形成与太阳能有关
太阳能的利用：集热器、太阳能电池


能源危机

能量转移和转化过程是有方向性的，能源是有限的，要节约
能量消耗对环境的影响

可持续发展：开发可再生能源









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