新能源开发和利用综合问题探析，本文主要内容关键词为：探析论文,新能源论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
能源是人类社会发展进步的物质基础。在当代，能源同信息、材料一起构成了现代文明的三大支柱。在能源的开发和利用中，包含了丰富的物理知识以及其它自然科学知识，是理科综合测试命题的一个重要切入点，特别是新能源的开发和利用。它包括：核能、地热能、潮汐能、沼气。新方法利用的太阳能、风能等。
一、核能
例1 在其它能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势，在核电站中，核反应堆释放的核能，被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。
（1）完成下列核反应式：
反中微子（反中微子的质量和电荷数均为零）
（2）写出核裂变反应和一般化学反应的不同点（至少3点）
（3）核电站在热量传递的循环系统中应用了钠钾合金作为传热介质，试根据钠钾合金的性质说明这一应用的两点理由。
（4）依据上述核反应式方程式。计算1kg铀235全部裂变可产生多少kJ的能量？
已知：铀（U）核的质量为235.0439u，中子（n）的质量为1.0087u，铷（Nd）核的质量为142.9098u，锆（Zr）核的质量为89.9047u，1u=1.6606×10[-27]kg。
析与解 （1）据反应前后质量数和电荷数守恒得：[90][，40]Zr。
（2）对单位质量的物质而言，核裂变释放的能量远大于化学反应释放的能量；核反应前后元素（原子核）发生变化，而化学反应中元素不变（电子有得失）；一种同位素不论处于何种价态（例单质铀或化合物铀），它们的核反应性质相同，而化学性质不同；而同一种元素的不同同位素（如铀235和铀238）化学性质相同，但核反应的性质不同；核反应的速率与温度、压强等无关仅由核内因素决定，而化学反应往往与外界温度高低、压强大小等有关。
（3）钠钾合金熔点低，常温下为液态，可在管道内流动；钠钾合金是热的良导体。
（4）核能△E[，总]=N·E[，1]=1000/235×6.0×10[23]×1.6×10[-19]J=8.17×10[10]kJ
二、潮汐能
例2 能源问题是当前的热门话题，传统的能源——煤和石油，一方面储量有限，有朝一日将要被开采完毕；另一方面，使用过程中也带来污染。寻找新的、无污染的能源是我们努力的方向，利用潮汐发电即是一例。
关于潮汐，古人说：“潮者，据朝来也；汐者，言夕至也”。如图1所示的是利用潮汐发电的示意图，左方为陆地和海湾，中间为水坝，其下有通道，水经通道可带动发动机。涨潮时，水进入海湾，待内外水面高度相同，堵住通道，如图1（a）。潮落至最低时放水发电，如图1（b）。待内外水面高度相同，再堵住通道，直到下次涨潮至最高点，又放水发电，如图1（c）。设海湾面积为S=5.0×10[8]m[2]。高潮与低潮间高度差为h=3.0m，求一天内水流的平均功率。
注：实际上，由于各种损失，发电功率仅及流水功率的10％～25％。例如法国兰斯河潮汐发电站水势能释放平均功率为240MW，而发电功率仅62MW。
析与解 潮汐发电其实质就是将海水的重力势能转化为电能，每次涨潮时流进海湾（落潮流出海湾）的海水的质量为
m=ρV=ρSh=1.0×10[3]×5.0×10[3]×3=1.5×10[12]kg
其重心的高度变化为h′=h/2=1.5m
一天内海水两进两出，故水流功率为
即p≈100MW
三、太阳能
例3 大规模开发利用太阳能，将会满足人类长期对大量能源的需求，太阳能的光——热转换是目前技术最为成熟、成本最低廉、应用最广泛的形式。如图2（a）是太阳能热水器的构造示意图，下方是像日光灯管似的集热管，外层是透明的玻璃管，内层是黑色管子（管内蓄水），由导热性能良好的材料制成，在黑色管和透明管之间有空隙，并抽成真空。集热管的下方是块光亮的铝合金板，做成凹凸的曲面，水箱在顶部。
（1）试说明太阳能热水器这样构造的道理。
（2）如图2（b）中A是集热管，B是储水器，C是辅助加热器，在太阳光的照射下，水将沿流动。（填“顺时针”或“逆时针”）并解释这种现象。
（3）举例说明太阳能——电能转换。
（4）举例说明太阳能——化学能转换。
（5）举例说明太阳能——生物能转换。
析与解 （1）集热管表面积较大，便于吸收较多的太阳能，透明玻璃管内有黑色管子，使阳光直射入玻璃管而不易被反射。将黑色管和透明管之间抽成真空，可减少两管间因空气对流损失能量，减少热传导。集热管下方的铝合金板，做成凹凸一定曲面（抛物面），利用凹面镜将太阳能聚集在水管内，水箱装在顶部，是为了便于水的对流。
（2）水将沿顺时针方向流动。因为集热器中的水被太阳晒热后密度变小，受浮力作用将沿管向上运动。
（3）太阳能电池，基本原理是利用光电效应将太阳能转化成电能。目前，国产硅光电池的最大开路电压已达到600MV。
（4）如利用太阳能辐射直接分解水制氢，氢是二次能源，用途广，无污染，便于贮存与运输。所以，利用太阳能制氢，是一种很有前景的途径。
（5）捕获太阳能的生物主要是绿色植物，利用植物的光合作用，将太阳能转化成生物能。
四、磁流体发电
例4 磁流体发电技术是世界上正在研究的新兴技术，这种发电机与一般发电机不同，它可以把内能直接转化为电能。具有效率高（可达45％～55％，火力发电效率为30％），少污染等优点。它的发电原理如图3所示，将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量带正电和带负电的微粒，而从整体来说呈电中性）喷射入磁场，磁场中A、C两平行金属板的面积为S，彼此相距为L，等离子体的电导率为δ（即电阻率的倒数），喷入速度为v，板间磁感应强度B与气流方向垂直，与板相连的电阻的阻值为R，试回答：
（1）此发电机的电动势有多大？
（2）合上S，流过R的电流I为多少？
（3）为了使等离子体以恒定的速度v通过磁场，发电通道两端需保持一定的压强差△p，试计算△p。
析与解 （1）磁流体发电机的电源电动势即为外电路断开时电源两板间的电势差，当等离子体通过A、C两板时，A、C两板间的电势差达到最大。设等离子体电量为q，则当等离子体匀速通过A、C两板时，由平衡条件有；qBv=q（E/L）
所以电源电动势为：E=BLv
（2）由电阻定律，得电源的内阻为：r=ρ（L/S）=L/δS
根据闭合电路的欧姆定律，流动R的电流为：I=E/R+r
代入E和r可得：
（3）当等离子体受到的安培力与离子体压力差相等时，等离子体才能以恒定的速度通过磁场，即有：△p=F/S=BIL/S
五、卫星悬绳发电
例5 1992年美国宇航局的科学家曾在“阿特兰蒂斯”号航天飞机上进行了一项卫星悬绳发电实验。航天飞机在赤道上空正常飞行时飞机上向下释放出一颗小卫星，携带一根长20km、电阻为800Ω的金属缆绳，缆绳的方向从航天飞机指向地心，设航天飞机的飞行高度为300km，速度为7.7km/s，地球半径为6400km。地磁场的强度为3.5×10[-5]T，根据设计要求并测得金属缆绳中能产生3A的电流。然而该项实验由于缆绳断裂只取得部分成功。
试估算：
（1）缆绳提供的电压是多大？
（2）若按设计要求，航天飞机绕地球飞行一周可获得的电能为多少？
析与解 （1）由题述知，金属缆绳处在地磁场中而切割磁感线，产生电压和获得电能，因此应以金属缆绳为研究对象来研究它的电磁感应特征。
按题述所给信息，可把此复杂的实际问题简化成一段直线导体在匀强磁场中匀速切割磁感线的发电机模型。
由法拉第电磁感应定律知，缆绳产生的感应电动势E=BLv=5390V
缆绳两端的电压即端电压U=E-Ir=2990V
（2）根据能的转化和守恒定律，航天飞机绕行地球一周所获得的电能即等于外电路的电功
评析：本题以高新科技题材，通过航天飞机的金属缆绳产生电压和获得电能的计算，来考查学生的空间想象能力、建模能力和应用电磁感应定律及电学其它规律解决问题的能力。本题情景新颖，乍一看似乎非常陌生，无从下手，但通过分析和联想，便可转化为我们熟知的“发电机模型”，它是一道“起点高，落点低”的好题。
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