初中应用物理知识竞赛专题讲座22专题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.(2016全国初中应用物理知识竞赛)抽水蓄能电站是一种特殊的发电站，也是目前电力系统中最可靠、最经济、寿命周期长、容量大、技术最成熟的储能装置。抽水蓄能电站的基本结构如图13所示，当电网上的电能有盈余时，抽水蓄能电站就利用盈余的电能，通过蓄能机组带动水泵，把水由低处的下库抽到高处的上库并储存起来；当电网上的电能不足时，使原来抽到上库的水再流回下库，并推动蓄能机组带动发电机发电。2015年6月12日
，安徽金寨抽水蓄能电站项目正式开工。总装机容量120万千瓦（此处可看作总发电功率为120万千瓦），计划建设4台单机容量30万千瓦的发电机组。设计年总抽水消耗电能26.8亿千瓦时，蓄能发电20.1亿千瓦时。取g=10N/kg，求：1．按照设计要求，平均每年这4台发电机组相当于要共同工作连续工作多少天？2．该抽水蓄能电站的年运行综合效率ŋ行的设计值是多少？3．若该抽水蓄能电站在放水发电阶段的效率ŋ发=90%，则抽水蓄能阶段的效率ŋ抽是多少？4．若该抽水蓄能电站上、下库的水面平均高度h=100m，为保证该抽水蓄能电站4台发电机组全部满负荷连续发电t0=l0h，试估算，该抽水蓄能电站上库的容量V库至少要多少m3?例2.（15分）（2012全国初中应用物理知识竞赛）如图12甲所示，冰冻是造成高山地区冬季输配电线路倒塔（杆）断线的重要原因。为了避免这类事故的发生，一方面电力工人要及时对输电线路进行除冰作业，另一方面要加强输电线的抗拉能力。一般高压输电线每一根都是由一股位于中间的钢质线芯和六股相同粗细的铝质线芯绞在一起组成的，其横截面如图12乙所示。这种输电线通常被称为钢芯铝绞线（代号LGJ）。已知该钢芯铝绞线所能承受的最大安全拉力为其正常工作情况下拉力的5倍。下表是该种钢芯铝绞线的相关技术数据。
铝线（股数×直径）钢线（股数×直径）导线外直径电阻安全载流量（mm）（mm）（mm）（Ω／km）70℃80℃90℃6×3.801×3.8011.40.5194A228A255A1．该电力线路采用钢芯铝绞线而不采用与之同样结构尺寸的铝绞线，其主要目的是什么?2．输电线路结冰后，输电线（连同上面的冰）变粗、变重。为了保证输电线路的安全，防止输电线被拉断，在冰冻的钢芯铝绞线（连同上面的冰，其横截面可以看作圆）的直径D增大到一定值时就必须进行除冰作业，试估算需要进行除冰作业时冰冻的钢芯铝绞线的直径D。（ρ铝＝2.7×103kg／m3，ρ钢＝7.9×103kg／m3，ρ冰＝0.9×103kg／m3，取＝10.7）3．有一种输电线路除冰作业的方法叫“短路熔冰”。所谓“短路熔冰”，就是在短时间内，输电线不经过用电器而直接接通，输电线中通过比平时大许多的电流，利用导线本身发热熔冰以完成除冰作业的方法。短路熔冰时，若一根这种钢芯铝绞线每米的发热功率为200W，则短路熔冰时通过一根钢芯铝绞线的电流大约是多大?（取＝3.2）
例3.(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?
例4（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?
【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.【参考答案】：C2.（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。【参考答案】：B
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【参考答案】：A[来源:学§科§网Z§X§X§K]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21世纪教育网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【参考答案】：A5.（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【参考答案】：B
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【参考答案】：A二．填空题1．（2012全国初中物理竞赛预赛）在“节能减排，低碳生活”的理念下，太阳能越来越受到人们的青睐，太阳能属于____________能源（填“可再生”或“不可再生”）。许多家庭安装了太阳能热水器，太阳能热水器主要是通过____________方式增加水的内能。装有40kg水的热水器温度升高25℃，水的内能增加了____________J。【水的比热容c水=4.2×103J/（kg·℃）】【参考答案】：可再生热传递4.2×1062.(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：“>”、“16∶9
3.（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）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？
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2202001000小时2．00.5电子节能灯220408000小时20太阳能电池板20年15003（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?【名师解析】（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%。学科网4、(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。图15．(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2202001000小时2．00.5电子节能灯220408000小时20太阳能电池板20年1500【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。学科网6．（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）图2A图2B、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。【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。
7．(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[来源:学,科,网]人工沼气灶前压强(kPa)2.82.01.00.5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。试估算右炉烧水的效率。（4）．请你就如何提高燃气灶的效率问题谈淡你的设想。
【点评】此题以沼气应用为切入点，考查压强、热量、比热、效率及其相关知识点。学科网8、（2008河南初中应用物理知识竞赛题）2008年1月2日我省第一个风力发电机组在三门峡落成。发电机组连同底座共重80t．中间的钢柱高61.5米．底部直径4米。与主机连在一起的3片“风叶”，每片长37．5米，面积约为20m2。(1)风能是属于(可再生或不可再生)能源。风力发电的主要优点为(两点)(2)发电机底座对地面的压强为多少?(g取10N／kg)(3)若平均风速为6m／s，空气的密度为1.29kg／m3，则每秒钟吹到每个叶片上的空气的质量为多少?(4)一期工程计划安装17台总功率为1500千瓦的风力发电机组．预计每年(按360天汁算)并网发电量为多少千瓦时？与燃煤发电相比．每年可节约标准煤多少吨?(标准煤的热值为3×107J／kg)?9.(2011初中应用物理知识竞赛初赛)科技人员设计了一种可移动式太阳能水上漂浮房，它具有冬暖夏凉的优点，不仅为人们到海滨旅游提供了方便，而且节约了能源、减少了对环境的污染．某可移动式太阳能水上漂浮房的屋顶安装了太阳能电池板，接收太阳能的功率为9.0×103W，能为该房供应热水和在水上移动等提供能量．(1)漂浮房冬暖夏凉，利用了水的什么特性？
(2)太阳能电池板将太阳能转化为电能．若只用来给水加热时，电池板两极的电压为200V，加热电阻丝的电阻为15Ω，设电阻丝产生的电热全部转化为水的内能，则加热5min，水的内能增加了多少？(3)有5位中学生从岸上进入漂浮房参观，则水对漂浮房的浮力约增加了多少？．(4)若电池板吸收的太阳能只用来提供推动漂浮房前进所需的能量，漂浮房在平静的水面上以恒定功率沿直线运动，运动过程中受到的阻力不变．从某一时刻开始，漂浮房受到水平方向的牵引力F随运动时间t的变化关系如图所示，t=50s后，漂浮房以2.5m/s的速度做匀速直线运动．则在整个运动过程中，漂浮房受到的阻力大小为多少？太阳能转化为机械能的效率为多少？10.（2012•黑龙江哈尔滨）同学们学习了“能源与可持续发展”的内容后，知道热电站既能发电，又能供热，随着热电站技术不断更新，煤的燃烧程度比传统火电站更充分．为深入了解，他们对某热电站进行调查，获取信息如下：工作时间燃煤发电总功率废气××热电站20h4000t5×105kW向周边居民供热3.4×1013J(1)①4000t煤完全燃烧放出多少热量？②20h发电多少千瓦时？(q煤＝3×107J/kg)
(2)该热电站的能量利用率是多少？(3)请你结合以上信息，写出提高热电站能量利用率的方法。11（12分）（2012全国初中应用物理知识竞赛）如图11甲所示为某型号汽车的自动测定油箱内油量的电路原理图，其中电源两端的电压恒为24V，R0为定值电阻，A为油量指示表（一只量程为0～0.6A的电流表），Rx为压敏电阻，它的上表面受力面积为10cm2，其阻值与所受压力的对应关系如图11乙所示。油箱的上下两部分皆为长方体形状，下半部分的横截面积为、20dm2，高为2dm，上半部分的横截面积为10dm2，油箱加满油时油的总体积为60dm3。当油箱装满油时，油量指示表的示数如图11丙所示。已知：ρ汽油＝0.7×103kg／m3，取g=10N／kg。1．当油箱内汽油用完时，油量指示表的指针指向某一位置，求此位置所对应的电流值是多少；2．若汽车在高速公路匀速行驶400km，油量表由满刻度指向满刻度的位置，求该汽车每行驶100km消耗汽油多少升；3．在上面第（2）问所述的行驶过程中发现，油量表的示数在开始运动的一段时间内变化较快，而后来一段时间内变化较慢，请解释其中的原因。
12．(2012河南中考题)利用太阳能电池在太阳光照射下发电叫光伏发电。安阳市启动了“光伏工程”示范项目，在某中学的教学楼顶安装了总功率为20kW的光伏发电系统。（1）光伏发电系统发电时，_____能转化为_____能。（2）一天的有效光照时间按8h计算，该光伏发电系统一天共发电多少千瓦时？（3）该光伏发电系统一天的发电量，如果由热电转换效率为30％的热电厂来完成，需要燃烧多少千克煤？（煤的热值q＝3.0×107J/kg)（4）请写出一条光伏发电的优点。
【名师点评】此题以光伏发电切入，意在考查功和功率、效率、热量等知识点。
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