第1节 能源利用的现状和面临的挑战

第二十二章能源与可持续发展能量概念是物理学中一个非常重要的概念，在《全日制义务教育物理课程标准》中，“能量”作为主线之一，也贯穿在整套教材中.本章在前面学过的各种能的知识的基础上，对能源知识作了常识性的介绍，对能量概念进行了简单的回顾和总结.本章介绍了日常生活中常用的各种能源，着重介绍了“核能”和“太阳能”，并简要介绍了人类利用能源的历程，以及能源的大量使用给人类带来的环境问题.本章共分3节： 1.第1节“能源利用的现状和面临的挑战”，本节的主要内容是让学生了解能源、不可再生能源和可再生能源、一次能源和二次能源等概念.通过实例说明了能量转移和转化具有方向性、能源消耗对环境的影响，以及21世纪的能源趋势. 2.第2节“新能源的发展”，本节内容是本章的重点，涉及核能、聚变、裂变、链式反应等核反应知识，但这些知识与学生的生活实际相离很远，教师在教学中应组织学生讨论与交流，尽量让学生有一个初步的印象.了解一些与太阳能有关的科普知识，重点要放在对太阳能的利用这一方面.3.第3节“跨学科实践：为节约能源设计方案”，让学生从优化自己家中能源的使用入手，制订出一个优化家庭能源使用的具体方案.【教学目标】 常识性了解什么是能源，什么是一次能源和二次能源，什么是可再生能源和不可再生能源；常识性了解核能、裂变和聚变;初步认识太阳的结构，大致了解太阳能的利用方式;常识性了解能量转化技术给人类带来的便利；初步了解能量转移和能量转化的方向性；认识能源消耗对环境的影响.【教学重点】能源的分类，能量转移和能量转化的方向性，能源消耗对环境的影响.核能和太阳能.【教学难点】区别一次能源和二次能源，区别不可再生能源与可再生能源，能量转移和转化的方向性的理解.核能的理解.【课时建议】本章共有3节，建议4课时第1节能源利用的现状和面临的挑战…………1课时第2节新能源的发展…………1课时第3节跨学科实践：为节约能源设计方案……1课时本章复习和总结……………………1课时第1节能源利用的现状和面临的挑战【教学目标】1.了解什么是能源，能源的不同分类.2.了解21世纪的能源趋势，了解能源利用面临的挑战.【教学重点】能源的分类.【教学难点】区别可再生能源和不可再生能源；一次能源和二次能源．【教具准备】多媒体课件、蜡烛、小灯泡、火柴、太阳能电动车、手电筒、手摇电动机.【教学课时】1课时【巩固复习】教师引导学生复习上一节内容，并讲解学生所做的课后作业(教师可针对性地挑选部分难题讲解），加强学生对知识的巩固.【新课引入】教师展示一个太阳能电动车，用手电筒照射，太阳能电动车转动了.用手摇发电机发电，使小灯泡发光.点燃蜡烛，蜡烛发光．师同学们这几个实验中都体现了哪些能量转化？学生讨论、交流并回答:太阳能电动车是把太阳能转化为动能，发电机是把机械能转化为电能，蜡烛燃烧是把化学能转化为内能.师同学们，我们通过前面的学习，认识了各种各样的能量，运转的发电机产生电能；电灯发热、发光，产生了内能和光能;燃料燃烧产生了内能；做机械运动的物体具有机械能等等.可见，能量在日常生活中，对我们来说是必不可少的.那么对于能量你们想了解哪些问题呢？讨论一下.学生讨论、交流并回答：生1:人类可以利用哪些能量？生2：我们需要的能量从哪里来？生3：自然界的能量取之不尽吗？学生产生疑问，积极思考.师以上这些，当我们学完本节后，你就会明白了.好，下面我们就开始学习.【进行新课】知识点1人类利用能源的历程1．能源师人类生产、生活的一切活动都需要能量.这些能量是从哪里来的呢？请大家举例分析.学生思考问题，并讨论回答：生1:我们烧水、做饭，需要能量，是柴薪、煤、天然气燃烧释放出来的能量；生2:开动汽车、飞机、轮船等交通工具，需要能量，是汽油、柴油燃烧释放出来的能量.生3:电灯发光，需要能量，是水力发电、火力发电转化来的电能.……师上面大家说到的柴薪、煤、天然气、汽油、柴油、水等都可以提供能量.因此，凡是能为人类提供能量的物质资源，都可以叫做能源.板书：能源：凡是能为人类提供能量的物质资源，都可以叫能源.2.化石能源师同学们，请根据你们掌握的地理知识，分析一下，煤、石油、天然气是如何形成的？学生交流讨论回答.师可以以煤、石油和天然气的形成为例进行讲解.用多媒体播放煤、石油和天然气的形成视频.生看完后，师引导学生分析，知道了煤是远古时期，植物通过光合作用，将太阳能转化为生物体的化学能.以植物为营养的动物、微小的海洋生物等，在它们死后，躯体埋在地下、海底，经过几百万年的沉淀、化学变化、地壳运动，在高压下前者变成了煤，后者变成了石油和天然气.师我们今天大规模使用的煤、石油和天然气，是千百万年前埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的（图22.1-2、图22.1-3），所以称为化石能源.师用多媒体展示海上开采石油画面，激发学生的好奇心和勇攀科学高峰的决心.3.不可再生能源和可再生能源板书：化石能源等不能在短期内从自然界得到补充，所以这类能源叫作不可再生能源.水能和风能等能源可以在短期内从自然界得到补充，叫作可再生能源.4.一次能源与二次能源可再生能源与不可再生能源都是可以直接从自然界获得的能源，我们称这样的能源为一次能源.师电能是怎么来的？生发电机产生的.电能是我们经常使用的能源.它通常是由其他能源转化而来的，最终还要转化为光能、内能、动能等其他形式的能量，为人类所用.为什么很多地方要使用电能，而不直接使用一次能源呢？这是因为电能便于输送和转化（图22.1-4）.现代社会离不开的各种各样的用电器，是将电能转化为其他各种形式能量的转化器.由入于电能无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到，所以称电能这样的能源为二次能源.师在我们生活中，能源有很多，如:柴薪、煤、石油、天然气、煤气、沼气、水能、太阳能、核能、电能等等.请大家比较，它们有什么不同，如何归类.按产生的方式可以分为：①一次能源:柴薪、煤、石油、天然气、水能、太阳能、核能等.②二次能源:电能、煤气、沼气等.板书：一次能源：从自然界直接获取的能源.二次能源：无法从自然界直接获取，必须通过一次能源的消耗才能得到的能源.知识点2能源利用面临的挑战师我们已经知道能量是守恒的，为什么还要节约能源呢？生有些能源不可再生.能量的转化和转移具有方向性师冬天，火炉把自己的内能传递给房间里的空气，供人们取暧;到了春天，能够把这些内能重新收集起来，来年再用吗？显然不能.一般情况下，内能只能从高温物体转移到低温物体，不能相反.否则会引起其他的变化，消耗别的能.再如，冰箱里的热量不会自动转移到外部，而必须消耗其他的能量（电能）才能把热量转移出来使冰箱内部变冷.可见，涉及热现象的能量转化过程是有方向性，不可逆的，消散掉的内能不能被收集起来再利用.同学们可以讨论、交流一下，看看哪些能量可以被利用，哪些不能？生1：前面学习过的化石能源、核能、太阳能可以被利用，风能、水能、地热能也能被利用.生2：机械摩擦产生的内能不能被利用，空气摩擦产生的内能也不能被利用.汽车制动时，由于摩擦，动能转化成了轮胎、地面和空气的内能，这些消耗的能量不能再自动地用来驱动汽车.同样，热量只能自发地从高温物体转移到低温物体，不能相反.如果要使热量从低温物体转移到高温物体，就需要消耗其他形式的能量，例如电冰箱就需要消耗电能.实际上，涉及热现象的能量转化和转移过程是有方向性、不可逆的.人们是在能量的转化或转移的过程中利用能量的.有些能量可以利用，有些则不能.因此，能源的利用是有条件的，我们所能利用的能源是有限的.化石能源是当今世界的主要能源，比如大多数汽车、飞机、轮船等交通工具都离不开它.板书：能量的转化和能量的转移，都是有方向性的.不是什么能量都可以利用，能源的利用是有条件的.我们所能利用的能源是有限的，所以需要节约能源.能源的消耗由于世界人口的增加和经济的不断发展，能源的消耗量持续增长.特别是近几十年来，能源消耗量的增长速度明显加快.如果把全世界的能源消耗量折合成热值为2.93×107J/kg的标准煤来计算，1950年为26亿吨，1987年为110多亿吨，2007年达到160亿吨，2022年达到205亿吨（图22.1-6）.如果长期大规模开采，化石能源最终将会消耗殆尽.师目前人类的主要能源还是石油，据已探测的数据表明，化石能源的储量并不丰富，而且化石能源开发利用后不能再生，不久的将来会消耗殆尽.石油的短缺终会引起世界的能源危机.3.能源与环境师人类在耗用各种能源时，特别是目前石油、煤炭占了能源的绝大部分，而且年消耗量在不断增长，不可避免地会对环境造成影响.现在我们来看下影像，了解一下它对环境有哪些影响呢？（师播放多媒体录像.生观看并思考.)学生通过观看多媒体影像，对能源消耗对环境的影响有了一些初步的认识．然后让学生讨论、举例说明能源消耗还会对环境造成哪些影响.使学生认识到过量使用能源会对环境造成严重的破坏.板书:在耗用各种能源时，不可避免地会对环境造成影响.例如，由于现代生活中化石能源的广泛使用，燃料的燃烧产生了大量的二氧化碳，加剧了地球的温室效应.此外，煤、石油、天然气等燃料往往含有杂质，致使燃烧生成的气体中含有二氧化硫等有害物质.燃料的不完全燃烧还会产生粉尘和一氧化碳，对人和环境造成危害.开发新能源、更好地利用已知能源，是全球范围内的重要课题.师化石能源的大量使用，不仅留给我们子孙后代的越来越少，而且造成严重的环境问题.又由于化石能源属于不可再生能源，我们必须尽快地设法开发新能源，同学们，什么样的能源是未来的理想能源呢？生展开交流、讨论：生1:未来的理想能源要能够大规模替代石油、煤炭和天然气等常规能源，必须足够丰富，可以保证长期使用；生2:未来的理想能源必须足够便宜，可以保证多数人用得起；生3:未来的理想能源相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用；生4:未来的理想能源必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境.师开发新能源、更好地利用已知能源是全球范围内的重要课题.希望同学们好好学习，将来开发出更多新能源.引导学生自主阅读教材P192燃煤发电的清洁技术.【教师结束语】同学们，我们通过这节课的学习，收获了不少知识.我们对能源有了新的理解，知道了21世纪能源趋势的变化.我们知道了能源需求面临着巨大压力，传统的煤炭、石油和天然气等化石能源，随着不断开采使用逐渐枯竭，并且在使用中给人类的生存环境带来了极大的影响，因此，我们在节约能源，保护环境的同时，更迫切希望开发新能源.好，谢谢大家！课后作业完成本课时的练习. 在分析煤、石油和天然气的形成过程中，通过播放动画视频，这样能激发学生的学习兴趣，突破了常规的教师说教讲解过程，将枯燥的知识形象化，生动化.让学生观看后，可以由学生自己发表各自的看法、互相交流、取舍正确与否，这样既让学生收获了知识，更能够提高学生的分析问题能力，同时增强学生的团结协作意识.在帮助学生分析能源消耗对环境的影响时，通过多媒体播放有关视频，将枯燥的说教变成动态影像呈现给学生，激发学生的学习兴趣，这样会给学生直观视觉效果，留下深刻的印象.让学生参与分析、讨论、交流、发言，增强学生树立环保节能、低碳生活的社会意识和社会责任感. 知能演练提升能力提升1.从人类生存的环境考虑,下列能源最理想的是()A.氢气 B.煤C.石油 D.天然气2.关于用水制取二级能源氢气,以下研究方向不正确的是()A.组成水的氢和氧均为燃烧的物质,因此可研究在水不分解的情况下,使氢气成为二级能源B.设法将太阳光聚焦,产生高温,使水分解成为氢气C.寻找高效催化剂,使水分解产生氢气D.寻找特殊的化学物质,用于开发廉价能源,以分解水制取氢气3.高铁动车组在高速行驶时是利用车上电动机提供的动力,到站前又可以先停止供电,车速从200km/h减至90km/h,这段时间是利用车的惯性前进,磁场中线圈随车轮一起转动,产生感应电流,在90km/h以下才进行机械刹车,这样既可以减少机械磨损又可以节约能源。整个过程中没有涉及的能量转化是 ()A.电能转化为机械能 B.机械能转化为电能C.机械能转化为内能 D.内能转化为机械能4.在下列有关能或能源的讨论中,你认为错误的是()A.人类社会面临能量危机,总有一天能量会被消耗殆尽B.煤、石油、天然气等的储量有限,人类面临能源危机C.很多传统能源已走向枯竭,但我们可以开发新的能源D.太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能实际是无限的5.四旋翼无人机如图所示,它的操控系统能够实现“一键起飞、一键返回、规划航线自动飞行和自动跟踪”等功能,它的操控系统是靠传递信息的;无人机是利用电能来工作的,电能属于(选填“一次能源”或“二次能源”)。

6.能源是现代社会发展的三大基本要素之一,能源家族有:①柴薪;②煤炭;③石油;④天然气;⑤水能;⑥风能;⑦太阳能;⑧地热能等。在大量耗用各种能源时,会造成空气污染的有;会造成水土流失和沙漠化的有。(填题中序号)

探究创新★7.阅读下列材料,回答问题。随着社会的发展和科技的进步,人们发现煤浑身是宝,它不仅是一种重要能源,还是一种十分重要的有机化工原料。“煤三兄弟”中变质程度最深的是无烟煤,它的发热量最高,火力强,烟尘很少,燃烧后灰渣不多,是一种很好的燃料。烟煤虽说变质程度比无烟煤差,发热中等,却是三兄弟中最有出息的,它不仅可以用来炼焦冶炼钢铁,而且还可以被汽化、液化用于生产和生活的许多方面;褐煤变质程度最差,发热量最低,却是很好的化工原料。把煤放到炼焦炉里,隔绝空气,加热到1000℃左右时,可得到焦炭、煤焦油和焦炉气等产品。焦炭可用于生产煤气、电极、合成氨、电石等,电石除了照明、切割和焊接外,还是生产塑料、纤维橡胶的重要化工原料。焦炉气是气体燃料和化工原料。煤焦油是制造染料、香料、合成橡胶、塑料、合成纤维、农药、化肥、炸药、洗涤剂、除草剂、溶剂、沥青、油漆、糖精、卫生球等的“原料仓库”。就连煤燃烧过程中产生的硫氧化物也可用来生产出优质硫酸;煤灰和煤渣,可用来制造水泥等建筑材料。噢!从煤里竟能得到这么多宝贝,怪不得它被人们誉为“万能的原料、黑色的金子”呢!(1)根据煤在形成过程中变质程度,可将煤分为、和。其中是最好的燃料。

(2)煤焦化后的产物为、和,它