第二十章 能源、材料、及社会(第二节)

1、平山中学 朱海舟第二十章 能源、材料与社会第二节 能源的开发和利用平山中学 朱海舟观察观察挖掘机、火车、摩托车、汽车、火箭、太阳能汽车、挖掘机、火车、摩托车、汽车、火箭、太阳能汽车、滑翔机滑翔机的图片思考给它们提供运转能量的物质是什么？的图片思考给它们提供运转能量的物质是什么？动动脑筋思考问题：动动脑筋思考问题： 能源与社会能源与社会挖 掘 机挖 掘 机火车火车摩托车摩托车汽车汽车火箭火箭太阳能汽车太阳能汽车滑翔机滑翔机能源的概念能源的概念像煤、天然气、汽油、水流、风、电、太阳光像煤、天然气、汽油、水流、风、电、太阳光等能够提供能量的物质资源，我们把它们都叫等能够提供能量的物质资源，我们把它们

2、都叫做能源。做能源。你还知道人类已经利用的其他能源吗？你还知道人类已经利用的其他能源吗？风能、水能、太阳能、生物能等风能、水能、太阳能、生物能等煤、石油、天然气、核能等煤、石油、天然气、核能等可再生能源可再生能源不可再生能源不可再生能源按来源划分按来源划分: :一次能源和二次能源一次能源和二次能源一次能源是自然界直接提供的能源。一次能源是自然界直接提供的能源。由自然界提供的能源转化而来的能源是二次能源。由自然界提供的能源转化而来的能源是二次能源。风能、汽油、沼气呢风能、汽油、沼气呢? ?原始人对火的利用原始人对火的利用奴隶社会、封建社会对畜力的利用和水力的利用奴隶社会、封建社会对畜力的利用和水

3、力的利用现代化的煤矿开采现代化的煤矿开采火火畜力、水力畜力、水力现在的各种能源现在的各种能源能源的开发和利用与社会发展的关系能源的开发和利用与社会发展的关系利用资源的种类利用资源的种类少少多多利用资源的规模利用资源的规模小小大大社会发展水平社会发展水平低低高高我国的能源构成：煤我国的能源构成：煤75%75%、石油、石油17% 17% 、天然气天然气2% 2% 、其他、其他6% 6% 看图世界能源以哪三种为主？看图世界能源以哪三种为主？ 目前世界和我国的能源消耗都以煤石油、天然目前世界和我国的能源消耗都以煤石油、天然气为主气为主, ,分析这样的能源结构是否合理分析这样的能源结构是否合理? ?如果

4、这样发展如果这样发展下去会出现什么问题下去会出现什么问题? ? 据专家预测世界上的煤还可开采据专家预测世界上的煤还可开采192192年年, ,天然气还天然气还可开采可开采6767年年, ,石油还可开采石油还可开采35-4335-43年。年。20102010年年, ,我国石油我国石油消费消费50%50%要靠进口。要靠进口。 能源的大量使用促进了社会的发展能源的大量使用促进了社会的发展, ,但同时也带来了许但同时也带来了许多资源和环境问题多资源和环境问题, ,结合本课谈一谈你认为会带来哪些问题结合本课谈一谈你认为会带来哪些问题? ?主要国家能源消耗量主要国家能源消耗量能源的大量应用造成环境污染能源

5、的大量应用造成环境污染光化学事件光化学事件伦敦烟雾事件伦敦烟雾事件酸雨腐蚀佛像酸雨腐蚀佛像酸雨破坏树木酸雨破坏树木温室效应温室效应以前我们的家园以前我们的家园是多么的美丽是多么的美丽蓝天、白云、空气、怡人的丽日蓝天、白云、空气、怡人的丽日可是今天可是今天 社会的发展离不开能源社会的发展离不开能源, ,人类将如何才能解决好能源人类将如何才能解决好能源与保护环境这一问题呢与保护环境这一问题呢? ?作为未来的主人作为未来的主人, ,请畅所欲言。请畅所欲言。某报第二版头条新闻油城私家车开始和气某报第二版头条新闻油城私家车开始和气“热恋热恋” 据记者了解据记者了解, ,对私家车进行改装对私家车进行改装,

6、 ,让汽车由让汽车由“喝油喝油”变变为为“烧气烧气”,”,是近些年才出现的。如今随着国内油价的不是近些年才出现的。如今随着国内油价的不断上涨断上涨, ,汽车油改气的话题越来越引起人们的关注汽车油改气的话题越来越引起人们的关注, ,私家车私家车改装在油城也呈愈演愈烈之势。改装在油城也呈愈演愈烈之势。通过这段文字你能想到什么通过这段文字你能想到什么? ?你怎样看待这种现象你怎样看待这种现象? ?生活与社会生活与社会面对日趋严重的能源危机，我们既要面对日趋严重的能源危机，我们既要_，又要又要_。树立节能观树立节能观开发新能源开发新能源能源危机日趋严重能源危机日趋严重怎么办？怎么办？哪些新能源具有广阔

7、的前景？哪些新能源具有广阔的前景？开发新能源开发新能源 太阳能的开发和利用太阳能的开发和利用 太阳深处的极高温度是太阳深处的极高温度是15001500万万和极高压力约和极高压力约2 210101616PaPa，据粗略估计，太阳向地球表面辐射的功率为，据粗略估计，太阳向地球表面辐射的功率为8.18.110101414 kW kW相当于相当于3.53.5万倍标准煤释放的能量。万倍标准煤释放的能量。看了数据再请同学们计算一下：太阳每小时辐射到地球看了数据再请同学们计算一下：太阳每小时辐射到地球的总能量有多少的总能量有多少 ？W=PtW=Pt=8.1=8.110101717W W3600s=2.923

8、600s=2.9210102121J J太阳能十分巨大。太阳能十分巨大。请同学们计算一下：请同学们计算一下： 太阳能以光和热的形式向四周辐射，那么它的光太阳能以光和热的形式向四周辐射，那么它的光和热到达地球上要经过多长时间？和热到达地球上要经过多长时间？ 地球每小时从太阳获得的太阳能量有地球每小时从太阳获得的太阳能量有2.922.9210102121焦，焦，这比目前全世界在一年内能源生产的总量还多，可见太阳这比目前全世界在一年内能源生产的总量还多，可见太阳能有多么巨大能有多么巨大 那么太阳能会不会用完呢？根据科学家推算，太阳像那么太阳能会不会用完呢？根据科学家推算，太阳像现在这样不停地向外辐射

9、能量，还可以维持现在这样不停地向外辐射能量，还可以维持5050亿年以上，亿年以上，对于人类来说，太阳能可以说是一种取之不尽，用之不竭对于人类来说，太阳能可以说是一种取之不尽，用之不竭的永久性能源。的永久性能源。太阳能供应时间长久。太阳能供应时间长久。 我们到哪里去取太阳能？怎样获取呢？（只要太阳能照我们到哪里去取太阳能？怎样获取呢？（只要太阳能照到的地方，就有太阳能，不用专门去寻找；只要用东西到的地方，就有太阳能，不用专门去寻找；只要用东西接收就行了，不需要挖掘开采）接收就行了，不需要挖掘开采）太阳能分布广阔，获取方便。太阳能分布广阔，获取方便。 太阳能储热太阳能储热太阳能热水器、太阳能灶等太

10、阳能热水器、太阳能灶等太阳能转变为热能太阳能转变为热能太阳能直接发电太阳能直接发电太阳能电池、太阳能汽车等太阳能电池、太阳能汽车等太阳能转化为电能太阳能转化为电能太阳能手提灯太阳能手提灯 既然太阳能有那么多优点，为什么不大量推广、既然太阳能有那么多优点，为什么不大量推广、大范围应用呢？目前还有些技术问题没有解决。大范围应用呢？目前还有些技术问题没有解决。 广泛利用太阳能的困难广泛利用太阳能的困难 1.1.太阳能虽然十分巨大，但它太分散太阳能虽然十分巨大，但它太分散2.2.太阳能不稳定，不能正常使用太阳能不稳定，不能正常使用3.3.目前太阳能转换器的效率不高目前太阳能转换器的效率不高太阳能的开发

11、和利用太阳能的开发和利用优点：能量巨大、供应时间长、分布广泛获优点：能量巨大、供应时间长、分布广泛获取方便、无污染、安全经济。取方便、无污染、安全经济。缺点：能量分散、间断、不稳定。缺点：能量分散、间断、不稳定。太太阳阳能能的的特特点点沼气能源沼气能源 我国农村我国农村3/43/4人口使用草木燃料，造成了土壤肥力人口使用草木燃料，造成了土壤肥力的下降，水土流失、土壤沙化等生态平衡被破坏的现象，的下降，水土流失、土壤沙化等生态平衡被破坏的现象，而且是对能源的极大浪费。而且是对能源的极大浪费。将将人畜排泄物和作物秸秆等人畜排泄物和作物秸秆等混合物投入沼气池内进行微混合物投入沼气池内进行微生物发酵。

12、可得到燃烧值高的生物发酵。可得到燃烧值高的沼气和有机肥料沼气和有机肥料。沼气地沼气地地热能地热能地热地热地球内部具有的地球内部具有的热能称为地热能，热能称为地热能，是地球本身蕴藏是地球本身蕴藏的能量。的能量。应用形式：应用形式：地下热水、地热蒸气。地下热水、地热蒸气。应用范围：应用范围：发电、洗浴、取暖、灌溉等。发电、洗浴、取暖、灌溉等。西藏羊八井地热电站是我国最大的地热电站西藏羊八井地热电站是我国最大的地热电站潮汐能潮汐能潮汐能是由于地球和月球、太阳相互作用产生的能量。潮汐能是由于地球和月球、太阳相互作用产生的能量。涨潮时涨潮时退潮时退潮时潮汐电站工作原理潮汐电站工作原理浙江温岭江厦潮汐电站

13、为全国第一、世界第三的浙江温岭江厦潮汐电站为全国第一、世界第三的潮汐电站潮汐电站核能核能秦山核电站秦山核电站1.1.下列做法属于能量转化的是下列做法属于能量转化的是（ ） A.A.人烤火取暖人烤火取暖 B.B.划火柴点火划火柴点火 C.C.用热水袋取暖用热水袋取暖 D.D.用煤气炉给一壶水加热用煤气炉给一壶水加热 B B2.2.分析各现象中能的转化或转移分析各现象中能的转化或转移z锯木头，锯条发热锯木头，锯条发热 z气体膨胀做功，温度降低气体膨胀做功，温度降低 z水轮机带动发电机发电水轮机带动发电机发电 z电动机带动水泵转动电动机带动水泵转动 z电流通过灯丝使灯丝发光电流通过灯丝使灯丝发光 z

14、煤燃烧煤燃烧 z光合作用光合作用 z原子能发电原子能发电z压缩气体做功压缩气体做功 z给蓄电池充电给蓄电池充电 z木材燃烧木材燃烧 z手摇发电机发电使灯泡发光手摇发电机发电使灯泡发光 （机械能（机械能内能）内能）（内能（内能机械能）机械能）（机械能（机械能电能）电能）（电能（电能机械能）机械能）（电能（电能内能内能 光能）光能）（化学能（化学能内能）内能）（光能（光能化学能）化学能）（原子核能（原子核能内能内能电能）电能）（机械能（机械能内能）内能）（电能（电能化学能）化学能）（化学能（化学能内能）内能）（机械能（机械能电能电能内能内能 光能）光能）能源问题是现代社会发展的三大要素之一能源问题

15、是现代社会发展的三大要素之一, ,在在能源家族中能源家族中: :柴薪、煤炭、石油、天然气、柴薪、煤炭、石油、天然气、水能、风能、太阳能、地热能等水能、风能、太阳能、地热能等, ,在大量消耗各在大量消耗各种能源时种能源时, ,会造成空气污染的有会造成空气污染的有_;_;会造成水会造成水土流失和沙漠化的是土流失和沙漠化的是_(_(填序号填序号) )。 探究实践：探究实践：能能量量与与能能源源能量能量的转的转化与化与守恒守恒多种多种形式形式的能的能量量化学能化学能内能内能电磁能电磁能机械能机械能应应用用能能源源与与社社会会能源能源分类分类能源能源与环与环境境开开发发新新能能源源其他新其他新能源能源核

16、能核能太阳能太阳能 从世界范围看，纳米研究正在向应用和产业化努从世界范围看，纳米研究正在向应用和产业化努力，这也从侧面说明力，这也从侧面说明“纳米技术纳米技术”离大规模的应用还有离大规模的应用还有一个过程。比如美国前总统克林顿曾提出的用一个方糖一个过程。比如美国前总统克林顿曾提出的用一个方糖大小的存储器可存下国家图书馆的资料，这就是大小的存储器可存下国家图书馆的资料，这就是“纳米纳米晶体管晶体管”技术，但其目前还仅是实验室产品，不能用于技术，但其目前还仅是实验室产品，不能用于大规模生产，原因在于改造的成本过于昂贵、产品的可大规模生产，原因在于改造的成本过于昂贵、产品的可靠性和耐久性难以验证，靠

17、性和耐久性难以验证，“纳米科技展示的前景非常美纳米科技展示的前景非常美好，但要想使纳米材料真正大批量应用在现实生活中，好，但要想使纳米材料真正大批量应用在现实生活中，还需要科学家和政府的不断努力。还需要科学家和政府的不断努力。” 纳米，有时也会带来伤害。纳米，有时也会带来伤害。 不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技术不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技术可能出现负效果，纳米材料是非常小的微粒，如果应用不可能出现负效果，纳米材料是非常小的微粒，如果应用不得当，得当， 比如在一些药物中任意应用，也可能突破人体内比如在一些药物中任意应用，也可能突破人体内的一些屏障，对人类的健康造成伤害。

18、的一些屏障，对人类的健康造成伤害。 课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，但课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，但有专家表示疑虑：这种药材需要做到那么细吗？具体微小有专家表示疑虑：这种药材需要做到那么细吗？具体微小到什么程度能有最好疗效？到什么程度能有最好疗效？这些都值得商榷。全面看这些都值得商榷。全面看待纳米技术带来的技术进步和可能出现的弊端，表明人们待纳米技术带来的技术进步和可能出现的弊端，表明人们对纳米技术的认识更加理性、成熟。对纳米技术的认识更加理性、成熟。 皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害提出皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害提出的一份报告的观点相近。该报

19、告呼吁重视这种微粒给人的一份报告的观点相近。该报告呼吁重视这种微粒给人类生活带来的影响，建议规范和检验纳米产品，把纳米类生活带来的影响，建议规范和检验纳米产品，把纳米产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限度。产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限度。 目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳米管被目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳米管被人体吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积，会给人体健康人体吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积，会给人体健康和环境带来什么危害。他强调，目前国内对纳米产品的监和环境带来什么危害。他强调，目前国内对纳米产品的监控还是一片空白，对于涉及到普通市民安全的纳米产品，控

20、还是一片空白，对于涉及到普通市民安全的纳米产品，人们对应当怎样防护考虑得还不够。纳米技术是美好的，人们对应当怎样防护考虑得还不够。纳米技术是美好的，但我们应该把未来的不确定性和风险性降到最低，在这样但我们应该把未来的不确定性和风险性降到最低，在这样的情况下逐步发挥纳米技术的应用潜力，为人类造福。的情况下逐步发挥纳米技术的应用潜力，为人类造福。纳米科技纳米科技历程历程 19591959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，

21、制造产品，这是关于纳根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。米技术最早的梦想。2020世纪世纪7070年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，技的构想，19741974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。词描述精密机械加工。19821982年，科学家发明研究纳米的重要工具年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了促进作用。发展产生了促进作用。199

22、11991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的的六分之一，强度却是钢的100100倍，成为纳米技术研究的倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，碳纳米管将是热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，碳纳米管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。微开关以及纳米级电子线路等。19931993年，继年，继19891989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下下斯坦福大学英文名字、斯坦福大学英文

23、名字、19901990年美国国际商用机器公司在镍年美国国际商用机器公司在镍表面用表面用3636个氙原子排出个氙原子排出“IBM”IBM”之后，中国科学院北京真之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国中国”二字，标二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。19991999年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的了世界上最小的“秤秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，

24、德国科学家研制出即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。创造的纪录。到到19991999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到业额达到500500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。 在在“超级纤维超级纤维”领域实力不弱的我国科学家近年来领域实力不弱的我国科学家近年来也开展了相关研究，并于今年也开展

25、了相关研究，并于今年7 7月取得突破。西安交通大月取得突破。西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径，引导碳纳学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径，引导碳纳米管有序、定向生长在导电的硅片衬底上，并进而研制米管有序、定向生长在导电的硅片衬底上，并进而研制出功能完备的场发射像素管，因纯度高，有序性好，场出功能完备的场发射像素管，因纯度高，有序性好，场发发 射性能也大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化射性能也大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了中国人的独特贡献。进程中做出了中国人的独特贡献。 和传统显示器比，这种显示器不仅体积小，重量轻，和传统显示器比，这种显示器不仅体积小，重量轻，大大省电，显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从零大大省电，显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从零下下4545度到零上度到零上8585度都能正常工作，因此拥有极广阔的潜在度都能正常工作，因此拥有极广阔的潜在市场前景。市场前景。碳纳米管可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的碳纳米管可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可加强