09高考物理能源的开发和利用Word文档下载推荐.docx

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二、考点链接

能源危机是制约现代社会发展的严重问题，开发和利用可再生能源是中国立足自身解决能源困扰的重要举措．一切能量来自能源，能量是物理学的一重要概念,机械能、内能、电能、光能、核能……形形色色的能可以相互转化,但总能量保持不变,这就是能的转化与守恒定律,这一规律象一根红线一样惯穿整个高中物理.开发新能源和用能量转化的观点分析物体的运动与相互作用规律是近几年高考的热点.

三、例题分析

例1．某海湾共占面积,涨潮时水深20,此时若关上水坝闸门,可使水位保持20不变,退潮时坝外水位降至18,假设利用此水坝建水利发电站,已知重力势力转变为电能的效率为10%,每天有2次涨潮,则该电站一天能发出的电能是多少?

若输电电压为100,输电线的电阻是10,用户端得到的电功率是多少?

解析：

水的重力势能应从水的重心算起，一天2次涨潮、落潮，可发电2次，所以一天产生的电能为：

发电站的功率输电电流

输电线上损失的功率

用户得到的功率

例2．（2008年北京理综卷考题））风能将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。

风力发电机是将风能（气流的功能）转化为电能的装置，其主要部件包括风轮机、齿轮箱，发电机等。

如图1所示．

（1）利用总电阻的线路向外输送风力发电机产生的电能。

输送功率，输电电压，求异线上损失的功率与输送功率的比值;

（2）风轮机叶片旋转所扫过的面积为风力发电机可接受风能的面积。

设空气密度为p，气流速度为v，风轮机叶片长度为r。

求单位时间内流向风轮机的最大风能Pm;

在风速和叶片数确定的情况下，要提高风轮机单位时间接受的风能，简述可采取的措施。

（3）已知风力发电机的输出电功率P与Pm成正比。

某风力发电机的风速v19m/s时能够输出电功率P1=540kW。

我国某地区风速不低于v2=6m/s的时间每年约为5000小时，试估算这台风力发电机在该地区的最小年发电量是多少千瓦时。

图1

（1）导线上损失的功率为P=I2R=（

损失的功率与输送功率的比值

（2）

（2）风垂直流向风轮机时，提供的风能功率最大.

单位时间内垂直流向叶片旋转面积的气体质量为pvS,S=r2

风能的最大功率可表示为

P风=

采取措施合理，如增加风轮机叶片长度，安装调向装置保持风轮机正面迎风等。

（3）按题意，风力发电机的输出功率为P2=kW=160kW

最小年发电量约为W=P2t=160×

5000kW·

h=8×

105kW·

h

例3．人造地球卫星常常利用太阳能电池作为电源，太阳能电池由许多片电池板组成。

设某太阳能电池板的内电阻为r＝20Ω，它不接外电路时两极间的电压为8×

10－4V。

（1）该太阳能电池板的电动势为多大？

（2）该太阳能电池板的短路电流为多大？

（3）若在该太阳能电池板的两极间连接一只定值电阻R，R＝5Ω，则电阻R两端的电压为多大？

（1）电池板的电动势E等于不接外电路时两极间的电压U，即E＝U＝8×

10－6V

（2）由闭合电路欧姆定律I＝外电路短路时，R＝0I短＝

代入数值，得I短＝4×

10－5

（3）设电阻R两端的电压为URUR＝IR结合上式有UR＝

代入数值，得UR＝1.6×

10－4V

例4．据报道，1992年7月，美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机进行了一项卫星悬绳发电实验，实验取得了部分成功.航天飞机在地球赤道上空离地面约3000km处由东向西飞行，相对地面速度大约6.5×

103m/s，从航天飞机上向地心方向发射一颗卫星，携带一根长20km，电阻为800Ω的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直，做切割磁感线运动.假定这一范围内的地磁场是均匀的.磁感应强度为4×

10-5T，且认为悬绳上各点的切割速度和航天飞机的速度相同.根据理论设计，通过电离层（由等离子体组成）的作用，悬绳可以产生约3A的感应电流，试求：

（1）金属悬绳中产生的感应电动势；

（2）悬绳两端的电压；

（3）航天飞机绕地球运行一圈悬绳输出的电能（已知地球半径为6400km）.

将飞机下金属悬绳切割磁感线产生感应电动势看作电源模型，当它通过电离层放电可看作直流电路模型.如图2所示.

（1）金属绳产生的电动势：

E=Blv=4×

10-5×

20×

103×

6.5×

103V=5.2×

103V

（2）悬绳两端电压，即路端电压可由闭合电路欧姆定律得：

U=E-Ir=5.2×

103-3×

800V=2.8×

103V

图2

（3）飞机绕地运行一周所需时间

t==s=9.1×

103s

则飞机绕地运行一圈输出电能：

E=UIt=2800×

3×

9.1×

103J=７.6×

107J

例5．磁流体发电技术是世界上正在研究的新兴技术，它有效率高（可达45％-55％，火力发电效率为30％）、污染少等优点，将一束等离子体（高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒）以声速的0.8～2.5倍的速度喷射入匀强磁场中，磁场中有两块金属板A，B（相当于电源的两个极，并与外电阻R相连），这时A，B上就积聚电荷产生电压，设粒子所带电量为q，进入磁场的喷射速度是v，磁场的磁感应强度为B，AB间的距离为d．

（1）说明磁流体发电中能量的转换关系，求出两极间电压的最大值．

（2）设磁流体发电机内阻为r，当外电阻R是多少时输出功率最大?

并求最大输出功率．

（3）磁悬浮现象是指将某种低温液态物质倒入金属盘后，能使金属盘达到转变温度从而产生超导现象，在金属盘上方释放一永磁体，当它下落到盘上方某一位置时即产生磁悬浮现象，试分析说明产生磁悬浮现象的原因．

（4）利用磁悬浮现象，人们已经设计制成磁悬浮高速列车，此种列车车厢下部装有电磁铁，运行所需槽形导轨的底部和侧壁装有线圈，其作用是什么?

这种列车的运行速度是一般列车的3～4倍，简述能达到这样高速的原因．

（1）磁流体发电是由等离子体动能转化成电能；

当两极间有最大电压时，进入两极间的等离子体所受的电场力与洛伦兹力相等，根据＝qvB，得最大电压为＝Bvd；

（2）当外电阻R＝r时，此磁流体发电机有最大功率

（3）这是由于永磁体被释放下落的过程中穿过金属盘的磁通量增加，盘中将产生感应电流（因是超导材料，无焦耳热产生），其磁场方向与永磁体的磁场方向相反，从而使永磁体受到阻碍其下落的力，使磁体保持悬浮状态；

（4）磁悬浮高速列车车厢下部装有电磁铁，运行所需槽形导轨的底部和侧壁装有线圈，其作用是提供磁场，列车能达到这样高速的主要原因是大大减小了运行中的摩擦力。

例6．在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势。

在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。

核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能．

（1）核反应方程式U+n→Ba+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为，a=。

以mU、m、分别表示U、Ba、Kr核的质量，mn、mp分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能△E=。

（2）有一座发电能力为P=1.00×

106kW的核电站，核能转化为电能的效率η=40%。

假定反应堆中发生的裂变反应全是本题

（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能△E=2.78J，U核的质量。

求每年（1年=3.15×

107s）消耗的U的质量．

（1）由核反应过程中电荷守恒和质量守恒得X为n；

a=3

．由质能方程可知放出的核能为（

（2）反应堆每年提供的核能其中T表示1年的时间

以M表示每年消耗的U的质量，得

解得，代入数据得M

四、相关练习及参考答案

1.汽车电动机启动时车灯会瞬时变暗，如图3所示，在打开车灯的

情况下，电动机未启动时电流表读数为10A，电动机启动时电流表

读数为58A，若电源电动势为12.5V，内阻为0.05Ω，电流表内阻

不计，则因电动机启动，车灯的电功率降低了（）图3

A．35.8WB．43.2WC．48.2WD．76.8W

2．如图4所示，带正电的点电荷固定于Q点，电子在库仑力作用下，做以Q为焦点的椭圆运动。

M、P、N为椭圆上的三点，P点是轨道上离Q最近的点。

电子在从M经P到达N点的过程中

A.速率先增大后减小B.速率先减小后增大

C.电势能先减小后增大D.电势能先增大后减图4

3．如图5所示，一轻质弹簧一端悬挂在天花板上，另一端吊一条形磁铁，使弹簧发生一形变Δx，使磁铁上下振动，由于空气阻力，经过t1时间，磁铁停下来。

若将磁铁下方放置一电阻恒定的圆形团合线圈，再使弹簧发生一同样的形变Δx，使磁铁上下振动，经过t2时间，磁铁停下来，则t1和t2的关系是（）

A.t1=t2B.t1<

t2

C.t1>

t2D.无法确定

图5

4．如图6所示，两根倾斜平行放置的光滑导电轨道，轨道间接有电阻R，处于垂直轨道平面的匀强磁场中，一根放置在轨道上的导体棒在拉力F作用下，

沿轨道匀速上滑，同在上滑的过程中（）

A、作用在ab杆上所有力做功的代数和为零

B、拉力F和安培力做功的代数和等于ab杆机械能的增加量

C、拉力F和和重力做功的代数和等于回路内能的增加量

D、拉力F所做的功等于ab杆机械能与回路内能增加量之和

5．风能是可以再生的能源，是可持续利用的“清洁”能源，因此被称为“蓝天白煤”，已知空气密度为，风速为，风力发电机可把垂直通过面积为S的风的动能转化为电能。

求该风力发电机的功率。

6．横截面积为3dm2的圆筒内装有0.6kg的水．太阳光垂直照射2min，水温升高了l℃．设大气顶层的太阳能只有45％到达地面，试估算太阳的全部辐射功率为多少瓦．（保留1位有效数字，设太阳与地球之间距离为1.5×

1011m）

7．推行节水工程的转动喷水“龙头”如图7所示，“龙头”距地面高度为，其喷灌半径可达10，每分钟喷水的质量为，所用的水从地下深的井里抽取，设水以相同的速度喷出，若水泵效率为，则配套电动机的功率P至少为多少？

（取）。

8.一条河流，流量，落差，现利用其发电，若发电机总效率为50%，输出电压为240V，输电线路总图7

电阻，允许损失功率为发电机输出功率的6%，为满足用电的要求，使用户获得220V电压，则该输电线路所使用的理想升压、降压变压器的匝数比各是多少？

能使多少盏“220V100W”的电灯正常