高考物理新能源類試題例析

潘春芳 項薔媛

（寧波市鄞州區正始中學 浙江 寧波 3151 31 ）

縱覽近年各地的高考物理試題，濃重的STSE（Science，Technology，Society，Environment的英文縮寫）氣息撲面而來，它強調科學、技術、社會、環境的相互作用，重視科學技術在社會生產、人民生活及社會發展中的應用，關注社會發展、人民生活水平提高與環境的協調．眾所周知，科學技術的迅速發展在為人類創造高度物質文明的同時，也帶來了能源、資源、材料、環境、健康等問題，影響著人類的生活質量，甚至威脅著人類的生存和發展．這類試題選材靈活、立意新穎、構思巧妙，要求考生對試題所展示的實際情境進行分析、判斷，弄清楚物理情境，抽象出物理模型，然后運用相應的物理規律解答．

下面本文就以浙江省高考自主命題理綜（物理部分）新能源為素材的試題為例進行分析，與同行交流，不妥之處，敬請雅正．

1 永葆青春的能源——風能

風力發電作為一種無污染、低成本的電力產業，發展前景廣闊．我國風力資源豐富，根據我國“十一五”風電發展規劃，2010 年全國風電裝機容量達到500 萬千瓦，2020 年全國風電裝機容量達到3000 萬千瓦．風力發電的原理是利用風推動葉輪轉動，將風的動能轉化為葉輪的動能，再將葉輪的動能轉化為電能．

【例1】［1］如圖1是一種配有風力發電機和光電池的新型路燈，路燈的功率為120 W．風力發電機風葉的半徑r＝1m，機內有面積S1＝0．2m2的線圈200 匝，線圈處于磁感應強度B＝0．1T的勻強磁場中，當風葉帶動線圈轉動時，其產生的電流可視為正弦交流電．已知太陽光垂直照射到地面上時，單位面積上的功率為1kW，光電池板垂直太陽光方向的平均受光面積S＝1m2，光能轉化為電能的效率η1＝20 %，空氣的密度ρ＝1．3k g／m3，風能轉化為電能的效率為η2＝4%．π可取3，計算結果保留2位有效數字．

（1）若是無風的晴天，太陽光照6h，則太陽能光電池產生的電能可使路燈正常工作多少小時？

（2）如果在晚上，以8m／s的風速持續刮風6h，則風機所發的電可供路燈正常工作多少小時？

（3）如果在有風的晴天，經3h的光照和風吹，路燈可正常工作7h，則風速多大？若通過交流電表測得風力發電機線圈的電流為1A，則此時風葉的轉速為多少？

圖1 配有風力發電機和光電池的新型路燈

解析：（1）太陽光照射t＝6h，可給路燈供電時間為t1，則太陽能光電池產生的電能為

E1＝η1P光S t＝P燈t1

代入數據解得 t1＝10 h

（2）8m／s的風速持續刮風t′＝6h，則風能轉化的電能為E2，可供路燈工作時間為t2

代入數據解得 t2＝2．0h

（3）設經t″＝3h的光照和風吹，光能轉化的電能為E3，風能轉化的電能為E4，工作時間為t3＝7 h，又

代入數據解得 v′＝10 m／s

E4＝8640 00 J

設風力發電機轉動產生交流電的峰值電壓為Um，根據

Um＝NBS1ω

代入數據解得 n＝4．7r／s

2 取之不竭的藍色能源——海洋能

浙江省是海洋資源大省，海洋是浙江省經濟發展的優勢所在、潛力所在和希望所在．從2009 年以來，全省積極謀劃將海洋經濟發展上升為國家戰略，掀起了新一輪海洋經濟發展高潮，力促浙江從海洋資源大省向海洋經濟強省轉變．藍色的海洋是一個巨大的能源寶庫，它浩瀚無垠，奔騰不息，積累了取之不竭的藍色能源．海洋能包括潮汐能、波浪能、溫差能和鹽度差能等，它們都是可開發的新興能源，具有可再生性、無污染等優點．下面以潮汐能為例．

海水的自然漲落現象——潮汐是由月球和太陽對海水的引力作用形成的，在某些河口、海灣及狹窄的海峽，潮差可達7～8m，有的甚至達到10 m以上．利用潮水漲落產生的水位差所具有的勢能發電叫潮汐發電，是目前海洋能利用的最主要的一種．由于潮水的流動不斷變換方向，潮汐發電也有不同的形式，如只能在落潮時發電的單庫單向型；在漲落潮時都能發電的單庫雙向型；可以連續發電的雙庫雙向型．

【例2】（2009 年高考浙江卷）在討論地球潮汐成因時，地球繞太陽運行軌道與月球繞地球運行軌道可以視為圓形軌道．已知太陽質量約為月球質量的2．7×107倍，地球繞太陽運行的軌道半徑約為月球繞地球運行軌道半徑的400 倍．關于太陽和月球對地球上相同質量海水的引力，以下說法正確的是

A．太陽引力遠大于月球引力

B．太陽引力與月球引力相差不大

C．月球對不同區域海水的吸引力大小相等

D．月球對不同區域海水的吸引力大小有差異

解析：根據萬有引力定律，容易判斷正確選項為A，D．

【例3】（1）若太陽的質量約為月球質量的2690 萬倍，日地距離約是月地距離的389 倍，日、月對地的引潮力與其質量成正比，與距離的3次方成反比．則月對地的引潮力是日對地引潮力的多少倍？

（2）我國浙江江廈潮汐電站海灣水庫面積約為2．5×106m2，設電站的總能量轉換效率為10 %，該電站的年發電總量1070 萬度，總裝機容量（電站電功率）3200 kW．推算電站漲、落潮的平均潮差及日滿負荷時的工作時間．

解析：（1）根據萬有引力定律，由題意得，月地間引力為

日地間引力為

所以

其中m1，m2，m3分別為月、地、日的質量．

（2）設平均潮差為H，則1年內的總發電量為

其中W ＝1．07 ×107×3．6×106J，ρ水＝1．0×103k g／m3，S＝2．5×106m2，η＝10 %，t0＝365 d，n＝4次（一天發電4次），代入數據得

H ＝4．6m

設日滿負荷工作時間為t，由

P t＝W

解得 t＝9．2h

3 用之不盡的天然能源——太陽能

事實上地球上的絕大部分能量都來自太陽能，太陽時刻都在向其周圍噴射著巨大能量．太陽能具有許多優點，如數量巨大、時間長久、清潔安全等．

【例4】（2010 年高考浙江卷）如圖2所示，一矩形輕質柔軟反射膜可繞過O點垂直紙面的水平軸轉動，其在紙面上的長度O A為L1，垂直紙面的長度為L2．在膜的下端（圖中A處）掛有一平行于轉軸，質量為m，長為L2的導體棒使膜繃成平面．在膜下方水平放置一足夠大的太陽能光電池板，能接收到經反射膜反射到光電池板上的所有光能，并將光能轉化成電能．光電池板可等效為一個電池，輸出電壓恒定為U；輸出電流正比于光電池板接收到的光能（設垂直于入射光單位面積上的光功率保持恒定）．導體棒處在方向豎直向上的勻強磁場B中，并與光電池構成回路，流經導體棒的電流垂直紙面向外（光電池與導體棒直接相連，連接導線未畫出）．

（1）現有一束平行光水平入射，當反射膜與豎直方向成θ＝60 °時，導體棒處于受力平衡狀態，求此時電流的大小和光電池的輸出功率．

（2）當θ變成45 °時，通過調整電路使導體棒保持平衡，光電池除維持導體棒力學平衡外，還能輸出多少額外電功率？

圖2

解析：（1）導體棒所受安培力

FA＝IBL2

導體棒有靜力平衡關系

m gtanθ＝FA

解得

所以，當θ1＝60 °時

光電池輸出功率為

（2）當θ2＝45 °時，根據式（1）可知，維持靜力平衡需要的電流為

根據幾何關系可知

而光電池產生的電流為

所以，能提供的額外電流為

可提供額外功率為

4 綠色環保新能源——氫能

氫是最輕的元素，它無色、無味、無毒，極易燃，燃燒值是汽油的3倍．可作為宇宙飛船和超音速飛機的燃料，目前國內、外正在設計研究6～8倍音速的氫燃料飛機．許多汽車廠商努力生產21 世紀的“環保汽車—— 氫氣燃料汽車”．

【例5】1999 年我國科學家發現，C60是一種良好的儲氫材料．這一發現，使氫氣燃料汽車可能成為現實．據測定，1m o l氫氣燃燒產生水蒸氣放出的熱量為241 ．8k J．假如一輛氫氣燃料汽車車重6t，阻力是車重的0．05 倍，最大輸出功率為P＝60 kW．（取g＝10 m／s2）

（1）若車在平直公路上以a＝0．5m／s2由靜止勻加速起動，到勻加速過程結束，能用多長時間？

（2）最大行駛速度是多少？

（3）若此車以最大速度從寧波駛往南京（以400 k m計），發動機的效率為50 %，估算需多少克氫氣做燃料？

解析：（1）車在勻加速起動的過程中，a一定，由F－f＝m a可知，F一定，v增加，所以P′＝F v增大．當P′＝F v′＝P時，因a≠0，v繼續增加，由P＝F v可知，F開始減小，a也隨著減小，勻加速過程結束．設這段時間為t，則有F－f＝m a，P′＝F v′，v′＝a t，解得t＝20 s．

（2）由（1）知，當速度繼續增大時，F 減小，a減小，a＝0時，F＝f，速度最大，所以代入數據得 vm＝20 m／s

（3）當汽車以最大速度行駛時，牽引力等于汽車所受的阻力．所以F＝f＝0．05 m g＝3×103N，汽車從寧波到南京牽引力做的功為W ＝F x＝1．2×109J，汽車發動機的總功為W′＝＝2．4×109J．因為每摩爾H2燃燒放出的熱量為Q＝241 ．8k J，所以，發動機做功所需H2的質量為

5 未來能源的希望——核能

核能又稱原子能，是原子核中的核子重新分配時釋放出的巨大能量．在實際應用中指重核裂變和輕核聚變時所釋放的能量，釋放的能量要比化學能大幾百倍以至上千倍．

【例6】（2010 年浙江自選模塊第13 題）（1）在核反應n＋X→H＋H e＋ΔE過程中，X是未知核．由核反應知識可以確定X 核為______．若n，未知核XH和H e的靜止質量分別為m1，mX，m3和m4，則ΔE 的值為______．

（2）核能、風能等新能源是近來能源發展的重點方向之一．與煤、石油等傳統能源相比較，核能具有哪些優點和缺點？

（3）有一座城市，經常受到大風和風沙的侵擾．為了合理使用新能源，計劃建造風能發電站或太陽能發電站．請用物理學知識，指出建造哪種類型的發電站更合適，并請說明理由．

解析：（1）根據核反應方程遵守質量數、電荷數守恒，可以得出新核為L i，再根據愛因斯坦的質能方程可以得到

ΔE ＝ ［（m1＋mX）－（m3＋m4）］c2

（2）優點：核裂變產生的能源比使用煤和石油更加清潔；產能更多．缺點：核裂變反應造成的核廢料具有放射性，難處理；建造成本高．

（3）建風能發電站比較合理．因為在使用風能發電時，根據能量守恒知識，風能發電過程一方面可將風能轉化為電能，另一方面可以減弱風速，減小對城市的破壞．

【例7】［2009 年浙江自選模塊卷第13 題（3）］水（包括海水）是未來的“煤炭”，能從根本上解決人類能源問題．這是指______（填“氫能”“核能”“氫能和核能”）的利用．請說明理由．

答案1：核能．因為海水中含有大量核聚變的材料氘，通過核聚變能夠釋放出大量的核能．

答案2：核能和氫能．因為海水中含有大量核聚變的材料氘，通過核聚變能夠釋放出大量的核能．氫能有便于儲存與運輸的優點，也可以為解決能源問題做出貢獻．

6 人類社會發展的永恒主題之一 ——低碳環保節能減排

近年來，我國資源、環境與經濟增長的矛盾凸顯，壓力日益增大．2012 年黨的十八大報告提出“面對資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻形勢，必須樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態文明理念，把生態文明建設放在突出地位，融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設各方面和全過程，努力建設美麗中國，實現中華民族永續發展”．引導學生理解物理在解決環境問題、能源危機中的責任和妙用，其意義超出了試題本身的選拔功能，具有重要的社會意義，使學生樹立科技服務社會的意識，利用科技興利除弊，提升學生的科學素養．

【例8】（2012 年高考浙江卷）功率為10 W的發光二極管（LED燈）的亮度與功率為60 W的白熾燈相當．根據國家節能戰略，2016 年前普通白熾燈應被淘汰．假設每戶家庭有2只60 W的白熾燈，均用10 W的LED燈替換，估算出全國一年節省的電能最接近

A．8×108kW·h

B．8×1010kW·h

C．8×1011kW·h

D．8×1013kW·h

解析：按每戶家庭節省功率0．1kW，每天用電5h，約4億戶家庭進行估算，解得

W＝P t

代入數據得

W ＝7．3×1010kW·h

所以，正確答案為選項B．

【例9】（2011 年高考浙江卷）節能混合動力車是一種可以利用汽油及所儲存電能作為動力來源的汽車．有一質量m＝1000 k g的混合動力轎車，在平直公路上以v1＝90 k m／h勻速行駛，發動機的輸出功率為P＝50 kW．當駕駛員看到前方有80 k m／h的限速標志時，保持發動機功率不變，立即啟動利用電磁阻尼帶動的發電機工作給電池充電，使轎車做減速運動，運動L＝72 m后，速度變為v2＝72 k m／h．此過程中發動機功率的用于轎車的牽引用于供給發電機工作，發動機輸送給發電機的能量最后有50 %轉化為電池的電能．假設轎車在上述運動過程中所受阻力保持不變．求：

（1）轎車以90 k m／h在平直公路上勻速行駛時，所受阻力F阻的大小；

（2）轎車從90 k m／h減速到72 k m／h過程中，獲得的電能E電；

（3）轎車僅用其在上述減速過程中獲得的電能E電維持72 k m／h勻速運動的距離L′．

解析：（1）汽車牽引力與輸出功率的關系為

P＝F牽v

則F牽＝

代入數據得

F牽＝2×103N

當轎車勻速行駛時，牽引力與阻力大小相等，有

F阻＝2×103N

代入數據得

P t＝1．575 ×105J

電源獲得的電能為

（3）根據題設，轎車在平直公路上勻速行駛時受到的阻力仍為F阻＝2×103N．此過程中，由能量轉化及守恒定律可知，僅由電能用于克服阻力做功

E電＝F阻L′

代入數據得

L′＝31 ．5m

綜上所述，此類問題不同于純粹的物理運算題，有利于學生了解物理科學技術對社會發展的功效，引導學生把目光從狹窄的課本知識中解脫出來，關注自然、關注社會、關注人類共同命運，有利于培養學生的創新精神、探究實踐能力和社會責任感，倡導低碳環保理念，很好地體現了新課程的改革理念．它需要學生對實際問題所描述的物理情境進行深入細致地分析，弄清物體運動過程的特點，建立起相關的物理模型，并將物理規律應用于模型中，從而達到解決問題的目的．因此，平時應注重這方面知識的收集、訓練，無疑對提高學生理論聯系實際的能力、分析問題、解決問題和靈活應用知識的能力大有幫助．

1 浙江省高考命題咨詢委員會．2012 年浙江省高考命題解析理科綜合．杭州：浙江攝影出版社，2012