初中物理 22 能源与可持续发展：核能、太阳源

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一、能源的基本概念与分类

在学习核能和太阳能之前，需先明确能源的定义及分类，建立“能源是人类活动的物质基础”的认知框架。

（1）能源的定义

能源是指能够提供能量的物质或资源，是人类社会生产、生活和科技发展的核心动力（如煤炭、石油、电能、核能等）。

（2）能源的分类（初中阶段核心分类）

根据不同标准，能源可分为多种类型，需重点掌握以下两类：

按产生方式分：

1. 一次能源：直接从自然界获取的能源（无需经过其他能源转化），如煤炭、石油、天然气、太阳能、风能、水能、核能（核燃料直接来自自然界）。

2. 二次能源：通过一次能源转化得到的能源，如电能（火力发电将煤炭化学能转化为电能、水力发电将水能转化为电能）、汽油（石油提炼转化）、沼气（生物质能转化）。

按能否再生分：

1. 可再生能源：在自然界中可以不断再生、永续利用的能源（对环境影响小），如太阳能、风能、水能、生物质能（植物秸秆、沼气）。

2. 不可再生能源：在自然界中储量有限，消耗后短期内无法再生的能源（过度使用会导致资源枯竭），如煤炭、石油、天然气（化石能源）、核能（核燃料如铀矿储量有限）。

二、核能——高效且极具潜力的能源

核能（又称原子能）是原子核发生变化时释放的能量，具有“能量密度极高、污染小（正常运行时）”的特点，是解决全球能源危机的重要方向之一。

（1）核能的产生原理——原子核的变化

核能的释放源于原子核的两种核心变化：核裂变和核聚变，两者均基于“质量亏损”（原子核变化时，总质量略有减少，减少的质量以能量形式释放，遵循爱因斯坦质能方程\(E=mc^2\)，其中\(E\)为能量，\(m\)为质量亏损，\(c\)为光速，约\(3×10^8\ \text{m/s}\)）。

核裂变（当前可可控利用的核能形式）：

1. 定义：较重的原子核（如铀-235、钚-239）在中子轰击下，分裂成两个或多个较轻的原子核，同时释放大量能量和新的中子（新中子可继续轰击其他原子核，引发“链式反应”）。

2. 特点：反应可控（可通过控制中子数量调节反应速度），技术成熟，是当前核电站、核动力潜艇的能量来源。

3. 链式反应：核裂变产生的新中子继续轰击其他重核，使反应持续进行（类似“多米诺骨牌”）。若不控制，链式反应会瞬间剧烈发生，形成核爆炸（如原子弹）；核电站通过“控制棒”（如镉棒，吸收中子能力强）调节中子数量，使链式反应缓慢、稳定进行，持续释放能量。

核聚变（未来理想的核能形式）：

1. 定义：较轻的原子核（如氢的同位素氘、氚）在极高温度和压力下，聚合成较重的原子核（如氦核），同时释放远超核裂变的能量（如太阳内部的能量来源就是核聚变）。

2. 特点：能量密度极高（1kg氘氚混合物聚变释放的能量相当于10000吨煤炭燃烧的能量）、产物无污染（聚变产物为氦，无放射性废料），但反应条件极端（需上亿摄氏度高温和极高压力），目前人类尚未实现可控核聚变（仅在氢弹中实现不可控核聚变）。

（2）核能的应用——核电站

核电站是利用核裂变发电的设施，其工作流程可概括为“核能→内能→机械能→电能”，具体步骤如下：

1. 核反应堆：核燃料（如铀-235）在反应堆内发生可控核裂变，释放大量核能，加热反应堆内的“冷却剂”（如水、液态金属）。

2. 热交换器：冷却剂吸收核能后温度升高，进入热交换器，将热量传递给另一回路的水，使水沸腾产生高温高压蒸汽。

3. 汽轮机与发电机：蒸汽推动汽轮机转动，汽轮机带动发电机转子旋转，将机械能转化为电能。

4. 冷却与循环：做功后的蒸汽进入冷凝器，被冷水冷却成液态水，重新送回热交换器，完成循环（冷却剂也需循环使用，确保持续吸热）。

（3）核能的优缺点

优点：

1. 能量密度极高，少量核燃料可产生大量能量（1kg铀-235裂变释放的能量相当于2500吨标准煤燃烧的能量）；

2. 正常运行时污染小，不排放二氧化碳（可缓解温室效应），无化石能源燃烧产生的粉尘、二氧化硫等污染物；

3. 不受天气、季节影响，发电稳定（相比太阳能、风能的间歇性）。

缺点：

1. 核燃料（如铀矿）是不可再生能源，储量有限；

2. 核废料具有强放射性，需长期妥善处理（放射性可持续数千年甚至数十万年，若泄漏会严重污染环境、危害生物健康）；

3. 核电站存在安全风险（如地震、海啸等自然灾害可能导致核泄漏，如2011年日本福岛核事故），建设和维护成本高。

三、太阳能——清洁且永续的能源

太阳能是来自太阳内部核聚变的能量，是地球上最主要的能源来源（地球上的风能、水能、生物质能、化石能源均间接来自太阳能），具有“清洁、永续、分布广泛”的特点，是未来能源发展的核心方向。

（1）太阳能的来源与传递

来源：太阳内部持续发生“氢核聚变成氦核”的核聚变反应，每秒约有6亿吨氢转化为氦，过程中释放的能量以电磁波形式（如可见光、红外线、紫外线）向宇宙空间辐射，其中约22亿分之一到达地球，成为地球的主要能量来源。

传递方式：太阳能通过“热辐射”传递到地球（无需介质，可在真空中传播），到达地球的太阳能一部分被大气层反射或吸收，一部分到达地面，被陆地、海洋、植物吸收，转化为其他形式的能量（如内能、化学能）。

（2）太阳能的利用方式（初中阶段核心应用）

人类利用太阳能的方式主要分为“光热转换”和“光电转换”两类：

光热转换（将太阳能转化为内能）：

1. 太阳能热水器：核心部件是“集热器”（如真空玻璃管，吸收太阳光能力强，热量损失少），集热器吸收太阳能，加热内部的水，供家庭生活使用（如洗澡、洗菜）。

2. 太阳能供暖系统：通过集热器吸收太阳能，加热空气或水，再通过管道将热量输送到室内，实现供暖（相比燃煤供暖，无污染物排放）。

3. 太阳能灶：利用凹面镜的聚光作用，将太阳光集中到焦点处，使焦点处温度升高，可用于烧水、做饭（类似放大镜聚光点火）。

光电转换（将太阳能转化为电能）：

1. 太阳能电池（光伏电池）：利用“光电效应”（太阳光照射到半导体材料上，使半导体内部产生自由电子，形成电流）将太阳能直接转化为电能，常见于太阳能路灯、计算器、卫星（如人造地球卫星的电源主要是太阳能电池板）。

2. 太阳能电站：由大量太阳能电池板组成，将产生的电能汇总后，通过电网输送到用户（大规模利用太阳能的主要形式，如我国甘肃、青海的大型光伏电站）。

（3）太阳能的优缺点

优点：

1. 清洁无污染，利用过程中不排放二氧化碳、粉尘等污染物，对环境友好（可缓解温室效应和空气污染）；

2. 永续可再生，太阳的寿命约为50亿年，对人类而言几乎是“取之不尽、用之不竭”；

3. 分布广泛，无需开采和运输（相比煤炭、石油的地域限制和运输成本），偏远地区也可利用。

缺点：

1. 间歇性和不稳定性，受天气（阴天、雨天）、季节（冬季光照弱）、昼夜（夜晚无光照）影响大，无法持续稳定供能；

2. 能量密度低，单位面积接收的太阳能较少（如1平方米地面在晴天接收的太阳能约为1000W，远低于核燃料的能量密度），需大面积太阳能电池板或集热器才能产生足够能量；

3. 储存困难，需配备储能设备（如蓄电池）储存白天多余的能量供夜晚或阴天使用，但储能设备成本高、寿命有限。

4. 能源与可持续发展

随着全球能源需求增长和化石能源枯竭，“能源可持续发展”成为核心议题，其核心目标是“在满足当代人能源需求的同时，不损害后代人满足其需求的能力”，具体措施包括：

1. 开发新能源：大力发展太阳能、风能、水能、生物质能等可再生能源，逐步替代煤炭、石油等不可再生能源；

2. 提高能源利用率：通过技术创新（如高效发动机、节能电器）减少能源浪费（如我国要求家用电器标注“能效等级”，鼓励使用一级能效电器）；

3. 减少环境污染：控制化石能源燃烧产生的污染物（如安装脱硫脱硝设备），妥善处理核废料，降低能源利用对环境的破坏；

4. 倡导节能意识：通过宣传教育，引导公众养成节能习惯（如随手关灯、使用公共交通、减少一次性用品）。

例题1：能源的分类（一次能源与二次能源）题目：下列能源中，属于一次能源的是（）

A. 电能 B. 汽油 C. 太阳能 D. 沼气

解析：一次能源是直接从自然界获取的能源，太阳能可直接从太阳获取（C正确）；电能（火力发电转化）、汽油（石油提炼）、沼气（生物质能转化）均需通过一次能源转化得到，属于二次能源（A、B、D错误）。

答案：C

例题2：核能的产生方式（核裂变与核聚变）题目：当前核电站发电利用的核能来源于（）

A. 原子核的聚变 B. 原子核的裂变 C. 原子核的衰变 D. 原子核的重组

解析：核电站利用可控核裂变发电（技术成熟，可稳定释放能量，B正确）；核聚变目前尚未实现可控利用（A错误）；原子核衰变释放的能量微弱，无法用于发电（C错误）；原子核重组不是核能的产生方式（D错误）。

答案：B

例题3：太阳能的利用方式（光热转换）题目：太阳能热水器是将太阳能转化为（）

A. 电能 B. 化学能 C. 内能 D. 机械能

解析：太阳能热水器通过集热器吸收太阳能，加热水，将太阳能转化为水的内能（C正确）；转化为电能的是太阳能电池（A错误）；转化为化学能的是植物光合作用（B错误）；太阳能不直接转化为机械能（D错误）。

答案：C

例题4：不可再生能源的判断题目：下列能源中，属于不可再生能源的是（）

A. 风能 B. 核能 C. 太阳能 D. 水能

解析：不可再生能源储量有限，消耗后无法再生；核能的核燃料（如铀矿）是不可再生资源（B正确）；风能、太阳能、水能可不断再生，属于可再生能源（A、C、D错误）。

答案：B

例题5：核电站的能量转化流程题目：核电站发电过程中，能量转化的正确顺序是（）

A. 核能→机械能→内能→电能 B. 核能→内能→机械能→电能

C. 内能→核能→机械能→电能 D. 机械能→核能→内能→电能

解析：核电站先通过核裂变产生核能，加热冷却剂得到内能，内能转化为蒸汽的机械能，机械能推动发电机产生电能，顺序为“核能→内能→机械能→电能”（B正确）。

答案：B

例题6：太阳能的间接利用（化石能源）题目：煤炭、石油等化石能源间接来源于（）

A. 核能 B. 太阳能 C. 地热能 D. 生物质能

解析：化石能源是古代动植物遗体经过漫长地质年代形成的，动植物生长依赖太阳能（光合作用将太阳能转化为化学能），因此化石能源间接来源于太阳能（B正确）。

答案：B

例题7：核裂变的链式反应控制题目：核电站中，控制核裂变链式反应速度的部件是（）

A. 核燃料 B. 控制棒 C. 热交换器 D. 汽轮机

解析：控制棒（如镉棒）可吸收中子，通过插入或拔出控制棒，调节反应堆内的中子数量，从而控制链式反应速度（B正确）；核燃料是反应原料（A错误）；热交换器传递热量（C错误）；汽轮机将内能转化为机械能（D错误）。

答案：B

例题8：可再生能源的应用判断题目：下列设备中，利用可再生能源工作的是（）

A. 燃油汽车（使用汽油） B. 燃煤发电机（使用煤炭）

C. 太阳能路灯（使用太阳能电池） D. 核动力潜艇（使用核能）

解析：太阳能是可再生能源，太阳能路灯利用太阳能工作（C正确）；汽油、煤炭是化石能源，核能的核燃料是不可再生能源（A、B、D错误）。

答案：C

例题9：太阳能电池的能量转化题目：太阳能电池板工作时，主要的能量转化是（）

A. 太阳能→电能 B. 太阳能→内能 C. 电能→太阳能 D. 内能→太阳能

解析：太阳能电池利用光电效应，将太阳能直接转化为电能（A正确）；转化为内能的是太阳能热水器（B错误）；C、D方向错误，不符合能量转化规律。

答案：A

例题10：核能的优点（环境影响）题目：与燃煤发电相比，核电站发电的主要优点是（）

A. 能量密度更低 B. 不排放二氧化碳，缓解温室效应

C. 核燃料可再生 D. 建设成本更低

解析：核电站正常运行时不排放二氧化碳（燃煤发电会大量排放二氧化碳，导致温室效应），这是其核心环境优点（B正确）；核电站能量密度更高（A错误）；核燃料不可再生（C错误）；核电站建设成本高（D错误）。

答案：B

例题11：太阳能的缺点（间歇性）题目：太阳能无法在夜晚持续供能，主要是因为（）

A. 夜晚太阳不发光 B. 夜晚大气层阻挡太阳能

C. 太阳能的间歇性（夜晚无光照） D. 夜晚温度低，太阳能无法转化

解析：太阳能依赖太阳光，夜晚太阳位于地球背面，无光照，导致太阳能无法持续获取，体现了太阳能的间歇性（C正确）；太阳始终发光（A错误）；夜晚无光照，与大气层阻挡无关（B错误）；温度不影响太阳能的转化本质，关键是无光照（D错误）。

答案：C

例题12：核废料的处理问题题目：核电站产生的核废料具有强放射性，下列处理核废料的方式中，合理的是（）

A. 直接排放到海洋中 B. 深埋于地下稳定岩层中

C. 随意丢弃在垃圾场 D. 焚烧后再排放

解析：核废料需长期隔离，深埋于地下稳定岩层中（如花岗岩层），可防止放射性泄漏（B正确）；直接排放、随意丢弃、焚烧均会导致环境污染，危害生物健康（A、C、D错误）。

答案：B

例题13：能源的转化判断（综合）题目：下列能量转化过程中，属于“太阳能→化学能”的是（）

A. 太阳能热水器加热水 B. 植物进行光合作用

C. 太阳能电池发电 D. 太阳能灶烧水

解析：植物光合作用将太阳能转化为有机物中的化学能（B正确）；A、D是太阳能→内能；C是太阳能→电能。

答案：B

例题14：不可再生能源的消耗问题题目：下列关于不可再生能源的说法，正确的是（）

A. 不可再生能源永远不会耗尽 B. 不可再生能源消耗后短期内可再生

C. 过度消耗不可再生能源会导致资源枯竭 D. 不可再生能源只有煤炭和石油

解析：不可再生能源储量有限，消耗后无法再生，过度消耗会导致资源枯竭（C正确）；A、B错误；不可再生能源还包括天然气、核能等（D错误）。

答案：C

例题15：核聚变的应用（氢弹）题目：氢弹爆炸利用的是哪种核能释放方式？（）

A. 核裂变的可控反应 B. 核裂变的不可控反应

C. 核聚变的不可控反应 D. 核聚变的可控反应

解析：氢弹利用氢核的核聚变释放能量，且反应无法控制（瞬间剧烈爆炸，C正确）；原子弹利用核裂变的不可控反应（B错误）；核电站利用核裂变的可控反应（A错误）；目前无可控核聚变应用（D错误）。

答案：C

例题16：太阳能的分布特点题目：我国下列地区中，太阳能资源最丰富的是（）

A. 四川盆地（多阴雨天气） B. 青藏高原（海拔高、空气稀薄）

C. 东北平原（冬季寒冷） D. 长江中下游平原（夏季多雨）

解析：太阳能资源与光照强度、日照时间有关，青藏高原海拔高、空气稀薄，大气对太阳光的削弱作用弱，光照强，太阳能资源最丰富（B正确）；四川盆地多阴雨，光照弱（A错误）；东北、长江中下游光照条件不如青藏高原（C、D错误）。

答案：B

例题17：能源可持续发展的措施题目：下列措施中，有利于能源可持续发展的是（）

A. 大量开采煤炭，满足能源需求 B. 研发高效太阳能电池，提高太阳能利用率

C. 禁止使用所有不可再生能源 D. 随意排放核废料，降低处理成本

解析：研发高效太阳能电池，可促进可再生能源利用，符合可持续发展（B正确）；大量开采煤炭会加速资源枯竭（A错误）；目前无法完全禁止不可再生能源（C错误）；随意排放核废料污染环境（D错误）。

答案：B

例题18：核能与太阳能的能量来源对比题目：核电站的核能与太阳的能量来源，本质区别是（）

A. 核电站来自核裂变，太阳来自核聚变 B. 核电站来自核聚变，太阳来自核裂变

C. 两者均来自核裂变 D. 两者均来自核聚变

解析：核电站利用核裂变释放能量，太阳内部发生核聚变释放能量，本质区别是核能产生方式（A正确）。

答案：A

例题19：太阳能储能的必要性题目：为解决太阳能的间歇性问题，通常需要配备储能设备（如蓄电池），其作用是（）

A. 提高太阳能的能量密度 B. 储存白天多余的电能，供夜晚或阴天使用

C. 减少太阳能的污染 D. 延长太阳能电池的寿命

解析：储能设备的核心作用是“储存能量”，将白天太阳能转化的多余电能储存起来，弥补夜晚或阴天无光照时的能源缺口（B正确）；与能量密度、污染、电池寿命无关（A、C、D错误）。

答案：B

例题20：能源分类的综合判断题目：请判断下列能源的类型（填“一次/二次能源”“可再生/不可再生能源”）：

（1）风能；（2）核能；（3）电能；（4）石油。

解析：（1）风能可直接从自然界获取（一次能源），且可不断再生（可再生能源）；（2）核能的核燃料直接获取（一次能源），储量有限（不可再生能源）；（3）电能需通过一次能源转化（二次能源），其可再生性取决于原始能源（如水电转化的电能间接可再生，但火电转化的电能间接不可再生，初中阶段只需判断为二次能源）；（4）石油直接获取（一次能源），不可再生（不可再生能源）。

答案：（1）一次能源、可再生能源；（2）一次能源、不可再生能源；（3）二次能源；（4）一次能源、不可再生能源。