第17讲 电磁波与现代通信 能源与可持续发展

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  知识梳理
  一、电磁波与现代通信
  1.信息与信息传播
  信息是指由事物发出的消息、情报、指令、数据和信号中包含的内容.在人类社会中,信息往往以文字、图像、语言、声音等形式出现.
  2.电磁波及其传播
  (1)当电流的大小或方向发生迅速的变化时,在它周围的空间会产生电磁波.电磁波的传播不需要介质,金属容器能屏蔽电磁波.各种电磁波在真空中的传播速度等于光速,由波速与波长、频率的关系v=λf可知,波长越长的电磁波频率越低.
  (2)电磁波在真空中的传播速度(即光速),c=3×108m/s.电磁波可以传递能量,如利用微波或红外线加热食物;电磁波可以传递信息,如现代通信中的移动通信、卫星通信和光纤通信,利用X射线透视等.从无线电波、微波到光波,传递信息所用电磁波的频率越来越高.频率越高的电磁波,相同时间内可传递的信息就越多.电磁波也存在着副作用——电磁污染.
  3.现代通信——走进信息时代
  (1)卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站,转发无线电信号,在多个地球站之间进行的通信.
  (2)光纤通信是以激光为光源,以光导纤维为传输介质进行的通信.
  (3)互联网络是全世界的计算机、计算机网络互相连接成的信息传送网络,包括有线网络和无线网络.
  二、能源与可持续发展
  1.能源利用与社会发展.一次能源:可以从自然界直接获取的能源,如风能、太阳能、地热能、核能等.二次能源:通过一次能源的消耗才得到的能源,如电能等.我们所讲的“可再生能源”和“不可再生能源”,都是对一次能源而言的,即只有对自然界中现成存在、可直接取用的能源,才能说其是属于“可再生能源”或“不可再生能源”.
  (1)可再生能源:可以长期提供或可以再生被重复利用的能源,如太阳能、风能、水能,生物质能等.
  (2)不可再生能源:一旦消耗就很难再生的能源,如化石能源、核能等.
  2.核能.原子核发生变化所释放出来的能量.
  3.太阳能.广义地来看,太阳能不仅包括太阳辐射能,还包括由此产生的生物质能等.
  4.能量转化的基本规律.能量在转化和转移的过程中,总量保持不变;能量的转化和转移有一定的方向性,经转化后,可利用的能量只会减少,而不会增加,“永动机”不可能“永动”.
  5.能源与可持续发展.能源的开发和使用既要考虑当前发展的需要,又要考虑未来发展的需要,不能以牺牲后人的利益为代价来满足当代人的需求.
  考点扫描
  考点1 电磁波
  例1 关于电磁波,下列说法正确的是( ).
  A.电磁波的传播不需要介质,因而电磁波可通过任何物质传播
  B.电磁波在空气中的传播速度为340m/s
  C.超声波是一种电磁波
  D.电磁波能传播声音和图像,也能传递能量
  解析 电磁波可以在真空中传播,金属容器能屏蔽电磁波.电磁波在空气中的传播速度等于光速.光波属于电磁波,声波不属于电磁波.电磁波既能传递信息,也能传递能量.答案为D.
  考点2 电磁波在真空中的传播速度、波长、频率
  例2 2007年8月26日,南京市20名学生代表利用业余电台与太空国际空间站上的宇航员成功对话.对话时用电台发射并接收 波来传通信息,这种波在真空中的传播速度为 ,其频率越高,波长越 .
  解析 电台与太空中国际空间站上的宇航员对话是通过电磁波来传递信息的,它在太空的传播速度是3×108m/s,根据波速=波长×频率可知电磁波的频率越高波长越短.
  答案 电磁 3×108m/s 短
  考点3 能源的特点及分类
  例3 关于能量和能源的利用,下列说法中正确的是( ).
  A.化石能、水能、风能均是可再生能源
  B.目前的核电站都是利用核裂变释放的能量来发电的
  C.太阳能无法被人类直接利用
  D.因为能量是守恒的,所以不存在能源危机
  解析 在一次能源中,煤、石油、天然气等化石能和核燃料属于不可再生能源.目前的核电站利用了可控的核裂变;迄今,人们还不能使核聚变在人工控制条件下进行.目前,人们直接利用太阳能的方式有两种:一是把太阳能转化为内能,如太阳能热水器;二是把太阳能转化为电能,如太阳能电池.由于我们在能量的转化和转移过程中利用能量,而能量的转化和转移有方向,总会有一部分能量转化为内能散失在周围环境中,可利用的能量只会减少,不会增加;我们目前的能源结构以不可再生能源为主,所以,必须开发和推广使用清洁的可再生能源.答案为B.
  考点4 能源消耗对人类生存环境的影响
  例4 关于能源及能源的利用,下列说法中不正确的是( ).
  A.由于我国煤和石油的储量大,所以太阳能和核能的开发在我国并不十分重要
  B.能源的利用过程实质上是能量的转化和传递过程
  C.现在人类使用的能源主要是煤、石油和天然气
  D.煤、石油和天然气的化学能归根到底来自太阳能
  解析 人类在生产和生活中需要各种形式的能,我们可以根据需要把能源的能量转化成各种形式的能,以供利用,所以能源的利用过程实质上是能量的转化和传递过程.我国的煤、石油和天然气尽管储量丰富,但终究有限,且利用后不能再生,终有用完的日子,所以开发和利用新能源,特别是核能和太阳能,是解决能源问题的出路.燃料燃烧时,化学能转化成内能,内能又可以转化成机械能和电能.目前人类使用的能源主要是煤、石油和天然气.煤、石油和天然气是古代的动植物在长期地质变迁中形成的,古代动物食用植物,而植物靠光合作用生长,所以可以说煤、石油和天然气都来自于太阳能.故本题答案为A.   考点5 能量的转移和转化 能量守恒定律 认识效率
  例5 S195型柴油机的部分技术规格如下表所示.
  实验探究
  例1 用一节旧的干电池和一根导线,靠近收音机.将导线的一端与电池的一极相连,再用导线的另一端与电池的另一极时断时续地接触,通过收音机可以感觉到的现象是 ,此现象说明 .
  解答 收音机发出“咔咔”的声音,这个实验验证了电磁波的存在.
  例2 小明同学在探究电磁波的特性的实验过程中,他进行了如下实验:
  (1)他先将手机放在真空罩中,用抽气机抽去罩中的空气,打电话呼叫罩内的手机,手机 收到呼叫信号(选填“能”或“不能”).这证明 .
  (2)他又将手机放在塑料容器或纸容器中,再打电话呼叫容器中的手机,这时,手机 收到呼叫信号(选填“能”或“不能”).这说明 .然后再将手机放在金属容器(如饼干筒)中,打电话呼叫容器中的手机,这时手机 (选填“能”或“不能”)收到呼叫信号.
  根据以上探究活动,你能否解释在建筑物或电梯中,手机有时会收不到信号或信号较弱的原因?
  解答 (1)不能 真空不能传播声波(2)能 声波的传播需要介质 不能 由于建筑物或电梯有金属材料,金属能够屏蔽电磁波,因而收不到信号或信号较弱.
  典例解析
  例1 下列说法中正确的是( ).
  A.频率越高的电磁波,传播速度越大.
  B.波长越短的电磁波,传播速度越大.
  C.频率越高的电磁波,波长越短.
  D.波长不同的电磁波,频率不同,因而速度亦不同.
  解析 电磁波的传播速度与波长和频率无关,仅由传播的介质决定,电磁波在同一物质中的传播速度是不变的,在真空中的传播速度等于光速,在空气中的速度近似等于光速.但电磁波的波长、频率及传播速度三者满足:传播速度=波长×频率,因此电磁波的频率与波长成反比关系.
  解答 选C.
  例2 关于核能的获得,下列说法中正确的是( ).
  A.核反应堆是原子核裂变时,在极短时间内释放出大量核能的装置
  B.核能是当原子内部发生变化时所释放出的巨大能量
  C.核电站是使核能转化为内能,再通过汽轮发电机转化为电能的装置
  D.目前,在核电站反应堆中发生的是可控制的核裂变、核聚变
  解析 核反应堆是能够缓慢平稳地释放原子核在裂变时放出核能的装置.可见在核电站的反应堆中发生的是可控制的裂变.核能是当原子核内部发生变化时所释放出的巨大能量.反应堆中获得内能推动汽轮发电机发电,从而得到电能.目前,受控核聚变正在研究之中,尚未用于核电站发电.应选C.
  例3 下列能源中,属于可再生能源的是( ).
  A.石油 B.水能
  C.天然气 D.煤
  解析 本题考查的是可再生能源的概念.所谓不可再生能源是指不可能在短时期内从自然界得到补充的能源,可再生能源是指可以在自然界里源源不断地得到的能源.石油、天然气和煤等化石能源会越用越少,属于不可再生能源;水能属于可再生能源.答案为B.
  例4 下面能源中,不属于一次能源的是( ).
  A.地热能 B.潮汐能
  C.电能 D.核能
  解析 辨别一次能源与二次能源的依据:一次能源是从自然界中直接获得的天然能源.一次能源经过加工转换成人们需要的另一种形式的能源,叫做二次能源,如电力、蒸汽、焦炭、煤气等.区别一次能源和二次能源的关键是看其是否经过加工转换.答案为C.
  例5 如图2所示,简易太阳能热水器受光面积1.2m2,内装80kg水,太阳每分钟辐射到1m2面积上的热量是7.56×104J,如果60%的热量被水吸收,问:
  (1)太阳能热水器内壁为什么涂成黑色?
  (2)20℃的水晒3min后水温达多少度(℃)?
  (3)煤气的热值是4.2×107J/kg,若煤气灶的效率为40%,烧热[达到(2)中水的末温]这些水需燃烧多少煤气?
  仿真测试
  一、选择题
  1.下列设备工作时所发出的波,不属于电磁波的是( ).
  A.B超检查身体时发出的超声波
  B.微波炉加热食物时发出的微波
  C.电视发射塔发出的电波
  D.互联网光缆中传播的光波
  2.在短波、中波和长波这三种电磁波中频率最大的是( ).
  A.短波 B.中波
  C.长波 D.无法确定
  3.微波炉是一种家用的食品加热炉,它利用( ).
  A.电流的热效应 B.微波的能量
  C.光波的能量 D.红外线的热作用
  4.下列各种说法中错误的是( ).
  A.能量就是能源
  B.电能是一种二次能源
  C.石油是一种常规能源
  D.地热能是一次能源
  5.下列能源中不是来自于太阳能的是( ).
  A.水能 B.风能
  C.核能 D.煤、石油、天然气
  6.出行是人们工作、生活必不可少的环节,出行的工具多种多样,使用的能源也不尽相同.自行车、太阳能小车和电力机车所消耗能量的类型分别是( ).
  ①生物能;②核能;③电能;④太阳能;⑤化学能.
  A.①③⑤ B.①④③
  C.①②③ D.①③④
  7.人类对核能的开发和利用不断取得新的进展,根据目前的科研水平,你认为下列关于原子弹和核电站的说法中正确的是( ).   A.原子弹利用核裂变,核电站利用核聚变
  B.原子弹利用核聚变,核电站利用核裂变
  C.原子弹对聚变的链式反应不加控制
  D.核电站控制裂变的链式反应速度
  8.为改善驻守在南沙某岛礁边防战士的工作、生活条件,岛上安装了太阳能电池板.白天,太阳能电池板给蓄电池充电;晚上,蓄电池为探照灯供电.这样白天与晚上的能量转化形式是( ).
  A.白天:太阳能→内能→电能
  B.白天:太阳能→电能→化学能
  C.晚上:化学能→电能→太阳能
  D.晚上:化学能→电能→化学能
  9.能量转化与守恒定律是自然界的基本规律之一,下列过程中机械能转化为电能的是( ).
  A.蓄电池放电
  B.给手机电池充电
  C.水力发电
  D.电动机带动水泵抽水
  10.下列表述正确的是( ).
  A.汽油机是将电能转化为机械能的装置
  B.发电机是将电能转化为机械能的装置
  C.电动机是将电能转化为机械能的装置
  D.电磁继电器是将电能转化为内能的装置
  11.热机的效率越高,说明( ).
  A.热机的功率越大
  B.热机的有用功越多
  C.机器对燃料的利用率越高
  D.热机消耗的燃料越少
  12.为减轻大气污染,下列措施中错误的是( ).
  A.建热电站,集中对企业或居民供热
  B.改进消烟和除尘装置,提高其性能
  C.大力推广使用太阳能
  D.放弃内能的利用,停止使用一切燃料
  二、填空题
  13.我国成功在珠峰上点燃奥运圣火,我们在观看有关的电视画面时,获得的信息种类有: 、语言信息或符号信息,电视信号是搭载在 上面经过通信卫星转播的.
  14.电磁波在真空中传播的速度为
  ;真空中电磁波的传播速度与
  (选填“声速”或“光速”)相同;由公式v=λf可知,波长越长的电磁波频率越
  (选填“高”或“低”).根据麦克斯韦建立的电磁场理论,光波 (选填“是”或“不是”)电磁波.
  15.现代通信方式有:移动通信、卫星通信、 和 等.
  16.按能源存在的自然性来划分为
  能源和 能源.
  17.原子核发生 和 都会释放出巨大的能量,这就是核能.
  18.近些年来,有些农村地区存在大量焚烧农作物秸秆现象,这种做法不仅污染环境,还常引发火灾,是应当禁止的行为.根据所学知识可知,农作物秸秆燃烧时,其主要生成物除了粉尘、一氧化碳外,还有 ,
  因此大量焚烧秸秆增加了温室气体的排放,危害环境.另外,秸秆燃烧时其化学能转化为 能,白白损失掉了.
  19.核电站是利用反应堆里铀核发生裂变释放出 能,通过回路转化为高温蒸气的 能,再通过汽轮机转化为 能.
  20.原子弹是利用原子核的 制成的核武器,氢弹是利用氢核的
  制成的核武器.
  21.化石燃料、潮汐能、太阳能、电能、核能,其中属于二次能源的是 ;煤、石油、核能、太阳能、地热能,其中属于化石燃料的是 .
  22.明代航海家郑和率庞大的船队远航非洲,所用的帆船不用发动机就可航行,这就是有效地利用了自然界中的 能;它也进一步说明了能量是可以 的.
  23.在公路上急驶的汽车急刹车时,车轮停止转动,此时轮胎表面温度会急剧升高产生冒烟现象,并在地面上留下黑色痕迹,在上述过程中发生 能向
  能转化.
  24.火力发电厂“吃”的是煤,“发”的是电,在整个发电过程中能量转化的情况如图所示,请你在方框中填入相应的能量形式.
  25.“蜗轮增压”是目前在各种汽油机和柴油机中采用的一项节能、提高热机功率的技术.它是利用热机排出的废气带动蜗轮旋转,先将新鲜空气压缩后再送入内燃机的进气口.这样做的好处是 (选填“增大”或“减小”)排出废气所带走的能量, (选填“提高”或“降低”)内燃机的效率.
  三、解答题
  26.在雷雨交加的天气里,收音机工作时会听到“咔嚓”的声音,这是为什么?如果从听到咔嚓声到听到雷鸣间隔5s,那么收音机距打雷处约有多远?
  27.如图所示为远距离输电系统示意图,请指出:
  (1)发电机的工作原理是 .
  (2)假设该系统中的发电厂是核电站,请在下面方框内填写核电站发电过程中的能量转化情况.
  (3)核电站可能会带来什么负面影响?为什么很多国家仍在大力发展核电站呢?
  .
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