《能源与可持续发展》教案

《能源与可持续发展》教案教学目标教学目标：列举各种实例，说明说明能量是如何转化的，解释能量守恒定律的含义；通过实例分析知道能量耗散，认识自然界中能量转化的方向性；收集资料，讨论能源的开发与利用带来的环境污染问题，认识环境污染的危害，思考科学•技术•社会•环境协调发展的关系，具有环境保护的意识和行动；了解太阳太阳能、水能、核能和风能等能源的开发利用，知道利用能量是人类生存和社会发展的必要条件之一。知道人类利用的能量来自可再生能源和不可再生能源，认识合理使用能源的重要性，具有可持续发展观念，养成节能的习惯。教学重点：认识到目前面临的能源与环境问题，理解这两个社会问题产生的原因，理解开发利用清洁能源的价值。教学难点：学生自主学习的基础上充分讨论，理解科学•技术•社会•环境关系的基础上，形成应有的科学态度和社会责任感。教学过程时间教学环节主要师生活动3分钟10分钟4分钟5分钟环节一：问题的提出：能量守恒定律环节二：能量转化或转移的方向性环节三：能源与社会发展环节四：能源的分类与应用环节一:问题的提出前面几节课，同学们了解了电路中的能量转化：在电路中，电源将其他形式的能转化为电能，负载又将电能转化为人类需要的内能、光能和机械能……情境引入：电的使用如果停电了。。。【问题1】现代生活，我们几乎离不开电，为什么？【学生】电能通过各种电器转化为各种形式的能量，例如：电视电灯电冰箱电风扇电热水壶电动汽车……【问题2】那么电能从哪里来？【学生】各种形式的能量转化为电能，例如：锂电风电水电核电生物电太阳能电……【教师】包含电能在内的各种形式的能量相互转化和转移。能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中，能量的总量保持不变，这就是能量守恒定律。在自然界所经历的种种变化之中，有一个称为能量的物理量是不变的……它是一件奇怪的事实，【问题1】既然这样，我们随心所欲的按需取用能量！还节约什么呀？【问题2】小红可没有那么乐观：现有的能量形式和我们需要的能量形式一样吗？可以随意转化或转移？环节二:能量转化或转移的方向性情境引入：世界最大二维多米诺骨牌倒了，自动恢复不可能。【教师】一个运动的物体在水平面上滑行，最终停下来。【学生】这个过程中物块的机械能全部转化为内能，反过来，内能全部转化为机械能让物块重新动起来是不会实现的。【教师】把刚煮好的热鸡蛋放在冷水中，过一会，鸡蛋的温度降低，水的温度升高，最后水和鸡蛋的温度相同。【学生】鸡蛋的一部分内能转移到水中！是否可能发生这样的现象：原来温度相同的水和鸡蛋，过一会儿水的温度自发地降低，而鸡蛋的温度上升，自发的水的一部分内能转移到鸡蛋呢？很遗憾没见过！【教师】火炉中燃烧燃料【学生】把化学能转化为内能散失在周围环境中，逆过程能自发进行吗？请大家来看看锅炉中燃烧燃料的火力发电厂的部分工作流程图吧，这是一个系列的能量转化过程。燃料首先进入大锅炉，产生的过热蒸汽进入汽轮机，汽轮机转动带动发电机发电【做一做】请大家阅读教科书STSE汽车和能源计算汽车消耗的总功率：汽车以80km/h的速度行驶，百米耗油约10L。大家可以从网络查出某标号汽油的密度和燃烧值。【学生】总功率大约74kW【教师】我们来看一下汽车利用能源的效率：74kW中只有9kW的功率到达了驱动轮，让汽车动起来。【学生】效率等于有用功与总功之比，可见目前汽车的效率非常低，大量的能源白白耗掉了。环节三:能源与社会发展汽车工业要发展，社会要发展，事实上，能源科技的每一次突破，都是里程碑，都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步。【教师】人类对能源的利用大致经历了三个时期，即柴薪时期、煤炭时期、石油时期。在能源利用的同时，人类也付出了很大的代价：大量煤炭和石油产品在燃烧时产生的气体改变了大气的成分，甚至加剧了气候的变化，加剧了温室效应，使得两极的冰雪融化，海平面上升；再如，石油和煤炭中常常含有硫，燃烧时形成的二氧化硫等物质使雨水的酸度升高，形成“酸雨”，腐蚀建筑物，酸化土壤；有些化合物会产生二次污染物质：光化学烟雾。燃烧时产生的浮尘也是主要污染物。【问题】能源短缺和过度使用化石能源带来的环境恶化已经成为关系到人类社会能否持续发展的大问题。怎么办？环节四:能源的分类与应用不管什么能源，如果在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低，我们叫做清洁能源，可再生能源都是清洁能源，不可再生能源当中的天然气，清洁煤等也是清洁能源。还给大家介绍一种神秘的清洁能源：核能。近年来，我国在能源开发方面取得了很大的成就：太阳能的利用对环境的影响很小，利用太阳能最有前途的领域是，通过太阳电池将太阳能直接转化成电能。目前我国是最大的光伏产品制造国。2015年年底，发电累计并网容量达到4.158×107kW水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式。水电对环境的影响比火电小，发电成本低。我国水电装机总量约占全球的1/4，居世界第一为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，成为“风车田”。我国风力资源丰富，风力发电装机容量居全球第一我国具有完全自主知识产权的三代百万千瓦级核电技术电站——华龙一号。华龙1号压力容器，核反应堆核心部件，总高约13米，总重约418米，代表着当今压水堆型核电站最高技术水平的华龙一号，究竟有多强呢？同学们可以调查一下！【问题】现在请同学们注意满屏的一个红字，有什么发现呢？【学生】我们开发各种能源，都想要转化为电能！【教师】人类需要电能：生产生活各行各业中。【问题】人类如何从大自然获得的呢？下一章学习了电磁感应，同学们可以初探发电机的奥秘。课后练习有人说：“既然能量不会凭空产生，也不会凭空消灭，能量在转化和转移的过程中，其总量是保持不变的，那么，我们为什么还要节约能源？”请你用能量转化和转移的方向性来论述节约能源的必要性。生活中的许多用品都可以看作能量转化器，它们把能量从一种形式转化为另一种形式。请观察你家中的各种生活用品，分别指出它们工作时进行了哪些能量转化。如图是某工程师的轻轨车站设计方案，与站台前后连接的轨道都有一个小坡度，列车进站时要上坡，出站时要下坡。假设站台高度比途中轨道高出2m，列车在途中轨道进站前的速度为29.2km/h。（1）此时切断电源，不考虑阻力，列车能否“冲”上站台？如果能，到达站台上的速度是多大？g取10m/s2。（2）你认为工程师这样设计的意图是什么？某地区的风速为14m/s，空气的密度为1.3kg/m3。若使风力发电机转动的风通过的截面积为400m2，且风能的20%可转化为电能，则发电功率是多少？如图是架在屋顶的太阳能热水器。已知单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量E0为7×103J/(m2·s)。一台热水器的聚热面积为2m2，若每天相当于太阳直射热水器4h，太阳能的20%可转化为水的内能，那么这个热水器一天内最多能利用的太阳能为多少？三峡水力发电站是我国最大的水力发电站。三峡水库蓄水后，平均水位落差约为100m，水的流量约为1.35×104m3/s。船只通航需要约3500m3/s的流量，其余流量可全部用来发电。水流冲击水轮机发电时，水流减少的机械能有20%转化为电能。（1）按照以上数据估算，三峡发电站的发电功率最大是多少？（2）根据你对家庭生活用电的调查来估算，如果三峡电站全部用于城市生活用电，它可以满足多少个百万人口城市的生活用电？课后练习解析和答案【答案】虽然从理论上讲宇宙间能量的总和是保持不变的，但是大自然中能量的转化和转移却是有方向性的。这意味着对于人类而言，以目前的技术条件来看，可利用的能量总数量是有限的，而不是无限的。能源种类中有可再生的能源，而绝大多数种类都是不可再生能源。这意味着人类活动、生活、生产所消耗掉的能量，有很大一部分是不可回收并且不可持续反复使用的。能量耗散表明，在能源的利用过程中，能源在数量上虽并未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的变成不便于利用的了。这是能源危机的深层次的含义，也是“自然界的能量虽然守恒，但还是要节约能源”的根本原因。因此，我们需要节约能源，同时也为保护环境，促进人类的科学发展、和平发展与可持续发展贡献出我们自己的一份力量。【答案】家用电饭锅把把电能转化为内能，煤气炉燃烧时把化学能转化为内能，等等。【答案】（1）能，5.1m/s（2）工程师这样设计，在保证车辆和乘客安全的前提下，尽可能科学地利用能量转化，让车辆的一部分动能转化为车辆的重力势能，使得车辆行驶速度降到一个安全合理的范围，减少因为刹车造成的能量浪费，从而达到科学合理利用能量、节约能源的目的。【解析】设车辆（含乘客）总质量为m，刚要上车时，初动能可以记为。站台高度h=2m，那么车辆冲上站台时重力势能的增加量。，所以车辆依靠惯性即可“冲”到站台上。根据机械能守恒定律，，代入数据，解得。【答案】142.7kW【解析】建立一个关于风力发电机的物理模型，则通过风力发电机的风的发电功率为。【答案】【解析】根据