核能的利用

核能的利用 能量的转化与守恒
一、知识概述
(一)核能
当原子核发生改变时就会释放出巨大的能量（核能）。
获得核能的途径：
1、核裂变：质量较大的原子核在中子轰击下分裂成2个新原子核，并释放出能量的过程。
用中子轰击铀核，使铀核发生裂变,放出能量。铀核分裂时，还同时放出2-3个中子，又可以轰击其它铀核，使它们也发生裂变。
这些铀核分裂时，同样放出中子，从而引起更多的铀核发生裂变，于是裂变反应便会链锁式地自行持续下去，这种现象叫做链式反应。
如果对裂变的链式反应不加控制，在极短时间（约百万分之几秒）会释放出大量核能，发生猛烈爆炸，原子弹就是根据这个原理制成的。
我国第一颗原子弹爆炸时的情景
2、核聚变：2个质量较小的原子核结合成质量较大的新核，同时释放出能量的过程。
(二)放射线：
大剂量放射线对人畜会造成很大的伤害；但是，如果用较小的剂量，并谨慎地加以控制，射线也可以为人类做许多事。
α射线：带两个单位正电荷（氦核）
β射线：带一个单位负电荷（电子）
γ射线：不带电
(三)能的转化和守恒定律：
能量既不会消灭,也 不会创生,它只会从一种形式转化为另一种形式或从一个物体转移到另一个物体。而能的总量保持不变。
二、重难点知识讲解
1、核电站会像原子弹那样发生爆炸吗？
答：核电站和原子弹都是应用链式反应将核能转变为其他形式的能的装置。不同的是：原子弹对链式反应过程不加控制，在极短的时间内放出巨大的能量，引起威力强大的爆炸；而核电站的核反应堆是使链式反应在人工控制下缓慢地进行的。
核电站的核燃料中有效成分有铀-235，铀-235同样也是原子弹中的核炸药，那么核电站会不会像原子弹那样爆炸呢？不必担心，绝没有这种可能性！
核电站的核燃料中铀-235的含量约为3%，而原子弹中核炸药中的铀-235含量高达90%以上，正像啤酒和白酒都含有酒精，白酒因酒精含量高可以点燃，而啤酒则因酒精含量低却不能点燃一样。
应该看到，原子弹是一项高科技产品，形成核爆炸有非常严格的条件．原子弹必须用高浓度的铀-235或钚-239作核燃料，并以一套精密复杂的系统引爆高能烈性炸药，利用爆炸力在瞬间精确地改变核燃料的形状或位置，才能形成不可控制的链式裂变反应，发生核爆炸。这种苛刻的条件，在核电站里是不可能有的。
2、能的转化和守恒定律是通过大量实验事实得出，是人们对自然现象长期观察和研究的科学总结。是自然界最普遍、最重要的基本定律之一，是人们认识自然和改造自然的重要科学依据。
中考分析
一、中考热点分析
核能的利用、能量的转化与守恒等知识点的应用是中考的热点，主要以填空、选择题的形式出现。核能的利用、能量的转化与守恒的应用题中有探究实验、计算题出现。
二、中考回顾
例1、如图所示的游戏就是一种蹦极。游戏者将一根有弹性的绳子一端系在身上，另一端固定在高处，从高处跳下。图中a点是弹性绳自然下垂时绳下端的位置，c点是游戏者所到达的最低点。对于游戏者离开跳台至最低点的过程，下列说法正确的是（　）
A．游戏者的动能一直在增加
B．游戏者减少的重力势能全部转化为动能
C．游戏者通过a点之后，绳子具有弹性势能
D．游戏者到c点时，他的动能为零
答：CD
例2、判断下列说法是否正确？
（1）能量就是能源；
（2）电能是一种二次能源；
（3）石油是一种常规能源。
点拨：能源是提供能量的物质资源．能源的利用过程，实质上是能量的转化和转移过程，但不能说能源就是能量，说法（1）是不正确的。能源的分类方法很多，所谓一次能源和二次能源是按能源是否由自然界直接提供来分的，如煤、石油、草木燃料、风、流水等都是属于一次能源；而电能是一种再造能源，是由自然界提供的能源转化而来的，属于二次能源，所以说法（2）是正确的。所谓常规能源和新能源是按人们发现和利用能源的进程来划分的，石油是人类已经利用多年的一种能源，属常规能源，因而说法（3）也是正确的。
答案：（1）错误，（2）（3）正确
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一、选择题
1、关于能量的转化和转移，下列说法正确的是（ ）
A．能量从多的物体向能量少的物体转移；
B．内能可以转化为机械能，机械能也可以转化为内能；
C．内能只能从一种形式转化为另一种形式；
D．能量转化的过程中总量减少。
2、下列现象中，只有能的转移而没有能的转化的是（ ）
A．冬天用手摸户外的金属感到冷
B．水烧开时，水蒸气把壶盖顶起
C．羊吃着草在田埂上行走
D．开关闭合后电能发光
3、下列能源中，属于可再生能源的是（ ）
A．石油 B．水能 C．天然气 D．煤
4、下列关于核能的说法正确的是（ ）
A．物质是由原子构成的，原子中有原子核，所以利用任何物质都能得到核能
B．到目前为止，人类获得核能有两种途径，即可控制的重核裂变和可控制的轻核聚变
C．原子弹和氢弹都是利用原子核裂变和聚变的原理制成的
D．自然界只有在人为的条件下才会发生裂变
5、“永动机”至今没有创造成功，其原因是（ ）
A．科学技术还不够先进；
B．机器不能对外输出能量；
C．违背了能量守恒定律；
D．机器只能转移能量，不能转化能量。
6、关于核能的获得，下列说法中正确的是（ ）
A．核反应堆是原子核裂变时，在极短时间内释放出大量核能的装置
B．当原子核内部发生变化时会释放出巨大的能量，可控制的核裂变和可控制的核聚变是获得核能的两种方式
C．核电站是使核能转化为内能再通过汽轮发电机转化为电能的装置
D．目前，在核电站的反应堆中发生的是可控制的核聚变
7、关于能源的利用和节能，下列说法正确的是（ ）
A．根据能量的守恒定律，能源的利用率应该是100%
B．由于能量不会消灭，也不会创生，总是守恒的，所以节约能源意义不大
C．节约能源只要提高节能意识就行，与科技进步无关
D．在能源的利用中，总会有一部分能源未被利用而损失掉
8、学习了“能源和能量守恒”的有关知识后，某班就该市利用和开发能源问题展开了热烈讨论，提出了如下几条建议和设想，其中永远做不到的是（ ）
A．目前利用的能源主要是煤，应着力研究如何使煤充分燃烧以及减少热量损失的措施
B．正在建设的田弯核电站，将解决该市乃至华东地区的电力紧张问题，但在输电过程中能量损失严重．若能用超导体输电，将大大提高输电效率
C．位于黄海之滨，应尽早研究开发海洋能
D．位于黄海之滨，应发明一种能把海水里的内能全部自行转化成我们所需要的机械功的机器
二、填空题
9、人们利用太阳能共有________种渠道，其中太阳能被直接利用的有________种方式，即太阳能转化为___________，如___________；太阳能转化为__________，如_______；太阳能转化为_________，如___________。
三、综合计算题
10、一座功率为120万千瓦的核电站，年发电量约为60亿千瓦时．若建一座功率相同的火力发电站，用热值为2.93×107J/kg煤做燃料，化学能转化为电能的整体效率为25%，一年需供应多少吨煤？若每节车厢的装载量为60吨，一列火车由60节车厢组成，需要多少车次才能完成运输任务？
11、杨洋同学家原来是用液化石油气烧水的(每天至少用65℃的热水100kg)，参加“探究性学习”活动后，在老师的指导和同学们的帮助下，制作了一台简易的太阳能热水器.这台热水器6月份平均每天可将100kg水从15℃升高到65℃。
(1)若液化石油气的热值为8.0×107J/kg，改用太阳能热水器后，6月份平均每天可节约液化石油气多少千克？[液化石油气燃烧放热的70%被水吸收，C水=4.2×103J/(kg·℃)]
(2)使用太阳能热水器比使用燃料烧水，除了节约能源外，还有哪些优点？(至少写出两点)
参考答案：
1、B 2、A 3、B 4、C 5、C 6、C 7、D 8、D
3、解析：石油、天然气和煤等化石能源会越用越少，属于不可再生能源；水能属于可再生能源。
4、点拨：核能是人们在近几十年里发现和利用的新能源．虽然各种物质的原子里都有原子核，但在通常情况下并不能释放能量。只有当原子核发生改变──裂变和聚变时才伴随巨大的能量变化。原子弹则是利用裂变的链式反应中能在极短的时间内释放出巨大能量的原理制成的，而氢弹则是利用轻核的聚变制成的．自然界除了人为的聚变外，太阳和许多恒星内部都进行着大规模的聚变反映，并以光和热的形式将核能辐射出来。
6、点拨：核反应堆是能够缓慢平稳地释放核在裂变时放出的核能的装置。可见在核电站的反应堆中发生的是可控制的裂变．反应堆中获得内能推动汽轮发电机发电，从而得到电能。目前，受控核聚变正在研究之中，尚未用于核电站发电。
7、解析：能源的使用在任何情况下都不可能达到理想状态，做到没有任何损失。虽遵从能量守恒定律，但它指的是损失部分和被利用部分总和与原来能源总量相等，所以选项A错；根据能量转化的规律，能量在转化时，在遵循能量转化和守恒定律的同时，能量的转化和转移还具有方向性。在利用能源的过程中总会有一部分能量转化成热散失在周围环境中，这些能量虽然还在自然界中，但却无法转化为其他形式的能，因而很难或无法再利用。所以，能量经转化后，可利用的能，只可能减少，不可能增加，因此节能的意义重大；同时，只有节能意识是不够的，必须利用科技进步提高能源利用率，不断开发新能源，以满足人类社会可持续发展的需要．所以选项B、C错。
8、点拨：能量转化和转移具有方向性，海水里D的内能不可能自行转化成机械能。D选项所提的设想是永远做不到的。
9、点拨：太阳是一个巨大的天然能源，人类时刻离不开它，利用太阳能主要有四种渠道，其中被直接利用就有三种：太阳能转化为内能，如太阳灶、太阳能热水器等，太阳能转化为电能如太阳能电池；太阳能转化为化学能，如植物通过太阳进行光合作用，生长粮食、水果等为人类提供丰富的食物。
答：四，三，内能，太阳能热水器，电能，太阳能电池，化学能，植物进行光合作用。
10、解：年发电量60亿千瓦时相当的焦耳数为
。
所需煤的总质量为
．
每列货车的运输量为 60t×60=3.6×103t
所需货车的车次为车次。
11、点拨：先根据热量的计算公式求出水所需吸收的热量，然后根据效率和热值算出所需燃烧的液化石油气的质量，即为节约的液化石油气。
解：(1)Q吸=Cm(t-t0)=4.2×103J/(kg·℃)×100kg×(65℃-15℃) =2.1×107J
　　由题意得　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　 =0.375kg　
　　
(2)优点有：①无污染　　　②安全　　③光能取之不尽　
说明：此问答案多种，只要回答合理均正确。
课外拓展
核能的本质
质子、中子依靠强大的核力紧密地结合在一起，因此原子核十分牢固，要使它们分裂或重新组合是极其困难的．但是，一旦使原子核分裂或聚合，就可能释放出惊人的能量，这就是核能。那么核能是从哪儿来的呢？
在居里夫人发现镭以后不久，物理学家卢瑟福就指出，放射性元素在释放看不见的射线后，会变成别的元素，在这个过程中，原子的质量会有所减轻．那么，这些失踪了的质量到哪里去了呢？大科学家爱因斯坦1905年在提出相对论时指出，物质的质量和能量是同一事物的两种不同形式，质量可以消失，但同时会产生能量．两者之间有一定的定量关系；转化成的能量E等于损失的质量m乘以光速c的平方，即．由于光速是一个非常大的数值，因此极小量的质量变化可以转化为极大的能量，这就是核能的本质。
当较重的原子核发生裂变时会发生质量亏损，损失的质量转换成巨大的能量。例如，1945年在日本广岛上空爆炸的原子弹，重440kg，铀-235含量为45kg，而其中仅有1kg发生核裂变反应，反应中又仅有1g的质量转化成能量，但它的威力却相当于16万吨黄色炸药发生爆炸，瞬间摧毁了整个城市，并造成十几万人当场死亡。
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