2023-2024学年九年级物理下册同步讲义及练习
第十八章《能源与可持续发展》
姓名：_________ 班级：_________ 学号：_________
【知识梳理】
一、能源利用与社会发展
1．人类开发和利用能源的历史：火的利用→化石能源的利用→电能的利用→核能的发现。
2．能源的分类：
（1）可再生能源和不可再生能源
可再生能源：可以从自然界源源不断地得到地能源。如太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能。
不可再生能源：消耗就很难再生地能源。如煤、石油、天然气、核能
（2）常规能源（传统能源）和新能源
常规能源：目前已经大规模生产和广泛利用的能源。如水能、煤、石油、天然气。
新能源：由于技术、经济等因素迄今尚未大规模使用的能源。如太阳能、风能、核能、地热能、潮汐能、氢能。
（3）清洁能源与非清洁能源
清洁能源：对环境无污染或污染很小的能源。如太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、氢能。
非清洁能源：对环境污染较大的能源。如煤、石油、天然气。
（4）一次能源和二次能源
一次能源：可以从自然界直接获得的能源。如化石能源、太阳能、风能、水能、地热能、核能、潮汐能。
二次能源：无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源，由一次能源直接或间接转化来的能源。如电能。
二、核能
1．核能：由于原子核的分裂或聚合而释放出的巨大能量。
2．获取核能的两条途径：重核的裂变(链式反应)和轻核的聚变（热核反应）。
（1）核裂变：用中子轰击较大的原子核，使其变成两个中等大小的原子核，同时释放出巨大的能量，这种反应叫作裂变。原子核裂变时，释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子又会轰击其他原子....于是导致一系列原子核持续裂变，并释放出大量核能,这就是链式反应。最常用的核裂变原料是铀235。
（2）将质量很小的原子核在超高温下结合成新的原子核，会释放出更大的核能，这就是核聚变，也称为热核反应。
3．核能的应用：（1）重核的裂变：原子弹和核电站；（2）轻核的聚变：氢弹。
原子弹氢弹
4．核电站
核能发电原理图
（1）主要组成部分：核反应堆、热交换器、汽轮机和发电机等。
（2）核能发电与火力发电的工作原理比较：
核能发电的工作原理：核能→内能→机械能→电能
火力发电的工作原理：化学能→内能→机械能→电能
三、太阳能
1．太阳能：在太阳内部,氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能。
2．太阳能的优点：①储量十分巨大；②供应时间长久；③分布广阔，获取方便；④安全、清洁、无污染。
3．太阳能的缺点：①太分散；②不稳定(受天气影响)；③转换效率低。
4．太阳能是万能之源：地球上除核能、地热能和潮汐能以外，几乎所有能源都来自太阳。
5．人类利用太阳能的三种方式：
①光热转换（太阳能热水器）；②光电转换（太阳能电池）；③光化转换（绿色植物）。
四、能量转化的基本规律
1．能量的转化和转移
（1）能量的转化：在一定条件下,一种形式的能量转化为另一种形式的能量,这种现象叫作能量的转化.能量的转化是通过物体做功表现出来的,能量在转化过程中，能量的形式改变。
（2）能量的转移：能量从一个物体转移到其他物体，或者由物体的一部分转移到另一部分，这种现象叫作能量的转移。能量在转移过程中，能量的形式不变。
2．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化或转移的过程中，总量保持不变。
3．能量的转移和转化的方向性：能量的转化、能量的转移,都是有方向性的。经转化后，可利用的能量只会减少。例如，汽车制动时，由于摩擦，动能转化成轮胎、地面和空气的内能，这些消耗的能量不能再自动地被用来驱动汽车。
五、能源与可持续发展
1．能量转化的效率：
2．解决能源紧张的途径：由于人类的生存和发展使得能源的消耗量持续增长，因此人类必须不断地开发和利用新能源，同时增强节能意识，不断提高能源的利用率，这是目前解决能源紧张的重要途径。
3．未来的理想能源必须满足以下四个条件：
第一，必须足够丰富，可以保证开发利用工作之便；
第二，必须足够低廉，保证多数人用得起；
第三，相关技术必须成熟，可以保证安全使用；
第四，必须足够清洁、无污染环境，可以保证不会严重影响环境。
【易错点】
1．核能和内能是两个完全不同的概念，物体的内能再大，它的原子核不发生裂变或聚变，也不能释放出核能。
2．注意：“可再生能源”与“不可再生能源”都是针对一次能源而言的，即只有自然界中已存在，并可直接利用的能源，才能说其是“可再生能源”或“不可再生能源”。
3．能量守恒定律与机械能守恒定律的区别
能量守恒是无条件的，机械能守恒有条件。机械能守恒的条件是在只有重力（或弹簧的弹力）做功的情形下，物体的重力势能（或弹性势能）和动能发生相互转化，没有其他形式的能转化为机械能，也没有机械能转化为其他形式的能。
【典例分析】
1．下列关于能源、信息和材料的说法正确的是（ ）
A．目前核电站是利用核聚变发电
B．天然气是可再生能源
C．手机看综艺节目是靠电磁波传递音像信息的
D．能量的转化和转移都是没有方向性的
2．（2023·江苏南京·中考模拟）下列能源中，属于可再生能源的是（ ）
A．煤 B．潮汐能 C．核燃料 D．石油
3．（2023·山东嘉祥·九年级期末）能源科技的发展促进了人类文明的进步，下列有关能源的说法正确的是（ ）
A．目前的核电站是靠原子核的聚变进行发电的
B．能量转化是守恒的，所以能源是取之不尽用之不竭的
C．风力发电机将风能转化为电能
D．水能、太阳能、核能都是可再生能源
【夺冠训练】
一、单选题
1．（2023·辽宁沈阳·九年级期末）关于能量和能源，下列说法中正确的是（ ）
A．化石能源是不可再生能源，核能、水能、太阳能都是可再生能源
B．能量的转移是有方向性的，而能量的转化没有方向性
C．太阳能电池板可以将太阳能直接转化为电能
D．核电站的核反应堆是利用核聚变产生内能并通过汽轮机带动发电机发电
2．（2023·辽宁沈阳·九年级期末）下列关于能量的说法中，正确的是（ ）
A．任何机械的效率都低于100%，是因为能量在转化过程中总量会减少
B．太阳能电池板工作时将太阳能转化为化学能
C．水电站里水轮机带动发电机发电，是将机械能转化为电能
D．汽油机在做功冲程中将绝大部分内能转化为机械能，从而获得动力
3．（2023·吉林长春·九年级期末）下列资源属于不可再生能源的是（ ）
①化石燃料；②核燃料；③水能；④风能。
A．①② B．②③ C．①③ D．③④
4．关于核能和太阳能，下列说法正确的是（ ）
A．利用核能发电是直接将核能转化成电能
B．太阳能来源于太阳内部的热核反应
C．核能是一种化石能源，是一次能源，是不可再生能源
D．太阳能是唯一的未来理想能源
5．在以下二次能源中，被誉为二次能源的“骄子”的是（ ）
A．汽油 B．酒精 C．液化石油气 D．电能
6．目前许多城市的居民使用煤气、天然气为燃料。其中关于煤气，下列说法正确的是（ ）
A．是一次能源，是可再生能源 B．是一次能源，是不可再生能源
C．是二次能源，是可再生能源 D．是二次能源，是不可再生能源
7．（2020·内蒙古赤峰·九年级期中）可燃冰是一种藏在深海海底的新型能源，主要成分是甲烷，可直接点燃，燃烧后几乎不产生任何残渣。1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和0.8m3的水，下列关于可燃冰说法错误的是（ ）
A．可燃冰是一种清洁能源
B．1m3可燃冰比0.8m3的水质量小
C．可燃冰形成在压强较大的环境中
D．相同体积的可燃冰和天然气完全燃烧后，可燃冰释放的热量多
8．下列能源中与太阳无关的是（ ）
A．地热能和潮汐能 B．光合作用和水能
C．核能和煤 D．石油、水能
9．太阳是太阳系中唯一的恒星，每时每刻向外辐射太阳能。下列关于太阳能的叙述中错误的是（ ）
A．煤、石油、天然气等化石燃料中的能量最终来自于太阳能
B．太阳能集热器可以吸收太阳辐射并转化为内能
C．太阳能电池将太阳能转化为电能
D．太阳能来源于太阳内部的核裂变
10．能量转移或转化过程中，总量保持不变，而可利用的能量逐渐减少的原因是（ ）
A．能量的转移和转化具有方向性 B．化石能源的应用造成大气污染
C．不可再生能源不久被消耗殆尽 D．没有坚持开发和推广清洁能源
二、填空题
11．（2023·内蒙古呼伦贝尔·九年级期末）“人造太阳”是利用氢核______（选填“裂”或“聚”）变来获得巨大能量的，现在的核电站都是利用核______（选填“裂”或“聚”）变来获取能量的。
12．“低碳环保”是当今世界的主题，太阳能已被人们广泛利用。太阳能来自于太阳内部的______（选填“核裂变”或“核聚变”），太阳能属于______（选填“一次”或“二次”）能源，利用太阳能的方式主要有两种，一种是用集热器加热，如某台太阳能集热器在天气晴好时，一天可以吸收5.2×107J的热量，这相当于完全燃烧______m3的煤气释放的热量。（q煤气＝4.0×107J/m3）
13．如图所示为太阳能路灯，白天通过太阳能电池板将太阳能转换成 _____能输送到蓄电池中以 _____能的形式储存起来，夜晚光控开关闭合，蓄电池又把储存的能量转换成 _____能输送至路灯，最终大部分能量转化成光能给行人和车辆照明。
14．近年来，一些地区推广使用乙醇汽油（乙醇俗称酒精）。乙醇汽油是由10%的乙醇与90%的汽油混合而成。按照能源分类，由于乙醇是由植物发酵而成，所以乙醇属于________能源（选填“可再生”或“不可再生”）。使用乙醇汽油较使用汽油的好处有（请你说出一条）：________。
15．不可再生能源：凡是越用_________，不能在短期内从自然界得到补充的能源，都属于不可再生能源。如煤、石油、天然气、核能；
可再生能源：可以从自然界中_________地得到的能源，属于可再生能源。如水能、风能、太阳能、食物、柴薪、地热能、沼气、潮汐能等。
16．大亚湾核电站是我国第一座大型商用核电站。它获取核能是图中______（选填“甲图”或“乙图”）所示途径，太阳核心每时每刻都在发生_______ （选填“甲图”或“乙图”）所示的爆炸。
三、计算题
17．为了测量某太阳能热水器垂直于太阳光的表面上每平方米每秒接收到的太阳能，童童和同组的同学做了以下实验。控制太阳能热水器接受太阳光垂直照射的面积始终为3平方米。经过145分50秒，该太阳能热水器使质量为100kg初温为20oC的水温度升至45oC。[]则：
（1）在这个过程中水吸收的热量是多少？
（2）已知这个太阳能热水器吸收太阳能的效率为50%，太阳能热水器在这一过程中接收的太阳能为多少？
（3）这个太阳能热水器垂直于太阳光的表面上每平方米每秒接收到的太阳能是多少？
18．习近平总书记指出：“既要绿水青山，又要金山银山”，为了还广大人民群众以“绿水青山”，响应国家“煤改气”政策，某单位将供应热水的燃煤锅炉改造为用天然气，改造前，加热质量为500kg温度从20℃升高到100℃的水，需要用煤20kg，请计算回答：（q煤＝3×107J/kg，q天然气＝3.6×107J/m3、c水＝4.2×103J/（kg ℃））
（1）水吸收的热量
（2）锅炉的效率；
（3）改造后，烧开同样的水需要用多少m3天然气？
（4）请你运用所学知识，举出一项燃煤的危害？1
参考答案
【典例分析】
1．C
【详解】A．核裂变是可控的，故目前世界上的核电站都是利用原子核分裂时释放出的能量发电的，故A错误；
B．天然气可以直接利用，属于一次能源；在使用后不能源源不断地获得，属于不可再生能源，故B错误；
C．电磁波可以传递信息，手机看综艺节目是靠电磁波传递音像信息的，故C正确；
D．能量的转化和转移都有一定的方向性，故D错误。
故选C。
2．B
【详解】从能源是否可再利用的角度，可把能源分为可再生能源和不可再生能源，人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源，属于不可再生能源；在自然界中可以不断再生的能源，属于可再生能源。
AD．煤、石油属于化石燃料，不能短时期内从自然界得到补充，属于不可再生能源，故AD不符合题意；
B．潮汐能是因海水涨落及潮水流动所产生的能量，属于可再生能源，故B符合题意；
C．核燃料会越用越少，不可能在短期内从自然界得到补充，所以，它属于不可再生能源，故C不符合题意。
故选B
3．C
【详解】A．核电站发电利用的是原子核的裂变，而不是聚变。故A错误；
B．能量在转移、转化过程中总是守恒的，但是能量的转化具有方向性，在能源的使用过程中，使能源从便于利用的变成不便于利用的，所以说能量虽守恒但还是要节约能源。故B错误；
C．根据能量转化特点可知，风力发电机主要是将风能转化为电能。故C正确；
D．可以从自然界源源不断地得到的能源称之为可再生能源；一旦消耗就很难再生的能源称之为不可再生能源。水能、太阳能都是可再生能源，但核能属于不可再生能源。故D错误。
故选C。
【夺冠训练】
一、单选题
1．C
【详解】A．核能是不可再生能源，水能、太阳能都属于可再生能源，故A错误；
B．能量转化过程是有方向性的，故B错误；
C．太阳能电池板通过光电反应，能将太阳能直接转化为电能，故C正确；
D．核电站是利用原子核裂变发生可控链式反应时释放的大量能量来发电的，故D错误。
故选C。
2．C
【详解】A．能量在转化过程中都遵守能量守恒定律，所以总量不会减少，故A错误；
B．太阳能电板是将太阳能直接转化为电能，然后通过蓄电池存储起来，故B错误；
C．水电站的水轮机带动发电机发电过程中，消耗了水的机械能，获得了电能，故是将机械能转化为电能的过程，故C正确；
D．汽油机的效率只有20%30%，所以在做功冲程中将很少一部分内能转化为机械能，故D错误。
故选C。
3．A
【详解】可再生能源指的是在自然界可以循环再生，取之不尽，用之不竭的能源。如水能、风能、太阳能等；不可再生资源指的是无法在短时间内再生的能源，核能、化石燃料利用完后短时间内无法再生，因此属于不可再生资源。故A符合题意，BCD不符合题意。
故选A。
4．B
【详解】A．核电站主要是利用核的裂变进行发电的，其过程是将核能转化为内能，内能对外做功转化为机械能，然后带动发电机发电，机械能再转化为电能，故A错误；
B．太阳能来源于太阳内部氢核的聚变，是一种热核反应，故B正确；
C．化石燃料指的是煤、石油、天然气，核能不是化石燃料，核能必须通过一次能源的消耗才可以得到，它是二次能源，核能是不可再生能源，故C错误；
D．太阳能是一种理想能源，但不是唯一，风能、水能、地热能等也是理想能源，故D错误。
故选B。
5．D
【详解】必须通过一次能源的消耗才能得到的能源为二次能源，如汽油、酒精、液化石油气、电能、煤气、柴油等，其中电能最容易获得，也最方便向其它形式的能转化，被誉为二次能源的“骄子”，故ABC不符合题意，D符合题意。
故选D。
6．D
【详解】煤气是化石能源，属于不可再生能源，煤气是煤和水蒸气制取得到的，是二次能源，故ABC错误，D正确。
故选D。
7．B
【详解】A．海底富含甲烷的固体燃料是可燃冰，可燃冰的燃烧产物为水和二氧化碳，无其它污染物是清洁能源，故A正确，不符合题意；
B．可燃冰的密度大于水的密度，且1m3可燃冰的体积大于0.8m3水的体积，由m＝ρV可知，可燃冰的质量较大，故B错误，符合题意；
C．可燃冰存在于压强大、温度低的地方。在海底和冻土层可能存在“可燃冰”，故C正确，不符合题意；
D．1m3体积可燃冰可转化为164m3的天然气，所以相同体积的可燃冰完全燃烧所释放的热量是同体积天然气完全燃烧释放的热量的164倍，故D正确，不符合题意。
故选B。
8．A
【详解】除了地热能、潮汐能和核能以外，地球上所有其他能源全部来自太阳能。
故选A。
9．D
【详解】A．煤、石油、天然气等化石燃料中的能量最终来自于太阳能，故A正确，不符合题意；
B．太阳能的利用之一：用集热器把水等物质加热，太阳能集热器内部有涂黑的吸热板，可以吸收太阳辐射并转化为内能，故B正确，不符合题意；
C．在阳光照射时，太阳能电池可以将太阳能直接转化为电能，故C正确，不符合题意；
D．太阳能的能量来源是太阳内部核聚变产生的，故D错误，符合题意。
故选D。
10．A
【详解】目前人类使用的能源主要是化石能源，如煤炭、石油、天然气等，这类能源的实质是由古代生物固定下来的太阳能，属于不可再生能源，这类能源在被消耗后，因能量的转移或转化具有方向性，无法在短时间内再次生成，所以可利用的能源在逐渐减少，故A符合题意，BCD不符合题意。
故选A。
二、填空题
11．聚 裂
【详解】[1]人造太阳是利用较轻的氢原子核在高温下发生聚变而释放出核能。
[2]核电站利用的是铀核裂变时释放核能发电的。
12．核聚变 一次 1.3
【详解】[1][2]太阳能是太阳内部氢发生聚变反应产生的，这种反应已经持续了数十亿年，还将持续了数十亿年，所以对人类来说，太阳能是我们可以从自然界中源源不断获取的能源，即太阳能属于一次能源。
[3]由可得，则相当于完全燃烧的煤气的体积为
13．电 化学 电
【详解】[1][2][3]太阳能电池板就是将太阳能直接转化为电能的装置，蓄电池充电时电能转化为化学能；蓄电池放电时化学能转化为电能。所以，太阳能电池板白天将太阳能直接转化为电能，多余部分转化为化学能储存在蓄电池里，晚上再转化为电能用来照明。
14．可再生 污染少
【详解】[1]能够源源不断的从自然界得到的能源叫可再生能源；乙醇是由植物发酵而成，植物可以不断地从自然界中获取，所以乙醇属于可再生能源。
[2]乙醇燃烧产生二氧化碳和水，乙醇汽油相较使用汽油可以减少一氧化碳和碳氢化合物的主要污染物的排放，所以使用乙醇汽油较使用汽油的好处有：污染少。
15．越少 源源不断
【详解】[1]不可再生能源：指的是越用越少，不能在短期内从自然界得到补充的能源。
[2]可再生能源：指的是可从自然界中源源不断地得到的能源。
16．乙图 甲图
【详解】[1][2]获得核能的途径有：重核裂变以及轻核聚变。乙图中进行的是较重的原子核裂变成较轻的原子核的一种核反应，是核裂变，核电站利用可控的核裂变；甲图中是较轻的原子核结合成较重的原子核的一种核反应，是核聚变；在太阳内部，氢原子核在超高温作用下发生聚变，释放巨大的核能。
三、计算题
17．（1）1.05×107J；（2）2.1×107J；（3）800J
【详解】解：（1）水吸收的热量为
（2）由可知，太阳能热水器在这一过程中接收的太阳能为
（3）吸热时间为
根据题意可知，垂直于太阳光的1m2表面上，每秒钟接受到的太阳能为
答：（1）在这个过程中水吸收的热量是1.05×107J；
（2）已知这个太阳能热水器吸收太阳能的效率为50%，太阳能热水器在这一过程中接收的太阳能为2.1×107J；
（3）这个太阳能热水器垂直于太阳光的表面上每平方米每秒接收到的太阳能是800J。
18．（1）1.68×108J；（2）28%；（3）16.7m3；（4）产生大量的粉尘和有害气体，污染环境等．
【详解】（1）水吸收的热量：Q吸=c水m水（t-t0）=4.2×103J/（kg ℃）×500kg×（100℃-20℃）=1.68×108J．
（2）20kg煤完全燃烧放出的热量：
Q放=m煤q煤=20kg×3×107J/kg=6×108J，
则锅炉的效率：η=×100%=×100%=28%．
（3）由于锅炉的热效率不变，水吸收的热量不变，所以燃料燃烧放出的热量不变，
则天然气完全燃烧放出的热量：Q放′=Q放=6×108J，
由Q=Vq得，烧开同样的水需要天然气的体积：V==≈16.7m3．
（4）煤燃烧时除产生大量颗粒物（包括一次PM2.5）外，还会形成二氧化硫、氮氧化物、烃类等有害气体，这些气态污染物在大气中又会发生一系列化学反应生成二次PM2.5等，对环境危害很大。
