初中物理 知识竞赛辅导讲座 二十二能源和可持续性发展.docx

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初中物理知识竞赛辅导讲座二十二能源和可持续性发展

初中应用物理知识竞赛辅导讲座二十二

能源和可持续性发展

【重点知识解读】

1.凡是能够提供能量的物质资源叫做能源，能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础。

2.由于原子核的变化而释放的巨大能量叫做核能，也叫原子能。

获得核能的方式是重核裂变和轻核聚变。

3.太阳能是安全清洁、不污染环境、取之不尽用之不竭的永久性能源。

4.化石燃料（煤、石油、天然气）、水流能、风能、海洋能、生物能都是来源于太阳。

地热能、核能来源于地球本身。

5.人类解决能源消耗迅速增长的方法是：

不断开发新能源，充分开发利用太阳能、核能、风能、水流能、地热能等。

尽量提高能源利用率，开发生产节能产品，以充分发挥现有能源。

【竞赛知识拓展】

1．利用太阳能的途径：

一是把太阳能转化为内能，例如太阳能热水器；二是利用太阳能发电，例如太阳能热电站；三是通过光电转换装置（太阳能电池）把太阳能直接转化为电能。

2．利用风力发电。

3．利用水流能发电。

4．利用核能发电。

现有的核电站都是利用重核裂变是否的核能发电的。

【经典竞赛题分析】

例1（2011全国初中应用物理知识竞赛题）微波炉是一种利用向食物发射微波，进而将以微波形式存在的电磁能转化为内能来对食物加热的厨具。

因为微波可以深入食物表面内约5cm，因此与蒸烤类厨具比较，具有加热更加迅速的特点。

小明家最近买了一个微波炉，他听人们讲利用微波炉对食物加热，不仅加热时间短，还具备加热效率高的特点。

为了验证后一种说法，他决定借助电能表、手表、温度计等器材实际测量一下微波炉在高火挡烧水时的效率。

为此他查看了家中微波炉后面的铭牌，上面注明额定输入功率为1200W，他又查看了他家的单相电子电能表，上面注明3200imp/kW·h（它表示每消耗电能1kW·h，该电能表上面的发光二极管闪烁3200次）。

之后，他关闭其他所有家用电器，将体积为1L、温度为20℃的水放入微波炉并用高火开始加热，同时用钟表计时并记录电能表上面的发光二极管闪烁的次数，历时4min，电能表上面的发光二极管闪烁了256次，此时取出并测得水的温度为72℃，请你帮助小明计算微波炉烧水时的效率。

微波炉中发射微波的器件叫做微波管，若某微波炉内的微波管只有一只，且该微波管只能在额定电压下以额定功率工作，请回答这个微波炉是如何仅仅利用这只微波管实现在不同挡位工作的呢?

解：

4min微波炉消耗电能：

E=

J=2.88×105J。

水的质量m=ρV=1×103×1×10-3kg=1kg。

水吸收热量Q=cm（t-t0）=4.2×103×1×（72-20）J=2.18×105J。

微波炉效率η=Q/E=76%

当微波炉中的微波管在额定电压下以额定功率连续工作时，设定为高火档；当微波炉中的微波管在额定电压下以额定功率间隙工作时，设定为非高火档；且工作时间与不工作时间的比值越小，微波炉的档位越低。

例2（2011全国初中应用物理知识竞赛试题）随着新能源、低碳等理念的普及，小明设想出了一种完全以太阳能电池为能源的汽车，以下是他查到的一些数据:

太阳辐射的总功率P总=3.9x1026W，太阳到地球的距离口1.5x1011m，阳光穿过太空和地球周围的大气层到达地面的过程中的能量损耗约为51%;太阳光垂直照射时，太阳能电池的能量转化效率最高约为15%;假设一辆太阳能电池车的质量约为750kg，期望达到的最高时速为72km/h，车辆行驶过程中的平均阻力约为车重的0.02倍，车身最多能敷设的太阳能电池板的面积约为8m2，驱动电机能够将输入功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率。

（已知半径为r的球的表面积为S=4πr2）

1.根据以上数据，通过计算对小明的设想进行分析与评价。

2.你对他的设想有什么改进建议?

【解析】1.驱动电机需要达到的最大机械输出功率：

P机=Fv=kmgv=0.02×750×10×20W=3×103W。

需要的电功率：

P电=

=

W=3.33×103W。

垂直于太阳光的太阳能电池板得到的太阳辐射最大功率：

P日=

=

W/m2=676W/m2.

车上的太阳能电池板所能提供的最大电功率：

P电池=η3P日S=15%×676×8W=811W<3.33×103W。

以上所算数据为晴朗无云、太阳能电池板始终垂直于阳光时的数据。

实际上汽车上的电池板很难做到始终与太阳光垂直，其实际提供的电功率会小于P电池，不能满足驱动电机的需求。

2.改进建议：

减轻车体自身重、降低车辆行驶时的阻力、减小机械损耗、降低车辆设计最高时速、提高电机效率、兼容其他能源动力、使用蓄电池供电、在车顶安装折叠式太阳能电池板、停车时将太阳能电池转化的电能存入蓄电池、研发高效率太阳能电池板。

【点评】此题考查功率、效率等知识点。

此题第1小题，具有多种解法，只要正确即可；第2小题，具有开放性，答出任意两点即可。

【竞赛实战训练】

1.（2011上海初中物理知识竞赛试题）近年来全球变暖最主要的原因是

A．被大气吸收的太阳辐射增加B．被大气反射到太空的太阳辐射增加

C．被大气吸收的地表辐射增加D．被地表反射到太空的太阳辐射增加

1.答案：

C解析：

近年来全球变暖最主要的原因是大气中温室气体增多，被大气吸收的地表辐射增加，选项C正确。

2.（2011全国初中应用物理知识竞赛试题）.动车组列车进站前的减速过程分为两个阶段进行:

第一阶段采用“再生刹车”技术，速度从250km/h减至90km/h，这期间停止动力供给，列车依靠惯性继续前行，并带动发电机发电；第二阶段采用机械刹车，速度从90km/h开始不断减小直至停止；关于列车进站过程中的能量转化，下列说法中正确的是（）

A.第一阶段减小的动能全部转化为电能，即电能等于减小的动能。

B.第一阶段减小的动能有一部分转化为电能，即电能小于减小的动能。

C.第二阶段减小的动能主要转化为内能，且内能等于减小的动能。

D.第二阶段减小的动能主要转化为内能，且内能大于减小的动能。

2.答案B解析：

列车进站过程中的能量转化，第一阶段减小的动能有一部分转化为电能，一部分转化为内能，即电能小于减小的动能，选项错误B正确。

第二阶段减小的动能主要转化为内能，另一部分转化为电能，且内能小于减小的动能，选项CD错误。

3.（2011全国初中应用物理知识竞赛初赛）空气热源型热泵热水器是利用空气作为低温物质，通过介质〔工作物质）吸收空气中的热能，再利用热泵技术（类似电冰箱工作原理）消耗少量的电能驱动压缩机，使介质成为高温物质并对冷水进行加热。

热泵热水器具有高效节能、不受天气影响等优点，已列人国家推广火炬计划。

则该种热水器内介质汽化的发生位置和吸放热情况是（）

A．在低温物质处，介质从空气中吸热   B在低温物质处，空气从介质中吸热

C.在高温物质处，介质从冷水中吸热    D在高温物质处，冷水从介质中吸热

3.答案：

A解析：

该种热水器内介质汽化的发生位置在低温物质处，介质从空气中吸热，选项A正确。

4.伊拉克战争、利比亚战争、一触即发的西方国家与叙利亚战争和

西方国家与伊朗战争……其实，这一切都与能源有关！

在下列有关能或能源的讨论中，你认为错误的是（）

A．人类社会面临能量危机，总有一天能量会被消耗殆尽

B．煤、石油、天然气等的储量有限，人类面临能源危机

C．很多传统能源已走向枯竭，但我们可以开发新的能源

D．太阳能、风能、水力、地热能、潮汐能实际是无限的

答案：

A解析：

煤、石油、天然气等的储量有限，人类面临能源危机，总有一天可以被人类利用的矿石能源会被消耗殆尽，选项A说法错误。

5.（2012•湖北黄冈）我国南海海底蕴藏着大量的“可燃冰”，它是天然气和水在低温高压下形成的固态物质，因外形晶莹剔透，酷似冰块却能燃烧而得名，是一种燃烧值高、清洁无污染的新型能源。

下列说法正确的是（）

A．可燃冰是可再生能源B．可燃冰的能量来自亿年前的太阳能

C．可燃冰是核聚变反应生成的D．可燃冰燃烧时核能转化为内能

5.答案：

B解析：

可燃冰是不可再生能源，可燃冰的能量来自亿年前的太阳能，可燃冰燃烧时化学能转化为内能，选项B正确.

6.核电站利用核能发电，它的核心设备是核反应堆。

下列说法错误的是（）

A、目前核电站都是通过聚变反应来利用核能

B．核反应堆中发生的链式反应是可以控制的

C、原子核分裂或聚合时释放出核能

D、核能是一种不可再生的能源

答案：

A解析：

目前核电站都是通过重核裂变来利用核能，选项A错误。

二．填空题

1.（2009上海初中物理知识竞赛复赛题）

10.如图是一种给农作物灌溉的“滴灌”装置，图中的p为进水总阔，q为一种特制的滴水头，该滴水头每分钟滴水的数目相同，每滴水的体积也相同。

在横截面积相同的一根直管上共装有100个滴水头。

第36个滴水头与第37个滴水头间水管中的水流速度为v1．，第64个滴水头至第65个滴水头间水管中的水流速度为v2，则速度的大小关系为v1____v2（选填：

“>”、“<”或“=”），且vl∶v2=_______。

1.答案：

>16∶9

解析：

根据题述，第36个滴水头与第37个滴水头间水管中的水流量和第64个滴水头至第65个滴水头间水管中的水流量之比为64∶36，由流量公式Q=Sv可知，vl∶v2=64∶36=16∶9。

2.（2011全国初中应用物理知识竞赛初赛）汽车的诞生改变了人类的生活方式。

事实上，人类很早就在探寻着更好的代步工具，法国人居纽于1769年制造了世界上第一辆蒸汽驱动的三轮车。

现在你看到的这幅漫画（如图），据说是牛顿所设计的蒸汽汽车原理图，试就该原理图回答下列问题：

（1）找出原理图中运用的物理知识有。

（2）该原理图中涉及到能量转化过程有。

（各写出一点即可）

2.答案：

杠杆原理；力的作用是相互的；以滚动代替滑动（以滚动来减小摩擦）；沸腾产生蒸汽（液体的沸腾）；不同形式的能量之间可以相互转化等 

（2）通过燃烧将化学能转化为内能，蒸汽向后喷出将内能转化为机械能

三．综合应用题

1.（2009上海初中物理知识竞赛复赛第21题）

（1）（8分）小灯泡（点光源）发出的光沿半径向外传播，在单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的光能叫做光强。

有同学设计并进行了如图所示的实验：

将一个“6伏，8.0瓦”的小灯泡接入电路，使之正常发光，在灯泡灯丝的同一水平面、正对光线方向放一个光强传感器，以测定与光源间距为d时相应的光强值I，测得多组数据；将数据标在I-1/d2坐标图上，得到一根过原点的直线。

根据图线，求出该小灯泡将电能转化为光能的效率。

（已知球表面积计算公式为S=4πR2，R为球半径）

（2）（6分）L1、L2为两盏额定电功率为200瓦照明用的路灯，其发光效率与光能的传播规律同上述实验。

L1,L2安装在离地面高5米处，P为路灯连线中点的正下方路面上的一点，为使照射到P点的光强不小于0.013瓦·米-2，则相邻两盏路灯之间的最远距离为多少？

解析：

（1）距离光源为d的球面上光强为I=

η，

I-1/d2图线斜率为3.33，

由Pη/4π=3.33，求得该小灯泡将电能转化为光能的效率η=52.3%。

（2）设一盏路灯的电功率为P0，地面P点跟路灯的连线与地面的夹角为θ，则地面P点处垂直光的传播方向上的光强为：

I=k·

=

η·

考虑到相邻两盏灯同时照亮，地面不垂直光的传播方向，地面实际的光强为：

η·

·2·sinθ=

ηsin3θ。

由题意知，这一光强应等于0.013瓦·米-2。

即：

ηsin3θ=0.013W/m2，

代入P0=200W，h=5m，解得sinθ=0.581，即θ=35.52°。

两灯之间的最大距离为L=2×hcotθ==2×5×cot35.52°m=14.0m。

2.（2009全国初中应用物理知识竞赛题）

右图所示为一种太阳能照明灯，太阳能电池板供1只“220V40W”的电子节能灯工作。

若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3m2，地球上该处与太阳光垂直的表面接收的太阳辐射能约为7.2×104J／（min·m2），太阳光照一天，恰好可供电子节能灯工作10h。

假设太阳光一直垂直照射太阳能电池板，且不考虑天气影响，每天以8h计算。

求：

（1）．太阳能照明灯利用太阳能的效率大约是多少?

（2）．若200W的白炽灯与这种40W的电子节能灯的发光效果相当。

请你根据下表中数据计算说明：

按目前价格使用这种太阳能照明灯与使用这种白炽灯相比在经济上是否有优势?

（灯每天工作10h，一年按365天计算）

额定电压/V

额定功率/W

平均寿命

每只售价/元

每度电费/元

白炽灯

220

200

1000小时

2．0

0.5

电子节能灯

220

40

8000小时

20

太阳能电池板

20年

1500

解析：

（1）.太阳能电池板工作一天（按8h计算）吸收的太阳能E=7.2×104×0.3×8×60J≈1.04×107J

照明灯工作10h消耗电能W=Pt=40×10×3600J=1.44×106J.

太阳能照明灯利用太阳能的效率大约是η=W/E=

=14%.

（2）.在相同的时间内（20年）进行比较：

白炽灯（或节能灯）工作总时间：

20×365×10h=73000h。

使用白炽灯的情况：

需要的灯数为73000/1000=73盏，

购买白炽灯的费用73×2.0元=146元。

白炽灯所消耗的电能W=Pt=0.2×73000kW·h=14600kW·h

需交电费14600×0.5元=7300元。

共计费用146元+7300元=7446元。

使用太阳能照明灯情况：

需要的灯数为73000/8000=10盏，

购买太阳能照明灯的费用10×20元=200元。

共计费用1500元+200元=1700元。

7446元>1700元，这说明使用这种太阳能照明灯比使用白炽灯在经济上有很大优势。

2（16分）（2009全国初中应用物理知识竞赛复赛题）小李把一袋体积为200mL、温度为10℃的牛奶放进微波炉中，用高火加热lmin，牛奶被加热至50℃，达到适宜饮用的温度。

小李家微波炉的部分技术数据如下表所示，牛奶的密度和比热容与水的密度和比热容接近。

请计算说明：

（1）．微波的波长是多少?

（2）．如果电价为0.5元／度，按上述条件加热10袋这样的牛奶需要多少电费?

（3）．该微波炉在加热牛奶时的效率是多少?

2.解答：

（1）．电磁波的速度：

c=3×108m/s

因为：

c=λf所以：

λ=c/f=3×108/2450×106m

（2）．加热一袋牛奶需要消耗的电能：

W=Pt=1300×60J=7.8×104J

加热10袋牛奶需要消耗的电能：

W总=7.8×104×10J=7.8×105J=0.22kW·h

加热10袋牛奶需要电费：

0.22×0.5=0.11元

（3）．一袋牛奶被加热至适宜饮用的温度需吸热：

Q吸=cm（t2-t1）=4.2×103×200×10-6×1.0×103×（50-10）J=3.36×104J。

该微波炉在加热牛奶时的效率：

η=Q吸/W=3.36×104/7.8×104=43%。

3、（2009全国初中应用物理知识竞赛复赛题）小兰家的全自动家用豆浆机的部分技术数据如下表所示。

额定电压

220V

电机功率

180W

额定频率

50Hz

加热功率

800W

加干豆量

75g

加水量

1200mL

制作豆浆的程序大致如下：

（水温为20℃）

工作程序

加热→

打浆→

煮浆→

防溢延煮→

断电报警

工作时间

与状态

电热器开始

加热，8min

后，水温达

到打浆设定

温度。

电机带动刀片高速打浆，打浆共4次，每次打15s，间隔15s。

电热器继续加热，直至豆浆第一次沸腾，耗时2min。

电热器间断加热，（每加热lmin，停20s）使豆浆反复煮沸，充分煮熟。

共6min40s结束。

机器发出声光报警，提示豆浆已做好

小兰在用该豆浆机制作豆浆之前关闭了她家所有的用电器开关，然后在豆浆机开始制作豆浆的同时，开始记录她家电能表（如图3所示）的转盘转过的圈数，当豆浆机发出声光报警时为止，数得电能表的转盘转过了74圈。

请回答：

（1）．煮好一锅这样的豆浆需要消耗多少电能?

（2）

．根据第1问的计算结果，计算制作一锅这样豆浆的过程中她家电能表的转盘应转过多少圈?

（3）．第2问中计算的结果与小兰实际记录的圈数相符吗?

如不相符，请说出你对产生这一偏差的猜想。

3解答：

（1）．煮好一锅这样的豆浆需要消耗电能：

W=W1+W2=P1t1+P2t2

=800×（8×60＋2×60＋400×

）J＋180×4×15J=730800J

（2）．电能表应当转过的圈数：

n=

圈=73圈

（3）．不相符。

猜想：

（1）某些电器在关闭开关后，仍处于待机状态，消耗电能；

（2）家庭电路电压偏低，豆浆机实际功率偏小；（3）在制作豆浆过程中，豆浆机向环境散热；（4）电能表存在误差；（5）小兰记录存在误差；（6）导线发热消耗电能。

4．（2009年全国初中应用物理知识竞赛）图1所示为一种太阳能照明灯，太阳能电池板供1只“220V40W”的电子节能灯工作。

若太阳能电池板接收太阳能的有效面积为0.3m2，地球上该处与太阳光垂直的表面接收的太阳辐射能约为7.2×104J／（min·m2），太阳光照一天，恰好可供电子节能灯工作10h。

假设太阳光一直垂直照射太阳能电池板，且不考虑天气影响，每天以8h计算。

求：

（1）．太阳能照明灯利用太阳能的效率大约是多少?

（2）．若200W的白炽灯与这种40W的电子节能灯的发光效果相当。

请你根据下表中数据计算说明：

按目前价格使用这种太阳能照明灯与使用这种白炽灯相比在经济上是否有优势?

（灯每天工作10h，一年按365天计算）

额定电压/V

额定功率/W

平均寿命

每只售价/元

每度电费/元

白炽灯

220

200

1000小时

2．0

0.5

电子节能灯

220

40

8000小时

20

太阳能电池板

20年

1500

解析：

（1）.太阳能电池板工作一天（按8h计算）吸收的太阳能：

E=7.2×104×0.3×8×60J≈1.04×107J

照明灯工作10h消耗电能：

W=Pt=40×10×3600J=1.44×106J.

太阳能照明灯利用太阳能的效率大约是η=W/E=

=14%.

（2）.在相同的时间内（20年）进行比较：

白炽灯（或节能灯）工作总时间：

20×365×10h=73000h。

使用白炽灯的情况：

需要的灯数为73000/1000=73盏，

购买白炽灯的费用73×2.0元=146元。

白炽灯所消耗的电能W=Pt=0.2×73000kW·h=14600kW·h

需交电费14600×0.5元=7300元。

共计费用146元+7300元=7446元。

使用太阳能照明灯情况：

需要的灯数为73000/8000=10盏，

购买太阳能照明灯的费用10×20元=200元。

共计费用1500元+200元=1700元。

7446元>1700元，这说明使用这种太阳能照明灯比使用白炽灯在经济上有很大优势。

【点评】此题以太阳能的利用和电子节能灯为素材，考查能量、功率、斜率及其相关知识。

5．（2007年全国初中应用物理知识竞赛）空气的流动形成风，风具有能量，称为风能。

风能具有来源丰富、安全卫生等优点。

图2A是我国某地区风力发电的外景图。

风力发电机中的叶片在风力的推动下转动，并带动机头发电机发电，为人们提供电能。

设该地区空气密度为1.3kg/m3,一台风车的轮叶转动时可以形成面积为600m2的圆面。

（1）

、若风速为10m/s，则ls内冲击到风车轮叶形成的圆面的空气质量是多少kg？

已知1kg空气以这样的速度运动时具有的动能是50J，10台这样的风车工作ls所产生的电能可供1盏“220V60W”灯炮正常工作2h，求这种风车发电的效率。

（2）、若此地年平均风速为15m/s，100台这样的风车一年（工作时间按4000h计算）获得的风能相当于完全燃烧多少kg煤？

（煤的热值为3×107J/kg）

（3）、请你结合风力发电的实际情况及图4中的有关信息说明自前风力发电开发的困难和前景。

解析：

（1）．每秒钟通过的空气流的长度为：

L=vt=10m/s×1s=10m。

每秒钟通过风车轮叶形成的圆面空气流的体积V=SL=600m2×10m=6×103m3。

每秒钟通过风车轮叶空气流的质量为：

m=V=1.3kg/m3×6×103m3=7.8×103kg。

1台风车工作1s获得的空气的动能为：

E0=7.8×103kg×50J/kg=3.9×105J。

10台风车工作1s获得的空气的动能为：

E=10E0=10×3.9×105J=3.9×106J。

10台风车工作1s产生的电能为：

E电=Pt=60W×2×3600s=4.32×105J

风车发电的效率为：

η=E电/E×100%=4.32×105J/3.9×106J×100%=11%。

（2）．100台风车1s获得的风能为E0‘=100×12×104J=12×107J

100台风车一年获的风能为E总=4000×3600×1.2×107J=1.728×1014J

如果这些能量是由完全燃烧煤来获得，则煤的质量应为：

m=E总/q=1.728×1014J/3×107J/kg=5.76×106kg

（3）．风力发电的实际困难为：

风力不稳定，前期投资大，导致风力发电成本较高等。

前景：

随着技术不断的成熟，成本下降较快，有望低于火力发电成本；风力发电对环境几乎没有污染等。

【点评】此题以风车发电为切入点，考查密度、动能、能量、效率、热值及其相关知识点。

6．（2009年全国初中应用物理知识竞赛）在一些农村地区建造的沼气池，通过将农村大量的秸秆、人畜粪便发酵来获取沼气，利用沼气来烧火做饭，点灯照明。

沼气池的应用，不仅使上述资源得以更好的利用，同时也给生活带来了诸多便利，使环境得以改善。

这是一个一举多得的惠民工程。

图3所示为一农户的水压式沼气池的剖面简图。

说明：

1．沼气池2．水压池3．进料口4．密封盖5．输气管6．贮气室7．沼气压力显示器8．总阀门9．U形管压强计（里面装有染成红色的水）l0．出料口盖板（不密封水压池，水压池仍与外面大气相通）11．阀门

已知该农户家燃气灶的相关技术数据如下：

使用燃料

液化石油气

天然气

人工煤气

人工沼气

灶前压强（kPa）

2.8

2.0

1.0

0.5

额定热流量（kW）

普通炉

左：

3.6

组合炉

左：

3.6

右：

4.0

右：

3.6

单炉

4.0

取g=10N／kg，水的比热容c水=4.2×l03J／（kg·℃）

（1）．根据图3所示，通过计算说明，该农户此时能否使用这个沼气池中的沼气来正常烧火做饭?

（2）．有一天，该农户发现，沼气压强小于燃气灶的要求。

为了能尽快利用沼气生火做饭，从物理学的角度看，可采取哪些措施?

（3）．若该农户所用的燃气灶是普通炉，通常情况下，普通炉中的右炉单独正常工作时，将一壶质量为2.5kg、温度为20℃的水烧开，耗时约10min。