高中物理必修2能源的开发与利用-例题解析

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1、能源的开发与利用-例题解析大自然赋予人类的能源可分为常规能源和新能源两大类.技术上比较成熟、使用较普遍的能源叫做常规能源(如煤炭、石油等).近几十年才开始利用或正在研究开发的能源叫做新能源.新能源是以新技术和新材料为基础、系统开发利用的能源.在新能源的开发中，重点在于开发太阳能、风能、地热能、波浪能、氢能和生物能等，它们的共同特点是资源丰富、可以再生、没有污染或很少污染，可以说是远有前景、近有实效的能源.【例1】某地强风的风速v=20m/s，设空气密度ρ=1.3kg/m3,如果通过横截面积为S=20m2的风的动能全部转化为电能，则用上述已

2、知量计算电功率的公式应为P=________，大小约为________W(取一位有效数字).解析:t秒内转化为电能的是以S为底、vt为高的柱体内风的动能，则柱体内风的质量为m=ρSvt，动能为Ek=mv2=ρSv3t，由此可得风力发电机的功率为P=ρSv3，代入数据可求得P=1×105W.【例2】水在热电厂的锅炉中变为水蒸气，通过涡轮带动发电机发电.用过的水蒸气在液化器中凝结成水，再到锅炉，循环使用.液化器中冷却的水回流到冷却塔中降温，如图4－32所示.求：图4－32(1)夏天，来自冷却塔的水温为16℃，而回到冷却塔的水温为30℃，若冷却

3、塔和液化器间水的流量为15m3/s，试求这个系统通过冷却塔散热的功率.(2)如果发电机的发电功率为56万千瓦，发电机把机械能转化为电能的效率为80%,不计水蒸气通过涡轮机过程中由于热传递造成的能量损失及涡轮机的摩擦，试求水蒸气的能量转化为电能的效率.解析:本题解决问题的关键是抓住能量转化关系：(1)水蒸气的能量主要转化为涡轮机的机械能和冷却水的内能.(2)机械能的80%转化为电能.求出冷却水每秒吸收的热量，即可求出系统的散热功率，再求出机械功率，就能求出总功率，然后求出电功率与总功率的比即为水蒸气的能量转化为电能的效率.(1)1s内冷却水

4、吸热Q吸=cm(t－t0)=cρV(t－t0)=4.2×103J/(kg·℃)×1.0×103kg/m3×15m3×(30℃－16℃)=8.82×108JP散=8.82×108W.(2)P电=80%P机P总=P散+P机=P散+=8.82×108W+=15.82×108W所以η=×100%=35.4%.【例3】由于人们长期使用煤和石油，这两种传统能源已被大量消耗，同时对环境造成了严重的危害.目前人们逐渐把关注的重点转移到新能源的开发和利用上，去探索高效、洁净的新能源.在21世纪，新能源将在能源消费构成中占据越来越重要的地位.1.既然任何能量

5、转化过程中其总量是守恒的，为什么人类社会仍有能源危机的产生？2.根据你所掌握的知识，说说目前国际上有关新能源的研究和开发主要集中在哪些方面.解析:1.虽然能的总量是守恒的，但各类能量在自然大环境下转化的时间和方式是各不相同的，人类目前使用的常规能源(煤、石油、天然气)只能再用不到200年，但这些能源的形成却需要几千万年时间.另外地球上各类能量在自然大环境下转化方式中，有些是不可逆的，根据热力学第二定律可知，任何自然界的宏观过程都具有方向性，也必然存在着能量耗散，而目前人类生活需要的能量是巨大的，故在不久的将来存在着能源危机.2.目前有关新

6、能源的研究和开发主要在如下几个方面：①光电池已在一些领域(如计算器、广告牌照明等)广泛使用；②太阳能已开始用于一些居民住宅和发电，以太阳能电池为能源的汽车也在实验中；③用汽油、天然气和氢作燃料的燃料电池也正在大力研制之中，研究员正在设法提高燃料电池的工作效率；④核能发电面临着一场革命，核反应器的设计将全面创新，未来的反应器将具有自动防止故障的能力而且体积将大大缩小；⑤再生能源的使用也在不断发展和扩大.根据美国能源部的报告，现在美国再生能源的供应量占美国总能源量的10%，据估计到2030年将增加到28%；⑥生物能发电的研究和作用.点评:本题

7、以“能源危机及新能源的开发”作为问题的切入点，主要考查学生综合分析的能力.它所涉及的知识点是自然科学中十分重要的内容，也是要求较高的内容.【例4】大规模开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求.太阳能的光—热转换是目前技术最为成熟、成本最低廉、应用最广泛的形式.太阳能热水器的构造示意图如图4－33甲所示，下方是像日光灯管似的集热管，外有透明玻璃管，内有黑色管子(管内蓄水)，由导热性能良好的材料制成，在黑色管和外面透明管间有空隙，并抽成真空，集热管的下方是一块光亮的铝合金板子，做成凹凸程度一定的曲面.图4－33试分析下列有关太阳能的

8、利用问题：1.说明太阳能热水器哪些结构与其功能相适应,水箱为何安装在顶部而非下部.2.图4－36乙中A是集热器，B是储水容器，在阳光直射下水将沿________时针方向流动，这是因为_____