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专题20 信息的传递 能源
一、思维导图二、新课标要求
2.4.6 知道电磁波。知道电磁波在真空中的传播速度。知道波长、频率和波速。了解电磁波
的应用及其对人类生活和社会发展的影响。
3.5.3 列举能量转化和转移具有方向性的常见实例。
3.6.1 列举常见的不可再生能源和可再生能源。
3.6.2 知道核能的特点和核能利用可能带来的问题。
3.6.3 从能源开发与利用的角度体会可持续发展的重要性。
三、知识梳理与典例
一、电磁波
1. 波长、频率、波速
（1）波长
在一列波的传播中，凸起的最高处叫做 ；凹下的最低处叫做 。邻近两个波峰（或波
谷）之间的距离叫做 ，用λ表示。
单位：米（m）、厘米（cm）、毫米（mm）等。
（2）频率
波在1秒内传播 的个数叫做波的频率。用字母 f 表示。
单位： （Hz），其他单位：千赫（kHz）、 兆赫（MHz）。如上右图所示，这是某一列
波在0.2秒内传播的情况，则波长个数为 个，该波的频率f =
（3）波速
波不停地向远处传播，用来描述波传播 的物理量叫做波速。单位： （m/s）
（4）波速、波长与频率的关系
波速= ，即 v= λf。如上右图所示，如果该波的波长为0.1m，频率f =30Hz，则波速v=
λf= m/s
2. 电磁波
（1）电磁波的产生与水波、声波的形成相似，导线中 的迅速变化会在空间激起电磁波。广播电台、电视台
及移动电话靠复杂的电子线路来产生电磁波。
（2）电磁波可以给我们传递各种 。
（3）电磁波的传播：电磁波的传播不需要介质，能在真空中传播，速度c= m/s
（4）电磁波的频率与波长
电磁波频率的单位是赫兹（Hz）、千赫（kHz）和兆赫（MHz）。电磁波波长的单位是米
（m）、厘米（cm）、毫米（mm）等。
3. 电磁波家族及电磁波的应用
（1）电磁波家族
电磁波有无线电波、 、可见光、 、 、 γ射线等。各种光和射线都是波长不同
的 。
（2）无线电波
①定义：电磁波中用于广播、 和 的是频率为数百千赫至数百兆赫的那一部分，叫做
无线电波（无线电技术中使用的电磁波）。
②特点：无线电波的波长从几毫米到几千米，通常根据波长或频率把无线电波分成几个波段，
包括长波、中波、 、 等。
（3）电磁波的应用
①无线电波：用于 、 和移动电话；②红外线：家电的 ；③微波：可用来 ；
④紫外线：可用来 ；⑤X射线：医学上用来做 检查；⑥γ射线：可用来金属探伤；⑦探
测宇宙：射电望远镜。
二、信息的传递
1. 电话
（1）最简单的电话由话筒和听筒组成。
话筒把声信号变成 信号（即变化的电流）；听筒把电信号还原成 信号。
（2）电话交换机
①作用：可以减少线路数量，提高线路的利用率。②连接：一个地区的电话都接到同一台交换机上；如果在两台交换机之间连上若干电话线，这
样两个不同交换机的用户就能互相通话。
2. 模拟通信和数字通信
（1）模拟通信
在话筒将声音转换成信号电流时，这种信号电流的频率、振幅变化的情况跟 的频率、振
幅变化的情况完全一样，“模仿”着声信号的“一举一动”。这种电流传递的信号叫做 信号，
使用模拟信号的通信方式叫做 通信。
（2）数字通信
用不同符号的不同组合表示的信号叫 信号，这种通信方式叫 通信。
常见数字信号的组成方式：点和画；发声、发光的长短；电压、电流的有无；数字0和1；磁
体的N、S极等不同符号信息都可组成数字信号，用来传递丰富多彩的声音、图像等各种信息。
数字通信是一种既现代又古老的通信方式。烽火、旗语、电报和网络等传递信息的方式都是
通信（选填“模拟”或“数字”）。
3. 无线电广播信号的发射和接收
（1）信号的发射—广播电台完成
主要由话筒、调制器、天线组成。话筒把播音员的声音信号转换成 信号，然后用调制器
把音频电信号加载到高频电流上，再通过天线产生 发射到空中（图甲）。
（2）信号的接收—收音机完成
利用收音机的 ，选出我们需要的某一频率的电磁波；由调谐器选出的信号含有高频电流
成分，需要通过“解调器”将其滤去，把音频信号留下，放大后送到扬声器里（图乙）。
4. 电视的发射和接收
电视用 传递图像信号和声音信号。（1）电视信号的发射：摄像机把图像信号变成 信号，发射机把电信号加载到频率很高的
电流上，通过发射天线发射到空中。
（2）电视信号的接收：电视机的接收天线把高频信号接收通过电视机把信号取出并放大，由
显示器把它还原成图像。
5. 移动电话
移动电话是靠空间的电磁波来传递信息的。移动电话既是无线电 台，也是无线电
（发射接收二合一）。它用电磁波把讲话的信息发射到空中；同时它又在空中捕获电磁波，得到对
方讲话的信息。
6. 音频、视频、射频和频道
（1）音频信号：由声音转换成的电信号，它的频率跟声音的频率相同，在几十赫到几千赫之
间，叫音频信号。
（2）视频信号：由图像转换成的电信号，它的频率在几赫到几兆赫之间，叫做视频信号。
（3）射频电流：音频电流和视频电流在空间激发电磁波的能力都很差，需要把它们加载到频
率更高的电流上，产生电磁波发射到天空中，这种电流叫做射频电流。
7. 微波通信
（1）微波：波长在10m~1mm之间，频率30MHz~3×105MHz之间。微波的性质接近光波，
大致沿 传播，不能沿地球表面绕射。
（2）微波通信：利用微波进行的通信。
（3）微波中继站：微波大致沿直线传播，不能沿地球表面绕射。因此必须每隔50km左右就要
建设一个中继站，可以把上一站传来的微波信号经过接收、放大处理后，再发射到下一站去。
（4）微波通信的优点：频率高，传输信息的容量大；质量好，传送距离远；大致沿直线传播，
受大气干扰小，能量损耗小，收到的信号强且稳定。8. 卫星通信
（1）卫星通信：利用通信卫星做微波通信的中继站进行通信的方式叫卫星通信。
（2）同步通信：地球同步卫星即地球同步轨道卫星，是运行在地球同步轨道上的人造卫星，
距地球约36000km，卫星的运行方向与地球的 方向相同、运动周期与地球自转一周的 相
等，所以叫做“同步通信卫星”。
（3）全球通信：在地球周围均匀地配置三颗通信卫星，就可以覆盖几乎全部的地球表面，实
现全球通信。
（4）卫星通信的组成与原理
由通信卫星、地面站和传输系统三部分组成。卫星通信的工作原理是将卫星发射到赤道上空
36000km处的对地静止轨道上，利用卫星上的通信转发器接收由地面站发射的信号，并对信号进行
放大变频后转发给其他地面站，从而完成两个地面站之间的传输。
9. 光纤通信
（1）激光：频率单一、方向高度集中的光叫激光。实际上光也是一种 。与微波相比，激
光的频率更高，激光通信容量更大。
（2）光导纤维：光导纤维简称光纤，是一种非常细的玻璃丝，激光可在光纤里传播，不受外
界干扰。光导纤维传光的原理：光的 。
（3）光纤通信
光纤通信是利用 在光导纤维中传输信息的一种通信方式。由于光的频率很高，在一定时
间内可以传输大量信息。10. 网络通信
（1）网络通信：计算机可以高速处理各种信息，把 联在一起，可以进行网络通信。计算
机之间的联结，除了使用金属导线外，还用了光缆、通信卫星等各种通信手段。世界上最大的计算
机网络是 网。
（2）计算机服务器：计算机服务器是指在计算机网络中提供服务的一种计算机系统，它提供
应用程序的服务，可以接受客户端的请求并提供相应的服务功能。
（3）网络通信的应用：传送电子邮件；查阅资料、看新闻、购物、进行视频点播；还可以通
过网络进行远程教育、远程医疗等。
【例题1】如图所示，将导线一端与干电池负极连接，用另一端与干电池正极快速断续接触，
可以听到收音机发出“咯、咯”的声音，表明收音机接收到了（ ）
A．声波 B．光波 C．机械波 D．电磁波
【例题2】下列关于电磁波的说法中，正确的是（ ）
A．导线中电流的迅速变化会在空间激起电磁波
B．电磁波不可以在真空中传播
C．收音机的天线不仅可以接收各种各样的电磁波，还可以发出各种电磁波
D．作为载体的电磁波，频率越高，可以传输的信息越多
【例题3】图中是甲、乙两种不同电磁波的传播图像，下列说法正确的是（ ）
A．甲、乙两种电磁波的振动频率相同 B．甲电磁波振动的波长较长C．甲电磁波的传播速度较快 D．甲电磁波振动的频率较大
【例题4】电磁波的频率与波长的分布如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．紫外线属于可见光 B．红外线的波长比可见光的短
C．X射线的频率比无线电波的低 D．可见光与γ射线在真空中的传播速度相等
【例题5】北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星定位与通信系统，可向全球提供高精
度，高可靠的定位、导航、授时等服务，北斗导航卫星系统为汽车导航采用的通信方式是（ ）
A．超声波 B．光纤 C．电磁波 D．红外线
【例题6】由声音转换成的电信号，它的频率与声音的频率相同，大约在几十赫到几千赫之间，
叫做音频信号；由图象转换成的电信号，它的频率在几赫到几兆赫之间，叫做视频信号。音频电流
和视频电流在空间激发电磁波的能力都很差，需要把它们加载到频率更高的电流上，产生电磁波发
射到天空中，这种电流叫做射频电流。如图所示，是三种信号的波形图，则表示音频信号的是
______，表示射频信号的是_______。
三、能源
1. 能源的分类
（1）按照获取方式分为： 能源和 能源。
①一次能源：可以 从自然界获得的能源称为一次能源。化石能源是一次能源，其他常见
的一些能源，如 等也都是一次能源。
②二次能源：无法从自然界直接获取，必须通过消耗 能源才能得到的能源称为二次能源。
常见的二次能源： 能、汽油、柴油、酒精等。
（2）按照对环境的影响分为： 能源和 能源。
太阳能、电能、风能、水能、潮汐能、地热能等都属于清洁能源；煤、石油、柴薪等都属于污
染能源。
（3）按照人类开发早晚分为： 能源和 能源。
煤、石油、天然气及水能等属于常规能源；核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能、生物质能等属于新能源。
（4）按照是否可再生分为：可再生能源和不可再生能源。
①化石能源、核能等能源会越用越少，不能在短期内从自然界得到补充，这类能源称为
能源。
②像风能、水能、太阳能等可以在自然界里源源不断地得到，我们把它们称为 能源。
2. 能源危机
（1）能源危机发生原因：目前作为人类主要能源的化石能源储量并不丰富，而且化石能源开
发利用后不能 。
（2）解决能源问题的出路：开发使用 能源；更好地利用已知能源。新能源是指人类新近
才开始利用的能源。例如，核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能、生物质能等都属于新能源。
3. 核能
（1）原子的结构
①电子的发现：十九世纪末，英国物理学家汤姆生在对阴极射线的研究中发现了带负电的
，并得出电子是所有物质中原子的组成部分。
②原子核的发现：1898年，英国物理学家卢瑟福发现了α射线，做了“α粒子散射实验”。通
过对电荷，质量和偏转角度等的运算，1911年提出了原子结构的行星模型，即原子是由 和核
外 组成的。
原子的组成
③原子的“电子云模型”
1926年奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出“电子云模型”。该模型中， 在原子核外很小的
空间内做高速运动，其运行没有固定的规律，电子 排布，接近现代人类对原子结构的认识。
（2）原子核的结构
①质子的发现
1919年，卢瑟福用速度是20000km/s的α粒子去轰击氮元素的原子核时，发现在原子核中还存
在一种带 电的质量比电子大很多的微粒— 。
②中子的发现
中子的概念是由英国物理学家卢瑟福提出，中子的存在是1932年英国物理学家詹姆斯·查德威
克用镭的α射线轰击铍原子时的实验中证实的。物理学家在实验中又进一步发现中子的质量与相同、但是不带电。
③原子核的组成
原子核，简称“核”，位于原子的核心部分，由 和 两种微粒构成。原子核带
电（即质子所带的正电），中子 电。
（3）原子的组成及带电情况
原子核极小，它的直径在10-16m～10-14m之间，体积只占原于体积的几千亿分之一，在这极小
的原子核里却集中了99.95％以上原子的质量。
（4）核能
质量较大的原子核发生 或者质量较小的原子核相互 ，就有可能释放出惊人的 ，
这就是核能。释放核能的方式：核 和核 。
（5）裂变
①裂变：1934至1938年，科学家先后用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生裂变，
发现一个核分裂成两个质量 的原子核，同时释放出大量的 。奇妙的是，铀235核在分裂
成两个别的原子核的时候，又放出 至 个中子。核裂变的能量巨大：1kg铀全部裂变，释
放的能量超过 煤完全燃烧时释放的能量。
核裂变示意图 链式反应示意图
②链式反应
当中子轰击铀核时，铀核发生 ，释放大量核能的同时产生出几个新的 ，这些中子又
会轰击其他铀核……于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量 ，这就是裂变中的链式反
应。③裂变的应用
（a）核电站
核电站利用裂变产生的核能发电，它的核心设备是 。1942年，人类利用核反应堆第一次
实现了可控制的铀核裂变。
核电站的工作原理及能量转化：核电站将反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能，通过汽
轮机转化为机械能，再通过发电机转化为电能。核电站发电时的能量转化情况： 能→ 能
→ 能→ 能。
（b）原子弹
链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变，释放出极大的 。原子弹就
是根据这一原理制造的。
（6）聚变
如果将某些质量很 的原子核，例如氘核（由一个质子和一个中子构成）与氚核（由一个
质子和两个中子构成），在超 下结合成新的原子核——氦核，也会释放出巨大的 ，这就
是聚变。
氘核和氚核都属于氢核的一种。大量氢核的聚变，可以在瞬间释放惊人的能量。 利用的
就是聚变瞬间释放的能量。
（7）核电站和核废料处理
核反应堆是通过可控裂变反应释放核能的设备。反应堆内的铀核发生裂变时，会释放能量，也
会产生 线。如果放射线泄漏到反应堆外面，会对人和其他生物造成伤害，所以核反应堆都封
闭在一个厚厚的钢筋混凝土壳中。
核电站使用过的核燃料成为 。由于核废料仍具有放射性，对环境会造成相当大的危害，
因此要将核废料深埋到人迹稀少的 地带。
4. 太阳能（1）太阳的结构：太阳核心、辐射层、对流层、太阳大气 。
（2）太阳能的来源：在太阳内部，氢原子核在超高温下发生 ，释放出巨大的核能。
（3）大部分太阳能以热和 的形式向四周辐射开去。
（4）地球上大多数能源来自于太阳能。由于化石能源、水能、风能、生物质能等都是来太阳
能，所以说太阳是人类能源的 。人类利用这些能量，实际上都是间接地利用太阳能。
（5）化石能源的形成：远古时期陆地和海洋中的植物，通过光合作用，将太阳能转化为生物
体的化学能。经过几百万年的沉积、化学变化、地层的运动，在高压下渐渐变成了 和煤，在
石油形成过程中还放出 。
（6）太阳能的利用
①光电转换：指太阳能直接转化为 能。例如光电池（太阳能电池）。
②光热转换：例如集热器收集阳光中的能量来加热水等物质，把太阳能直接转化为 能。
③光化转换：光化转换是指把太阳能转化为化学能，储存在生物质内。比如绿色植物的生长就
是靠太阳能转化的化学能，所以通过光合作用的植物把太阳能转化为化学能。
5. 能源与可持续发展
（1）能量转移和转化具有方向性
①在热传递的过程中，热量只能自发地从_高温物体转移到低温物体，而不能自发地从低温物
体转移到高温物体。这说明能量 具有方向性。
②用电器将电能转化为内能、光能、机械能多种形式的能后，但是这些能量无法再变回可以被
利用的能源。
汽车制动时，动能转化成了轮胎、地面和空气的内能，但这些能量不能自动地收集起来再次驱
动汽车。这些能量虽然没有消失，但也不能再被我们利用。这说明能量 具有方向性。
结论：能量的转移和转化具有方向性。
（2）利用能源的建议
①人类不应当无限制地向大自然索取，我们必须在提升物质文明的同时，保持与自然环境的和
谐与平衡。
②不要因为利用能源时会对环境造成污染而停止使用能源，也不能为了促进文明和社会的发展
而过量使用能源，对环境造成严重污染。使用能源和保护环境可以做到有机地统一、和谐地发展。
（3）可持续发展的两个方向
能源的利用要考虑持续性发展，既要满足当代人的需要，又要考虑后代人的需求。
①提高能源的 ，减少在能源使用中对环境的破坏。
②开发和利用 。
【例题1】以下列出了各种形式的能源：柴薪、煤、石油、天然气，风能、水能、电能、太阳能、地热能。在这些能源中哪些是化石能源？哪些是一次能源？哪些是二次能源？请填在以下表格
中。
一次能源
二次能源
化石能源
【例题2】太阳能是_________（选填“可再生”或“不可再生”）能源，直接利用太阳能可
有效地减少碳排放，图所示是一辆低碳化未来汽车，车顶部装有高效光电转换器，它可将_____ 能
转化为电能；车轮的轮毂其实是风力发电机，可以把捕捉到的风能转化为______能。
【例题3】世界新能源汽车大会于2019年7月在海南举办，聚焦汽车与能源、交通、信息、通
讯等领域联动以及和智慧城市应用场景的深度融合。下列关于能源的说法正确的是（ ）
A．天然气是一种清洁的能源，人类可以无尽地开发利用
B．汽油可以作为“玉兔号”在月球上的工作能源
C．电能是最重要的二次能源
D．如果大量利用太阳能，可以使太阳能在短期内消耗殆尽
【例题4】如图所示，原子是由原子核和________构成，原子核分裂或聚合时都会释放巨大的
核能，核能是一种_______（选填“可再生”或“不可再生”）能源；核电站利用中子轰击铀核，
使铀核发生_______（选填“裂变”或“聚变”）获取核能。
【例题5】（多选题）如图为核电站的结构图，以下说法正确的是（ ）A．核能是可再生能源
B．在核反应堆中核燃料发生核裂变
C．蒸汽驱动蒸汽轮机旋转时，内能转化为机械能
D．蒸汽轮机带动发电机发电时，电能转化为机械能
【例题6】我国已经建成世界规模最大的抽水蓄能发电站，它可以利用风能和光能发电，获得
的电能将水抽到高处转化为水的机械能储存起来，如图所示。需要时，再利用水的机械能发电，从
而弥补了风能、光能不稳定，转化的电能难储存等不足，堪称电力系统的巨型“充电宝”。下列说
法正确的是（ ）
A．风能、光能和电能都是一次能源属于不可再生能源
B．抽水时，消耗的电能全部转化为水的机械能
C．发电站利用水能发电时，可将机械能转化为电能
D．不同形式的能量可以相互转化，说明能量的转化
是没有方向性的
【例题7】白鹤滩水电站位于云南省巧家县和四川省宁南县境内，是中国第二大水电站，如图
所示，它的建设对促进西部开发、实现“西电东送”、促进经济发展等具有重要的意义。下列说法
错误的是（ ）A．水能属于可再生能源
B．水电站将水的机械能转化为电能
C．水坝建造成上窄下宽依据了流体压强与流速的关系
D．水库可以降低周围昼夜温差，是因为水的比热容较大
