能源与可持续发展

第二十二章能源与可持续发展1．通过实例，了解能量及其存在的不同形式．能描述各种能量和我们生活的关系．2．通过实例，认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化．3．能通过具体实例，说出能源与人类生存和社会发展的关系．4．能结合实例，说出不可再生能源和可再生能源的特点．5．知道核能的优点和可能带来的问题．6．了解世界和我国的能源状况，对能源的开发利用要有可持续发展的意识．“能量”是物理学中一个非常重要的概念．在日常生活中经常接触到“能量”一词，学生对这个词本身比较熟悉，但对作为物理概念(物理量)还是比较陌生的，教材从八年级上学期开始渗透光能、热能，到电学板块时直接提出了电能的概念，将词义变成物理量，从而有了单位及计算的方法，同时粗略地渗透动能的概念，九年级又形成了动能、势能、机械能、内能等概念．“能量”作为主线之一，也贯穿在整套教材当中．本章在前面学过的各种能的知识基础之上，对能源知识做了常识性的介绍，对“能量”概念进行了简单的回顾和总结．本章教材作为义务教育阶段物理教学的最后一章，起着至关重要的压轴作用．它使得义务教育阶段物理教学的目的在此达到高潮，物理教育教学的意义得以充分的体现．从知识方面看，对能量、能源及转化有全面的认识，从价值观方面看，培养了学生的节能意识和环保意识，对于能源的开发利用有可持续发展的意识．本章的最终目标是让学生形成对能源开发利用有可持续发展的意识，其他的目标都是为了这一终极目标服务的，这一终极目标又为学生形成对包括社会问题在内的各方面问题的可持续发展意识奠定了基础．学生从学习物理开始就接触光能、热能，到学习电能时就涉及了电能与其他形式能的相互转化问题，后来又逐渐学习了动能、势能、机械能、内能及它们之间的相互转化，学习了能的转化与守恒定律，能源是提供能量的物质，与能量是密不可分的，学生对各种能量的了解与学习，为本章的学习奠定了基础．节能环保是当今社会发展的主题，也是学生日常生活中经常接触的话题，这也会激发学生的学习兴趣．核电站、核武器等内容也是学生的兴趣点，太阳能热水器已经走进千家万户，太阳能电池、太阳能路灯也是学生心存疑惑争于探究的问题．但本章知识的综合性和抽象性也会给学生的学习带来一定的困难．本章的重点内容是原子能、核能以及能量的转化、转移，虽然学生对太阳能很熟，但是没有原子核和核能为基础理解起来是困难的．因此本章应该重视核能、太阳能这两节内容的教学．教学中要尽量关注学生对于能量转移和转化事实的积累和认识，尽量让学生参与以期获得一些规律性知识和结合社会发展的深层次思考．首先通过实例介绍能源的不同分类：可再生、不可再生；一次能源、二次能源；常规能源、新能源．核能应用的两种方式，核聚变、核裂变，主要以视频课件为主．以核能为基础，教师讲解太阳内部的反应来理解太阳能的取之不尽用之不竭，并引导学生介绍太阳能应用的优缺点，能源革命可以让学生通过阅读教材掌握内容，而能的转移和转化的方向性可以通过实例让学生分析归纳自主探究得出，能源与可持续发展是课前留给学生的作业，可以通过互联网等手段查询资料．未来理想能源可以让学生根据知识结合自己对能源的认识谈谈自己的想法．第1节能源知识与技能1．通过实例了解有哪些不同形式的能量，知道人类利用能源的历程．2．常识性了解什么是能源；什么是一次能源、二次能源及其各自的特点．过程与方法通过收集信息、阅读资料、相互交流，判断能源与人类生存和社会发展的说法是否正确．情感、态度与价值观从能源问题到能源科学引发学生的学习兴趣和学习欲望．知道哪些能源是一次能源、哪些能源是二次能源.多媒体课件能源⎩⎪⎨⎪⎧定义：能够提供能量的物质资源分类⎩⎪⎨⎪⎧一次能源⎩⎪⎨⎪⎧化石能源：煤、石油、天然气水能风能二次能源：电能人类利用能源的历程能源的分类能源种类繁多，而且经过人类不断地开发与研究，更多新型能源已经开始能够满足人类需求．根据不同的划分方式，能源也可分为不同的类型，主要有以下七种分法．1．按来源分为三类：(1)来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)．除直接辐射外，并为风能、水能、生物质能和矿物能源等的产生提供基础．(2)地球本身蕴藏的能量．如核能、地热能等．(3)地球和其他天体相互作用而产生的能量．如潮汐能．2．按能源的基本形态分类，有一次能源和二次能源．前者即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等．后者指由一次能源加工转换而成的能源，如电能、煤气及各种石油制品等．3．根据能源消耗后是否造成环境污染可分为污染型能源和清洁型能源，污染型能源包括煤炭、石油等，清洁型能源包括水能、电能、太阳能、风能等．4．根据能源使用的类型又可分为常规能源和新型能源．利用技术上比较成熟，使用比较普遍的能源叫做常规能源．包括一次能源中的可再生的水力资源和不可再生的煤炭、石油、天然气等资源．新近利用或正在着手开发的能源叫做新型能源．新型能源是相对于常规能源而言的，包括太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能以及用于核能发电的核燃料等能源．5．按能源的形态特征或转换与应用的层次对它进行分类，可分为：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、核能、海洋能和地热能．其中，前三个类型统称化石燃料或化石能源．已被人类认识的上述能源，在一定条件下可以转换为人们所需的某种形式的能量．比如薪柴和煤炭，把它们加热到一定温度，它们能和空气中的氧气化合并放出大量的热能，我们可以用热来取暖、做饭或制冷，也可以用热来产生蒸汽，用蒸汽推动汽轮机，使热能变成机械能；也可以用汽轮机带动电机，使机械能变成电能；如果把电送到工厂、企业、机关、农牧林区和住户，它又可以转换成机械能、光能或热能．6．按能源是否可以再生分为可再生能源和不可再生能源．凡是可以不断得到补充或能在较短周期内再产生的能源称为可再生能源，反之称为不可再生能源．风能、水能、海洋能、潮汐能、太阳能和生物质能等是可再生能源；煤、石油和天然气等是不可再生能源．第2节核能知识与技能1．了解核能、裂变、链式反应和聚变的有关知识．2．了解核电站的常识，知道核能的优点和可能带来的问题．过程与方法1．通过探究学习活动，学习信息处理方法，培养信息处理能力．2．通过自己学习的过程，培养自学能力．情感、态度与价值观1．通过本节学习，培养学生了解核能奥秘的兴趣，正确认识核能的价值．2．通过该节的学习，认识科学技术对人类生活的影响，树立将科学服务于人类的意识．重点知道可控链式反应，区分裂变与聚变．难点了解链式反应及发生的条件．火柴一盒、制作多媒体课件．一、情境导入1 945年，第二次世界大战的后期，美国在日本的广岛、长崎各投下一颗原子弹，使两岛遭受毁灭性的打击，最后迫使日本投降．思考：原子弹为什么有如此大的威力？二、新课教学1．原子、原子核让学生观察原子结构示意图(如下图)，了解原子的结构．【教师讲解】原子组成丰富多彩的物质世界，组成原子的则是更小的原子核和核外电子．原子核带正电，核外电子带负电，原子的质量主要集中在原子核，质量较小的核外电子围绕着原子核高速转动，组成原子核的是质子和中子，质子和中子之间依靠强大的核力紧紧结合在一起．2．核能【思考】核能是怎么来的？【教师讲解】原子核内的质子和中子由于强大的核力紧紧结合在一起，如果将它们分裂开或者重新组合，就会释放出惊人的能量，这就是核能．1 kg铀完全反应时释放的能量超过2 000 t无烟煤完全燃烧时放出的能量，1 kg氢完全聚变时释放的能量相当于40 000 t无烟煤完全燃烧时放出的能量．如果人类完全掌握了核能的使用技术，就可以说掌握了通向无穷能源宝库的金钥匙．3．核裂变【教师演示】将火柴搭成如图所示的结构，点燃第一根火柴后，观察所发生的情况．【想想议议】如果用中子轰击较大的原子核，能使原子核分裂开，发生裂变现象．通过上面的实验你能找到通过点燃一根火柴使很多火柴不断点燃的办法吗？那么怎样才能使原子核的裂变也不断继续下去呢？(展示图片如下图所示)．【教师讲解】如果用一个中子轰击质量较大的原子核能使原子核发生裂变，且裂变的同时还能释放出中子，这些中子又可以继续使其他的原子核裂变，这样就可以使核裂变继续下去了，如：用中子轰击铀235原子核就可以放出二至三个中子，它们又可以引起其他铀核的裂变，再放出几个中子，再引起裂变……这样，只要有一个核发生了裂变，就可以引起一连串的裂变，并放出大量的能量．这就是链式反应．(如图所示)快速的裂变反应可以引起猛烈的爆炸，原子弹就是利用快速裂变制成的．还可以控制链式反应的速度，把核能用于和平建设事业，“核反应堆”就是控制裂变反应的装置，已成功地应用到核潜艇、核电站等装置．4．核聚变请学生观看我国引爆第一颗原子弹和氢弹的录像．【思考】同学们观察到是原子弹还是氢弹的威力更大、释放的能量更多？那么氢弹是怎样产生大量的能量呢？【教师讲解】较轻的核结合成较重的核，也能释放能量，这种现象叫做核聚变．如图氘核、氚核在超高温下聚合成氦核，释放出核能．氢弹就是利用轻核聚变制成的，它是比原子弹威力更大的核武器．，由于核聚变需要很高的温度，所以氢弹要通过原子弹的爆炸产生的高温来引爆．三、课堂小结1．裂变：核物理中把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应．2．聚变：把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应．3．核能：原子核在裂变和聚变过程中释放出的能量．4．链式反应：当一个铀核裂变时，会同时放出2～3个中子，这些中子又能去轰击其他的铀核，再使它们分裂，于是放出更多的中子，这种裂变的引发过程叫做链式反应．5．核电站工作的能量转换过程：核能→内能→机械能→电能．四、检测反馈1．获得核能有两种途径：一种是________，另一种是________．其中________必须在高温条件下才能进行．答案裂变聚变聚变2．核电站的核心是________，它以________为核燃料，反应堆中放出的________能转化为高温蒸汽的________能，通过汽轮发电机转化为________能．答案核反应堆铀核内电3．氢弹是利用轻核聚变的原理制成的，一般来说，氢弹的威力比原子弹的威力( ) A．大B．小C．无法确定D．差不多答案A4．有关核反应堆的下列说法中，正确的是( )A．核反应堆是进行聚变而获得核能的一种装置B．核反应堆是进行裂变，且不加控制而获得核能的一种装置C．核反应堆是控制链式反应速度，使核能缓慢地、平稳地释放出来的装置D．核反应堆是控制轻核聚变速度，使核能缓慢地、平稳地释放出来的装置答案C5．原子弹和核电站的根本区别是( )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．原子弹对裂变的链式反应不加控制，核电站控制裂变的链式反应速度D．原子弹对聚变的链式反应不加控制，核电站控制聚变的链式反应速度答案C6．下列关于核能的说法中正确的是( )A．核能是可再生能源B．核电的优点是安全、清洁、无废料C．人类还没有完全掌握人工控制核聚变技术D．原子弹具有巨大的破坏性，无其他危害答案C一、原子：由原子核和核外电子组成．原子核由质子和中子组成．二、核能1．核裂变2．核聚变核能发电的优点与缺点优点：1．核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染．2．核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳．3．核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，暂时没有其他的用途．4．核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便，一座百万千瓦的核能电厂一年只需30吨的铀燃料，一航次的飞机就可以完成运送．5．核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低，核能发电的成本较不易受到国际经济情势影响，故发电成本较其他发电方法稳定．缺点：1．核能电厂会产生大量放射性废料，虽然所占体积不大，但因具有放射性，故必须慎重处理，且需面对相当大的政治困扰．2．核能电厂热效率较低，因而比一般化石燃料电厂排放更多废热到环境里，故核能电厂的热污染较严重．3．核能电厂投资成本太大，电力公司的财务风险较高．4．核能电厂较不适宜做尖峰、离峰之随载运转．5．兴建核电厂较易引发政治歧见纷争．6．核电厂的反应堆内有大量的放射性物质，如果在事故中释放到外界环境，会对生态及民众造成伤害．第3节太阳能知识与技能1．初步认识太阳的结构，知道太阳能是人类能源的宝库．2．大致了解太阳能的利用方式．过程与方法通过课堂上设置装置，课下制作改进的过程，培养学生的动手能力；通过主动学习，提高学生搜集信息交流信息的能力．情感、态度与价值观1．能保持对大自然的好奇，初步领略自然现象的美妙与和谐，对大自然有亲近、热爱、和谐相处的情感．2．具有对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理，有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识．重点初步认识太阳的结构，知道太阳能是人类能源的宝库．难点了解太阳能的利用方式．有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识．生产生活中利用太阳能的图片(可制成多媒体课件)．一、情境导入长期以来，人们就一直在努力研究太阳能．我们地球所接受到的太阳能，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，这些能量相当于全球所需总能量的3万～4万倍，可谓取之不尽，用之不竭．巨大的太阳能是怎样产生的呢？人类可以怎样利用太阳能呢？二、新课教学1．太阳能【思考】太阳能有哪些优点？【教师点拨】 (1)太阳能十分巨大．照射在地球上的太阳能十分巨大，科学家研究表明，太阳每秒钟到达地面的总能量高达80亿千瓦，大约40 min照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消耗．(2)太阳能供应时间长久，天文学家研究表明，太阳目前正处于精力旺盛的主序星阶段，它含有大量氢原子，这些氢原子发生的聚变，至少还可以使太阳稳定地燃烧50亿年之久．对人类来说，太阳能几乎可以说是一种取之不尽、用之不竭的永久性能源．(3)太阳能获取方便．太阳能分布广泛，处处可以利用，既无需挖掘开采，也无需运输．(4)太阳能安全、环保．太阳能利用起来安全、清洁，开发利用太阳能不会给环境带来污染．2．太阳能的利用展示利用太阳能的图片，请学生总结利用太阳能的几种方式．让学生比较不同的利用太阳能的方式，总结太阳能的几种利用方式．【教师归纳】(1)光热转换，光热转换即靠各种集热器把太阳能收集起来为人类服务．早期的太阳能应用是将水加热，现今全世界有数百万个太阳能热水装置．(2)光电转换．光电转换即将太阳能转换成电能，电能是当今社会最重要的能量，所以将太阳能的光能转化为电能是人们的研究重点．目前，太阳能用于发电的途径有二：一是热发电，就是先用集热器把太阳能变成热能，再通过汽轮机将热能转变为电能；二是光发电，就是利用太阳电池的光电效应，将太阳能直接转变为电能．在这两个途径中，光发电又是研究的热点和难点．【知识拓展】光化转换也是利用太阳能的一种方式．光化转换即先将太阳能转换成化学能，再转换为电能等其他能量，我们知道，植物靠叶绿素把光能转化成化学能，实现自身的生长与繁衍，若能揭示光化转换的奥秘，便可实现人造叶绿素发电．目前，太阳能光化转换只在积极探索、研究中．三、课堂小结1．太阳——巨大的“核能火炉”太阳的结构：从外到内分为对流层、辐射层、太阳核心，最外层包围着太阳大气．2．太阳能是人类能源的宝库．3．太阳能的利用目前直接利用太阳能的方式有两种：一种是用集热器把水等物质加热，另一种是用太阳能电池把太阳能转化为电能．四、检测反馈1．太阳能的转化：太阳把地面的空气晒热，太阳能转化为________；晒热的空气上升，空气流动形成风，又转化为________；太阳把地面晒热，并使一部分水蒸发，蒸发的水汽升．到空中形成云，以雨雪的形式落下来，流入江河，太阳能转化为________；植物吸收太阳能，发生光合作用，太阳能转化为植物的________；植物作为食物被动物吃掉，又转化成动物的________；古代的动植物在地质变迁中变为化石燃料，转化为这些燃料的________．答案内能风能水能化学能化学能化学能2．下列有关太阳能辐射的叙述，正确的是( )A．太阳每年向地球输送的能量，约相当于4万吨煤的能量B．太阳辐射的巨大能量来源于核裂变反应C．太阳辐射对地理环境的形成和变化具有极其重要的作用D．煤和石油的能量是来源于地球内部的能量答案C3．下列能源不是来自太阳能的有( )A．水能B．风能C．核能 D．煤、石油和天然气答案C4．为改善驻守在南沙某岛礁边防战士的工作条件和生活条件，今年在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：太阳能一内能一电能B．白天：太阳能一电能一化学能C．晚上：化学能一电能一太阳能D．晚上：化学能一电能一化学能答案B一、太阳能的来源：核聚变二、太阳能的利用1．用集热器把水等物质加热2．用太阳能电池把太阳能转化成电能太阳能光伏光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，几乎全部由以半导体材料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成．由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗．简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明，并为电网供电．光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力，近年，天台及建筑物表面均会使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统．太阳能暖房冬天，利用太阳能暖房，在许多寒冷地区已使用多年．因寒带地区冬季温度甚低，室内必须有暖气设备，若欲节省大量化石能源的消耗，可应用太阳辐射热．大多数太阳能暖房使用热水系统，亦有使用热空气系统．太阳能暖房系统是由太阳能收集器、热储存装置、辅助能源系统，以及室内暖房风扇系统所组成，其过程是太阳辐射的热量经收集器内的工作流体将热能储存，再供热至房间．至于辅助热源则有装置在储热装置内、直接装设在房间内或装设于储存装置及房间之间等不同设计．当然亦可不用储热装置而直接将热能用到暖房的直接式暖房设计，或者将太阳能直接用于热电或光电方式发电，再加热房间．第4节能源与可持续发展知识与技能1．初步了解能量转移和能量转化的方向性．2．认识能源消耗对环境的影响．3．知道未来的理想能源．4．知道节约能源的重要性．过程与方法1．通过社会调查，了解当地能源使用对环境的影响．2．通过上网查资料，了解能源的再生技术；解当今世界开发新能源的信息．3．通过学生举例，使学生将物理知识和日常生活紧紧联系起来，培养学生对科学的求知欲，以及将科学技术应用于日常生活的意识．4．通过创设学生学习情境，培养学生口头表达能力和信息交流能力．情感、态度与价值观1．通过了解消耗能源对环境的影响，初步认识科技给人类带来的负面效应，培养学生节能意识、环保意识．2．初步认识科学技术对于人类生活、自然环境及社会发展的影响，树立可持续发展意识．3．通过交流讨论，使学生认识交流与合作的重要性，培养学生主动与他人合作的精神．4．联系科技发展的前沿技术，培养学生关注科技发展的意识，以及将科学服务于人类的意识，培养学生振兴中华的使命感和责任感．建立节约能源意识、开发新能源．下载资料，制作多媒体课件．能源与持续发展⎩⎪⎨⎪⎧能量转移和能量转化的方向性能耗对环境的影响未来理想能源的条件可持续发展可持续发展(Sustainable development)的概念最先是在一九七二年在斯德哥尔摩举行的联合国人类环境研讨会上正式讨论．这次研讨会云集了全球的工业化和发展中国家的代表，共同界定人类在缔造一个健康和富有生机的环境上所享有的权利，自此以后，各国致力界定“可持续发展”的含意，现时已拟出的定义已有几百个之多，涵盖范围包括国际、区域、地方及特定界别的层面，是科学发展观的基本要求之一.1997年的中共十五大把可持续发展战略确定为我国“现代化建设中必须实施”的战略．可持续发展主要包括社会可持续发展，生态可持续发展，经济可持续发展．生物质能的开发和利用生物能源主要是指在生物体(尤为植物)内，经一系列化学反应所释放出的能源．其实，世界上90%的能源消耗来自植物光合作用所积累的能源，比如地球演变的历史上所积累的矿物能源(煤、石油、天然气，因为它们是堆积在一起的有机物经地质作用形成的)，但总有一天矿物能源会消耗殆尽．能源危机威胁着人类的发展，所以发展可再生能源，尤其是利用植物光合产物转化成便于利用的能源，引起了全球的广泛关注，人类利用生物能源，实质是将植物通过光合作用固定的碳的能量释放出来，它的好处在于：一、中性的碳循环，即无温室效应；二、生物再生的能源有助于克服化石能源供应的萎缩．并且，发展生物能源不仅可以解决资源、环境的问题，还可以带动农业产业的发展，实现环境与经济效应的双赢．。