12.4《能源与可持续发展》 教学设计-2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

12.4能源与可持续发展
一、教材分析
《能源与可持续发展》是普通高中教科书物理必修第三册第十二章第4节的内容。本节内容是由“能量转移和能量转化的方向性”、“能源消耗对环境的影响”、“能源与可持续发展”三部分内容组成的。根据能量守恒定律可知，使用能量的过程中，能量的总量保持不变，那么还会出现能源危机吗？因为能量在转化和转移的过程中具有方向性，把能量转化或转移后，能量不能自动再转化到原来形式或转移到原来的物体，这部分内容学生不太容易理解，是本节教学的难点。通过了解世界和我国使用能源状况，全世界对能源的需求量在不断增大，并且以不可再生能源为主，所以人类不得不面对能源危机，要实现能源与可持续发展，需要开发和探索各种新能源。所以了解世界和我国的能源状况是本节的教学重点。
二、学情分析
学习本节之前，学生已经学习了能量守恒的知识，为学习本节内容奠定了一定的基础。因此，可以先让学生回忆能量守恒定律，能量在转化和转移过程中的总量会保持不变，提出问题为什么还会出现能源危机，使学生产生一个矛盾，激发学生的学习兴趣，提出能量转移和转化的方向性的问题。通过分析实例来说明能量转移和转化的方向性，如汽车散失的热不能收集起来，虽然能量守恒，但散失的能量无法再次被使用。通过图片、视频等介绍在能源使用过程中对环境造成的危害，通过一些触目惊心的图片，使学生认识到使用能源时要注意环境保护，要辩证地看待能源的使用与环境保护间的关系。展示我国和世界近年来消耗能源的结构和数量，了解地球上储存的不可再生能源是有限的，人类正面对着能源危机，需要开发和利用新能源来解决这个问题。结合前面能源使用对环境的影响，提出新能源需要具备哪些特点。
三、教学目标
（一）物理观念
1.知道能量的转化和转移有一定的方向性。
2.了解我国和世界的能源状况和能源消耗的趋势。
3.了解未来理想能源的特征。
（二）科学思维
1.认识能源的利用对环境的影响。
2.能用辨证的观点来看待资源利用与环境保护的关系。
（三）科学探究
通过实验理解能量转移和能量转化的方向性。
（四）科学态度与责任
认识伴随大量能源消耗所产生的环境问题，对于能源的开发和利用有可持续发展的意识。
四、教学重点
了解世界和我国的能源状况。
五、教学难点
知道能量转化和转移的方向性。
六、教学流程
七、教学过程
（一）提出问题，引入新课
1.向学生们展示两张节约能源的宣传画，并且提出能量是守恒的，不会凭空消失，为什么我们还要节约能源呢？通过这个问题，引入新课。
2.播放自己剪辑的视频“水在常温下变成冰以及蜡烛燃烧变长”，提出问题，这两种现象是否违反能量守恒定律。
（二）能量转移或转化的方向性
冰在常温下变成水是外界的高温转移到低温的冰上，使得冰融化成水。假设水在常温下变成冰，那么原来的过程就是可逆的。蜡烛燃烧的时候，是将化学能转化成内能，如果蜡烛燃烧时变长，那么原来的过程就是可逆的。
这两种现象并不违反能量守恒定律，但是这样的过程为什么不存在呢？科学家研究发现，一切与热现象有关的宏观自然过程都是不可逆的。
在自然界中，能量的转移或转化过程有些是可以自然发生的，有些则不能。
例如，能量只能从高温物体传向低温的物体，而不能自发的逆向传递。化学能通过燃烧转化为内能，但是内能不会自发地重新转化为化学能。
又如，电池中的化学能转化为电能，电能又通过灯泡转化为内能和光能，热和光被其他物质吸收之后变成周围环境的内能，我们很难把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫作能量的耗散。
能量的耗散表明，在能源的利用过程中，能量在数量上虽未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源。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。
能量的耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有方向性。能源的利用受这种方向性的制约，所以，能源的利用是有条件的，也是有代价的。
（三）能源的分类与应用
煤炭、石油和天然气是目前人类生产、生活中使用的主要能源，这类能源又叫作化石能源。化石能源无法在短时间内再生，所以这类能源被叫作不可再生能源。水能、风能、潮汐能等能源，归根结底来源于太阳能。这些能源在自然界可以再生，叫作可再生能源。
近年来，我国在能源开发方面取得了很大的成就。
太阳能发电：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，我国太阳能光伏发电累计并网容量达到4.158×107kW。
水力发电：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。到2015 年中国水电装机总量突破 3×108kW，约占全球水电装机总量的四分之一，居世界第一。
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”。我国风力资源丰富，尤其是西北、华北、华东、西南地区。随着新能源政策的引导及风力发电、并网等技术的发展，我国风力发电开发走在了世界前列，装机容量居全球第一。
核能发电：一些质量较大的原子核在裂变成较轻的原子核时，会释放出惊人的能量。同样质量的化学燃料与核燃料相比，如果都进行了完全反应，核燃料释放出的能量要远远大于化学燃料释放出的能量。可控制的裂变反应所释放出的能量，可以很好地被人们所利用。核电站就是利用可控核裂变来发电的。有些质量较小的原子核聚合在一起发生聚变时，也会释放出能量。它比裂变反应的产能效率高，产生的核废料也比裂变的少，所以，由聚变产生核能是一种很好的方式。人们预计 21 世纪中叶，核聚变会有重大的技术突破。
能源与社会发展
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。
火的使用是人类在能源使用上的第一个里程碑，它使人类脱离了茹毛饮血的时代。
自工业革命以来，煤和石油成为人类的主要能源。18 世纪末发明和逐步完善的蒸汽机，以对化石能源的大规模利用为特征，开始了人类文明的新纪元。
内燃机的发展则强有力地推动了19世纪末、20世纪初开始的机械化与电气化进程。
到了 20 世纪 50 年代，世界石油和天然气的消耗量超过了煤炭。20 世纪中叶之后，随着核能的和平利用以及其他新能源技术的发展，人类对能源的利用，正从第三个时期向多能源结构时期过渡，但这一转换还远没有完成。能源科技的每一次突破，都带来了生产力的巨大飞跃和社会的进步。
能源是人类社会活动的物质基础。然而，煤炭和石油资源是有限的。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。
例如，石油和煤炭的燃烧增加了大气中二氧化碳的含量，由此加剧了温室效应，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。
随着人口迅速增长、经济快速发展以及工业化程度的提高，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。人类的生存与发展需要能源，能源的开发与使用又会对环境造成影响。
可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡 ：既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。这就需要树立新的能源安全观，并转变能源的供需模式。一方面要大力提倡节能，另一方面要发展可再生能源以及天然气、清洁煤和核能等在生产及消费过程中对生态环境的污染程度低的清洁能源，推动形成人与自然和谐发展的生态文明。
（五）课堂小结
通过和学生一起进行课堂总结，帮助学生形成本节课的知识结构。
八、板书设计
12.4能源与可持续发展
能量转移或转化的方向性
能量只能从高温物体传向低温的物体，而不能自发的逆向传递。
能源的分类与应用
太阳能发电
水力发电
风能发电
核能发电
能源与社会发展
可持续发展的核心是追求发展与资源、环境的平衡 ：既满足当代人的需求，又不损害子孙后代的需求。
提出问提引入新课
能量转移或转化的方向性
能源的分类与应用
能源与社会发展
课堂小结