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1、专题十六 信息、材料、能源和可持续发展 专题十六信息、材料、能源和可持续发展对应学生用书起始页码 页信息的传递信息与信息传播信息是各种事物发出的有意义的消息，语言、符号、图像是人类特有的三种信息在人类历史上，信息和信息传播活动经历五次巨大变革：语言的诞生、文字的诞生、印刷术的诞生、 电磁波的应用和计算机与网络技术的应用电磁波电磁波是在空间传播的周期性变化的电磁场麦克斯韦首先建立了电磁场理论，并预言了电磁波的存在。 赫兹第一次用实验证实了电磁波的存在电磁波在真空中的传播速度是 。 光波属于电磁波电磁波谱： 射线、 射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波电磁波的特性：（）电磁波能在真空中传播。（）
2、金属容器能屏蔽电磁波。（）电磁波也存在着一定的危害 电磁污染现代通信微波通信卫星通信光纤通信网络通信 新材料物理性质：导热性、导电性、磁性、密度、比热容 、弹性、硬度、延展性等导电性导体：容易导电的物体半导体：定义：介于导体和绝缘体之间的物体特性：热敏特性、光敏特性、压敏特性等应用二极管：具有单向导电性三极管：用来放大电信号绝缘体：不容易导电 的物体新材料超导材料（）超导现象：一些金属或合金，当温度降至某一温度时，电阻突然变为零 的现象称为超导现象（）定义：能够发生超导 现象的物质（）超导临界温度：物质的电阻变为零 时的温度（）应用前景：超导磁悬浮、超导输电 纳米材料（）统指制成材料的基本单元
3、大小限制在 范围的材料（）纳米材料具有优良的光、力、热、磁 等性质，应用前景极为广泛材料的开发和利用：材料的发展对人类社会的发展起了促进作用，是科技发展的物质基础，但同时也会造成浪费和环境污染 年中考 年模拟 中考物理能源与可持续发展能量的转化与守恒多种形式的能量：机械能、内能、电 能、光能、声能、磁能、化学能、核能等能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化 为另一种形式或者从一个物体转移到另一个物体，而能的总量保持不变能量转移概念：能量从一个物体传递 给另一个物体的过程特征：能量的种类和特点保持不变 能量转化定义：能量由一种形式转化 为另一种形式的过程特征：转化前后能量
4、的形式不同 能源的开发和利用能源与社会自然界存在多种能为人类提供生活、生产所需能量的能源分类获取方式：一次能源、二次能源是否可再生：可再生能源、不可再生 能源开发早晚：常规能源、新能源使用情况：清洁能源、非清洁能源能源与环境开发新能源核能产生：由于原子核 内部的变化而释放出来的能量核反应：核裂变 ；核聚变太阳能来源：轻核聚变的核能以电磁波 的形式辐射出去利用：光电 转换；光热转换；光化转换优点：分布广阔、无须开采、无污染、取之不尽、用之不竭缺点：太阳能功率变化大，不稳定；转换效率低 ；转换系统造价过高风能地热能潮汐能具有方向性考点一 信息的传递 电磁波产生当导体中的电流迅速变化时，导体就会向周
5、围空间发射电磁波电磁波谱 射线、 射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波传播电磁波可以在真空中传播电磁波在空间向各个方向传播光属于电磁波，电磁波在真空中的传播速度跟光在真空中的传播速度一样波的特征波速波传播的快慢称为波速，电磁波在真空中的速度用 来表示， ，在空气中的波速近似等于真空中的波速波长相邻两个波峰（或波谷）间的距离，用字母 表示，单位是米（）。 如图所示频率表示单位时间内振动的次数，用字母 表示，其单位是 赫兹 （ ）， 常用单 位还 有千赫（）和兆赫（），换算关系为： ， 波速、波长和频率的关系波速 等于波长 和频率 的乘积，即：续表用途 射线医生用 射线做手术 射线用 光片判断是
6、否骨折红外线电视机、空调等设备的遥控器都是红外遥控无线电波微波在通信领域大显身手无线电广播、电视、雷达考点二 新材料 材料的一些物理性质对比概念描述举例导热性表示 材 料 导 热 能 力 的强弱各种金属有较强的导热能力导电性表示 材 料 导 电 能 力 的强弱导体、半导体、绝缘体磁性表示材料具有吸引铁、钴、镍等物质的性质条形磁铁弹性表示材料受力后会发生形变，除去外力后材料又会自动恢复原状发生形变的弹簧、橡胶等硬度表示材料的坚硬程度金刚石最硬延展性材料具有被拉伸而不易断裂的性质金属有较强的延展性考点三 能源与可持续发展 自然界的能源分类分类标准分类说明实例专题十六 信息、材料、能源和可持续发展
7、续表分类标准分类说明实例获取方式一次能源可以直接从自然界获取的能源煤、石油、天然气、太阳能、风能、水能、地热能、核能、潮汐能等二次能源必须消耗一次能源才能获得的能源电能、沼气等是否可再生可再生能源可以从自然界源源不断地得到的能源太阳能、风能、水能等不 可 再生能源一旦消耗就很难再生的能源煤、石油、天然气等开发早晚常规能源目前已经大规模生产 和 广 泛 利 用 的能源煤、石油、天然气等新能源指由于技术、经济等因素而迄今尚未大规模使用的能源太 阳 能、 核 能、 地 热能等使用情况清洁能源指对环境无污染或污染很小的能源太阳能、风能、水能等非 清 洁能源指对环境污染较大的能源煤、石油、天然气一、光纤
8、通信与无线电通信光纤通信无线电通信传输载体以激光为信息载体，利 用 光 纤 为 信 息通道以无 线 电 波 为 信 息载体信息的容量容量大容量小传输信息的质量抗干扰能力强，信号衰减小抗干扰能力弱，信号衰减大信号的处理方式信息电信号光信号传输光信号电信号信息信息电信号无线电波传输无线电波电信号信息二、导体、绝缘体和半导体导体绝缘体半导体定义容 易导电 的物体不容易导电的物体导电性能介于导体和绝缘体之间的物体导电或不导电的原因含 有大量 可自 由移动 的电荷内部电荷几乎被束缚在原子核附近不能自由移动随光照、温度、压强的不同，导电能力不同续表导体绝缘体半导体举例各种金属、酸碱 盐的 水溶液、 石 墨
9、、 人体、大地等玻璃、 橡胶、 陶瓷、塑料、油、纯净的水等硅、锗、砷化镓等应用用 来制 作传导 电 流 的导线常用来隔离带电体半导体的特殊性能被广泛应用在现代电子技术中材料与能源 “新材料”的发现和使用伴随着人类的文明进程。 陶器作为人造材料结束了人类的石器时代，使人类从蒙昧时代进入野蛮时代。 在这个“野蛮”时代，人类“发明”了青铜。 青铜制造的农具促进了农业发展，而青铜制造的兵器把人类带进了冷兵器时代。 铁器的发明又把人类文明向前推进。 至今，钢铁产量仍是衡量一个国家工业化水平和国防实力的标志之一。材料还深刻地影响着人类的生产生活方式。 从无机材料到有机材料，人类文明又有了一次大的飞跃。 橡
10、胶、塑料、纤维三大合成材料的不断创新与发展，使人类对皮革、木材、棉花和丝绸等自然材料的依赖性大大降低。 在一些领域里，三大合成材料部分或大部分替代了金属、木材、石材等。 铝及合金的使用，使航空航天业得到空前发展，反过来又带动了材料科学的发展。硅等半导体材料为信息化提供了有力支撑，人类传递、储存信息的方式日新月异。 科学家利用超材料正将“隐身衣”变为现实。超材料产品还可以加速信息传输和降低能耗、大幅度提高太阳能的利用效率，等等。 而纳米科技和纳米器件的发展，可能从根本上改变人类的社会生活和生产方式。材料科学每前进一小步，人类文明就前进一大步。在人类的历史长河中，新材料不断创造着人类新的生活。如果
11、我们用新材料的涌现，以及从新材料及其技术对推动人类社会发展的作用来描述人类的历史，那么，自古至今，人类已经经历了它的旧石器时代、新石器时代、青铜时代、铁器时代、钢铁时代、高分子材料时代、复合材料时代等，现代人类更是进入到了一个以高性能材料为代表的多种材料并存的时代。 可以说，新材料的使用不仅仅使生产力获得极大的解放，从而极大地推动了人类社会的进步，而且在人类文明进程中具有里程碑的意义。那么何为“新材料”？ 显然，它包含着这样两个层面的含义，一是对传统材料的再开发，使其在性能上获得重大突破的材料；二是采用新工艺和新技术合成，开发出具有各种新的和特殊功能的材料。 由此可以看出，新材料与新工艺、新技
12、术有着密切的关系。 一方面，新工艺与新技术的使用不断地扩展了人类的技术手段，从而使人类更加充分地开发传统材料中的各种新的性能或功能，更重要的是，通过新的合成工艺与技术，使人类获得种类更多、性能更佳的材料，如纳米材料、多相材料。 另一方面，诸多具有特殊性能材料的涌现，推动了高新技术的快速发展。这一点，在现代社会表现得尤为突出。 可以说，新材料已经成为高新技术的基础与先导。 年中考 年模拟 中考物理 在现代社会，新材料以及新材料中的高新技术正在为人类展开一个新世界的画卷。 人类使用各种材料创造新的生活，建构新的世界。 新的材料也正在为人类文明提供新的行为理念，建立起人类扩展自身生存与发展空间的信心
13、。 它的现代发展使一种材料从单一功能向多种功能发展，而且，它使得人类超越自然界，实现了根据材料来设计产品，根据产品的需要，通过新的组成、结构和工艺设计来实现其所需功能的概念，也就是说，它的功能要求正在向着迎合人类在各个领域的需要而发展。 由此，可以说，它已经成为人类从“自然王国”走向“自由王国”的动力源泉。 世纪 年代以来，随着材料工程技术的迅猛发展，材料已经不仅在种类上得到拓展，而且在包括光、声、电、磁、力、超导、高塑，以及超强、超硬、耐高温等机能与性能上获得极大的扩展与深度发掘。 此类新材料的出现，推动了高技术产品的智能化与微型化，从而极大地影响着人类的现代生活、社会结构与文化价值。与材料
14、及材料技术相比较，能源对于人类生活的影响具有某些共同的特点。 自古以来，人类就生活在一个能源的世界里。大自然所提供的诸如太阳、雷电、水与火等能源曾毫不吝惜地为人类创造了生存的环境，成为人类生存的前提条件。 而钻木取火技术则表明了人类开始具有了掌握和控制能源的能力，从而也开启了人类文明的进程。 人类传颂着关于火的美丽故事，它显示着人类掌握、控制和利用大自然的信心。 依靠着这种信心，人类开始走上征服自然和改造自然的征程。 人类通过水利工程扩展水力资源的使用空间与能力，使其造福于人类；通过对各种化石燃料的开发与利用，开创人类新的生活，推进人类的生产能力和社会进步；通过对电能的开发与利用，推进了人类社
15、会的现代化进程。 世纪 年代以来，随着人类对其生存环境的认识不断深入和能源开发技术的发展，人类更是将能源的开发利用的概念转向那些清洁能源与可再生能源。 开发利用清洁的和可再生的能源成为 世纪许多国家的能源战略。与新材料的开发利用相同，新能源的开发利用与新工艺、新技术的发展水平同样具有相互不可或缺的关系。 一方面，新工艺与新技术不断丰富和增强着人类开发利用新能源的技术手段与能力，它不仅为人类获得更加丰富的能源，而且为人类实现可持续发展的“绿色”生活理念提供了可能的机会。 另一方面，新能源的开发利用，无疑将为工业技术的可持续发展提供有力的支持，从而成为社会发展与人类文明的推动力量。从某种意义上来说
16、，人类正生活在一个材料与能源构建的世界里。 新材料与新能源，以及新材料与新能源中的高新技术的发展，正在极大地丰富着人类的物质与精神生活。 在这个世界中，新材料与新能源的价值体现，显然不仅仅是诸多新的产品的涌现，更重要的是，它们广泛渗透于人类的生活，影响着人类的生存质量；它们奠定了工业经济与技术的物质基础，成为一个国家经济实力的标志；它们影响着世界的政治格局，成为保障国家安全，减少社会风险的重要因素；它们推进人类对于自然的新认识，拓展人类的生存能力与发展空间，打造人类对于这个世界新的概念与价值观念。 正是在这个意义上，我们可以说，材料与能源是人类文明的奠基石。对应学生用书起始页码 页方法一 解答
17、能量的转化和转移问题的方法 能量转化和转移的比较解释实例能量的转化能量由一种形式转变为另一种形式电灯发光：电能转化为光能和内能；摩擦生热：机械能转化为内能能量的转移能量不经过变化直接由一个物体转移到另一个物体或从物体的一部分转移到另一部分碰撞时：动能从一物体转移到另一物体；围着火炉烤火：内能从火炉转移到人体 能量转化和转移的方向性能量的转化和能量的转移，都是有方向性的，如温度不同的两个物体接触后，一部分热量从高温物体转移到低温物体上，并不能自发地从低温物体转移到高温物体上；燃料燃烧，化学能转化为内能，但此时得到的内能并不能自发地转化为化学能；电流通过灯泡发光，电能转化为内能和光能，但是这些内能
18、和光能并不能自发地重新转化为电能；汽车制动时，由于摩擦，机械能转化为内能，但这些内能并不能自发地用来再次开动汽车。例 （ 内蒙古呼和浩特， 分）如图所示是某研究小组精心设计的一种机械。 高处的水通过左侧的管道向下流动，水流冲击叶片，叶片的转动带动砂轮转动，就可以打磨需要的工件，同时带动右侧的抽水器将水从低处抽到高处，继续向下流动，从而永不停歇。 你认为这种机械是否能够一直工作下去，请说明原因。答案 不能。 因为在工作过程中，有部分机械能会转化为内能，即机械能会逐渐减少，所以机械能总量不守恒，他设想的机械装置不能一直工作下去。 知道能量的转化和守恒定律，知道机械工作过程中要克服摩擦做功，消耗能量
19、。 要根据能量的转化和守恒来对机械的工作过程做出分析，不能凭感觉判断。 变式训练 （ 新疆乌鲁木齐， 分）早期的风光互补发电巧妙利用太阳光强时风速小，光弱时风速大的自然特点，使风能、光能互补，从而基本保证发电功率稳定。专题十六 信息、材料、能源和可持续发展 （）风能和光能都来源于 ，属于 能源。 若太阳光弱的时候风速小， （选填“能”或“不能”）实现风光互补发电。（）风机功率和风速的三次方成正比，风速加倍，其功率增加到原来的倍。 光伏功率和光的辐射量有关，单位面积光能的功率叫光的辐射量，其单位是 。（）用风光互补发的电对额定功率为 的用电器供电，风机功率为 ，光伏功率为 ，当 ，用电器正常工作
20、。 如图是某风光互补发电系统一段时间内功率变化的图线，在 （选填“”或“”）点钟左右，光伏功率最大。 对于额定功率为 的用电器，在 点 点这段时间里，风光互补发的电 （选填“能”或“不能”）满足其工作。答案 （）太阳 可再生（或一次、清洁均可） 不能（） （） 能解析 （）风能和光能都来源于太阳，属于可再生能源；由题意可知，太阳光弱、风速小时，不能实现风光互补发电。 （）由题意可知，风速为原来的 倍，则风机功率增加为原来的 倍；面积单位为 ，功率的单位为 ，故根据光的辐射量定义可知，光的辐射量的单位为 。 （）当 时，用电器两端电压等于额定电压，用电器正常工作；由图像得， 点钟左右光伏功率最大
21、； 点 点这段时间里，风光互补发电的总功率大于或等于 ，故能满足用电器工作。方法二 能源利用中的效率问题 热效率：有用，有用是有效利用的热量， 指总能量。 如果是炉子，则 为燃料完全燃烧放出的能量（总）；如果是太阳能热水器，则 为接收到的太阳能；如果是电热器，则 为电流做功放出的热量。热机效率：有用总，其中 有用是指输出的有用功（有用），总为燃料完全燃烧放出的总能量（总）。能源利用的效率问题，关键是分清有效利用的能量和总能量。例 （ 贵州黔东南州第一次模拟，）农村沼气厕所改造工程是新农村建设的具体方案之一，是一种综合、再生、高效、廉价的优质清洁能源。 口人的农户修建一个同畜禽舍厕所相结合的三位
22、一体 立方米沼气池，沼气池一经启动实现人畜粪便自动流入池中发酵，每口沼气池一天能产沼气 立方米。 （沼气热值 ）（）把沼气池一天产生的沼气完全燃烧将释放热量多少焦耳？（）如果沼气炉的燃烧效率是 ，一年 天约相当于多少度电产生的能量？解析 （）沼气燃烧释放的热量 （）总 度答案 （） （） 度 第（）问中注意沼气燃烧放出的热量有 能有效利用，因此 总。 沼气是利用一次能源发酵而产生的能源，属于二次能源。 变式训练 如图所示是利用太阳能电池工作的一种新型动力车，它上面的太阳能接收板的有效面积为 ，天气晴朗且接收板正对阳光时，每平方米面积上每秒钟能接收到太阳辐射的能量为 ，太阳能电池提供的电压为 ，可供电动机正常工作的电流为 。（）太阳能属于 （选填“可”或“不可”）再生能源。（）太阳能电池将太阳能转化为电能的效率是 。（）电动机正常工作时，将电能主要转化为能，若转化效率是 ，且该车沿水平路面匀速行驶时所获得的牵引力是 ，则该车匀速行驶的速度是 。答案 （）可（）（）机械 解析 （）太阳能取之不尽，用之不竭，可以供人类长期使用，是可再生能源。（）太阳能电池每秒钟接收的太阳能 接收太阳能的功率 太阳能电池提供的电功率 电 光电转换效率 电 （）电动机工作时，将电能转化为机械能；电机械所以 电 。