2025年高三物理上學(xué)期“能源科學(xué)與物理”科普測試卷一、選擇題（共10題，每題5分，共50分）關(guān)于能源分類的說法正確的是（）A.煤炭和天然氣屬于可再生能源B.潮汐能是地球與月球引力作用產(chǎn)生的機械能C.核能發(fā)電過程中不涉及質(zhì)量虧損D.生物質(zhì)能本質(zhì)上是地?zé)崮艿霓D(zhuǎn)化形式下列核反應(yīng)方程中，屬于核聚變的是（）A.(\text{U}^{235}+\text{n}\rightarrow\text{Ba}^{144}+\text{Kr}^{89}+3\text{n})B.(\text{H}^2+\text{H}^3\rightarrow\text{He}^4+\text{n}+17.6\text{MeV})C.(\text{Th}^{234}\rightarrow\text{Pa}^{234}+\text{e}^-)D.(\text{Al}^{27}+\text{He}^4\rightarrow\text{P}^{30}+\text{n})某太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率為20%，已知太陽常數(shù)（垂直于陽光的單位面積功率）約為1.36kW/m2。若該電池板面積為2m2，每天有效光照時間為6小時，則一天內(nèi)輸出的電能約為（）A.3.26×10?JB.6.53×10?JC.1.63×10?JD.3.26×10?J關(guān)于能量轉(zhuǎn)化與守恒定律，下列說法錯誤的是（）A.熱機效率不可能達到100%，違背了能量守恒定律B.水電站將機械能轉(zhuǎn)化為電能，遵循能量守恒定律C.第二類永動機無法實現(xiàn)，是因為違背了熱力學(xué)第二定律D.能量耗散過程中，能量的總量不變，但品質(zhì)降低氫燃料電池汽車的能量轉(zhuǎn)化路徑是（）A.化學(xué)能→電能→機械能B.化學(xué)能→熱能→機械能C.電能→化學(xué)能→機械能D.太陽能→電能→機械能下列關(guān)于能源利用的說法中，不符合可持續(xù)發(fā)展理念的是（）A.推廣風(fēng)能和太陽能發(fā)電，減少化石燃料依賴B.發(fā)展核能時，需重視核廢料的安全處理C.為提高能源利用率，將火力發(fā)電廠的余熱直接排放D.研發(fā)儲能技術(shù)，解決可再生能源間歇性問題某風(fēng)力發(fā)電機的葉片長度為30m，空氣密度為1.2kg/m3，若風(fēng)速為10m/s，葉片掃過面積內(nèi)的風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率為30%，則發(fā)電機的輸出功率約為（）A.1.0×10?WB.5.1×10?WC.1.7×10?WD.5.1×10?W關(guān)于半導(dǎo)體材料在能源技術(shù)中的應(yīng)用，下列說法正確的是（）A.硅是制作鋰電池負極的核心材料B.光伏電池中，P型半導(dǎo)體一側(cè)為電子富集區(qū)C.半導(dǎo)體溫差發(fā)電利用了塞貝克效應(yīng)D.石墨烯因?qū)щ娦圆疃挥糜谥谱鞒夒娙萜髟诤朔磻?yīng)堆中，慢化劑的作用是（）A.吸收中子，控制反應(yīng)速率B.減緩中子速度，提高裂變概率C.提供裂變?nèi)剂希S持鏈式反應(yīng)D.防止放射性物質(zhì)泄漏下列關(guān)于能量存儲技術(shù)的說法錯誤的是（）A.鋰離子電池通過鋰離子在正負極間遷移實現(xiàn)充放電B.抽水蓄能電站是目前效率最高的大規(guī)模儲能方式之一C.飛輪儲能利用了物體的動能與勢能相互轉(zhuǎn)化D.超級電容器的儲能原理與傳統(tǒng)電容器完全相同二、填空題（共5題，每題6分，共30分）已知1kg標準煤完全燃燒釋放的熱量約為2.93×10?J，若某火力發(fā)電廠的發(fā)電效率為35%，則1kg標準煤可轉(zhuǎn)化為__________kW·h的電能（保留兩位小數(shù)）。太陽內(nèi)部發(fā)生的核反應(yīng)主要是__________，該過程中，4個氫核（質(zhì)子）聚變?yōu)?個氦核，同時釋放能量，其質(zhì)量虧損約為0.0287u（1u=1.66×10?2?kg），則該反應(yīng)釋放的能量為__________J（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）。某家庭使用的太陽能熱水器水箱容積為100L，水的比熱容為4.2×103J/(kg·℃)，若水箱中初溫為20℃的水在光照下溫度升高至50℃，則水吸收的熱量為__________J；若這些熱量由效率為80%的電熱水器提供，則需消耗電能__________kW·h。潮汐能發(fā)電利用了海水的__________能和__________能，其能量來源本質(zhì)上是__________。某混合動力汽車在制動時，通過發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)化為電能存儲在電池中，此過程稱為__________；若汽車以54km/h的速度勻速行駛時的阻力為1000N，發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)化效率為80%，則汽車制動滑行100m可回收電能__________J。三、計算題（共3題，共40分）（12分）某小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖所示，其主要參數(shù)如下表：項目參數(shù)葉片直徑4m額定風(fēng)速12m/s額定輸出功率3kW風(fēng)能利用系數(shù)0.45（即轉(zhuǎn)化效率）（1）計算該風(fēng)力發(fā)電機在額定風(fēng)速下，葉片掃過的空氣流量（單位時間內(nèi)通過葉片面積的空氣質(zhì)量）；（2）根據(jù)風(fēng)能公式(E_k=\frac{1}{2}mv^2)（其中m為空氣質(zhì)量，v為風(fēng)速），推導(dǎo)額定風(fēng)速下的理論風(fēng)能功率表達式，并計算空氣密度（保留兩位小數(shù)）；（3）若該地區(qū)平均有效風(fēng)速為8m/s，每天有效發(fā)電時間為5小時，求該系統(tǒng)一個月（30天）的發(fā)電量。（14分）如圖為某新型光伏-儲能系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由光伏電池板、蓄電池組和逆變器組成，其工作原理為：白天光伏板發(fā)電，一部分直接供負載使用，多余電能存儲于蓄電池；夜晚則由蓄電池供電。已知：光伏板面積為20m2，光電轉(zhuǎn)換效率為22%，太陽常數(shù)取1.0kW/m2；蓄電池組容量為500Ah（即放電電流為1A時可持續(xù)放電500小時），額定電壓為48V，充放電效率均為90%；系統(tǒng)每天平均負載功率為1.2kW，且負載用電時間為24小時。（1）計算光伏板在標準光照下（即垂直陽光照射）的最大輸出功率；（2）若某天有效光照時間為6小時，計算當(dāng)天光伏板的總發(fā)電量；（3）判斷當(dāng)天發(fā)電量能否滿足負載需求，并通過計算說明蓄電池的充放電情況（需考慮充放電效率）。（14分）為應(yīng)對全球能源危機，某團隊研發(fā)了一種“地?zé)?太陽能”聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，其簡化模型如下：地?zé)岵糠郑豪玫叵聼崴囟萒?=150℃）與冷水（溫度T?=20℃）進行熱交換，產(chǎn)生的高溫蒸汽推動汽輪機發(fā)電，熱交換效率為80%；太陽能部分：通過聚光裝置加熱工質(zhì)，產(chǎn)生的熱能與地?zé)崮墀B加，提高發(fā)電效率。已知：地下熱水流量為50kg/s，水的比熱容c=4.2×103J/(kg·℃)；汽輪機的發(fā)電效率為30%，且僅在地?zé)嵯到y(tǒng)單獨工作時，輸出功率為P?；加入太陽能后，系統(tǒng)總輸出功率提升至1.5P?。（1）計算地?zé)嵯到y(tǒng)單獨工作時，單位時間內(nèi)地下熱水釋放的熱量；（2）求P?的大?。唬?）計算太陽能部分需補充的功率，并說明該聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)勢。四、綜合論述題（共2題，每題20分，共40分）能源轉(zhuǎn)型與物理原理（1）結(jié)合熱力學(xué)第一定律和第二定律，分析為什么化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)型是必然趨勢。（8分）（2）以光伏發(fā)電為例，說明半導(dǎo)體物理在能源技術(shù)中的應(yīng)用，并列舉兩項提高光伏轉(zhuǎn)換效率的物理方法。（6分）（3）從能量轉(zhuǎn)化的角度，比較鋰離子電池、氫燃料電池和超級電容器在新能源汽車中的適用性。（6分）未來能源系統(tǒng)的物理挑戰(zhàn)（1）核聚變發(fā)電被認為是“終極能源”，但目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。請從等離子體約束、材料科學(xué)和能量輸出三個方面，簡述其物理難點。（10分）（2）“負碳排放”技術(shù)是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，其中碳捕獲與封存（CCS）和人工光合作用是兩種重要途徑。請分別說明這兩種技術(shù)的物理化學(xué)原理，并比較其優(yōu)缺點。（10分）五、實驗探究題（共2題，每題25分，共50分）探究太陽能電池的伏安特性曲線某實驗小組用以下器材研究某型號太陽能電池在不同光照強度下的輸出特性：太陽能電池板（開路電壓U?=4.5V，短路電流I?=0.5A）可調(diào)電阻箱（0~9999Ω）電壓表（量程0~5V，內(nèi)阻約10kΩ）電流表（量程0~0.6A，內(nèi)阻約0.1Ω）光源、光強計、導(dǎo)線若干（1）請在虛線框內(nèi)畫出實驗電路圖，要求能準確測量電池的輸出電壓和電流，并能改變外電路電阻。（5分）（2）實驗中，通過改變光源與電池板的距離調(diào)節(jié)光照強度，記錄不同光強下的U-I數(shù)據(jù)如下表：光強E（W/m2）100200300400500開路電壓U?（V）4.54.54.54.54.5短路電流I?（A）0.10.20.30.40.5①根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在坐標紙上繪制短路電流I?與光強E的關(guān)系圖像（要求標注坐標軸、單位和數(shù)據(jù)點）。（6分）②分析圖像，得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，太陽能電池的短路電流與光強成__________關(guān)系，其物理原因是__________。（4分）（3）當(dāng)光強E=300W/m2時，測得電池在不同外電阻下的輸出功率如下表：外電阻R（Ω）51015202530輸出功率P（mW）240360420432420390①計算R=20Ω時，電池的輸出電壓U和效率η（效率=輸出功率/入射功率，入射功率=光強×電池面積，電池面積S=0.02m2）。（8分）②根據(jù)數(shù)據(jù)，在坐標紙上繪制P-R圖像，并指出電池的最大輸出功率及對應(yīng)的最佳負載電阻。（6分）設(shè)計簡易溫差發(fā)電裝置任務(wù)：利用以下材料設(shè)計一個能點亮LED燈的溫差發(fā)電裝置，并分析其性能影響因素。材料：碲化鉍溫差發(fā)電片（尺寸40mm×40mm，開路電壓U?=5V/℃，內(nèi)阻r=2Ω）、鋁制散熱片、保溫杯、熱水、冷水、導(dǎo)線、LED燈（額定電壓2V，額定電流10mA）、萬用表。（1）畫出裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，并說明工作原理。（8分）（2）實驗中，通過改變熱水溫度（冷水溫度保持20℃不變），測量發(fā)電片的輸出電壓U和電流I，數(shù)據(jù)如下：熱水溫度t（℃）4050607080溫差ΔT（℃）2030405060開路電壓U?（V）0.81.21.62.02.4短路電流I?（mA）406080100120①根據(jù)數(shù)據(jù)，計算溫差發(fā)電片的實際開路電壓系數(shù)（即U?/ΔT），并與標稱值比較，分析誤差原因。（6分）②若LED燈的正常工作電壓為2V，求所