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【中图分类号】TU2 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089 (2012)01-0084-02
能源是现代社会生活的重要物质基础。近些年来由于煤、石油、天然气等常规能源的过度开发和消耗，给我们的生活环境带来了很多负面影响，同时也对人民的生活和生态的持续发展带来了很大的压力。所以，清洁的新能源的开发和利用成为当务之急。那么，在我们的高中物理学科考试中，尤其是高考，会出现什么类型题呢？
1 风能的利用
例：风力发电是一种环保的电能获取方式，图为某风力发电站外观图．设计每台风力发电机的功率为40kW．实验测得风的动能转化为电能的效率约为20%，空气的密度是1.29kg/m3，当地水平风速约为10m/s，问风力发电机的叶片长度约为多少才能满足设计要求？
解析：可设想在每台风力发电机前，在t时间内，有一半径为叶片长度，长度为L=vt的风的一段圆柱体吹过发电机，将其动能转化成了电能。
风的圆柱体的动能： Ek=12mv2
风的圆柱体的质量：m=ρV=ρπR2vt
由能量转化有：P=ηEkr=12ρπR2v3η
联立以上各式有：R≈10m
点评：本题考查清洁能源中最廉价（投资最少）的风能。难点在于计算风的质量。此类题求解的关键是将流动的风看成好像水管中流动的水柱一样，通过计算风柱的体积，从而利用公式m=ρV=ρπR2vt得解。
2 水能的利用
例：我省沙河抽水蓄能电站自2003年投入运行以来，在缓解用电高峰电力紧张方面，取得了良好的社会效益和经济效益．抽水蓄能电站的工作原理是，在用电低谷时(如深夜)，电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中，到用电高峰时，再利用蓄水池中的水发电．如图，蓄水池(上游水库)可视为长方体，有效总库容量(可用于发电)为V，蓄水后水位高出下游水面H，发电过程中上游水库水位最大落差为d．统计资料表明，该电站年抽水用电为2.4×108 kW·h，年发电量为1.8×108 kW·h．则下列计算结果正确的是(水的密度为ρ，重力加速度为g，涉及重力势能的计算均以下游水面为零势能面)
(A)能用于发电的水的最大重力势能Ep=ρvgh
(B)能用于发电的水的最大重力势能Ep=ρvg(H-d2)
(C)电站的总效率达75％
(D)该电站平均每天所发电能可供给一个大城市居民用电(电功率以105 kW计)约10 h．
解析：发电原理是利用了能量转化，也即上游水库所存水的重力势能最终转化为电能。
上游水库所存水在发电时其重心下降的高度为Δh=H-d2，减少的重力势能为Ep=mgΔh=ρvg(H-d2)，所以B选项正确。
电站的发电总效率η=1.8×1082.4×108%=75%，所以C选项正确。
该电站平均每天所发电能为E1=1.8×108365KW·h。
可供给一个大城市居民用电时间t=E1105≈5h，所以D选项错误。
正确结果应选BC。
点评：本题考查清洁能源中最常见（世界上清洁能源以水电居多）的水能。难点在于计算水的重力势能的变化。此类题求解的关键是找出研究中的水的重心变化。通常在上游时，重心位于体积的中心，下游时，认为水是平铺在下游水库中的水面上了，也即上题中重心下降的高度为Δh=H-d2。最后利用能量守恒得解。
3 潮汐能的利用
例：某海湾共占面积1.0x107m2，涨潮时水深20m，此时关上水坝闸门，可使水位保持20m不变，退潮时，坝外水位降至18m。假如利用此水坝建水力发电站，重力势能转变为电能的效率是10%，每天有两次涨潮。该电站一天能发出多少电能？
解析：退潮后，坝内所存的水的重力势能，通过开闸放水，推动水轮机（电站的发电装置），转换为电能。
坝内所存水的重力势能：Ep=mgΔh2=mgh1-h22
坝内所存水的质量： m=ρsΔh=ρs(h1-h2)
每次涨潮所发电能： E1=ηEp
一天发的电能： E=2E1
联立以上各式有： E=4×1010J
点评：本题考查清洁能源中最难利用（目前很少有那个国家利用）的潮汐能。难点在于计算退潮后，坝内所存的水的重力势能。此类题求解的关键是求出涨潮与退潮间水坝所存水的重心的变化和所存水的质量。最后通过能量守恒得解。
4 太阳能的利用
例：某同学为估算太阳的平均功率，做了如下实验：用一底面积为0.1m2的面盆，盛6kg的水，经太阳垂直照射15min，温度升高5℃。若认为地球绕太阳的轨道为圆形，日地平均距离为1.5×1011m，太阳光在经过地球大气层时，能量损失30%左右，水吸收太阳能的效率约为30%，则太阳的平均功率为多少？
解析：由能量守恒，盆内水吸收的太阳能转化为水的内能。
每秒盆内水增加的内能： E1=cmΔtt
每秒太阳能分布在以日地距离为半径的球壳的面积：S=4πR2
每秒地球上像盆底一样大的面积s1上获得的太阳能：E2=s1SE3×70%
每秒盆内水得到的太阳能：E1=E2×30%
太阳的平均功率：P=E31=1.88×1027w
点评：本题考查清洁能源中资源最丰富（取之不尽用之不竭）的太阳能。难点在于计算每秒在地球上像盆底一样大的面积s1上获得的太阳能。此类题求解的关键是太阳的光能是向四面八方辐射的，所以能量均匀的分布在以日地距离为半径的球壳上。 地球上s1面积上获得的太阳能的多少，与该面积s1占以日地距离为半径的球壳的面积S的比例成正比。最后利用能量守恒得解。
5 核能的利用
例：核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，1u=1.66×10-27kg。
⑴写出氘和氚聚合的反应方程。
⑵试计算这个核反应释放出来的能量。
⑶若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？（一年按3.2×107s计算，光速c=3.00×108m/s，结果取二位有效数字）
解析：（1）21H+31H→He+10n
（2）ΔE=Δmc2=（2．0141+3．0160-4．0026-1．0087）×1．66×10-27×32×1016J=2.8×10-12J
（3）M=2ptΔE×2.0141×1.66×10-27
=2×3×108×3.2×107×2.0141×1.66×10-272.8×10-12=23kg
点评：本题考查清洁能源中最有发展前景（各国争先研究）的核能。难点在于求解核原料的质量亏损量和单位换算。此类题求解的关键是，首先知道质量亏损是反应前的质量和反应后的总质量的差Δm=m前-m后，其次是知道1u=1.66×10-27kg的质量完全亏损释放的核能为931.5 MeV。最后利用质能方程的推导式ΔE=Δmc2得解。
能源是现代社会生活的重要物质基础。近些年来由于煤、石油、天然气等常规能源的过度开发和消耗，给我们的生活环境带来了很多负面影响，同时也对人民的生活和生态的持续发展带来了很大的压力。所以，清洁的新能源的开发和利用成为当务之急。那么，在我们的高中物理学科考试中，尤其是高考，会出现什么类型题呢？
1 风能的利用
例：风力发电是一种环保的电能获取方式，图为某风力发电站外观图．设计每台风力发电机的功率为40kW．实验测得风的动能转化为电能的效率约为20%，空气的密度是1.29kg/m3，当地水平风速约为10m/s，问风力发电机的叶片长度约为多少才能满足设计要求？
解析：可设想在每台风力发电机前，在t时间内，有一半径为叶片长度，长度为L=vt的风的一段圆柱体吹过发电机，将其动能转化成了电能。
风的圆柱体的动能： Ek=12mv2
风的圆柱体的质量：m=ρV=ρπR2vt
由能量转化有：P=ηEkr=12ρπR2v3η
联立以上各式有：R≈10m
点评：本题考查清洁能源中最廉价（投资最少）的风能。难点在于计算风的质量。此类题求解的关键是将流动的风看成好像水管中流动的水柱一样，通过计算风柱的体积，从而利用公式m=ρV=ρπR2vt得解。
2 水能的利用
例：我省沙河抽水蓄能电站自2003年投入运行以来，在缓解用电高峰电力紧张方面，取得了良好的社会效益和经济效益．抽水蓄能电站的工作原理是，在用电低谷时(如深夜)，电站利用电网多余电能把水抽到高处蓄水池中，到用电高峰时，再利用蓄水池中的水发电．如图，蓄水池(上游水库)可视为长方体，有效总库容量(可用于发电)为V，蓄水后水位高出下游水面H，发电过程中上游水库水位最大落差为d．统计资料表明，该电站年抽水用电为2.4×108 kW·h，年发电量为1.8×108 kW·h．则下列计算结果正确的是(水的密度为ρ，重力加速度为g，涉及重力势能的计算均以下游水面为零势能面)
(A)能用于发电的水的最大重力势能Ep=ρvgh
(B)能用于发电的水的最大重力势能Ep=ρvg(H-d2)
(C)电站的总效率达75％
(D)该电站平均每天所发电能可供给一个大城市居民用电(电功率以105 kW计)约10 h．
解析：发电原理是利用了能量转化，也即上游水库所存水的重力势能最终转化为电能。
上游水库所存水在发电时其重心下降的高度为Δh=H-d2，减少的重力势能为Ep=mgΔh=ρvg(H-d2)，所以B选项正确。
电站的发电总效率η=1.8×1082.4×108%=75%，所以C选项正确。
该电站平均每天所发电能为E1=1.8×108365KW·h。
可供给一个大城市居民用电时间t=E1105≈5h，所以D选项错误。
正确结果应选BC。
点评：本题考查清洁能源中最常见（世界上清洁能源以水电居多）的水能。难点在于计算水的重力势能的变化。此类题求解的关键是找出研究中的水的重心变化。通常在上游时，重心位于体积的中心，下游时，认为水是平铺在下游水库中的水面上了，也即上题中重心下降的高度为Δh=H-d2。最后利用能量守恒得解。
3 潮汐能的利用
例：某海湾共占面积1.0x107m2，涨潮时水深20m，此时关上水坝闸门，可使水位保持20m不变，退潮时，坝外水位降至18m。假如利用此水坝建水力发电站，重力势能转变为电能的效率是10%，每天有两次涨潮。该电站一天能发出多少电能？
解析：退潮后，坝内所存的水的重力势能，通过开闸放水，推动水轮机（电站的发电装置），转换为电能。
坝内所存水的重力势能：Ep=mgΔh2=mgh1-h22
坝内所存水的质量： m=ρsΔh=ρs(h1-h2)
每次涨潮所发电能： E1=ηEp
一天发的电能： E=2E1
联立以上各式有： E=4×1010J
点评：本题考查清洁能源中最难利用（目前很少有那个国家利用）的潮汐能。难点在于计算退潮后，坝内所存的水的重力势能。此类题求解的关键是求出涨潮与退潮间水坝所存水的重心的变化和所存水的质量。最后通过能量守恒得解。
4 太阳能的利用
例：某同学为估算太阳的平均功率，做了如下实验：用一底面积为0.1m2的面盆，盛6kg的水，经太阳垂直照射15min，温度升高5℃。若认为地球绕太阳的轨道为圆形，日地平均距离为1.5×1011m，太阳光在经过地球大气层时，能量损失30%左右，水吸收太阳能的效率约为30%，则太阳的平均功率为多少？
解析：由能量守恒，盆内水吸收的太阳能转化为水的内能。
每秒盆内水增加的内能： E1=cmΔtt
每秒太阳能分布在以日地距离为半径的球壳的面积：S=4πR2
每秒地球上像盆底一样大的面积s1上获得的太阳能：E2=s1SE3×70%
每秒盆内水得到的太阳能：E1=E2×30%
太阳的平均功率：P=E31=1.88×1027w
点评：本题考查清洁能源中资源最丰富（取之不尽用之不竭）的太阳能。难点在于计算每秒在地球上像盆底一样大的面积s1上获得的太阳能。此类题求解的关键是太阳的光能是向四面八方辐射的，所以能量均匀的分布在以日地距离为半径的球壳上。 地球上s1面积上获得的太阳能的多少，与该面积s1占以日地距离为半径的球壳的面积S的比例成正比。最后利用能量守恒得解。
5 核能的利用
例：核聚变能是一种具有经济性能优越、安全可靠、无环境污染等优势的新能源。近年来，受控核聚变的科学可行性已得到验证，目前正在突破关键技术，最终将建成商用核聚变电站。一种常见的核聚变反应是由氢的同位素氘（又叫重氢）和氚（又叫超重氢）聚合成氦，并释放一个中子。若已知氘原子的质量为2.0141u，氚原子的质量为3.0160u，氦原子的质量为4.0026u，中子的质量为1.0087u，1u=1.66×10-27kg。
⑴写出氘和氚聚合的反应方程。
⑵试计算这个核反应释放出来的能量。
⑶若建一座功率为3.0×105kW的核聚变电站，假设聚变所产生的能量有一半变成了电能，每年要消耗多少氘的质量？（一年按3.2×107s计算，光速c=3.00×108m/s，结果取二位有效数字）
解析：（1）21H+31H→He+10n
（2）ΔE=Δmc2=（2．0141+3．0160-4．0026-1．0087）×1．66×10-27×32×1016J=2.8×10-12J
（3）M=2ptΔE×2.0141×1.66×10-27
=2×3×108×3.2×107×2.0141×1.66×10-272.8×10-12=23kg
点评：本题考查清洁能源中最有发展前景（各国争先研究）的核能。难点在于求解核原料的质量亏损量和单位换算。此类题求解的关键是，首先知道质量亏损是反应前的质量和反应后的总质量的差Δm=m前-m后，其次是知道1u=1.66×10-27kg的质量完全亏损释放的核能为931.5 MeV。最后利用质能方程的推导式ΔE=Δmc2得解。