第18章 能源与可持续发展 讲义—2020-2021学年苏科版九年级物理下册（机构专用）（含答案）

能源与可持续发展
【学习目标】
　　1、了解日常生活中的各种能源，人类利用能源的过程，不同形式能量的相互转化，新能源的开发与利用；
　　2、了解核能的优点和可能带来的问题；
　　3、了解能源与人类生存和社会发展的关系；
　　4、能说出不同能源的特点；
　　5、了解在现实生活中能量转化与转移有一定的方向性。
【要点梳理】
要点一、能源利用与社会发展
凡是能够提供能量的物质资源，都可以叫做能源。
要点诠释：
1、人类利用能源的历程：
　　（1）钻木取火是人类从利用自然火到利用人工火的转变，导致了以柴薪为主要能源的时代的到来。
　　（2）蒸汽机的发明使人类以机械动力代替人力和畜力，人类的主要能源从柴薪向煤、石油、天然气等化石能源转化，利用化石燃料的各种新型热机的问世，使化石能源成为当今世界的主要能源。
　　（3）物理学家发明了可以控制核能释放的装置---反应堆，拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕。
2、一次能源和二次能源
　　像化石能源一样，风能、太阳能、地热能以及核能，是可以直接从自然界获得的，这些可以从自然界直接获取的能源，统称为一次能源。我们使用的电能，无法从自然界直接获取，必须通过一次能源的消耗才能得到，所以称电能为二次能源。
　　我们今天使用的煤、石油、天然气是千百年前埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，所以称为化石能源。
　　常见的化石能源有：煤、石油、天然气。
　　常见的一次能源有：煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能、核能等。
　　常见的二次能源有：电能。

要点二、核能
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，要使它们分裂或者重新组合是极困难的。但是，一旦质量较大的原子核分裂或者质量较小的原子核相互结合，就可能释放出惊人的能量，这就是核能。核能是新能源，它有两种主要形式：核裂变能和核聚变能。
要点诠释：
1、核裂变：快速的裂变反应可以引起猛烈的爆炸，原子弹就是利用快速裂变制成的，我们还可以控制链式反应的速度，把核能用于和平建设事业。“核反应堆”就是控制裂变反应的装置。
2、核聚变：除了裂变外，如果将质量很小的原子核，例如氘核（由一个质子和一个中子构成）与氚核（由一个质子和两个中子构成），在超高温下结合成新的原子核，会释放出更大的核能，这就是聚变，有时聚变也称为热核反应。
3、核能的利用：我国是核能资源丰富的国家，现已具备了建造核电站的物质和技术基础，现已在浙江和广东建设了核电站，分别是浙江秦山核电站、广东大亚湾核电站。核电站的建立给人类解决能源危机带来了希望，在不可再生资源日趋珍贵之时，适度发展核电是人类的一种选择，全世界已经建成几百座核电站，核电发电量接近全球发电量的1/5。
要点三、太阳能
1、太阳能是氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量，太阳能是人类能源的宝库，如化石能源、地球上的风能、生物质能都来源于太阳。
　　2、太阳能的利用
　　（1）间接利用太阳能：化石能源（光能----化学能）
　　　　　　　　　　生物质能（光能----化学能）
　　（2）直接利用太阳能：集热器（有平板型集热器、聚光式集热器）（光能----内能）
　　太阳能电池：（光能----电能）一般应用在航空、航天、通讯、计算器、手表等方面。
　　（3）太阳能来源丰富，不需要运输，无污染，但由于能量比较分散且受季节、气候和昼夜变化的影响很大，给大规模利用太阳能带来一些新的技术课题。
要点四、能量转化的基本规律
1、能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化或转移的过程中，总量保持不变。这就是能量守恒定律。
要点诠释：
热量总是从高温物体传递到低温物体。
能量的转化和转移是有方向的。
要点五、能源与可持续发展
　　1、能量的转化、能量的转移，都是有方向性的。
我们是在能量的转化和转移中利用能量的，因此，不是什么能量都可以利用，能量的利用是有条件的，也是有代价的，所以我们应节约能源。
2、能源的消耗给环境带来了负面影响：燃料燃烧时产生的有害气体、大量的粉末污染了环境，危害人体健康，影响植物正常生长，还会使水土流失，土地沙漠化，加剧温室效应，核能的使用也可造成辐射污染。
　　
　　3、能源与可持续发展
（1）不可再生能源和可再生能源
　　化石能源、核能会越用越少，不可能在短期内从自然界得到补充，所以它们属于不可再生能源。而水的动能、风能、太阳能、生物能，可以在自然界里源源不断地得到，所以它们属于可再生能源。
　　人类生活中，还广泛利用食物等生命物质中存储的化学能，这类生命物质提供的能量称为生物质能。
　　常见的不可再生能源有：煤、石油、天然气、核能等。
　　常见的可再生能源有：风能、水能、太阳能、生物质能等。
（2）21世纪能源消耗增长速度明显加快，世界化石能源的使用年限存在严重危机，人们期待未来的理想能源的开发。未来的理想能源必须满足以下条件：必须足够便宜，可以保证多数人用得起；相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用；必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境。
【典型例题】
类型一、能源
1、下列能源：太阳能、风能、煤气、汽油，那些是属于一次能源的是 。
【思路点拨】直接从自然界得到的能源叫一次能源；通过一次能源的消耗才能得到的能源叫二次能源。
【答案】太阳能；风能
【解析】太阳能、风能是直接从自然界获得的，故是一次能源；煤气、汽油是天然气和石油加工而来的，故是二次能源。
【总结升华】此题考查的是一次能源和二次能源的辨别，是基础题。
类型二、核能
2、随着人们对原子核结构认识的不断深入，核能的开发和利用备受关注，有关核能的理解，正确的是（　　）
A．核能是可再生的清洁能源
B．太阳能是由氢原子裂变放出的能量
C．能源开发就是要利用核能
D．核能是原子核发生变化时放出的能量
【答案】D
【解析】A、核能源于核矿石内的能量，核矿石属于矿产资源，而矿产资源属于非可再生资源，所以它是不可再生能源，该选项错误；
B、太阳能是在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出的巨大核能，该选项错误；
C、能源的开发是开发利用新能源如风能、太阳能等无污染的清洁能源，该选项错误；
D、核能是原子核聚变或裂变产生的能量，该选项正确。
【总结升华】能源危机是石油、电力或其他自然资源的短缺，是全球性问题，开发利用新能源是解决问题的根本途径。
举一反三：
【变式】原子弹与核电站的根本区别是（　 ）
　　Ａ、原子弹利用核裂变，核电站利用核聚变
　　Ｂ、原子弹利用核聚变，核电站利用核裂变
　　Ｃ、原子弹对裂变的链式反应不加控制，核电站控制裂变的链式反应速率
　　Ｄ、原子弹对聚变的链式反应不加控制，核电站控制聚变的链式反应速率
【答案】C
类型三、太阳能
3、下列关于太阳能的说法中，错误的是（　　）
A．太阳能十分巨大，供应时间长久
B．太阳能安全、清洁，不会造成环境污染
C．太阳能分布广阔，处处可以利用
D．太阳能到达地面的功率稳定，不会受气候和季节的影响
【答案】D
【解析】A、正确，太阳能十分巨大，供应时间长久，取之不尽用之不竭；
B、正确，太阳能安全、清洁，不会造成环境污染；
C、正确，太阳能分布广阔，获取方便；
D、错误，太阳能到达地面的功率不稳定，它随气候和季节的变化而变化。
【总结升华】本题主要考查对太阳能优点的掌握和理解，太阳能是一种清洁、无污染、可再生能源，它取之不尽用之不竭，是一种新型的能源，越来越被广泛利用。它的优点很多，比如：太阳能分布广阔，获取方便；清洁不会造成环境污染。
举一反三：
【变式】太阳之所以被人们称为核能火炉，是由于太阳内部的_____元素在_________条件下发生___________从而释放出巨大的能量。
【答案】氢　 超高温　 聚变
类型四、能源与可持续发展
4、自然界中有些能源一旦被消耗就很难再生，因此我们要节约能源。在下列能源中，属于不可再生能源的是（　　）
A．风能 B．水能 C．太阳能 D．石油
【答案】D
【解析】自然界中不可能短期得到补充的能源有：煤、石油、天然气、核能等，由此可知选项D中的能源是不可再生能源；而ABC选项中的风能、水能和太阳能都是可再生资源，不符合题意。
【总结升华】此题主要考查的是可再生能源和不可再生能源的区别，要注意从其定义来分析。
举一反三：
【变式】能源问题是现代社会发展的三大基本要素之一，能源家族中有：
　　1、柴薪　　 2、煤炭　 3、石油　　 4、水能　　 5、风能　 6、太阳能　 7、地热能等，在大量耗用各种能源时，会造成空气污染的有___________；会造成水土流失和沙漠化的有___________（填序号）
【答案】1、2、3 　　1
5、下列有关能量转化或转移的说法中正确的是（　　）
A．电动机通过热传递的方式将电能转化为机械能
B．古人钻木取火是通过做功将机械能转化为内能
C．内燃机是通过做功的方式将机械能转化为内能
D．冷天搓手感到手掌发热，这是通过热传递的方式将机械能转移为内能
【思路点拨】注意分析哪种能量增加了，哪种能量减少，因为总是减少的这种能量转化为增加的那种能量。
【答案】B
【解析】A、电动机工作时，消耗了电能，得到了机械能，是通过做功将电能转化为机械能，故A说法错误；
B、人钻木取火是消耗了机械能，得到了内能，是通过做功的方式将机械能转化为内能的，故B说法正确；
C、内燃机工作时是将燃料燃烧释放出的内能通过燃气膨胀对外做功，转化成机械能，故C说法错误；
D、冷天搓手感到手掌发热，是通过克服摩擦做功将机械能转化为内能，故D说法错误。
【总结升华】在自然界中，能量转化的现象很多，并且能量的转化也是有规律可循的，例如用电器都是将电能转化成了其它形式的能。在日常的学习中我们要注意总结归纳。
6、“能源危机”是当今世界共同面临的问题，以下解决危机问题措施切实可行的是（　　）
A．人人都要节约用水、用电，不浪费能源和人为毁坏物品
B．关闭全部现有的火力发电站
C．停止使用石油、煤炭资源，而改用核能和太阳能
D．各地都要大力兴建水力和风力发电站
【答案】A
【解析】A、节约用水、用电，不浪费能源和人为毁坏物品是可行的，可以缓解能源危机，符合题意；
B、关闭全部现有的火力发电站虽然可以节省能源，但会影响人们的正常生活不可行，不符合题意；
C、停止使用石油、煤炭资源，虽然可以节省能源，但很多地方没有条件改用核能和太阳能，不可行，不符合题意；
D、很多地区没有条件大力兴建水力和风力发电站，不符合题意。
【总结升华】“能源危机”是当今世界共同面临的问题，我们要合理节约利用能源，这也是近几年中考的热点。
举一反三：
【变式】第41届世博会已于2010年10月31日在上海闭幕。为了延续“城市，让生活更美好”的世博会主题精神。某校同学提出下列环保建议，其中你认为可行的是（　　）
①开发新能源，减少化石燃料的燃烧
②提倡使用一次性发泡塑料餐具和塑科袋
③开发生产无汞电池
④提倡使用手帕，减少餐巾纸的使用
⑤分类回收垃圾
A．①③⑤ B．①③④⑤ C．①②③⑤ D．①②③④⑤
【答案】B
【巩固练习】
一、填空题
1、一个多世纪以来，能源的消耗急剧增长，在太阳能、电能、石油中属于不可再生能源的是__。
2、核电站是利用铀核在 （选填“裂变”或“聚变”）时释放的能量来发电，在核反应堆中，发生的链式反应是 （选填“可控”或“不可控”）的。
3、以下能源：①风能、②农村自制沼气、③核能、④秸秆煤气、⑤水能、⑥水煤气、⑦潮汐能、⑧电能。属于二次能源的有________；属于一次能源的有________；能源的来源与月球有关的是________。(均填序号)
4、人类能自主补充食物转化成能量来维持生命活动，目前的机器人主要是靠事先储存的电能来进行活动的。但科学家已制造出了一种能捕食苍蝇的生态机器人，它能将捕到的苍蝇体内的糖类物质通过微生物燃料电池直接转化为电能，供自身活动需要。请回答下列问题。
(1)糖类物质属于________(填“有”或“无”)机物，生态机器人的能量转化形式是从________能转化为电能。
(2)在实验中，质量为20 kg的生态机器人吃了8只苍蝇，用了5天时间匀速移动了10 m。若机器人受到的阻力是该机器人体重的0.1倍，该机器人克服阻力做的功是________(g取10 N/kg)。
(3)除这种能捕食生物为食的机器人外，如果让你设计一种可从自然界中较方便地自主补充能量再转化为电能的机器人，你设计的机器人直接从自然界补充的能量形式是________，获得这种能量的方法(途径)是在机器人上安装________。
二、选择题
5、关于能源利用，下列说法正确的是（　　）
A．和平利用核能应注意防止核泄漏
B．煤燃烧会造成大气污染，应停止开采
C．修筑拦河坝建造水电站有百利而无一害
D．石油是可再生资源，可以无穷尽地开发
6、下面所列的各种能源中，属于可再生能源的是（　　）
A．煤炭 B．太阳能 C．核能 D．石油
7、我们在节约能源的同时，还应开发和利用新的能源。作为未来的理想能源应满足一定的条件，下列不符合理想能源必要条件的是（　　）
A．必须足够丰富，可以保证长期使用
B．必须足够便宜，可以保证多数人用得起
C．必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境
D．必须足够昂贵，可以保证节约使用
8、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
9、关于能量和能源的利用，以下说法正确的是（　　）
A．核电站是利用化学能来发电的
B．水能、风能和化石能源均是可再生资源
C．太阳能电池是把太阳能转化为内能的装置
D．电能可以使电灯发光，同时产生内能，而这些内能无法自动地转化为电能
10、能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会由一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体。能源危机产生的根本原因是（　　）
A．能量的转移和转化遵循守恒定律
B．人们在能量的转化或转移中利用能量
C．经转移或转化过程可利用能量增加
D．能量的转移和转化有方向性
11、据悉，到2020年我国建立自己的空间站“天宫一号”。关于空间站所使用的供电装置，你认为最可行的是（ ）
A．太阳能电池　　　 　B．化学蓄电池
C．柴油发电机　　　 　D．风力发电机
12、下列交通工具中不是直接使用化石能源的是(　 )
　　A.飞机　　 B.轮船　　 C.汽车　　 D.无轨电车
13、自然界中各种形式的能都可以方便地转化为电能，关于转化目的的叙述，错误的是 ( )
A．为了便于输送 B．为了提高利用率
C．为了使用方便 D．为了增加能量
三、简答与计算题
14、阅读下面的短文，回答问题。
太阳能电池
太阳能电池的工作原理：太阳能电池是由一块很薄的半导体片构成的，每平方厘米能产生30-35mA的电流，在实际应用中一般是将很多小的太阳能电池串联或并联起来，以获得较高电压或较大电流。太阳能电池的特点：太阳能电池把光能转化为电能，有以下几方面的优势：
（1）安全，不产生废气和废物。
（2）简单易行，只要有日照的地方就可以安设装置。
（3）易于实现无人化和自动化，因为不含热能转化装置，不需要旋转机械和高温高压等条件。
（4）发电时不产生噪声。
请回答以下问题：
（1）太阳能电池的能量转化情况是 ，易于实现无人化和自动化的原因是 。
（2）太阳能发电系统如图所示，为最大限度让太阳能电池板接受阳光，根据我国的地理位置（地处北半球），应将它的正面朝 （选填“东”“南”“西”或“北”）。太阳能属于 （选填“可再生能源”或“不可再生能源”）。
（3）某太阳能发电系统一天内共发电5100kW?h，则可供多少盏额定功率为100W的“低碳灯”正常工作一小时？
15、核电站一旦工作，就不能随意停下来，而电网白天用电量多，深夜用电量少，为了使核电站稳定工作，建设了抽水蓄能电站，深夜，电动水泵将山下水库的水抽到山顶水库，白天用电高峰时，再把山顶水库的水放下来推动水轮机发电，请分析深夜和白天抽水蓄能电站工作过程中包含哪些能的转化过程。
【答案与解析】
1、【答案】石油
【解析】可再生能源有：风能、水能、太阳能、生物质能。
　　　　　不可再生能源有：煤、石油、天然气、核能。
2、【答案】裂变；可控
3、【答案】②④⑥⑧ ①③⑤⑦ ⑦
【解析】农村自制沼气、秸秆煤气、水煤气、电能都需要通过一次能源加工才能得到，如沼气和秸秆煤气需要通过生物质能得到、水煤气需要通过煤得到、电能则是通过其他各种形式的能源转化而来。潮汐能源自月球、地球和太阳之间的相互作用。
4、【答案】(1)有化学 (2)200J (3)太阳能 太阳能电池(板)
【解析】W＝Fs＝0.1Gs＝0.1mgs＝0.1×20 kg×10 N/kg×10 m＝200 J。
5、【答案】A
【解析】A、一旦发生核泄漏会对人类和环境造成很大的危害，所以和平利用核能应注意防止核泄漏，故A正确；
B、煤燃烧会造成大气污染，但目前仍是我们利用的主要能源之一，还不应停止开采，故B错误；
C、修筑拦河坝建造水电站也会对沿河的水域环境造成影响，给河流通航造成影响等，因此不利影响也是存在的，故C错误；
D、石油在地球上的储量是有限的，一旦消耗就不能短时间内再获得，是不可再生资源，不能无穷尽地开发，故D错误。故选A。
6、【答案】B
【解析】核能、煤炭、天然气都属于不可再生能源，只有太阳能是可再生能源。
7、【答案】D
【解析】未来的理想能源必须满足以下四个条件：
第一，必须足够丰富，可以保证开发利用工作之便；
第二，必须足够低廉，保证多数人用得起；
第三，相关技术必须成熟，可以保证安全使用；
第四，必须足够清洁、无污染环境，可以保证不会严重影响环境；
故选D。
8、【答案】A
【解析】A、核电站主要利用核裂变的可控链式反应来发电的。错误，符合题意。
B、核电站的核反应堆是利用可控的核裂变反应释放核能的设备。正确，不合题意。
C、核能是指重核裂变或轻核发生聚变时释放出的能量。正确，不合题意。
D、核能会越用越少，不可能在短期内从自然界得到补充，所以它们属于不可再生能源；正确，不合题意。
9、【答案】D
【解析】A、核能即是利用核裂变时释放的能量进行发电的，故错误；
B、化石能源是不可再生能源，故错误；
C、太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置，故错误；
D、由于能量的转化具有方向性，故电能可以使电灯发光，同时产生内能，而这些内能无法自动地转化为电能，故正确。
10、【答案】D
【解析】因能量转化和转移有方向性，并且能量释放过程失控就会产生灾害。所以能源危机产生的根本原因是能量的转移和转化有方向性。
11、【答案】A
12、【答案】D
13、【答案】D
【解析】根据能的转化和守恒定律，能量在转化过程中不会增加，我们之所以把其他形式的能转化成电能来使用，主要是电能便于输送、使用方便且可以提高利用率。
14、【答案】（1）太阳能转化为电能；只要有阳光，太阳能电池就能够工作；（2）南；可再生能源；（3）可供5.1×104盏100瓦的“低碳灯”正常工作1小时
【解析】（1）太阳能收集板的能量转化情况是太阳能转化为电能；只要有阳光，太阳能电池就能够工作，所以这时太阳能电池易于实现无人化和自动化的原因。（2）我国处在地球的北半球，所以太阳能电池板正面应向南；对于太阳能来说可以源源不断的得到补充是可以再生的，故它是可再生能源。（3）设灯的数量为n，则nP=W/t变形可得：n=W/Pt=5100kW?h/（0.1kW×1h）=5.1×104（盏）。
15、【答案】深夜利用多余电能蓄水，核能转化为电能，再转化为水的机械能，白天水的机械能转化为电能。
【解析】核电站工作时核能转化为电能，深夜用电低谷时，电动水泵将山下水库的水抽到山顶水库，电能转化为水的重力势能（机械能）。相当于间接地储存了核电站生产的电能，白天用电高峰时，再把山顶水库的水放到山下水库，推动水轮机发电，将机械能转化为电能帮助电网调峰。