第九讲 现代通信 能源

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本讲要求了解无线电通信常识、能源的开发和利用等知识.因为随着现代通讯技术的迅猛发展,对能源的需求不断增加.现代通讯、能源问题已经成为世界各国共同研究的重要课题.为了引导同学们关注社会、关注生活、关注热点,现代通信、能源类问题亦已成为中考物理的命题热点.

一、热点扫描

1.波的具体特征有:①波传播的是周期性变化的运动形态;②波能传播能量;③波也能传播信息.

2.描述波的特征量有振幅、周期、频率、波长、波速等,其中周期与频率互为倒数关系.即T=1/f;波速与波长、周期、频率的关系为v=λf或v=λ/T.

3.电磁波是在空间传播的周期性变化的电磁场.其特性有:

(1)电磁波能在真空中传播,或者说电磁波的传播不需要介质;

(2)金属容器能屏蔽电磁波;

(3)光波也属于一种电磁波,在真空中速变为3×108m/s;

(4)电磁波的传播过程就是能量传播的过程,电磁波的发射装置发射的频率越高,向外发射的能量就越大.

4.现代通信方式有微波通信、卫星通信、光纤通信、互联网及移动电话等.

(1)微波通信

①微波:波长在1m～1mm之间、频率在30MHz～3×105MHz之间的电磁波,它比无线电波的频率更高,可以传递更多的信息.

②微波通信:微波的性质与光波相近,大致沿着直线传播,不能绕过障碍物沿地面传播,必须通过地面微波中继站传送信息.

(2)卫星通信

①借助地球同步卫星来弥补微波在地面上传递的不足,用通信卫星作微波通信中的中继站.

②卫星通信系统的组成:由通信卫星(三颗同步通信卫星就可覆盖整个地球)和通信地面站两部分构成.

③卫星通信的优点:覆盖面大、通信距离长、不受环境限制.缺点:造价太高、有零点几秒的时间延迟、保密性不好.

④卫星通信的实际应用:移动通信和全球定位系统.

(3)光纤通信

①光纤通信是激光来传输信息,它是通过光在光导纤维中不断发生全反射向前传播来实现.

②光纤通信的优点:通信容量极大、不会受外界地磁场的干扰、不怕潮湿、不怕腐蚀、线路能量损耗较小.缺点:①架设线路受地理条件的限制;②光缆易被拉断.

卫星通信和光纤通信各有优缺点,它们相辅相成.构成“信息高速公路”的两大支柱.

(4)“信息高速公路”的主干线――互联网

①互联网(即因特网)是一个全球性网络.它拥有丰富的信息资源.

②用途:发送电子邮件、召开视频会议、新闻、检索信息、远程登录、共享网上资源.

(5)移动电话

既是无线电发射台又是无线电接收台,声信息由空间的电磁波传递.靠基地台转接,基地台跟电话交换机相连.

移动电话与移动电话通信过程:移动电话基地台移动电话.

移动电话与长途电话通话过程:移动电话基地台电话交换机电话交换机电话.

5.凡是能为人类提供能量的物质资源都可叫做能源.

一次能源――可以直接从自然界获取的能源.如煤、石油、天然气等化石能源以及太阳能、风能、水能、地热能、核能、潮汐能等;

二次能源――不能从自然界直接获取.必须通过消耗一次能源才能获得的能源如电能、煤气等.

可再生能源――可以从自然界源源不断获得.如:太阳能、风能、水能等.

不可再生能源――一旦消耗就很难再生.如:化石能源.

6.两种新能源――核能与太阳能

(1)核能

①核能――当原子核发生变化时,会释放出巨大的能量.

②获取核能的两条途径:重核的裂变和轻核的聚变.

③核电站核电高效节能、用料省,且核原料运输方便,正常情况下对环境的污染比火力发电小得多;运行不当可能带来核污染、核废料难以处理等.

④核电站的能的转化:反应堆中铀核放出的核能转化为水蒸气的内能;水蒸气的内能转化为汽轮机的机械能;汽轮机的机械能转化为发电机的电能.

(2)太阳能

①太阳能的优点:太阳能十分巨大;太阳能供应时间长,取之不尽用之不竭;太阳能分布广,获取方便,既无需挖掘开采也无需运输;太阳能安全、清洁,开发利用太阳能不会给环境带来污染.

②地球上除核能、地热能、潮汐能以外的所有能量都来自太阳.

7.能量守恒定律的内容:能量既不会凭空消灭,也不会凭空产生,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,而在转化或转移的过程中,其总量保持不变.

二、典例讲析

例1人类传递信息的方法很多,请举出两种:

(1);

(2).

以上两种传递信息的方法,比较好的是第种,原因是.

讲析要求举出两种传递信息的方法.最好举出一种是传统的,一种是现代的.这样便于比较,回答原因.

答案(1)寄信(2)打电话(2)快速、直接、方便

例2如图9-1是一列电磁波的波形图,A、B间的距离为750m,则这列波的波长为m,频率为Hz.

讲析本题要求同学们首先要知道波长的概念,由图9-1可知电磁波在三个周期内传播的距离是750m,则每个周期内传播的距离是750m/3=250m,从而求出波长;其二要求同学们记住电磁波的传播速度v=3×108m/s,再应用v=λf的变形式求出f.

f=■=■=1.2×106Hz=1.2MHz.

答案2501.2

例3下雨天在家收听广播节目时.我们发现在打雷时,从收音机中会听到“咔嚓、咔嚓…”的声音,然后才听到雷声.

(1)你知道打雷时,收音机为什么会发出“咔嚓”的声音?

(2)为什么我们会先听到收音机里的“咔嚓“声,然后才听到雷声?

讲析(1)首先要明白闪电是一种放电现象,在这过程中电流发生迅速变化.而迅速变化的电流会产生电磁波,产生的电磁波被收音机接收,通过收音机转化为声音;(2)电磁波的波速大于声速.

答案(1)打雷产生的电磁波被收音机接收,干扰了正常信号的接收;(2)在空气中,电磁波传播速度比声音的传播速度大.

例4关于电磁波和现代通信,下列叙述不正确的是().

A.卫星通信是利用人造卫星作为中继站进行通信的

B.电磁波的频率越高,在空气中传播的速度就越大

C.电磁波可以在真空中传播

D.光纤通信具有传输信息量大、光能损耗小等优点

讲析电磁波的传播速度大小与频率高低无关.频率越高的电磁波,波长就越短,波速不变.

应选B.

例5下列既属于可再生能源又属于新能源的一组是().

A.煤炭、潮汐能B.水能、天然气

C.风能、潮汐能D.石油,核能

讲析煤炭、石油、天然气、核能属于不可再生能源;但核能属于新能源,水能属于可再生能源,但不属于新能源.

应选C.

例6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.当原子核内部发生变化时会释放出巨大的能量,核裂变和核聚变是获得核能的两种方式

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、聚变

讲析核反应堆是能够缓慢平稳地释放核在裂变时放出的核能的装置.可见在核电站的反应堆中发生的是可控制的裂变.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.

点拨本题从核能的获得、转化、利用多个维度对核能进行了考查,要求同学们对核电站的发电原理、发电过程有清晰的了解.

例7图9-2是以“超导托卡马克聚变堆为基础的未来聚变能电站”原理图.托卡马克是一个环形的磁容器,这个磁容器能约束、加热聚变的燃料.让它发生聚变反应生成核聚变能.

试回答下列问题:

(1)为什么用超导体做磁容器的线圈?

(2)人造小太阳产生聚变的主要燃料之一是氢的同位素氘,氘广泛分布在海水中.每升海水约含30mg氘,通过聚变反应产生的能量相当于300L汽油的完全燃烧放出的热量(ρ油=0.71×103kg/m3,q油=4.6×107J/kg).求:30mg氘在聚变过程中产生的热量可以使多少吨的水从20℃升高60℃?

(3)试说出未来聚变能电站的优点.(说出三点)

讲析本题以超导托卡马克聚变堆为基础的未来聚变能电站为背景,结合超导体、核聚变、燃烧放热等知识,综合考查超导体的作用、燃烧放热的计算和物体吸热升温的计算等.

答案(1)超导体没有电阻,无电能损耗,同时流过的电流很大,产生的磁性极强.

(2)300L汽油的质量

m=ρV=0.71×103kg/m3×300×10-3m3=213kg,

汽油完全燃烧放出的热量

q油m=4.6×107J/kg×213kg=9.798×109J.

因此30mg氘在聚变过程中产生的热量为9.798×109J.

加热的水的质量m水=Q/cΔt

=9.798×109J/(4.2×103J/℃×60℃)=3.9×104kg.

(3)具有以下优点:①燃料丰富、价格低廉;②不污染环境,是一种真正的清洁能源;③聚变能巨大.

点拨这道题以构想中的超导托卡马克聚变能堆为基础的未来聚变能电站的原理图为背景.对其部分构造的原理通过计算使同学们认识到未来聚变能电站的优点.

例8如图9-3所示,简易太阳能热水器受光面积为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3h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?

讲析解答本题首先要清楚什么颜色对太阳的吸收强,其次热量的计算Q吸=cm(T-T0)要熟悉,Q吸的来源要清楚,再次要明确热平衡方程Q吸=ηQ放及其计算.

(1)黑色表面对太阳辐射的吸收强,所以太阳能热水器内壁要涂成黑色.

(2)简易太阳能热水器3h得到太阳的辐射热量

Q放=1.2m2×3×60min×7.56×104J/(m2・min)=1.63×107J.

由热平衡方程Q吸=ηQ放以及Q吸=cm(t-t0)得t=■+t0=■+20℃=49.2℃.

(3)m2=■=■

(3)m2=0.583kg.

例9今年的五一黄金周期间.上海的小星一家到湖州旅游.他们乘坐“菰城”号豪华游艇欣赏南太湖的秀丽风光.导游小姐用甜润的声音向游客介绍:本游艇是湖州当地一家民营科技公司与上海交通大学合作研制的,游艇以太阳能为动力.不仅节约能源而且无污染,它的关键技术部件是光电转换板,此板接受太阳光的面积是8m2.当此板正对太阳光时能够产生120V的电压.游艇上的自动装置使光电转换板始终与阳光垂直.现在我们游艇上的光电转换板正向电动机提供10A的强大电流.听完介绍,小星饶有兴趣地问了导游一些问题.导游告诉他:电动机线圈的直流电阻是4Ω,现在太阳光垂直照射到单位面积上的辐射功率为10×103W/m2.根据以上信息,求:

(1)该光电转换板的效率;

(2)电动机把电能转化为机械能的效率.

(提示:光电转换板的效率是指光电转换板的输出功率与照射到该板的太阳光的功率的比值.电动机的效率是电能转化为机械能的功率与输入到电动机的功率的比值)

讲析(1)先由P1=P0S算出光电转换板获得的总功率.然后由P2=UI算出光电转换板的输出功率.最后由提示求出光电转换板的效率.

(2)先由P3=I 2R计算出电动机线圈的发热功率.然后由电动机消耗的电功率等于机械功率加发热功率得出有用功率P有用=P2-P3,最后由提示求出电动机把电能转化为机械能的效率.

答案:(1)太阳光照射光电转换板的功率

P1=P0S=1×103×8W=8000W,

光电转换板的输出功率

P2=UI=120V×10A=1200W,

光电转换板的效率η=P2/P1×l00%=15%.

(2)电动机线圈的发热功率

P3=I 2R=102×4W=400W,

电动机的效率

η2=(P2-P3)/P2×100%=66.67%.

三、创新题选

1.关于微波,下列说法中不正确的是().

A.微波是指频率很高,波长大约在1m～1mm之间的无线电波

B.微波大都能沿地球表面绕射,所以可以实现全球通信

C.微波大致沿直线传播,需要每隔50km左右建一个中继站

D.卫星通信是用通信卫星作为微波通信的中继站

2.以下关于电话交换机的说法中,正确的是().

A.程控交换机是利用电脑按照输入的程序“见机行事”的

B.一台程控交换机只能同时转接两部长途电话

C.打电话“占线”说明对方的话机一直在通话中

D.电话上的“来电显示”是由用户手机设定的,不需要程控交换机去完成

3.潮汐是月球对地球的引力作用而产生的.每天的涨潮与落潮蕴含着巨大的能量,这种能量可以用来发电.如图9-4所示,在利用潮汐发电的过程中,能量的转化情况是海水的动能传递给发电机,通过发电机转化为能;图中甲、乙两幅图代表涨潮发电的是;与火力发电相比,潮汐发电的优点是.

4.数字通信是一种既现代又古老的通信方式.现代电话已全部采用数字信号进行处理.若用“0”和“1”代表“开”和“关”这两个动作,组成一组数字信号,可以表达一句话.例如:

那么,“我和他是同学”的数字信号为“0,01,1,10,00”,请照此代码用另一组信号表达你想说的一句话.

5.随着人们生活水平的不断提高,电视已普及到城乡家庭,成为人们获得信息和娱乐的一种不可缺少的电器.请利用学过的物理知识,回答下列问题:

(1)在农村经常看到如图9-5所示的碟形天线,它是用来接收什么传来的信号的?在城市更多地用光缆来传输电视信号,请写出光缆通信的主要优点.

(2)在看电视的时候,开、关附近的日光灯时,会在电视机画面上出现短时间的雪花点,其原因是什么?

(3)雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一.资料表明:在电子时代,建筑物上普通的避雷针无法使电视机等各种电器免受雷击.请你提出电视机防雷的具体措施(要求写出两条).

6.2008年8月,奥运会在北京成功举行.奥运场馆设计处处渗透着“绿色、科技、人文”的理念.安装在屋顶的太阳能集热管生活热水系统,每年可以节约电力5.0×106kW・h.在奥运场馆的玻璃幕墙、太阳能草坪灯、路灯设计中大量安装了新型太阳能光电池板,即使只有微弱的月光,新型太阳能电池板也可以照常发电.如果太阳光垂直照射到地面,在每平方米的面积上,平均每分钟能得到8.4×104J的热量,我们能利用太阳光热的效率是l0%,那么在面积为50m2的屋顶上可以利用的太阳能的功率为多少千瓦?如果每天获取太阳能按3h算,一年(365天)此屋顶得到的可利用热相当于节约了多少千克优质原煤完全燃烧产生的热量?(已知1kg优质原煤完全燃烧放出的热量为2.7×107J)