第二十二章能源与可持续发展
一、选择题
1．图示为我省某高校学生设计的一款小夜灯，它的一侧是太阳能电池板，白天接受阳光照射，晚上给另一侧高效节能的LED灯板提供电能。关于小夜灯中所应用的物理知识，下列说法不正确的是（ ）
A．太阳能是可再生能源
B．太阳能电池板将电能全部转化为内能
C．LED灯的发光物体是由半导体材料制成的
D．LED将电能转化为光能的效率比白炽灯高
2．太阳能路灯设计优美，为城市增添了亮丽的风景。如图是一款路灯的图片，下列说法错误的是（ ）
A．太阳能电池板把太阳能转化为电能对灯泡供电
B．两只灯泡可以用一个开关控制，说明两灯是串联连接的
C．灯罩的作用除防尘外，还可以使灯泡发出的光经过反射变得柔和
D．漫反射也遵循反射定律
3．我市建有全国沿海最大的太阳能电站，太阳能电池将太阳能直接转化为（ ）
A．内能 B．化学能 C．电能 D．机械能
4．如图中所示是鄂尔多斯市的“风光互补”照明灯，它头“顶”小风扇，肩“扛”光电池板，腰“挎”照明灯，脚“踩”蓄电池，下列解释合理的是（ ）
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A．光电池板将电能转化为光能
B．小风扇利用风力发电，将电能转化为机械能
C．照明灯将电能转化为光能和热能
D．蓄电池夜晚放电，将电能转化为化学能
5．我国光伏产品近期遭遇欧盟“双反”调查，这是迄今为止对我国最大规模的贸易诉讼。光伏产业利用太阳能的最佳方式是光伏转换，利用光伏效应使太阳光照射到硅材料上产生电流直接发电。下列说法中正确的是（ ）
A．光伏效应是将太阳能转化为电能
B．太阳能是不可再生能源
C．太阳能和电能都属于一次能源
D．化石能源和太阳能都是取之不尽用之不竭的
二、填空题
6．如图所示，近年在黔东南州“一事一议”财政奖补政策的支持下，农村道路两旁安装有太阳能路灯，这样改善了农村的村容村貌，灯杆顶端是太阳能电池板，它能将 能转化为 能，并向放在灯杆中的蓄电池充电，充电时把 能转化为 能蓄存起来，夜晚蓄电池给路灯供电。
7．太阳能是 （填“可再生”或“不可再生”）能源，人造卫星上的太阳能电池板能将太阳能 （填“转化”或“转移”）为电能。
8．神州十号飞船进入运行轨道时，打开了太阳能帆板。太阳能帆板能将 能转化为电能；宇航员王亚平在进行空中授课时，通过 波实现天地对话的。
9．科学家设想把一种多酚乙烯聚合物涂料刷到屋顶上，在阳光照射下涂料正面温度高背面温度低，利用温度差就可以发电。这种发电方式是将 能转化为 能，再转化为电能。
10．太阳能电池把太阳能转化为 能；将湿衣服抻开晾在太阳下面，是为了加快水的 。某太阳能热水器储有200kg的水，水温从20℃升高到70℃，吸收的热量 J．（水的比热容为4.2×103J/（ kg•℃））
11．能源危机日益加剧，开发和利用新能源成为当务之急。光伏发电是将 能转化为
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能；目前的核能发电，是通过 释放的核能来发电的（选填“核裂变”或“核聚变”）。
12．若一个太阳能热水器内装有100kg温度为20℃的水，阳光照射一天后，水温升高到80℃，则热水器内的水吸收了 J的太阳能，这是通过 方式改变了水的内能。
13．太阳能热水器具有安全、节能、经济和 等优点，当它吸收太阳能后，水的温度将会升高，这是通过 方式改变了水的内能。某太阳能热水器盛有l00kg水，若水箱里的水吸收了2.1×107J的热量，则水温将由40℃升高到 ℃（c水=4.2×103J/（kg•℃） ）。
14．如图是一款风光互补路灯的照片，它头顶的风力发电机能将风能转化为电能；其肩上的太阳能电池板能将 能转化为电能。在一定时间内，太阳光照射在该太阳能电池板上的能量为1.68×106J，若这些能量全部被水吸收，在1个标准大气压下，能将 kg的水从20℃加热到沸腾。[C水=4.2×103/（kg•℃）]。
15．2013年12月24日中国自主研发的“玉兔号“月球车成功登陆月球并实施探测计划。工作时，月球车上的太阳能电池板可将太阳能转化为 能；太阳能属于 （选填“可再生”或“不可再生”）能源。
16．连云港市第一座光伏电站采用晶体硅光伏发电系统，利用太阳能发电，功率为3.2×106W．太阳能是清洁 （选填“可再生”或“不可再生”）能源。假设一年平均有效发电时间为1200h，则年发电量可达 kW•h。
17．如图是许多城市路灯，都采用太阳能LED照明灯，主要由太阳能电池板和LED灯头等组成，LED 是一种半导体二极管，通过电流能够发光，可以把电能直接转化为 ，能，太阳能是 （选填“一次”、“二次”）能源，清洁无污染，如果LED灯用6V的电压，正常工作电流为2400mA，则LED的功率是 。
18．人类一直在寻求各种高效和“绿色”的能源，新材料在这方面扮演了重要的角色。硅是
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一种半导体材料，可制作硅光电池，硅光电池能把 能直接转换成 能，且完全不会造成污染。
19．如图所示是“玉兔号”月球车。车上的仪器和设备所需的电能来自太阳能，太阳能属于 （选填“可再生”或“不可再生”）能源。“玉兔号”月球车底部安装了一台测月雷达，可发射 （选填“超声波”或“电磁波”）探测二三十米厚的月球土壤结构。
三、解答题
20．细心的小梅发现，济南的有些路口安装了带有太阳能电池板的警示灯，如图所示，白天，太阳能电池板将 转化成电能，并储存起来；用 材料制作的LED灯日夜发光提醒着人们注意交通安全。
21．如表是某电铺式太阳能热水器的部分参数，夏天用温度25℃的水将保温桶充满。假设热水器接收到的太阳能有45%被水吸收，在最好的日光充分照射下，试求：
保温桶容积（L）
150
采光面积（m2）
2.5
水温（℃）
夏天
45～90
冬天
40～60
电热管
220V 2000W
（1）当水温恰好达到最高时，需要多少太阳能？
（2）若晚间用电热管加热，温度也达到最高时，需加热多长时间？（不计电热管热量损失）
22．太阳是能源之母。太阳能属于 （选填“可再生”或“不可再生）能源。请你举出一个利用太阳能的实例： 。
23．太阳能热水器是把太阳能转化为内能的设备之一。某品牌太阳能热水器每小时平均接收
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4.2×106J的太阳能，在5小时的有效照射时间内，将热水器中质量为100kg、初温为20℃的水温升高到40℃．求：
（1）热水器中的水吸收的热量Q；【水的比热容C=4.2×103J/（kg•℃）】
（2）热水器5小时内接收到的太阳能E；
（3）热水器的效率η；
（4）若改用煤气来加热这些水，需要完全燃烧多少千克煤气？（煤气的热值q=4.2×107J/kg，假设煤气燃烧放出的热量全部被水吸收）
24．太阳能热水器是直接利用太阳能给水加热的装置，下表示小华家的太阳能热水器某天在阳光照射下的相关信息。
太阳照射时间h
装水量kg
水升高的温度℃
水的比热容J/（kg•℃）
太阳能吸热功率J/h
10
100
50
4.2×103
3.0×106
求：（1）水在10h内吸收的热量；
（2）太阳能热水器的能量转化效率。
25．太阳能清洁无污染，是人类能源的宝库。目前利用太阳能的方式主要有三种：光热转换，如太阳能热水器；光电转换，如太阳能电池；光化转换，如植物的光合作用。问：
（1）太阳能是 能源（选填“一次”或“两次”）；
（2）某太阳能热水器中装有质量为50kg的水，在阳光照射下，水吸收9.45×106J热量，温度升高到70℃，水的初温是多少℃？[C水=4.2×103J/（kg•℃）]。
26．如图是一种配有风力发电机和太阳能电池板的新型路灯，路灯的额定功率为0.12kW，光电池接收太阳光辐射的功率为1kW，吹向风力发电机叶片上的风功率与风速之间的关系如下表所示，风能转化为电能的效率为4%，光电池将光能转化为电能的效率为η光。
风速（m/s）
2
4
6
8
10
12
16
风功率（W）
15
125
420
1000
2000
3375
8000
（1）无风的晴天，光照6h，太阳能电池板产生的电能可使路灯正常工作10h，则路灯消耗的电能是多少kW•h？光电池将光能转化为电能的效率η光为多大？
（2）在有风的晴天，经3h的光照和风吹，路灯可正常工作7h，则当时的风速为多大？
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27．太阳是人类能源的宝库，使用太阳能汽车是利用太阳能的途径之一。如图是一款太阳能汽车。它的外形呈流线形，主要由太阳能电池板和电动机构成，由于大量使用了密度小、机械强度大的新型材料，使整车的质量较小。上述短文中包含了一些物理知识，请你指出其中的信息和对应的物理知识。（说出两条）
例如：物理信息：整车的质量较小
物理知识：减小自身的重力从而减小对地面的压强。
28．能源是人类社会进行发展的重要物质基础，太阳能处处可以利用，是一种理想的能源。
（1）你认为利用太阳能有哪些好处？（至少写出两条）
（2）太阳能路灯已成为我市许多城镇、乡村一道靓丽的风景线（如图甲所求）．太阳能路灯的太阳能电池板直接把太阳能转化成电能，并可用蓄电池储存起来。若某小区路灯利用与太阳组电池板相连的蓄电池作是源，蓄电池电压为12V，容量为24A•h（表示安•时），路灯规格为“12V 24W”，则充足电的蓄电池可供电灯正常工作多少时间？
（3）如图乙已走进千家万户的太阳能热水器是采用太阳能转化为热能的方式利用太阳能的。下表提供的是装满水的某种型号的太阳能热水器在太阳照射下的相关信息。
太阳照射时间/h
太阳能转化为热的效率
水升高的温度/℃
热水器容积/L
8
80
60
100
请根据信息计算：[C水=4.2×103J/（kg•℃）]
①太阳能热水器照射8h，水吸收的热量是多少？
②热水器平均1h所吸收的太阳能是多少？
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29．太阳能清洁无污染，是人类能源的宝库，某太阳能汽车总质量为400kg，顶部安装了太阳能电池板，如图所示，太阳光照射到地面时单位面积上的辐射功率为1.2×103W/m2，汽车上的太阳能电池板的有效面积为5m2。
（1）太阳能电池板能将太阳能转化为电能，若太阳能电池板的转换效率为40%，则转换给汽车电动机的电功率是多少瓦？
（2）这辆汽车在某水平面上匀速行驶时，受到的阻力为车重的0.02倍，则汽车受到的牵引力为多少牛顿？
（3）如果这辆汽车的电动机经电能最终转化为机械能的效率为80%，则汽车在该平面上匀速行驶的速度为多少米每秒？
30．在新农村建设中很多楼房顶部装有如图所示的太阳能、电能两用热水器，该热水器利用太阳辐射的能量加热时，能把太阳辐射能的70%转化为水的内能；用电热丝加热时，能把电能的90%转化为水的内能，该热水器也可利用太阳辐射的能量和电热丝同时加热。它的铭牌如表格所示。小明家热水器的支架与楼顶水平台面总接触面积为0.1m2．他家所在的地区（晴天）每天接受太阳辐射的时间为8h，太阳光照射地面时的辐射功率为900J/（s•m2），即每平方米的面积上每秒得到的太阳辐射能平均为900J．已知g=10N/kg，C水=4.2×103J/（kg•℃）．ρ水=1.0×103kg/m3．当热水器内蓄满水时，求：
x x牌热水器
型号HM﹣20
集热管数28支
额定频率50HZ
水箱容积150L
集热管管长180cm
额定电压220V
防水等级A
系统承压3.0MPa
额定功率4000W
自身质量50kg
采光面积2.0m2
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（1）热水器对水平台面的压力和压强；
（2）热水器每天接受的太阳辐射能使水升高的温度；
（3）热水器将水从20℃加热到52.4℃所需的最短时间。
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参考答案
1．B2．B3．C4．C5．A
6．太阳电电化学
7．可再生转化
8．太阳电磁
9．太阳内
10．电蒸发（汽化）4.2×107
11．太阳电核裂变
12．2.52×107热传递
13．环保热传递90
14．太阳5
15．电可再生
16．可再生3.84×106
17．光一次14.4W
18．太阳电
19．可再生电磁波
20．太阳能；半导体；
21．（1）由ρ=得水的质量：
m=ρV=1×103kg/m3×150×10﹣3m3=150kg
水吸收的热量：
Q吸=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg℃）×150kg×（90℃﹣25℃）=4.095×107J
需要的太阳能：Q===9.1×107J
（2）由W=Q吸=Pt可得，电热管加热的时间：
t====2.05×104s
22．可再生；太阳能热水器；
23．（1）热水器中的水吸收的热量：
Q=Cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg•℃）×100kg×（40℃﹣20℃）=8.4×106J
（2）热水器5小时内接收到的太阳能：E=4.2×106J/h×5h=2.1×107J
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（3）热水器的效率：η=×100%=×100%=40%
（4）煤气燃烧放出的热量全部被水吸收，即Q放=Q吸=8.4×106J
由Q=mq可知完全燃烧煤气的质量：
m′===0.2kg
24．（1）水吸收的热量（有用能量）：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×100kg×50℃=2.1×107J；
（2）10h太阳能热水器吸收的太阳能（总能量）：
Q总=Pt=3×106J/h）×10h=3×107J
η=×100%=×100%=70%
25．（1）太阳能是直接从自然界获取的能源，属于一次能源
（2）∵Q=cm（t﹣t0）
∴水的初温：t0=t﹣=70℃﹣=70℃﹣45℃=25℃
26．已知：P灯=0.12kW，P光=1kW，η风=4%，
（1）路灯工作t1=10h消耗的电能：
W电1=P灯t1=0.12kW×10h=1.2kW•h；
光照t2=6h，光电池接收的太阳能：
W光1=P光×t2=1kW×6h=6kW•h；
光电池将光能转化为电能的效率：
η电=×100%=×100%=20%；
（2）路灯工作t3=7h消耗的电能：
W电2=P灯t3=0.12kW×7h=0.84kW•h；
光照t4=3h，光电池接收的太阳能：
W光2=P光×t4=1kW×3h=3kW•h；
根据公式η电=×100%可知光电池产生的电能：
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W光电=η电W光2=20%×3kW•h=0.6kW•h；
风力发电机产生的电能：
W风电=W电2﹣W光电=0.84kW•h﹣0.6kW•h=0.24kW•h；
根据公式η风=×100%，
可知消耗的风能：
W风===6kW•h；
风的功率为：
P===2kW；
根据风功率与风速之间的关系可知此时的风速为10m/s。
27．（1）物理信息：太阳能电池板；
物理知识：太阳能转化为电能；
（2）物理信息：太阳能汽车外形呈流线形；
物理知识：在快速行驶中能使受到的气流阻力减小。
28．（1）太阳能是一种新型的能源，越来越被广泛利用，它的优点很多，比如：安全、清洁、无污染；太阳能分布广阔，获取方便；能量大、供应时间久等；
（2）由P=UI可得，路灯正常工作时的电流：
I===2A，
电池容量为q=24A•h，则由I=可得可供路灯工作时间：
t===12h；
（3）①太阳能热水器装满水时，水的体积：
V=100L=100dm3=0.1m3，
由ρ=可得，太阳能热水器装满水时，水的质量：
m=ρV=1.0×103kg/m3×0.1m3=100kg，
水吸收的热量：
Q吸=cm△t=4.2×103J/（kg•℃）×100kg×60℃=2.52×107J；
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②平均1h水吸收的热量：Q吸′==3.15×106J，
由η=×100%可得，热水器平均1h所吸收的太阳能：
E===3.9375×106J
29．（1）太阳能电池板能将太阳能转化为电能，若太阳能电池板的转换效率为40%，
则转换的电功率为：
P=ηP0S=40%×1.2×103W/m2×5m2=2.4×103W；
（2）车的重力为：
G=mg=400kg×10N/kg=4000N，
由于这辆汽车在某水平面上匀速行驶，则牵引力等于阻力，故F=f=0.02G=0.02×4000N=80N；
（3）因为牵引力为F=80N，由P===Fv可得：
v===24m/s
30．（1）水的质量m水=ρV=1.0×103kg/m3×0.15m3=150kg，
热水器对水平台的压力：
F=G=（m器+m水）g=（50kg+150kg）×10N/kg=2000N，
热水器对水平台的压强：
P===20000Pa；
（2）热水器每天接受的太阳辐射能：W=900J/（s•m2）×8×3600s×2.0m2=5.184×107J，
水吸收的热量：Q吸=70%W=70%×5.184×107J=3.6288×107J，
水的体积V=150L=0.15m3，
水的质量：m水=ρV=1.0×103kg/m3×0.15m3=150kg，
Q=Cm△t，
则水升高的温度：△t===57.6℃
（3）热水器将水从20℃加热到52.4℃所吸收的热量：
Q吸′=cm（t﹣t0）=4.2×103J/（kg•℃）×150kg×（52.4℃﹣20℃）=2.0412×107J，
热水器利用太阳辐射的能量和电热丝同时加热，时间最短，假设此时的时间为t，
W=Pt，则Q吸′=90%×Pt+70%×900J/（s•m2）×t×2.0m2=4860W×t
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所以需要加热的时间：t===4200s
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