2.4能源与可持续发展 同步练习 Word版含答案

第4节能源与可持续发展

一、能量转化和转移的方向性
1．能量转化：自然界中存在着各种不同形式的能量，并且各种形式的能量是可以相互转化的，但在大多数情况下，各种形式的能量最终都转化为内能。
2．能量转化的方向：物体的机械能可以自发地全部转化为内能，但内能不可能自发地全部转化为机械能而使物体恢复原来的机械运动。
3．热传递：热量总是自发地由高温物体向低温物体传递，而不会倒过来自发地由低温物体向高温物体传递。
4．热机：热机是将内能转化为机械能的装置，它的效率不可能达到100%。
二、能源开发与可持续发展
1．能源开发：能量的利用过程是不可逆的，自然界中的常规能源的储量是有限的，并且是不可再生的，所以我们要珍惜现有的能源，尽力提高现有能源的利用效率。注意研究和开发新能源。
2．可持续发展：当务之急要改变能源结构，提高能源利用效率，开发和推广清洁能源，减少环境污染。
1．自主思考——判一判
(1)能量是守恒的，生产中不用节能降耗。(×)
(2)能量不能创造，不能再生，能量只能进行转化和转移，但能量间的转化和转移没有方向。(×)
(3)热机的效率可以达到100%。(×)
(4)能量是守恒的，但能量的利用过程是不可逆的。(√)
(5)可持续发展要求人类要开发和推广清洁能源。(√)
2．合作探究——议一议
(1)现代化的工厂产生的废水经过污水处理设备后重新利用是否表明能源可以循环利用，可以不必节约能源？
提示：任何能源的利用过程中，品质都会降低，由便于利用变得不便于利用，因此必须节约能源。
(2)如图2-4-1所示是我国能源结构的统计图，请根据此图数据完成下面两个问题：
图2-4-1
①总结出我国能源结构或能源现状的规律。
②试着提出解决这种现状的合理化建议。
提示：①我国的能源结构主要以煤为主；我国的能源消耗中不可再生能源占据的比例过大，结构不合理；我国能源消耗中可再生能源的比例过小。
②建议：节能降耗；开发新能源；开发可再生能源(如太阳能、风能等)。

能量转化和转移的方向性
1．(多选)根据能量转化和转移的方向性，下列判断正确的是(　　)
A．电流的电能不可能全部转化为内能
B．在火力发电机中，燃气的内能不可能全部转化为电能
C．热机中，燃气的内能不可能完全转化为机械能
D．在热传递中，热量不可能自发地从低温物体传递给高温物体
解析：选BCD　根据能量转化和转移的方向性可知，凡是与热现象有关的宏观过程都具有方向性，电流的电能可全部转化为内能(由电流热效应中的焦耳定律可知)，而内能不可能全部转化为电能；机械能可全部转化成内能，而内能不可能全部转化成机械能；在热传递中热量只能自发地从高温物体传递给低温物体，而不能自发地从低温物体传递给高温物体。故选项B、C、D正确。
2．(多选)下列过程中，可能实现的是(　　)
A．水的温度自动下降时释放的内能全部转化为机械能
B．利用不同深度的海水温度不同来制造一种机器，把海水的内能转化为机械能
C．在粗糙水平面上运动的物体，它的动能转化为内能，使物体温度升高
D．静止在光滑水平面上的物体，温度降低时释放的内能可以转化为物体的动能，使物体运动起来
解析：选BC　根据能量转化和转移的方向性可知，物体温度下降释放的内能不可能在不引起其他变化的情况下完全转化为机械能，因此选项A、D是错误的，而选项B、C都是可实现的过程。
能源和环境问题
1．能源开发
人类社会要发展，能源是必不可少的资源，但现有的煤、石油、天然气等化石燃料都是远古时期储存的太阳能，不可再生，不久的将来都要枯竭。同时，大量使用这类燃料对环境的破坏非常严重，所以迫切需要找到新的替代能源。现有条件下，可供利用的新能源主要有地热能、太阳能、海洋能、生物能等。
2．环境问题
(1)温室效应：由于大气中温室气体(二氧化碳、甲烷等)含量增大而形成的。主要原因是煤炭和石油的大量消耗而产生的废气。
(2)酸雨：大气中的酸性物质，如二氧化硫、氮氧化物等，在降雨过程中溶入雨水，使其成为酸雨。
(3)光化学烟雾：氮氧化物和碳氢化合物在大气中受到阳光中强烈的紫外线照射后产生的二次污染物质。
(4)浮尘：常规能源燃烧时会产生大量的浮尘。
3．常规能源和新能源的转化途径
[典例]　(多选)二氧化碳对长波辐射有强烈的吸收作用，地球表面发出的长波辐射到大气层以后被二氧化碳截获，最后使大气升温。大气中的二氧化碳像温室的玻璃一样，只准太阳的热辐射进来，不让室内的长波辐射出去，大气中的二氧化碳的这种效应叫温室效应。这是目前科学界对地球气候变暖进行分析的一种观点，根据这种观点，以下说法能成立的是(　　)
A．在地球形成的早期，火山活动频繁，排出大量二氧化碳，当时地球的温度很高
B．经过漫长的时间，地壳的岩石和二氧化碳发生了化学反应，导致二氧化碳减少，地球上出现了生命
C．由于工业的发展和人类的活动，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高
D．现在地球正在变暖的原因是工业用电和生活用电的急剧增加，使电能和其他形式的能转化为内能
[思路点拨]　解答本题应该抓住以下两个条件：
(1)温室效应的本质及原理。
(2)地球变暖的主要原因是温室效应。
[解析]　地球形成的早期，地壳不如现在牢固，地球不如现在稳定，火山活动频繁，符合地质的发展规律。由于火山的喷发，排出大量的二氧化碳，进而导致当时的地球气温升高，选项A正确；由于多种原因，其中包括岩石中的矿物成分与水、氧气、二氧化碳发生化学反应，使地球上的岩石进一步分化，最后形成土壤，二氧化碳减少，形成了适合生命生存的条件，则选项B正确；由于工业的发展和人类的活动，大量地使用常规能源，导致二氧化碳在空气中的含量增大，地球上的气温正在升高，故选项C正确；生活用电和工业用电是电能向其他形式的能的转化，会产生热，但不是温室效应的主要原因，选项D错误。
[答案]　ABC
1．关于能源的利用，下列说法中不正确的是(　　)
A．由于我国煤和石油的储量十分丰富，所以太阳能和核能的开发在我国并不十分重要
B．能源的利用过程，实质上是能的转化和传递过程
C．现在人类社会使用的能源主要是煤、石油和天然气
D．煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能
解析：选A　煤、石油和天然气都是几亿年以前的生物遗体形成的，这些能源不能再次生成，也不可重复使用，它们并不是取之不尽、用之不竭的。
2．电动车所需能量由它所携带的蓄电池供给。如图2-4-2所示为某类电动车与汽油车性能的比较，通常车用电动机的质量是汽油机的4倍或5倍。为促进电动车的推广使用，在技术上主要应对电动车的________、________等部件加以改进。给电动车蓄电池充电的能量实际上来自于发电站，一般发电站燃烧燃料所释放出来的能量仅30%转化为电能，在向用户输送及充电过程中又损失了20%，这意味着使用电动车时能量转化的总效率约为________%。　
图2-4-2
解析：从题图中可以看出每千克蓄能物质所储存的能量和充一次电能行驶的距离均远小于汽油车，因此应对电动车的蓄电池加以改进；另外，电动车的效率也不是很高，所以也应对电动机进行改进。设发电站消耗的能量为E0，电动车输出的机械能为E，由题意可知使用电动车时能量转化的总效率为η＝×100%＝＝16.8%。
答案：蓄电池　电动机　16.8
1．(多选)下列对能的转化和守恒定律的认识正确的是(　　)
A．某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加
B．某个物体的能减少，必然有其他物体的能增加
C．不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D．石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了
解析：选ABC　根据能量守恒定律得知，某种形式的能减少，其他形式的能一定增大；某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加，A、B正确。不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机，违反了能量的转化和守恒定律，不可能制成，C正确。石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能，能量并没有消失，故D错误。
2．(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．热量只能自发地从高温物体传给低温物体而不能自发地从低温物体传给高温物体
B．内能不能转化为动能
C．内能不能自发地转化为动能
D．自然界中涉及热现象的宏观过程都有方向性
解析：选ACD　内能可以转化为动能，热机就是这种情况，但不能自发地转化，故B错误；由能量转化和转移的方向性可知，A、C、D正确。
3．(多选)下列物理过程，哪些是可能发生的(　　)
A．制冷系统能够把冰箱里的热量传给外界温度较高的空气
B．一个在粗糙的水平地面上运动的物体最后要停下来，物体的动能可以全部转化为内能
C．理想的热机因为没有摩擦，也没有漏气，它的效率可以达到100%
D．在两个连通容器A、B内都充满气体以后，气体会自发地从容器A流向容器B，使容器A内成为真空
解析：选AB　热机的效率不可能达到100%，C错误，气体在连通器内的流动是因为有压力差，不是自发地，D错误。
4．关于能源的开发和利用，下列观点不正确的是(　　)
A．能源是有限的，无节制地使用常规能源，是一种盲目的短期行为
B．根据能量守恒定律，能源是取之不尽、用之不竭的
C．能源的开发和利用，必须同时考虑其对生态环境的影响
D．不断开发新能源，是缓解能源危机、加强环境保护的重要途径
解析：选B　在能源的利用过程中，虽然能量的数量并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了。所以，我们要节约能源，保护环境。
5．下述做法能改善空气质量的是(　　)
A．以煤等燃料作为主要生活燃料
B．利用太阳能、风能和氢能等能源替代化石能源
C．鼓励私人购买和使用汽车代替公交车
D．限制使用电动车
解析：选B　本题考查的是当今社会的热门话题：环境保护、改善空气质量，主要是减少污染气体的排放。
6．当今人类利用的新能源是(　　)
A．电能 　　　　　　　　　　 B．太阳能
C．石油 D．天然气
解析：选B　电能是二次能源，是由其他形式的能转化而来，不是新能源。石油、天然气是常规能源，太阳能和核能是当今的新能源，故B正确。
7．下列说法中，正确的是(　　)
A．从甲物体自发传递热量给乙物体，说明甲物体的内能比乙物体多
B．热机的效率从原理上讲可达到100%
C．因为能量守恒，所以“能源危机”是不可能的
D．以上说法均不正确
解析：选D　自发地热传递的条件是必须存在温度差，而不是内能差，甲物体传递热量给乙物体，说明甲物体的温度比乙物体高，故A错误；任何热机的效率都不可能达到100%，因此B错误。由能量转化和转移的方向性可知，C错误。
8．设想在一间与外界绝热的房间里，有一台正在工作的电冰箱，冰箱的门是开着的，那么室内的温度将(　　)
A．升高 B．降低
C．不变 D．都有可能
解析：选A　冰箱在正常工作时，要消耗电能，冰箱门是打开的，说明冰箱内外能够进行热交换，但是因为房子是绝热的，因此冰箱消耗的电能转化为内能，使房子中的温度升高。
9．下列说法中正确的是(　　)
A．太阳照到地球上的光能转化为其他形式的能量，但照射到宇宙空间中的能量都消失了
B．飞行中的炮弹爆炸后，弹片的总动能比爆炸前大得多，这说明能量不总是守恒的
C．有种“全自动”手表，不用上发条，也不用任何形式的电源，却能一直走动，说明能量可以凭空产生
D．“既要马儿跑，又要马儿不吃草”这句俗语违背了能量转化和守恒定律，因而是不可能的
解析：选D　太阳辐射出大量的能量，能到达地球的只是其中极小的一部分，便形成了地表的风、雨、云、雪，使万物生长，但辐射到星际空间中的能量也没有消失，而是转化成了其他能量，A错；炮弹在爆炸后的动能的确较爆炸前大得多，但动能的增量来源于炮弹内炸药的化学能，能量的总值不变，B错；所谓“全自动”手表内部也有能量转化装置，一般是一个摆锤，当人戴着手表活动时，摆锤不断摆动，给游丝弹簧补充能量，这样才能维持手表的走动，如果将这种表放置起来两天，它一定会停摆的，C错；马和其他动物，包括人，只要运动，就必须消耗能量，动物的能量来源是食物中储存的生物质能，D正确。
10．地球上有大量的海水，若使海水温度降低0.1 ℃就能释放出5.8×1023 J的热量。有人设想用一热机将海水放出的热量完全转化为机械能，但这种使内能转化成机械能的机器是不能实现的，其原因是(　　)
A．内能不能转化成机械能
B．内能转化成机械能不满足能量守恒定律
C．只从单一热源吸收热量并完全转化成机械能而不引起其他变化的机器不满足能量转化和转移的方向性
D．上述三种原因都不正确
解析：选C　内能可以转化成机械能，如热机，A项错误；内能转化成机械能的过程满足能量守恒定律，B项错误；能量转化和转移的方向性告诉我们：热机不可能把吸收的热量全部转化成机械能，而不引起其他变化，C项正确。
11．照射在每平方米地面上的太阳能的平均功率(昼夜平均值)是200 W，平均每个家庭消耗的电功率为1 000 W。若每块光电池的面积为0.5 m2，转化效率为20%，则每户家庭需多少块光电池，才能保证正常用电？
解析：为保证正常用电，光电池提供的太阳能功率为P1＝＝5 000 W
每户家庭需要的电池块数为
n＝＝50(块)。
答案：50块
12．水库上建筑一条拦河坝，利用水库水位与拦河坝下游水位之间的落差，使水轮机转动，可以带动发电机发电。若水的重力势能有60%转化为电能，已知每分钟5 000 t的水流量可以得到发电机的发电功率为4.9×107 W。求：
(1)水的落差是多少？
(2)如果水库的水不通过水轮机，而是自由下落到拦河坝下游的水面上，且水的重力势能全部转化为水的内能，则水温升高多少？
解析：(1)由P＝＝，得
h＝＝ m＝100 m。
(2)若重力势能全部转化为内能，
则mgh＝cmΔt，Δt＝＝ ℃≈0.23 ℃。
答案：(1)100 m　(2)0.23 ℃

　　　　　　　　　　　　　　　第2章　能的转化与守恒
(时间：50分钟　满分：100分)
一、选择题(本题共8小题，每小题6分，共48分。第1～5小题只有一个选项正确，第6～8小题有多个选项正确，全选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分)
1．自由摆动的秋千，摆动的幅度越来越小，下列说法中正确的是(　　)
A．机械能守恒
B．能量正在消失
C．总能量守恒，正在减少的机械能转化为内能
D．只有动能和势能的相互转化
解析：选C　秋千摆动的幅度越来越小，即重力势能的最大值越来越小，机械能减小，减小的机械能转化为内能，C正确。
2．一辆汽车以v1＝6 m/s的速度沿水平面行驶，急刹车后能滑行l1＝3.6 m。如果汽车以v2＝8 m/s的速度行驶，在同样的路面上急刹车后滑行的距离l2应为(　　)
A．6.4 m　　　　　　　 B．5.6 m
C．7.2 m D．10.8 m
解析：选A　设摩擦力为f，由动能定理得－fs1＝0－mv12①
－fs2＝0－mv22②
由①②两式得＝，故汽车滑行距离s2＝·s1＝2×3.6 m＝6.4 m。
3.如图1所示在足球赛中，红队球员在白队禁区附近主罚定位球，并将球从球门右上角贴着球门射入，球门高度为h，足球飞入球门的速度为v，足球质量为m，则红队球员将足球踢出时对足球做的功W为(不计空气阻力、足球可视为质点)(　　)
图1
A.mv2 B．mgh
C.mv2＋mgh D.mv2－mgh
解析：选C　根据动能定理可得：W－mgh＝mv2－0，所以W＝mv2＋mgh，C正确。
4.如图2所示，AB为圆弧轨道，BC为水平直轨道，圆弧的半径为R，BC的长度也是R。一质量为m的物体，与两个轨道间的动摩擦因数都为μ，当它由轨道顶端A从静止开始下落时，恰好运动到C处停止，那么物体在AB段克服摩擦力所做的功为(　　)
图2
A. B.
C．mgR D.(1－μ)mgR
解析：选D　设物体在AB段克服摩擦力所做的功为WAB，BC段摩擦力做功－μmgR。故物体从A运动到C的全过程，由动能定理得：mgR－WAB－μmgR＝0解得：WAB＝mgR－μmgR＝(1－μ)mgR，故D正确。
5．物体做自由落体运动，Ek表示动能，Ep表示势能，h表示下落的距离，以水平地面为零势能面。下列所示图像中能正确反映各物理量之间的关系的是(　　)
解析：选B　设物体的质量为m，初态势能为E0，则有Ep＝E0－mg2t2＝E0－mv2＝E0－Ek＝E0－mgh。综上可知只有B正确。
6．一蹦极运动员身系弹性蹦极绳从水面上方的高台下落，到最低点时距水面还有数米距离。假定空气阻力可忽略，运动员可视为质点，下列说法正确的是(　　)
A．运动员到达最低点前重力势能始终减小
B．蹦极绳张紧后的下落过程中，弹性力做负功，弹性势能增加
C．蹦极过程中，运动员、地球和蹦极绳所组成的系统机械能守恒
D．蹦极过程中，重力势能的改变与重力势能零点的选取有关
解析：选ABC　重力做功决定重力势能的变化，随着高度的降低，重力一直做正功，重力势能一直减小，故A正确；弹性势能的变化取决于弹力做功，当弹性绳张紧后，随着运动员的下落弹力一直做负功，弹性势能一直增大，故B正确；在蹦极过程中，由于只有重力和弹性绳的弹力做功，故由运动员、地球及弹性绳组成的系统机械能守恒，故C正确；重力势能的大小与势能零点的选取有关，而势能的改变与势能零点选取无关，故选项D错误。
7．一质量为1 kg的物体被人用手由静止向上提升1 m，这时物体的速度为2 m/s。则下列说法正确的是(　　)
A．手对物体做功12 J
B．合外力对物体做功12 J
C．合外力对物体做功2 J
D．物体克服重力做功10 J
解析：选ACD　重力做功－mgh等于－10 J，合外力对物体做功(即重力和拉力对物体做的总功)等于物体动能的变化，为2 J，拉力做功为12 J。
8.如图3所示，某人以平行斜面的拉力将物体沿斜面拉下，拉力大小等于摩擦力大小，则下列说法正确的是(　　)
图3
A．物体加速下滑
B．合外力对物体做的功等于零
C．物体的机械能减少
D．物体的机械能保持不变
解析：选AD　物体沿斜面下滑，受到重力G，斜面支持力N，滑动摩擦力f和拉力F作用。因拉力F大小与摩擦力f大小相等，则物体所受合力将沿斜面向下，做加速运动，且合力做功不为零，故A正确、B错误。物体下滑时，支持力N方向总与运动方向垂直，因此不做功，拉力F和摩擦力f做的功的代数和为零，只有重力对物体做功，因此物体的机械能守恒，C错误，D正确。
二、实验题(本题共2小题，共18分)
9．(8分)在探究动能定理的实验中，实验装置已安装完毕，请完成如下实验操作：
①将纸带穿过打点计时器的_________________________________________________，
纸带下端固定在重锤上，上端用手提住，纸带不与限位孔接触。
②接通打点计时器的电源使它工作，让纸带从 ________状态开始释放，计时器在纸带上打出一系列的点。
③取纸带上的第1个点记为O，在第1个点后距离较远处任意选取一点P，记P点为n，用刻度尺测出________的距离h。
④打点计时器工作电源频率为50 Hz，则打点间隔时间为________s。根据公式________计算出P点的速度v。
⑤由上面的h和v分别计算_________________________________________
和____________________，看两者__________________________________。
⑥在其他纸带上再另选几个点，重复步骤③④⑤。
答案： ①限位孔并在复写纸下面经过　②静止
③O点到P点　④0.02　vn＝
⑤重锤重力做的功WG＝mgh　重锤动能增加量ΔEk＝mv2　是否近似相等
10．(10分)在“验证机械能守恒定律”的实验中，质量m＝1 kg的重物自由下落，在纸带上打出一系列的点，如图4所示(相邻两计数点时间间隔为0.02 s)，单位cm，那么：
图4
(1)纸带的________端与重物相连；
(2)打点计时器打下计数点B时，重物的速度vB＝____________；
(3)从起点O到打下计数点B的过程中重物重力势能减少量ΔEp＝________J，此过程中重物动能的增加量ΔEk＝________J(g取9.8 m/s2)；
(4)通过计算，数值上ΔEp________ΔEk(填“＞”“＝”或“＜”)，这是因为___________
________________________________________________________________________。
解析：(1)重物下落的过程中，重物的速度越来越大，打的点间距应当越来越大，故O端与重物相连。
(2)B点瞬时速度等于AC段的平均速度
vB＝＝  m/s＝0.98 m/s。
(3)重力势能减少量
ΔEp＝mgh＝1×9.8×0.050 1 J＝0.491 J
动能的增加量
ΔEk＝mvB2＝×1×0.982 J＝0.480 J。
(4)计算得出ΔEp＞ΔEk。这是因为重物在下落过程中还需克服摩擦阻力做功。
答案：(1)O　(2)0.98 m/s　(3)0.491　0.480
(4)＞　重物在下落过程中还需克服摩擦阻力做功
三、计算题(本题共2小题，共34分)
11．(14分)2016年冰壶世界青年锦标赛于3月5日～13日在土耳其埃尔祖鲁姆举行。冰壶在水平冰面上的一次滑行可简化为如下过程：如图5所示，运动员将静止于O点的冰壶(视为质点)沿直线OO′推到A点放手，此后冰壶沿AO′滑行，最后停于C点。已知冰面与各冰壶间的动摩擦因数为μ，冰壶质量为m，AC＝L，CO′＝r，重力加速度为g。
图5
(1)求冰壶在A点的速率；
(2)若将BO′段冰面与冰壶间的动摩擦因数减小为0.8 μ，原只能滑到C点的冰壶能停于O′点，求A点与B点之间的距离。
解析：(1)从A到C，由动能定理有
－μmgL＝0－mvA2
得vA＝ 。
(2)从A到O′，由动能定理有
－μmgs－0.8μmg(L＋r－s)＝0－mvA2
得s＝L－4r。
答案：(1)　(2)L－4r
12．(20分)如图6所示，一质量为m的滑块从高为h的光滑圆弧形槽的顶端A处无初速度地滑下，槽的底端B与水平传送带相接，传送带的运行速度恒为v0，两轮轴心间距为l，滑块滑到传送带上后做匀加速运动，滑到传送带右端C时，恰好加速到与传送带的速度相同，求：
图6
(1)滑块到达底端B时的速度大小vB；
(2)滑块与传送带间的动摩擦因数μ；
(3)此过程中，由于克服摩擦力做功而产生的热量Q。
解析：(1)滑块在由A到B的过程中机械能守恒，可得mgh＝mvB2，解得vB＝。
(2)滑块在由B到C的过程中，应用动能定理得μmgl＝mv02－mvB2
解得μ＝。
(3)Q＝f·l相对＝μmgl相对
又v0＝vB＋μgt
得l相对＝v0t－t＝＝
故Q＝。
答案：(1)vB＝　(2)μ＝
(3)Q＝