版块20 专题20 信息与能源 （教师版） 初中物理尖子生自主招生培优讲义83讲

第 1 页 / 共 23 页 专题20 信息与能源 知识·解读 一、信息的传播 1、电磁波 (1)电磁波的产生：与水波、声波的形成相似，迅速变化的电流能够产生电磁波。 (2)电磁波的传播：电磁波可以在真空中传播。 (3)波长、频率和波速的关系 ①公式：波速＝波长×频率，即v＝λf。 其中波长的单位是米(m)，频率的单位是赫兹(z)，常用的单位是千赫(kz)和兆赫(Mz)。 ②真空中电磁波的波速：＝3×108 m/s。 (4)电磁波的用途： 电磁波有通信、射线透视、加热物体等用途。无线电波(短波、中波和长波)、红外线、可见光、紫外线、 X 射线、γ 射线都属于电磁波。 2、广播、电视、移动通信 (1)无线电波的发射和接收 ①无线电波的发射：无线电广播信号的发射装置主要由振荡器、话筒、调制器和发射天线几部分组成。 发射过程可用下图概括 ②无线电波的接收：无线电广播信号的接收装置主要由接收天线、调谐器、检波器和扬声器组成。 第 1 页 / 共 23 页 接收过程可以用下图概括 (2)移动通信 移动电话相当于无线电台，它将用户的声音转变为高频电信号发射到空中发出信息，同时它又捕捉空 中的电磁波，接收到通话对方送来的信息。 3、越来越多的信息之路 (1)微波通信：微波的性质接近于光波，大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射，因此须每隔50 km 左 右建一个微波中继站，中继站可以把上一站传来的微波信号经过处理后，再发射到下一站去。 (2)卫星通信：卫星通信系统由通信卫星、地面站和传输系统组成，用三颗通信卫星就可以实现全球通 信。现在我们看到的很多电视节目是通过卫星传送的。 (3)光纤通信：光在光导纤维中传输损耗小，可长距离传输。光纤通信容量极大，不怕雷击，不受电磁 干扰，通信质量高，保密性好。 (4)络通信；人们可以通过络通信系统查阅资料、看新闻、购物、进行视频点播，可以通过络收发电子 邮件，还可以上和朋友聊天。另外，可以通过络进行远程育、远程医疗，等等。 二、能源 1、能源的分类 （1）按转换条件分 ①一次能源：自然界中天然形成的能源。如煤、石油、天然气、太阳能、核能、水能、风能、地热能、 海洋能、潮汐能等。 ②二次能源：由一次能源经人工方法转换来的能源。如煤气、汽油、柴油、电、酒精等等。 （2）按性质分 ①可再生能源：能重复产生的天然能源。如太阳能、风能、地热能、海洋能、潮汐能等。 ②不可再生能源：短期内不可重复产生的天然能源。如煤、石油、天然气。 第 1 页 / 共 23 页 2、核能 （1）原子的结构：原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子构成，质子带一个单位正电荷， 中子不带电。 （2）核能：原子核在发生改变时会释放出巨大的能量——核能，又称原子能。获得核能有两种途径：一 种是由原子核的裂变释放出的核能；另一种是原子核的聚变释放出的核能。 （3）核裂变：核裂变是指一个重原子核分裂成两个或多个中等质量的原子核，引起链式反应，从而释放 出巨大的能量的过程。1 kg 铀235 全部裂变放出的能量相当于2500 t 标准煤完全燃烧放出的能量。 （4）核聚变：轻原子核结合成较重原子核的现象叫聚变，聚变时也会放出巨大的核能。 （5）核能的利用： ①核反应堆——核电站的核心装置。 ②反应——核裂变链式反应。 ③核燃料——低浓度铀或天然铀。 ④能的转化：核能→内能→机械能→电能。 3、太阳能及其利用 （1）太阳能的优点：普遍，不需要开采和运输，清洁、无污染。 （2）直接利用太阳能有三途径： ①光热转换；②光电转换；③光化转换。 4、21 世纪的能源趋势 （1）特点：①由于世界人口的急剧增加和经济的快速发展，能源的消耗持续、迅速增长；②人类的主要 能源仍是化石能源 ，它属于不可再生能源。 （2）影响 人类在耗用各种能源时，不可避免地对环境造成了影响：大量燃烧化石能源势必造成空气污染和水土 流失的加剧；欠发达国家对柴薪能源的过分依靠，加剧了水土流失和沙漠化。 5、未来的理想能源 （1）未来的理想能源必须满足的条件 第 1 页 / 共 23 页 第一，必须贮量丰富，可以保证长期使用；第二，必须价格便宜，可以保证多数人用得起；第三，相关 技术必须技术成熟，可以保证大规模使用；第四，必须足够安全清洁，可以保证不会严重影响环境。 （2）未来可能广泛利用的能源：太阳能、核能（可控核聚变）、地热能、潮汐能、可燃冰等。 典例·解读 类型一、波速公式＝λf 及其应用 例1、“嫦娥”一号卫星的微波探测仪可探测“月壤”发出的频率为30 Gz、78 Gz、1935 Gz 和370 Gz 的微波辐射，下列说法中正确的是( )。 ．微波属于电磁波 B．微波是可见光 ．这四种微波在真空中的波长一样 D．这四种微波在真空中传播速度不同 例2、某电磁波的波形如图所示。则该电磁波的波长是_________，频率是_ _________。 【答】 【解析】微波属于电磁波，是电磁波的一种，它不属于可见光的范围，各种频率的电磁波在真空中的 传播速度是一样的，而其波长随频率的增大而减小，所以只有选项正确。 【答】004 m； 75×109 z 【解析】波长是指两个相邻的波峰或波谷之间的距离，由题图可知2 m 是个半波长，所以该电磁波 的波长λ＝4 m＝004 m。又根据波速、波长和频率之间的关系式得频率f＝＝＝ 75×109z。 第 1 页 / 共 23 页 例3、12 月6 日，“嫦娥三号”顺利进入预定轨道在18 时00 分20 秒这一时刻，控制中心接收到“嫦娥三 号”发出的信号。“嫦娥三号”发出信号的时刻用莫 尔 斯 电 码 表 示 ， 其 代 码 为 “·----；---··；-----；-----；·----；----·”。莫尔斯电码与 数字的关系如表所示，“嫦娥三号”发出信号的时刻 为_________，此时它距控制中心_________km。(电 磁波的传播速度为3×108m/s) 类型二、电磁波的应用 例4、2015 年5 月俄罗斯举行卫国战争胜利70 周年的阅兵仪式，中 央电视台进行了及时报道，如图是中国三军仪仗队参加阅兵通过红 场时的图片，现场记者将该图片传送到电视台时所用的载体是( ) 、超声波 B、电磁波 、红外线 D、紫外线 例5、关于电磁波与信息技术，下列叙述正确的是( ) 、电磁波只能用于通信 B、电磁波的应用对人类有利无害 、手机既能发射电磁波也能接收电磁波 D、卫星通信不需要利用电磁波传递信息 【答】18 时00 分19 秒； 3×105 【解析】本题考查电磁波的应用及波速。根据莫尔斯电码与数字的关系可推断出“嫦娥三号”发出信 号的时刻是18 时00 分19 秒；信号从发出到接收到用的时间是18：00：20-18：00： 19=1s ，“ 嫦娥三号” 距离控制中心的距离 s=vt=3×108m/ 【答】B 【解析】本题考查电磁波的应用。将摄像机拍摄的图片传送到电视台，所用的载体是电磁波。 数字 莫尔斯电码 数字 莫尔斯电码 0 ----- 5 ····· 1 ·---- 6 -···· 2 ··--- 7 --··· 3 ···-- 8 ---·· 4 ····- 9 ----· 第 1 页 / 共 23 页 例6、手机是现代人不可或缺的生活必需品。以下是利用手机做的几个实验： ①手机设为“来电振动”放在玻璃瓶中，如图甲，拨号呼叫它，看到手机振动，同时听到振动声。 ②手机设为“来电响铃”放在玻璃瓶中，如图乙，拨号呼叫它，同时不断抽出瓶中空气，听到铃声逐渐 减弱，但始终能看到信号灯闪烁。 2013 ③ 年4 月21 日，俄罗斯KP 报道了“手机煮 鸡蛋”的实验：将鸡蛋放置在陶瓷杯里，在鸡蛋 的两侧分别放置两部手机，如图丙，接着便与这 两部手机进行通话，65m 后，鸡蛋熟了。 上述三个实验现象，揭示了哪些物理知识？请你写出四条。 (1)_____________________________________________________________。 (2)_____________________________________________________________。 (3)_____________________________________________________________。 (4)_____________________________________________________________。 类型三、现代通信技术 例7、关于电磁波和现代通信，下列说法正确的是( ) 光纤通信传输的信息量很大，主要用于无线电广播 【答】 【解析】本题考查的是对电磁波的认识。电磁波不只用来通信，还可以传递能量，例如微波炉就是 利用了电磁波传递能量，说法不正确；电磁波对人类是有辐射的，可引起人体病变，B 说法 不正确；手机既可以发射电磁波，也可以接收电磁波，选项说法正确；卫星通信是利用电磁 波来实现的，D 选项说法不正确。 【答】(1)声音是由振动产生的; (2)真空不能传声;(3)电磁波可以在真空中传播;(4)电磁波具有能量 或电磁波有辐射 【解析】本题考查声的产生与传播以及电磁波的传播与特性。图甲中，看到手机振动的同时听到振动 声说明声音是由物体振动产生的。图乙中，当向外不断抽气时，听到铃声逐渐减弱，可以推 理得出真空不传声；始终看到信号灯闪烁，光是电磁波，说明电磁波可以在真空中传播。图 丙中，两部手机保持通话，它们之间有电磁波在传递，鸡蛋熟了，说明电磁波具有能量。 第 1 页 / 共 23 页 B 移动电话的声音信息是靠电磁波传递的 中央电视台与荆州电视台发射的电磁波在同一区域传播速度不同 D 我国建立的“北斗”卫星定位系统是利用超声波进行定位的 例8、2014 年3 月8 日马来西亚航空公司的M370 航班失去联系，在失联前与地面指挥系统是通过___ _____传送信息的，2014 年4 月14 日“蓝鳍金枪鱼”自主水下航行器开始水下搜索M370 航班， “蓝鳍金枪鱼”自主水下航行器是通过________(选填“超声波”或“次声波”)获得水下信息的。 例9、生活中，人们可以利用电视遥控器来实现对电视节目的选择，遥控器使用时发射的是( ) 红外线 B 紫外线 超声波 D 次声波 类型四、能源的分类 例10、下列能源属于可再生能源的是( ) 石油 B 风能 天然气 D 核能 【答】B 【解析】本题考查现代通信技术。光纤通信需要用光导纤维传输信号，故不是无线传播，错；移动电 话是靠电磁波来传递信息的，B 正确；电磁波在真空或空气中的传播速度是相同的，故中 央电视台与荆州电视台发射的电磁波在同一区域传播速度相同，错；我国建立的“北斗”卫 星定位系统是利用电磁波定位的，故D 错。 【答】电磁波； 超声波 【解析】本题考查电磁波和超声波在传递信息中的应用。卫星电视信号就是利用地球同步卫星作电磁 波通信的中继站来传递信息的，所以马航M370 航班飞机在失联前与地面指挥系统是通过 电磁波传递信息的。“蓝鳍金枪鱼”自主水下航行器是通过超声波获得水下信息的。 【答】 【解析】本题考查电磁波的应用。遥控器发射的是看不见的光，红光和紫光都是可见光，紫外线常 用于杀毒、验钞等，红外线常用于电视机遥控、夜视仪、热谱仪等，故正确。 【答】B 第 1 页 / 共 23 页 例11、下列能源中，属于二次能源的是（ ） ．风能 B．石油 ．核能 D．电能 类型五、能量转化和转移的方向性与能量守恒的关系 例12、下列说法正确的是（ ） ．既然能量是守恒的，那么任何能量我们都可以利用 B．能量是守恒的，所以我们有用不尽的能量 ．在能量的转化和转移过程中，虽然能量的总量保持不变，但有些能量却是无法利用的 D．以上说法都不对 类型六、核能 例13、如图为核电站发电流程图。下列说法正确的是（ ） ．远距离输电要用低压输电 B．汽轮机将机械能转化为内能 【解析】本题考查能源的分类。石油、天然气属于化石燃料，不能短时期内从自然界得到补充，属于 不可再生能源；风能从自然界里源源不断地得到补充，属于可再生能源；核能来源于铀等核 燃料，核燃料不能短时期内从自然界得到补充，属于不可再生能源。 【答】D 【解析】二次能源是自然界中其他能量转化而来的，不是直接从自然界中获取的，风能、石油、核能 都能从自然界中直接获取，只有电能是通过其他形式能转化而来的，故选项D 正确。 【方法归纳】辨别一次能源与二次能源的依据是看其是否经过加工转换，凡是经过加工转换后才能获 取的能源都是二次能源。 【答】 【解析】易错选或B，以能量守恒为依据，认为各种形式的能量之间可以相互转化，不同物体之间可 以发生能量转移，从而得出什么能量都可以利用的错误结论。 自然界存在着各种形式的能，能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式能量间相互 转化，能量的利用过程就是能量的转化和转移过程，但能量的转移、转化都是有方向性的， 第 1 页 / 共 23 页 ．核能是不可再生能源 D．利用核能发电是安全无污染的 类型七、能量的转化 例14、如图所示是一种新型节能路灯。它“头顶”小风扇，“肩扛”太阳能电池 板。关于节能灯的设计解释合理的是( ) ．太阳能电池板将太阳能转化为电能 B．小风扇是用来给太阳能电池板散热的 ．小风扇是风力发电机，将电能转化为机械能 D．蓄电池在夜晚放电时，将电能转化为化学能 类型八、能源的利用综合题 例15、使用太阳能汽车是开发新能源的途径之一。有一款太阳能汽车，太阳光照射到该车电池板上的总 功率为8×103 时，电池产生的电压是120 V，该电压对车上电动机提供的电流是10 。问： （1）此时电动机每分钟消耗的电能是多少？ （2）电动机线圈的电阻为4 Ω，这种情况下，太阳能汽车将太阳能转化为电动 机机械能的效率多大？（机械摩擦忽略不计） 【答】 【解析】在输送电功率不变的情况下，电压越高，线路中的电流越小，由焦耳定律可知，高压输电能 减少线路上电能的损失，故错。在汽轮机中蒸汽的内能转化为汽轮机的机械能，故B 错。 核能需要用到铀，像铀矿这类矿物能源，一旦消耗就很难再生，是不可再生能源，故对。核 电站的核反应堆是利用可控的核裂变反应释放核能的设备。核泄漏是指大量放射性的物质 外泄，会对环境造成严重的破坏，危及动植物的生命，因此核电站的安全应得到高度重视， 故D 错。 【答】 【解析】本题考查能量的转化。太阳能电池板把太阳能转化为电能，故选项说法正确；小风扇是风力 发电机，工作时将风能转化为电能，故选项B、错误；蓄电池放电时，将化学能转化为电能， 给灯泡供电，故选项D 错误。 第 1 页 / 共 23 页 （3）使用太阳能有许多优点，但也有不足之处。请你写出使用太阳能的优点和不足之处各一点。 培优·训练 一、选择题 1、已知真空中电磁波的波长λ 微波>λ 红外线>λ 紫外线，则它们的频率( )。 ．f 微波＝f 红外线＝f 紫外线 B．f 微波>f 红外线>f 紫外线 ．f 微波<f 红外线<f 紫外线 D．f 紫外线<f 微波<f 红外线 2、光在同种均匀介质中是沿直线传播的，小红一直不明白：在光纤通信中，光信号是怎样经过漫长而又 曲折的线路，从一端传到另一端的呢?后来通过“探究光纤怎样传输光信号”的活动中，她终于明白 了：光信号在光纤中（ ） ．是靠光纤壁不断地反射而向前传播 B．就像电流沿弯曲导线那样传播 ．就像水流沿弯曲水管流动那样传播 D．是靠光纤壁不断地折射而向前传播 3、磁带录音机既可以录音，也可用以放音，其主要部件为运行的磁带和绕有线圈的磁头。录音时，磁带 上的磁粉被由声音信号转化而来的电流产生的磁场所磁化，这样便将声音信号转化为磁信号记录在磁 带上；放音时，再把磁带上的磁信号通过磁头转化为电信号使扬声器发声。对于录音机录音、放音过 程的基本原理，下列各种说法中正确的是（ ） 【答】（1）72×104 ；（2）10%；（3）优点：清洁无污染；取之不尽，用之不竭；不受地域限 制等。缺点：能量密度小；装置占用面积大；成本高；效率低；获取能量受四季、昼夜、阴 晴条件限制等 【解析】（1）t＝1 m ＝60 s，,电＝Ut＝120 V×10 ×60 s＝72×10 4 。 （2）P 电＝U＝120 V×10 ＝1 200 P 热＝2R＝（10 ）2×4 Ω＝400 P 机械＝P 电－P 热＝1 200 －400 ＝800 η＝＝＝10%。 （3）优点：清洁无污染；取之不尽，用之不竭；不受地域限制等。 第 1 页 / 共 23 页 ．录音的基本原理是电磁感应，放音的基本原理是电流的磁效应 B．录音的基本原理是电流的磁效应，放音的基本原理是电磁感应 ．录音和放音的基本原理都是电流的磁效应 D．录音和放音的基本原理都是电磁感应 4、手机已成为现代生活中常用的一种通讯工具。一般的手机都设有利用振动提示人们“来电”的装置。 有一种手机提示“来电”是用一个微型电动机带动转轴上的叶片转动，当叶片转动时，电动机也就跟 着振动起来，从而又带动手机振动。在下图所小的几种形状的叶片中，你认为能够实现上述振动功能 的是（ ） 5、王勇同学在宾馆饭店看到一种自动门，当有人靠近时，门会实现自动开闭。王勇同学对此产生了浓厚 的兴趣，他很想知道自动门是如何实现自动控制的。为此他反复做了几次试验：当他轻轻地靠近自动 门时，门自动打开；当把一个足球滚向自动门时，门自动打开；当把一面底部装有滚珠的无色透明大 玻璃板，直立着滑向自动门时，门不打开。王勇同学根据探究试验的结果，对自动门的自控原理提出 了以下几种猜想，你认为其中最合理的猜想是（ ） ．自动门“听”到来者的声音时，通过声控装置实现自动开闭 B．自动门探测到靠近的物体发射出的红外线，通过光控装置实现自动开闭 ．自动门本身能发射出一种红外线信号，当此种信号被靠近的物体反射时，就会实现自动开闭 D．靠近门的物体通过空气能产生一种压力传给自动门，实现自动开闭 6、北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统(BDS)。系统由空间端、地面端和用户 端(导航仪)组成，全部建成后可在全球范围内为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务。 2012 年12 月27 日，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。关于“BDS” 的工作过程，下列说法正确的是( ) ．导航仪只能接收地面端的中心控制系统的信息而不能接收导航卫星的信息 B．导航仪只能接收导航卫星的信息而不能向导航卫星发送信息 第 1 页 / 共 23 页