12.4 能源与可持续发展 教学设计(含答案)-2022-2023学年物理高二上学期（人教版2019必修第三册）

课题：《能源与可持续发展》教学设计部别：高中年级：高一班级：组别：物理教师：日期：年月日第节一、课标要求与解读【课标要求】本节第一部分“能量转移或转化的方向性”,从生活实际出发,让学生了解“自然界中热传导过程和能量转化、转移是有一定方向的”,让学生知道能量守恒定律,在这部分教学中,应使学生体会科学家不畏艰辛的探索精神,结合实例进行理解,体会物理学与技术发展的互动关系.第二部分“能源的分类与应用”及第三部分“能源与社会发展”,让学生了解认识能源的分类,让学生了解能源对人类文明的意义和现在我们所面临的环境问题,引入可持续发展的概念.让学生认识节约能源、开发新能源与可持续发展的关系,可以让学生通过查阅相关材料,提出自己的见解.思考怎样探索和使用未来的理想能源.通过本节的学习,第一要求学生了解我国和世界的能源状况,我国发展能源的方针和对策.第二要求学生要关心科学发展前沿,具有可持续发展的意识,树立科学的世界观,有将科学服务于人类的使命感与责任感。【课标解读】1.通过收集信息、阅读资料、相互交流,判断能量转移或转化的方向性及不可逆性的有关说法是否正确;从可持续发展角度分析能源、资源及日常诸多现象,提出自己的观点及其可行的做法.2.通过认识科学及其相关技术对人类社会发展的影响,形成将科学服务于人类的意识.通过了解能源消耗对环境的影响,认识科技对人类社会发展的负面影响,提高节能意识和环保意识,并在个人力所能及的范围内对社会的可持续发展做出自己的贡献。二、教学内容与分析【教材分析】本节以能源与可持续发展为主线,讲述了能源、环境与人类生存的关系,介绍了能源的开发和利用带来的问题及应该采取的对策,通过交流与讨论、实验与制作、调查与研究、提节能的合理化建议、出宣传环保的黑板报等多种活动形式,使学生真正意识到能源危机的严峻性和环境污染的危害性,认识到节约能源、保护环境和可持续发展的重大意义,树立节能意识、环保意识,增强可持续发展的责任感,并能从我做起,主动参与到节能与环保的行列之中。【学情分析】对于“能源与可持续发展”的教学,我们可以通过图片展示常规能源对环境的污染和能源危机,引导学生学习人类利用能源的简史、能源分类以及未来能源趋势,并重点结合能源利用的发展,使学生认识到能量的转移和转化.让学生利用课前收集的资料,在课堂上相互交流和讨论,拓展学习内容的深度与广度,培养学生收集信息、处理信息的能力。三、核心素养物理观念：通过掌握能量守恒定律的含义，培养学生用能量观点研究问题的观念。科学思维：通过实例分析知道能量耗散的原来，培养学生联系实际思考问题的能力。科学探究：通过探究讨论能量的开发与利用所带来的环境污染问题，理解环境污染危害的本质。科学态度与责任：通过认识可再生能源和不可再生能源的相关知识，使学生认识合理利用能源的重要性，养成节能的意识和习惯。四、教学重点与难点【教学重点】理解能源的概念和能源的使用与环境污染的关系。【教学难点】能量守恒定律的理解与应用。五、教学方法讲授、讨论、谈话六、教学准备多媒体课件七、课时安排1课时八、教学过程教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图导入新课教师:什么是能量守恒定律?学生: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.这个规律叫作能量守恒定律学生思考并回答问题引起学生学习的兴趣讲授新课观察下列现象:(1)逐渐降低的秋千(2)手融化冰块提出问题:(1)秋千慢慢降低说明什么?(2)冰能自动融化吗?这说明什么?(3)秋千降低后能自动恢复原状吗?(4)要实现以上现象应该如何办?学生1:(1)秋千慢慢降低说明机械能转化成了其他能量.学生2:(2)能,热能够自发地从高温的手向低温的冰块传输.学生3:(3)内能不能自发地转化为机械能.学生4:(4)要实现能量转化沿反方向进行,则必须做功.教师点评:与热现象有关的能量转化过程是具有方向性的,或者说,能量转化和转移具有不可逆性.教师:什么是“能量的耗散”?体会能量在转化的过程中其品质降低的含义?学生:在日常生活中,有些机械能、电能、光能、化学能、核能等由集中性较高而且有序的能量变为内能,流散到周围环境中,成为更加分散而无序的能量,这些流散的能量我们很难再收集起来重新利用,这种现象叫做能量的耗散.从能量的可利用的品质来看,内能较机械能、电能是一种低品质的能量,能量耗散虽然不会使能量的总量减少,却会导致能量品质的降低,煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量,在利用它们的时候,高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的内能.能量虽然不会减少,但能源会越来越少,所以要节约能源.[归纳总结](1)能量守恒定律: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.(2)能量的耗散:集中度较高且有序度较高的能量如机械能、电能、化学能等,当它们变为周围环境的内能后,就成为更加分散且无序度更大的能量,内能作为能量发展的最终形式,没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用.(3)品质降低:能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低.能量在利用过程中,总是由高品质的能量最终转化为低品质的内能.[巩固练习]物体从高处落下,由于受空气阻力的影响,它的(B)A.机械能减少,内能减少 B.机械能减少,内能增加C.机械能增加,内能也增加 D.机械能和内能都不变解析:物体从高处落下时,克服空气阻力做功,机械能减少,内能增加,B正确.2.能源的分类与应用教师:什么是不可再生能源?什么是可再生能源?学生:无法在短时间内再生的能源叫作不可再生能源.例如:煤、石油、天然气等这些化石能源.在自然界可以再生的能源叫作可再生能源.例如:水能、风能、生物质能、地热能等.教师:(介绍)随着社会的进步和生产力的飞速发展,能量的消耗也急剧增加,常规能源中的煤、石油、天然气储量有限,风能、水能等的利用受到很多自然条件的限制,也不可能满足人类社会对能源的需求,所以能源的开发和利用是当今世界的重大课题之一.请列举一下我国在能源开发方面取得的巨大成就有哪些?学生:(1)太阳能发电:有直接加热物体的太阳能热水器、太阳灶,有利用半导体材料把太阳能转化为电能的太阳能电池等,主要问题是只能白天工作,还要受天气影响,会妨碍大规模使用太阳能,要研究储存太阳能的方法.(2)水力发电:水能是可再生能源.有巨大的开发潜力,可开发梯级水力发电站.(3)风能发电: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”.我国的新疆、内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电.(4)核能发电:是一个巨大的能源,通过原子反应堆进行核发电,主要应注意防止核泄漏、核污染.[归纳总结(1)能源:能源是指能够提供可利用能量的物质,它是现代社会生活的重要物质基础.(2)不可再生能源:无法在短时间内再生的能源.例如:煤、石油、天然气等这些化石能源.(3)可再生能源:在自然界可以再生的能源.例如:水能、风能、生物质能、地热能等.(4)新能源的开发:①太阳能发电;②水力发电;③风能发电;④核能发电.[案例分析二]如图所示是我国能源结构的统计图,请根据此图数据完成下面两个问题:(1)总结出我国能源结构或能源现状的规律.(2)试着提出解决这种现状的合理化建议.学生分小组讨论、分析得出结论.学生:(1)我国的能源结构主要以煤为主;我国的能源消耗中不可再生能源占据的比例过大,结构不合理;我国能源消耗中可再生能源的比例过小.(2)建议:节能降耗;开发新能源;开发可再生能源(如太阳能、风能等).[归纳总结]改变能源结构,开发新能源.[巩固练习]“能源分类的相关图”如图所示,四组能源选项中全部符合图中阴影部分能源的是(C)A.煤炭、石油、天然气B.水能、生物质能、天然气C.太阳能、风能、生物质能D.地热能、海洋能、核能解析:由能源的分类及各能源的特点,三种不同分类方法中的公共部分为太阳能、风能、生物质能,故C项正确.3.能源与社会发展教师:人类对能源的利用经历了哪三个时期?学生:柴薪时期、煤炭时期、石油时期.教师:化石能源的资源有限,而且大量化石能源的使用对环境会造成很大的破坏,那么造成的环境污染主要有哪些?学生:(1)温室效应大量燃烧石油、煤炭、天然气等产生的二氧化碳气体,增加了大气中二氧化碳的含量,二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用,就像暖房的玻璃一样,只准太阳光的热辐射进来,不让室内长波热辐射出去,使地球气温上升,这种效应叫温室效应.温室效应使两极的冰雪融化,海平面上升,淹没沿海城市,使海水倒流入河流,从而使耕地盐碱化.(2)酸雨酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水.形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油产品,以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫和氮的氧化物,通过化学反应分别转化为硫酸和硝酸,混入雨水和雪水中,使其酸度增加.同时,酸雨的形成还与大气中其他许多碱性物质如飞灰中的氧化钙、土壤中的碳酸钙等与酸发生中和反应有关.酸雨对人类是有害的,首先危害人体健康:由于酸雨可溶解空气及土壤中的重金属粒子,使其变成对人体有害的金属,人饮用了这种水就能诱发各种疾病;其次使土壤酸度增加从而危害植物的正常生长,使土壤沙化;河流湖泊酸化后就影响水生生物及鱼类的生长等,严重破坏生态环境;再者酸雨是强腐蚀剂,(3)光化学烟雾内燃机工作时的高温使空气和燃料中的多种物质发生化学反应,产生氮的氧化物和碳氢化合物.这些化合物在大气中受到紫外线的照射,产生二次污染物质——光化学烟雾.这些物质有毒,会引起人的多种疾病.[归纳总结](1)常规能源的使用对环境污染严重.(2)新能源:指目前尚未被人类大规模利用而有待进一步研究、开发和利用的能源,如核能、太阳能、风能、地热能、海洋能、氢能等.环境污染的种类:大气污染、水污染、噪声污染,具体有温室效应、酸雨、光化学污染.①温室效应:化石燃料燃烧放出的大量二氧化碳,使大气中二氧化碳的含量大量增加,导致“温室效应”,造成地面温度上升、两极的冰雪融化、海平面上升、淹没沿海地区等不良影响.②酸雨:排放到大气中的大量二氧化硫和氮的氧化物等在降水过程中溶入雨水,使其形成酸雨,酸雨进入地表、江河,破坏土壤,影响农作物生长,使生物死亡,破坏生态平衡.同时腐蚀建筑结构、工业装备、动力和通讯设备等,还直接危害人类健康.③臭氧层的破坏:臭氧层的存在对吸收紫外线方面起着举足轻重的作用,一旦臭氧层遭到破坏,对生物有害的紫外线会毫无遮拦地照射到地面上,会提高皮肤癌和白内障的发病率,也会影响我们的免疫系统.同时对不同生态系统中生物的生长、发育、繁殖、分布和生物地球化学循环都会造成一系列危害.[案例分析三]如图是锅炉工作时的外景,从节约能源和环境保护角度来看,分析存在的主要问题是什么.学生分小组讨论、分析得出答案.学生:由图中的浓烟滚滚,可以发现存在的主要问题有两个:一是燃料燃烧不充分,且烟气带走大量的热量,造成能量损失;二是造成大气污染.[案例分析四]我国人均能源占有量只有世界平均数的14,解决我国能源问题的基本方针是:能源开发与节约并重.谈谈你可以通过哪些简单的方法改变自己的生活方式,学生分小组讨论、分析得出答案.学生:节约的方法有很多,最重要的是看你有没有心去做,但只有你自己节约,别人在一旁享受,这也起不了很大的作用.所以最好能人人节约,这样,效果就会比较好了.(1)在夏天,如果不是很热,可以尽量少开空调.(2)把通常比较少用的电器插头拔起来,可以减少电能的损耗.(3)绿色出行.[归纳总结]防治措施:①健全法规,强化管理,控制排放;②发展清洁煤技术,减少燃烧过程SO2的排放;③通过改造发动机,安装汽车尾气净化器,用无铅汽油代替含铅汽油等手段,控制汽车尾气的排放.[巩固练习(多选)关于“温室效应”,下列说法正确的是(BC)A.太阳能源源不断地辐射到地球上,由此产生了“温室效应”B.石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量,由此产生了“温室效应”C.“温室效应”使得地面气温上升,两极冰雪融化D.“温室效应”使得土壤酸化解析:“温室效应”的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量.它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等,故B,C正确随堂练习2.(多选)下列对能量守恒定律的认识正确的是(ABC)A.某种形式的能减少,一定存在其他形式的能增加B.某个物体的能减少,必然有其他物体的能增加C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的D.石子从空中落下,最后静止在地面上,说明机械能消失了解析:根据能量守恒定律得知,某种形式的能减少,其他形式的能一定增加;某个物体的能量减少,必然有其他物体的能量增加,A,B正确;不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机,违反了能量守恒定律,不可能制成,C正确;石子在运动和碰撞中机械能转化为了石子本身及周围物体的内能,能量并没有消失,D错误.3.(多选)煤是重要的能源和化工原料,直接燃烧既浪费资源又污染环境.最近,某企业利用“煤粉加压气化制备合成气新技术”,让煤变成合成气(一氧化碳及氢气总含量≥90%),把煤“吃干榨尽”.下列有关说法中正确的是(ACD)A.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化和物理变化B.煤粉加压气化制备合成气过程涉及化学变化但没有物理变化C.该技术实现了煤的清洁利用D.该技术实现了煤的高效利用解析:煤粉加压气化制备合成气中既有物理变化,又有化学变化,A正确,B错误;该技术使煤得以高效良好利用且更加环保,C,D正确.4.瀑布从20m高处以103m3/s的流量竖直落下,流进底部的水轮机后再以2m/s的速度流出,水轮机再带动发电机发电.如果水的机械能转化为电能的效率是80%,那么发电机发出的电功率有多大?(瀑布在山顶的速度可忽略不计,g取10m/s2)解析:设t时间内流下的水的质量为m,以m为研究对象,竖直下落后减少的机械能为mgh-12mv2转化为电能的功率为P=Et=(mgh-12mv2)×80%t=mtgh-v22×0.8=103×103×(10×20-12×22)×0.