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初物培優(重高自招 競賽)之第22章 能源與可持續發展
原題
一．能量的轉化與轉移的方向性（共1小題）
1．下列判斷正確的是（　　）
A．收音機里聽到“咔咔擦擦”的聲音，說明導線中有電流就能在周圍產生電磁波
B．微波爐是利用微波加熱使食物內外同時變熟的，食物可以放在金屬器皿中加熱
C．汽車散失的熱不能自動收集起來再利用，說明能量的轉化或轉移具有方向性
D．核電站的核反應就是利用核聚變原理
二．能源（共1小題）
2．地球上的液態水和固體水合計大約為14億立方千米，其中淡水約占多少（　　）
A．0.25% B．2.5% C．25% D．以上都不對
三．能源的分類（共4小題）
3．（2010?綿陽校級自主招生）電動自行車使用可重復充電的蓄電池提供動力。試分析電動自行車所消耗的能源屬于①一次能源；②二次能源；③可再生能源；④不可再生能源；⑤常規能源；⑥新能源。（　　）
A．②③⑤ B．①③⑥ C．②④⑥ D．①④⑤
4．（2017?陜西自主招生）2014年5月21日，中國與俄羅斯簽署了總額高達4000億美元的天然氣貿易合同，俄羅斯向中方提供30年的天然氣供應。天然氣是　 　（選填“可”或“不可”）再生能源。目前城市公共汽車用天然氣取代汽油做燃料是因為使用天然氣相對減少了二氧化碳氣體的排放，可以有效緩解　 　效應。通常采用　 　方法使天然氣在常溫下液化。
5．（2014?北京校級自主招生）我們今天使用的煤、石油、天然氣，它們屬于　 　能源。（填“可再生”或“不可再生”）
6．能源是人類社會生存和發展的重要物質，在你熟悉的能源中，　 　屬于可再生能源；　 　屬于不可再生能源；　 　屬于一次能源；　 　屬于二次能源。
四．新能源（共1小題）
7．能源可分為常規能源和新能源，請指出發下哪項不屬于新能源（　　）
A．核能 B．太陽能 C．天然氣 D．以上都不對
五．核能（共3小題）
8．（2007?蚌埠校級自主招生）關于核能下列說法正確的是（　　）
A．物質是由原子構成的，原子中有原子核，所以利用任何物質都能得到核能
B．到目前為止，人類獲得核能有兩種途徑，即重核裂變和輕核聚變
C．原子彈和氫彈都是利用原子核裂變和聚變的原理制成的
D．自然界只有在人為的條件下才會發生裂變
9．據新聞報道美國和韓國3月確定在朝鮮半島部署「薩德」戰區高空防衛系統（THAAD），預計明年年底運作，雖然美、韓稱是反制朝鮮日益加強的核子及導彈威脅，但「項莊舞劍，意在沛公」，對中國帶來的實際威脅，遠大于近日紛紛擾擾的南海仲裁案。由于薩德的雷達偵測范圍遠達2000公里，覆蓋中國東北、華北、華東、甚至華南大部分地區可以說中國境內的所有軍事活動及部署都逃不了薩德的監控。下列關于薩德的說法錯誤的是（　　）
A．薩德反導系統發射的核導彈是利用大量內能的爆發來造成毀滅性的傷害
B．薩德反導系統發射的導彈在向上飛行的過程中機械能的總量保持不變
C．薩德反導系統的監控雷達和發射車之間的聯系是靠電磁波
D．薩德反導系統發射的導彈在飛行時做勻速直線運動
10．原子核發生改變時有時會釋放能量。有兩種途徑可以大量獲得核能，即　 　和　 　。其中　 　還不能進行人工控制，因此還不能用來發電。
六．核電站發電過程中的能量轉化（共3小題）
11．（2011?蚌山區校級自主招生）日本福島核電站發生核泄漏危機引起世界對安全利用核能的關注。下列關于核能的說法正確的是（　　）
A．只有裂變才能釋放出核能
B．裂變和聚變都能釋放出核能
C．核能和電能都是二次能源
D．核能和風能都是可再生能源
12．目前，由于能源緊張，全國各地正在積極開發和利用新能源，如核電站和風力發電。其中核電站是利用原子核發生　 　（填“裂變”或“聚變”）來發電的，風能屬于　 　（填“可再生”或“不可再生”）能源。
13．我國已經建成了兩座核電站。在那里，電能是由核　 　變時釋放的　 　能轉化來的，電能是從　 　機中得到的。
七．核聚變（共2小題）
14．（2011?南充自主招生）《不擴散核武器條約》締約國第八次審議大會在紐約聯合國總部召開，消除核武器與和平利用核能成為參會國討論的焦點。關于原子彈與核電站的敘述正確的是（　　）
A．原子彈對聚變的鏈式反應不加控制，核電站控制裂變的鏈式反應速率
B．原子彈對聚變的鏈式反應不加控制，核電站控制聚變的鏈式反應速率
C．原子彈對裂變的鏈式反應不加控制，核電站控制裂變的鏈式反應速率
D．原子彈對裂變的鏈式反應不加控制，核電站控制聚變的鏈式反應速率
15．（2008?江蘇自主招生）人工釋放原子能的方法是：一是重核發生　 　；二是輕核發生　 　。
八．核裂變（共3小題）
16．核能發電廠內的核反應堆里發生的是（　　）
A．核聚變 B．核裂變 C．可控核裂變 D．以上都不對
17．能源問題是人類社會面臨的主要問題之一，而適度發展核電是解決能源問題的途徑之一。就目前的技術水平來看。所有核電站都是利用重核的　 　反應將核能轉化為電能的，其技術關鍵是控制核反應的速度，在核電系統中具有這一功能的裝置是　 　。
18．（2011?綿陽校級自主招生）北京時間3月11日13時46分，日本東北地區宮城縣北部發生里氏9.0級強震并爆發海嘯，導致日本福島核電站發生5級核泄漏事故。原子彈和核電站都是利用鏈式反應釋放核能，兩者的本質區別是：原子彈爆炸時發生的鏈式反應是　 　，核反應堆中發生的鏈式反應是　 　。
九．太陽能的利用（共2小題）
19．（2010?武平縣校級自主招生）目前人們直接利用太陽能的方式有兩種：其一如太陽能熱水器是把太陽能轉化為　 　能；其二如太陽能電池，是把太陽能轉化為　 　能。
20．（2004?鏡湖區校級自主招生）1996年清華大學和香港大學的學生合作研制了一輛太陽能汽車。車上電池的太陽能接收板的面積是8m2，它正對太陽時電池能夠產生120V的電壓，并對車上電動機提供10A的電流。電動機的直流電阻為4Ω，而太陽光照射到地面時單位面積上的輻射功率為1.0×103W/m2．求：
（1）該車的太陽能電池的效率是多少？電動機把電能轉化為機械能的效率是多少？
（2）若太陽輻射的總功率為3.9×1.026W，且太陽光在穿過太空及地球大氣層到達地面的途中有28%的能量損耗，還知道半徑為R的球面面積為S＝4πR2．請根據這些資料計算太陽到地球的距離。
一十．太陽能的轉化（共3小題）
21．（2014?寧波自主招生）下列關于水的天然循環的說法中正確的是（　　）
①水在天然循環過程中實現了水的自身凈化
②水的天然循環是通過水的三態變化實現的
③太陽為水的天然提供了能量
④水的天然循環完成了水資源的重新分配。

A．①③ B．①② C．③④ D．①②③④
22．（2011?鄂州自主招生）太陽光可認為是由一份一份的光子組成。光子不僅具有能量，還有動量。光照射到某個面上就會產生壓力。有人設想在火星探測器上安裝面積很大的薄膜，正對著太陽光，靠太陽光在薄膜上產生的壓力推動探測器在太空中前進，推力越大，探測器獲得的加速度越大。第一次安裝的是反射率極高的薄膜，第二次安裝的是吸收率極高的薄膜，那么（　　）
A．安裝反射率極高的薄膜，探測器獲得的加速度大
B．安裝吸收率極高的薄膜，探測器獲得的加速度大
C．兩種情況下，由于探測器的質量一樣，探測器獲得的加速度大小應相同
D．兩種情況下，探測器獲得的加速度大小無法比較
23．（2019?江西自主招生）如圖所示，是太陽能路燈照明系統。它的工作原理是使太陽能轉化為電能儲存在蓄電池內，供路燈發光。這個過程中能量發生轉化的流程：太陽能→電能→　 　→　 　→光能。

一十一．太陽能熱水器中的熱量計算（共10小題）
24．（2020?昆山市自主招生）某太陽能熱水器內裝有質量為200kg，溫度為20℃的水，在陽光照射一段時間后，水溫升高到80℃。如果用熱效率為40%的燃氣灶燃燒天然氣來加熱同樣多的水，使水升高到同樣的溫度，需要燃燒　 　m3的天然氣。（已知水的比熱容為4.2×103J/（kg?℃），天然氣的熱值是4.2×107J/m3）
25．（2010?思明區校級自主招生）太陽能路燈的燈桿頂端是太陽能電池板，它能將太陽能轉化為電能，并向燈桿下方的蓄電池充電，將電能轉化為　 　能儲存起來，供夜晚路燈照明。若在一定時間內，太陽光輻射到該太陽能電池板的能量為2.7×107J，這與完全燃燒　 　kg的煤放出的熱量相當；這些能量經轉化后，可供功率為35W的路燈工作60h，那么該太陽能路燈的能量轉化效率是　 　%（煤的熱值為3.0×107J/kg）。
26．（2017?市南區校級自主招生）為了倡導低碳生活，太陽能熱水器被廣泛應用于現代生活。如表提供的是一裝滿初溫為10℃水的太陽能熱水器在太陽照射下的相關信息：
太陽照射時間/h 太陽能轉換為水的內能的效率 熱水器最大水容量/L
10 60% 100
水升高的溫度/℃ 水的比熱容/[J?（kg?℃）﹣1] 水的密度/kg?m﹣3
60 4.2×103 1.0×103
根據上表信息，求：
（1）熱水器中的水吸收的熱量是多少。
（2）此次熱水器接收的太陽能為多少。
27．（2014?寧波自主招生）科學探究小組為了估算一天時間（T）內到達地球的太陽輻射能量的最大值，有關同學利用夏季晴天的某個正午測量了某一太陽能熱水器的工作狀況。讓陽光直射集熱器的受光平面（該面積為S），經過時間t，有質量為m的水，其溫度從t1上升到了t2，已知水的比熱容為c，該太陽能熱水器的效率為η。
（1）據此可估算單位時間內垂直到達地球單位面積上的太陽輻射能量E＝　 　。
（2）將地球看作半徑為R的球體，其表面積等于4πR2。根據以上情況，估計一天時間內到達地球的太陽輻射能量的最大值等于　 　。
28．如圖所示是利用太陽能加熱水的簡易裝置。水箱的四壁和底部均用絕熱材料制成，箱頂裝有吸熱板，其面積為1m2，水箱內裝有質量為50kg的水。地球表面接受的太陽輻射熱為1.0×103J/（s?m2），若水箱里的水能吸收太陽輻射熱的30%，那么經過4h后，箱內水溫升高多少℃？至少可以節約天然氣的體積是多少？
[水的比熱容4.2×103J/（kg．℃）天然氣熱值q＝8.4×107J/m3）]。

29．（2017?寧波自主招生）（1）目前風力取代燃油與煤礦等常規能源作為發電的能源已經成為共識。下圖是位于寧波白巖山的風力發電場景。
一般認為風越強，風力發電機中風車的葉片轉動得越快，產生的電能越多。但是在真實的環境中，它的運作有如下特點：當風速達到V1的時候，葉片開始轉動；當風速是V2的時候，所產生的電能達到最大值W；基于安全考慮，當風速大于V2的時候，葉片的轉動不會加快，當風速增大到V3的時候，葉片會停止轉動。在下列風速與電能的關系圖中，能滿足上述運作特點的是　 　。

（2）如圖①所示，太陽能熱水器主要由兩部分構成：一部分是有多根玻璃吸熱管組成的集熱器，每根吸熱管由雙層玻璃管組成；另一部分是保溫儲水箱，下部與玻璃吸熱管相通。如圖②所示是玻璃吸熱管的工作原理圖，其內表面涂了一層吸熱材料。當太陽光入射到吸熱層上時，能把太陽能轉化為內能。向光一側的水被加熱后密度變小而向上運動；背光一側的水由于溫度低密度大而向下運動，形成冷熱水循環，使整箱水溫度升高。
請回答以下問題：

①玻璃吸熱管的內表面涂了一層吸熱材料，它的顏色應為　 　（填“黑色”或“白色”）。
②玻璃吸熱管具有　 　、　 　作用。
③某品牌太陽能熱水器集熱面積為S＝2m2，它能將照射到吸熱管上的太陽能的50%轉化為水的內能，某地區太陽能輻射到地面每平方米的平均功率P＝1.4×103W。請計算：該地區將100kg初溫為20℃的水加熱到60℃需多少時間？[已知水的比熱容為4.2×103J/（kg?℃）]

30．（2012?成都校級自主招生）經驗表明，自制家用太陽能熱水器的效率，在夏天時可達所接收的天陽能總量的50%；已知在地球表面，晴天時對垂直于陽光的表面接收到的熱輻射為8×104J/（min?m2），太陽能熱水器的水箱內裝水60kg，玻璃蓋面積為0.84m2，并隨時調整水箱位置使陽光總能垂直射入玻璃蓋，計算：
（1）曬水4h后水溫升高多少？
（2）若要用干木材將同樣多的水升高相同的問題，至少需要干木材多少千克？（不考慮熱損失，干木材的熱值q＝1.2×107J/kg）
31．（2011?武侯區校級自主招生）用一個底面積是500cm2、高不小于2cm的圓柱形容器，內裝水1kg，可用來估測射到地面上的太陽能。在日光垂直照射5min后，水溫升高了2.5℃．試估算在日光直射下地球表面每平方米每秒鐘獲得的熱量。（忽略容器吸收的和散失到周圍的熱量）
32．（2008?南充自主招生）下表是某電輔式太陽能熱水器的部分參數。
保溫桶容積（L） 150
采光面積（m2） 2.5
水溫
（℃） 夏天 45﹣90
冬天 40﹣60
電熱管 220V，2000W
夏天用溫度為20℃的水將保溫桶充滿，假設熱水器接受到的太陽能有50%被水吸收，在最好的日光照射下，C水＝4.2×103 J/（kg?℃），試求：
（1）當水溫恰好達到最高時，需要多少太陽能？
（2）若夜間無陽光照射時，用電熱管加熱，達到同樣的要求，在電熱管不計熱量損失的情況下，需要加熱多長時間？
33．小明家最近安裝了一臺太陽能熱水器，容積為80L，裝滿水。[c水＝4.2×103J/（kg?℃），q煤氣＝4.2×107J/kg]
（1）熱水器中水的質量是多少？
（2）水溫升高50℃需吸收多少熱量？
（3）產生這些熱量完全燃燒多少煤氣？
一十二．太陽能的其他相關計算（共8小題）
34．如圖所示為“風光互補路燈”系統，它在有陽光時通過太陽能電池板發電，有風時通過風力發電機發電，并將電能輸至蓄電池儲存起來，供路燈照明使用，下表為某型號風光互補路燈系統配置方案：
風力發電機 太陽能電池組件 其它元件
最小啟動風速 1.0m/s 太陽能電池輸出功率 36W 蓄電池 500Ah 12V
最小充電風速 2.0m/s
最大限制風速 12．m/s 太陽能轉化效率 15% 大功率LED路燈 800W 12V
最大輸出功率 400W
如果當地垂直于太陽光的平面得到的太陽輻射最大強度約為240W/m2，要使太陽能電池的最大輸出功率達到36w，太陽能電池板的面積至少要　 　m2，當風速為6m/s時，風力發電機的輸出功率將變為50w，在僅靠風力發電的情況下，將蓄電池的電能由20%充至90%所需時間為　 　h。

35．因為環境污染，北極的冰山上常年沉積著灰塵，使冰山表面吸收了更多太陽光，加速了冰山的熔化。假設覆蓋著灰塵的冰山上表面每單位時間單位面積所吸收的太陽光為98瓦（此數據已將太陽光白天和黑夜的不同日照量平均計算在內）。若有厚度為30米的冰山，如圖所示，則僅靠陽光的暴曬，在0℃的海水中，需要約　 　天才能將此冰山熔化。（冰的熔化熱為3.33×105J/kg）

36．（2017?雨城區校級自主招生）太陽能是21世紀重點開發利用的能源之一。太陽能動力車是利用太陽能電池將接收到的太陽能轉化為電能，再利用電動機來驅動的一種新型機動車。有一輛太陽能實驗車（研制過程中的樣品），它上面的太陽能電池板的有效面積為8m2，天氣晴朗且電池板對著太陽時，每平方米面積上能夠接收到的太陽能的功率為1kW，太陽能電池產生的電壓為120V，可供電動機正常工作的電流為10A．求：
（1）在電動機正常工作時，太陽能電池將太陽能轉化為電能的效率是多大？
（2）如果電動機正常工作時，將電能轉化為機械能的效率為75%，且該車沿水平路面勻速行駛時所獲得的牽引力為150N，則該車勻速行駛的速度是多大？
37．我們可以認為光是由一個個能量粒子組成的，組成光束的每一個能量粒子所擁有的能量可以近似為E0＝3.9×10﹣19J．（若球的半徑為r，則球的表面積S＝4πr2）
（1）一個功率P＝100W的白熾燈泡，其發光效率為15%，假設燈泡可以均勻地向四周輻射光能量，求在距燈泡40cm處垂直于光的傳播方向上1cm2的面積內，每秒鐘平均通過的光能量粒子的數量。
（2）已知太陽輻射的總功率P0＝4×1026W，太陽到地球的距離r＝1.5×1011m，太陽光傳播到達地面的過程中由于云層的反射和大氣的吸收作用，大約有60%的能量損耗，太陽能電池的能量轉化效率為15%，某太陽能電池板設計的輸出功率為2000W．求：
①此太陽能電池板的最小面積。
②此電池板上每平方厘米的面積上，每秒鐘平均吸收的光能量粒子的數量。
38．隨著人們環保意識的提高，“風光互補路燈”（如圖所示）得到了廣泛的應用。它在有陽光時通過太陽能電池板發電，有風時通過風力發電機發電，兩者皆備時同時發電，并將電能輸送至蓄電池儲存起來，供路燈晚間照明使用。為了能使蓄電池的使用壽命更為長久，一般充電至90%左右即停止充電，放電余留20%左右即停止電能輸出下表為某型號風光互補路燈系統配置方案的相關參數。
風力發電機 太陽能電池組件
最小啟動風速 1.0m/s 太陽能電池 180W
最小充電風速 3.0m/s 太陽能轉換效率 15%
最大限制風速 12.0m/s 蓄電池 400Ah?12V
最大輸出功率 400W 大功率LED路燈 80W?12V
（1）若遇到陰天并且無風，僅靠蓄電池供電，最多可供燈具正常發光多長時間？
（2）若一塊該“風光互補路燈”太陽能電池板的總面積為5m2，當其垂直太陽光方向放置時，最大發電功率達到180W，則當地垂直太陽光方向1m2范圍內太陽能電池板所接收太陽輻射的最大功率為多少？
（3）當風速為6.0m/s時，風力發電機的輸出功率將變為50W．在這種風速下，持續光照12h，蓄電池的電量也只由20%充到了70%．求此過程中太陽能電池板發電的平均功率。

39．（2016?寧波自主招生）為保護環境，我國政府正大力推廣電動小轎車。
（1）電動小轎車的自動大燈光控開關采用光敏電阻控制，在開車時遇到光線變暗時（如進入隧道），大燈就會自動開啟；當光線充足時自動關閉。某光敏電阻R在不同照度下的阻值如下表：
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
電阻/kΩ 75 40 28 23 20 18
如圖所示為汽車自動照明系統的簡化電路，電源電壓3.0V，當光線照度降低至1.0lx時，測得ab兩端的電壓為2.0V，則定值電阻R1＝　 　kΩ，此時光敏電阻RP的電功率為　 　W。
（2）現有一輛牽引功率為1.5×104W的電動小轎車，在平直路面上以v＝72km/h的速度勻速行駛，它所受阻力的大小是　 　N。
設想改用太陽能電池給該車供電，其他條件不變，求所需的太陽能電池板的最小面積。結合計算結果，簡述你對該設想的思考。[已知太陽輻射的總功率P0＝4×1026W，太陽到地球的距離R＝1.5×1011m，球面面積計算公式為S0＝4πr2（r為球的半徑），太陽光傳播到達地面的過程中大約有30%的能量損耗，該車所用太陽能電池的能量轉化效率約為15%]。

40．橫截面積為S1＝3×10﹣2m2的圓筒內裝有m＝0.6kg的水，太陽光垂直照射t＝2min可以使水溫升高△t＝1℃．水的比熱容為 C＝4.2×103J/（kg?℃）]。
求：
（1）兩分鐘內水吸收的太陽能Q；
（2）地球上每秒鐘每平方米的面積上可以接受到的太陽能E0。
（3）設大氣頂層的太陽能有45%能達到地面被水吸收，地球的半徑R＝6.4×106m．問每秒鐘有多少太陽能到達地球？E＝？
（4）太陽與地球表面的平均距離r＝1.5×1011m，估算太陽的全部輻射功率P（太陽發射能量可看成是分散到以太陽為圓心太陽到地球為半徑的得球面上，此球面面積為S＝4πr2）
41．某同學為了測量地表植物吸收太陽能的本領，做了如下實驗，用一面積為0.1m2的面盆盛6千克的水，經太陽垂直照15分鐘溫度升高5℃，若地表植物吸收太陽能的能力與水相當，請計算：
1、每平方米綠色植物每秒鐘接收的太陽能為多少焦？
2、若綠色植物在光合作用下每吸收1千焦的太陽能，可放出50毫升的氧氣，則每公頃綠地每秒鐘可放出多少升氧氣？（1公頃＝104平方米）
一十三．能源危機與能源消耗對環境的影響（共1小題）
42．下列哪個是全球氣候變暖的原因（　　）
A．下雪的減少 B．溫室效應 C．人口的增加 D．以上都不對
一十四．能源的利用和對環境的危害（共7小題）
43．（2020?市南區校級自主招生）近年來全球變暖最主要的原因是（　　）
A．被大氣吸收的太陽輻射增加