人教版九年级物理第二十二章《能源和可持续发展》课件（86页ppt）

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能 源
第二十二章 第１节
　　2012年7月4日，三峡水电站32台机组全部投入工作。自2003年三峡工程正式开始发电，到2012年7月之间，三峡电站发电量累计达到5 648亿千瓦时，相当于从滚滚长江中捞起了近2亿吨标准煤，减排二氧化碳4亿吨、二氧化硫500多万吨。
　　三峡水电站是如何发电的呢？
　　电能只是人类生活、生产活动中广为使用的能量的一种。人类的生活、生产活动，无法离开能量的使用。
提高上游水位增加水的势能
高水位的水快速向下流推动水轮机转动
发电机在水轮机的带动下旋转发电
三峡水电站的发电原理
　　能够提供热、光、机械能和电能等各种形式的能量来源就叫能源。
　　金属的冶炼、机器的运转、汽车和火车等交通工具的行驶需要能量，生活中烧饭、取暖、照明等也需要能量。
　　生产和生活中利用的这些能量，是通过不同的能源提供的。各种能源的广泛利用，极大地促进了人类文明的发展。
一、能源概念
　　地球上的能源是否是无尽的呢？
　　我们的生活中都用到哪些能源呢？
　　钻木取火这项技术的出现，使人类实现了从利用自然火到利用人工火的转变。开启了人类以柴薪为主要能源的时代。
　　柴薪主要通过砍伐森林获得，大面积的砍伐森林严重破坏地球的生态平衡。同时由于燃烧柴薪获取能量的效率较低，人类仍需要开发其他的能源。
二、人类利用能源的历程
　　蒸汽机的发明令人类成功地将燃烧获取的内能转化为机械能。实现了以机械动力大规模代替人力和畜力的新时代，人类的主要能源从柴薪转向热值更高的煤。
　　煤、石油、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，所以称为化石能源。这三种能源是当今世界一次能源的三大支柱。
　　1．能直接从自然界获取的能源称为一次能源
煤
石油
风能
地热能
水能
三、能源的类型
　　2．由一次能源经过加工得到的能源称为二次能源
汽油、柴油
风力发电
水力发电
太阳能发电
地热发电
电能的利用
一次能源
二次能源
天然气
化石能源
煤
石油
核能
电能
汽油
风能
太阳能
水能
地热能
柴油
能源分类
　　如果把全世界的能源消耗量折合成热值为2.93×107 J/kg的标准煤来计算，1950年为26 亿吨，1987年为110 多亿吨，2003年接近140 亿吨，2007年达到160 亿吨。
四、21世纪的能源趋势
　　化石能源是现代人类文明所需的主要能源。由于其属于不可再生的资源，所以总有使用殆尽的一天。
　　而且在开采化石能源的过程中因意外而对环境的破坏也十分严重。所以开发新能源、更好地利用已知能源是全球范围的重要课题。
　　20世纪40年代，科学家发明了可以控制核能释放的装置——核反应堆，拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕。
核反应堆外围包裹着厚厚的混凝土罩以吸收辐射
水在核反应堆中心循环流动，吸收在核反应中产生的热量，并将这部分内能传递给蒸汽发生器内的水
吸收了热量的水汽化变成蒸汽
蒸汽推动发电机运转，
将蒸汽的机械能转化为电能
核能发电的原理
　二次能源 电能
不造成空气污染
不排放CO2
消耗核能源少
发电成本低
产生放射性废料
排热量大
建厂成本大
核泄漏污染大
核能发电的利弊
新能源：又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、潮汐能、氢能、生物质能和核聚变能等。
太阳能
风能
核能：核电站
槽式太阳能光热
海洋能
生物质能：修建沼气池
地热能
三峡大坝卫星图
潮汐发电
　　1．人们的生产和生活中利用能源提供能
量。
　　2．人类历史上利用的能源逐步从太阳、柴薪等转变成煤、石油、天然气等化石能源。
课堂小结
核 能
第二十二章 第２节
1．原子结构
H2O分子
　　以水分子为例：它由一个氧原子和两个氢原子组成。
一、核能
H
　　原子由原子核和核外电子组成。
　　（1）氢原子由原子核和一个核外电子组成。
　　原子核有一个质子，质子带正电荷，核外电子带负电荷。二者电荷量相同。
O
　　（2） 氧原子由原子核和八个核外电子组成。
　　原子核有八个质子和八个中子，由于中子不带电，所以正负电荷量仍然相同。
　　质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合时，就有可能释放出惊人的能量，这就是核能。
2．核能
　　质子和中子依靠强大的核力紧密地结合在一起。要使它们分裂或结合都是极其困难的。
质量亏损与质能方程
1.裂变：把重核分裂成质量较小的核，释放核能的反应叫做裂变．
2.聚变：把轻核结合成质量较大的核，释放出核能的反应叫做聚变．
〓
聚变
〓
裂变
1938年，科学家用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生了裂变。
1 kg铀全部裂变，释放的能量超过2 000 t煤完全燃烧时释放的能量。
　　用中子轰击铀核，铀核才能发生裂变，放出能量。
　　外界中子停止轰击，裂变也就停止了。怎样才能让裂变继续下去呢？
1．发生裂变的条件
二、裂变
?? 1938年，德国物理学家哈恩和他的助手史特拉斯曼发现，用中子轰击铀核时，发现有钡的产生，他们提出铀核发生了裂变。铀核裂变的产物是多种多样的，一种典型的反映是裂变为钡和氪，同时放出三个中子，其核反应方程是：
+
→
+
+
那么，地球上的能源是否是无尽的呢？
　　将火柴搭成左下图所示结构，点燃第一根火柴后，会发生什么？
2．链式反应
　　用中子轰击铀235原子核，铀核在分裂时，会释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子会继续轰击其他铀核。于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量核能，这就是裂变中的链式反应。
想想议议
　　核电站的核心设备是核反应堆。核反应堆是原子核发生链式反应的场所。
　　1942年，人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变。
　　目前，全世界已经建成了几百座核电站，核电发电量接近全球发电量的1/5。
3．核电站利用核能发电
水泥防护层
控制棒——镉棒
（吸收中子）
燃料棒—铀棒
减速剂
（速度与热运动速度相当的中子最适合引发裂变，称热中子或慢中子）
（常用慢化剂有石墨、重水、和普通水）
链式反应的应用——
核电站慢中子反应堆
核电站
浓缩铀（铀235含量占2%—4%)
核反应堆
用人工的方法控制核裂变链式反应速度获得核能的装置，叫做反应堆。
核燃烧裂变释放的能量使反应区温度升高，水或者液态金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却。
　　链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变。释放出极大的能量。
　　在人类实现可控核裂变大约三年后，即1945年，利用不加控制的核裂变制造的毁灭性武器——原子弹爆炸了。
原子弹之父---奥本海默
美国犹太人物理学家，曼哈顿计划的领导者，1945年主导制造出世界上第一颗原子弹，被誉为“原子弹之父”。
1904~1967
原子弹爆炸时的蘑菇云
“小男孩”（前）和“胖子”
我国的原子弹发展史
钱三强
1913~1992
中国核能科学事业的创始人，中国“两弹一星”元勋，中国科学院院士。1946年底，荣获法国科学院亨利·德巴微物理学奖。1948年，任清华大学物理系教授，中国科学院近代物理中国科学院副院长兼浙江大学校长，中国科协副主席、名誉主席，中国物理学会副理事长、理事长。
何泽慧
核物理学家 。1914年生于江苏苏州；1936年毕业于清华大学；1940年获德国柏林高等工业大学工程博士学位；1980年当选为中国科学院学部委员。 中国科学院高能物理研究所研究员。被称为中国的居里夫人。
1914~2011
钱三强何泽慧夫妇
总理看望老人
20世纪90年代初，他曾到这里拜访过钱三强夫妇。
温家宝对何泽慧说：“我一定不失约，每年都来看您，就是希望您身体健康！
杨承宗
中华人民共和国放射化学奠基人，中国科技大学建校元勋、原副校长，中国科技大学放射化学和辐射化学系首任系主任，原合肥联合大学首任校长，合肥学院名誉校长。1932年毕业于上海大同大学。
1911~2011
我国的原子弹
我国的原子弹
1964年10月16日下午3时，中国在罗布泊成功地爆炸了第一颗原子弹，继美国、苏联、英国 、法国之后，成为世界第五个拥有核武装的国家。
中国政府发表声明称，中国发展核武器，完全是为了保卫中国人民免受核战斗的威胁。同时郑重宣布，中国在任何时候，任何情况下，都不会首先使用核武器，并建议召开世界各国首脑会议，讨论全面禁止和彻底销毁核武器问题。
第一座核反应堆
　　将质量较小的原子核结合起来，也会释放出巨大的核能。
氘
氚
氦核
中子
　　氘核与氚核在超高温下结合形成氦核和一个中子，能释放大量核能。这一过程就是聚变。
三、聚变
能量
聚变
热核反应在宇宙中是很普遍的.太阳内部和许多恒星内部，温度高达lO7K以上，热核反应在那里激烈地进行着．太阳每秒钟辐射出来的能量约为3．8×l026J就是由热核反应产生的。地球只接受了其中的二十亿分之一左右，就使得地面温暖，万物生长．但是目前除了氢弹以外，人们还不能控制聚变反应，和平利用聚变时释放的核能是未来人们研究新能源的发展方向。
太阳就是一个巨大的热核反应堆
核聚变的利用——氢弹
核聚变的利用——氢弹
弹体
引爆装置
小型原子弹
三种炸药：
普通炸药
Ｕ235
氘、氚
爆炸
裂变
聚变
氘、氚、重氢化钾等
铀235
外壳
普通炸药
　　氘核和氚核都属于氢核的一种。大量氢核的聚变，可以在瞬间释放惊人的能量。氢弹利用的就是聚变瞬间释放的能量。
　　可控聚变尚未实
现，海水中蕴藏着丰
富的氘核，科学家预
言，通过可控聚变来
利用核能，将有望彻
底解决人类能源问题。
核聚变的利用——可控热核反应
现在的技术还不能控制热核反应。
问题有：
（１）热核反应的的点火温度很高；
（２）如何约束聚变所需的燃料；
磁场约束
托卡马克
是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器。它的名字Tokamak 来源于环形、真空室、磁、线圈。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。
全超导托卡马克核聚变实验装置装置，其运行原理就是在装置的真空室内加入少量氢的同位素氘或氚，通过类似变压器的原理使其产生等离子体，然后提高其密度、温度使其发生聚变反应，反应过程中会产生巨大的能量。2009年，世界上首个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置（EAST）首轮物理放电实验取得成功，标志着我国站在了世界核聚变研究的前端。
2016年2月，中国EAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到5000万度持续时间最长的等离子体放电。
2018年11月12日，从中科院合肥物质科学研究院获悉，EAST近期实现1亿摄氏度等离子体运行等多项重大突破。
中国环流器二号M装置是中国目前规模最大、参数最高的先进托卡马克装置，是中国新一代先进磁约束核聚变实验研究装置。
2020年12月4日14时02分，中国环流器二号M装置（HL-2M）在成都建成并实现首次放电。
核能
裂变
聚变
原子弹
核反应堆
氢弹
课堂小结
太阳能
第二十二章 第３节
　　动植物的生长，人类的活动都无法离开太阳。这个发光发热的大火球已经存在了50亿年之久。你是否了解太阳？人类是否能够从距离地球1.5亿千米远处的太阳上，获取所需的能源？
　　太阳距地球1.5亿千米，直径大约是地球的110倍，体积是地球的130万倍，质量是地球的33万倍，核心温度高达1 500万摄氏度。
一、太阳——巨大的核能火炉
　　在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放
出巨大的核能。太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸，
太阳就像一个巨大的“核能火炉”。
　　太阳表面温度约6 000 ℃，太阳至今已经稳定地
“燃烧”了近50亿年，而且还能继续“燃烧”50亿年。
太阳向外辐射的能量中，只有约二十亿分之一
传递到地球。
二、太阳是人类能源的宝库
太阳光已经照耀我们的地球近50亿年，地球在这近50亿年中积累的太阳能是我们今天所用大部分能量的源泉。人类的日常生活，也无法离开阳光。
　　今天我们开采化石燃料，实际上是在开采上亿年前地球接收的太阳能。
远古时期的植物通过光合作用将太阳能转化为生物体内的化学能。
经过地壳的不断运动，死后的动植物躯体埋在地下和海底。
经过几百万年的复杂变化，变成了煤、石油、天然气。
化石能源的形成
　　直接利用太阳能的方式主要有两种。
太阳能
内能
　　用集热器收集阳光中的能量来加热水等物质。实现了把太阳能转化为内能。
1．光热转化
三、太阳能的利用
热水
冷水
水箱
集热器
太阳光
集热器的原理
太阳能
电能
太阳能电池可以将太阳能转变为电能；
在航空、航 天、交通、通信等领域中有较为广泛的应用。
2．光电转化
三、太阳能的利用
太阳能热发电电站
集热塔 加热水，通过水蒸气推动汽轮机发电
定日镜 追着太阳转，反射阳光
　　2010年，上海世博会中国馆采用了大量先进的太阳能科技，整座世博园的太阳能发电装置每年预计节电约
420 万千瓦时，减排二氧化碳约4 100 吨。
　　右图为世界上最大的太阳能发电厂之一的帕赛尔工厂。
　　坐落在美国加州的赛尔帕工厂有52 000 块电池板，覆盖面积约为36 万平方米 ，这些电池板能容纳将近四百万块太阳能电池。
　　在一个阳光明媚日子的正午时分，它的产电能力可以达到11 兆瓦，足以为8 000个家庭供电。每年减少二氧化碳的排放1.3 万吨。
京郊居民光伏发电项目并入国家电网
能源易获取
不排放CO2
能源量大
可持续性强
能源分散
受自然条件限制
转化效率低
成本较高
太阳能技术的优缺点
太阳能的介绍
太阳能的利用
转化为内能
转化为电能
课堂小结
能源与可持续发展
第二十二章 第４节
　　既然能量是守恒的，那地球上的能量就不会减少了，为什么还需要节约能源？
想想议议
一、能量转移和能量转化的方向性
　　我们从石油中提炼出汽油，内燃机把能源中储备的化学能转化为汽车的机械能、内能。
这些机械能、内能无法再转化回可以被利用的能源。
例1
化学能
内能
内能
机械能
例2
　　火力发电厂把煤中贮存的化学能转化为电能，供生产和生活用。
　　用电器将电能转化为内能、光能、机械能多种形式的能后，这些能量无法再变回能源。
化学能
内能
内能
电能
　　在热传递的过程中，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。
　　汽车制动时，由于摩擦，动能转化成轮胎、地面和空气的内能，这些消耗的能量不能再自动地被用来驱动汽车。
　　能量的转化和转移具有方向性，有些能量可以利用，有些则不能。
　　我们所能利用的能源是有限的，所以需要节约能源。
　　化石能源通过燃烧转化为内能，相当一部分内能没有被有效利用。
二、能源消耗对环境的影响
　　汽车尾气造成空气污染和城市热岛效应。
　　燃料燃烧产生的大量二氧化碳，加剧了地球的温室效应。
　　燃料燃烧还生成二氧化硫、氮氧化物、粉尘和一氧化碳等有害物质。
酸性气体形成酸雨造成危害
酸雨侵蚀后的汉白玉石柱
　　在下表中，用“√”表示大量耗用该类能源对
环境会有明显破坏，用“×”表示对环境不会造成
明显破坏。
　　在耗用各种能源时，对环境是否会造成破坏呢？
想想议议
　　1．提高能源的利用率，减少在能源使用中对环境的破坏。
自2012年6月1日起，北京的机动车燃油进行了最新一轮的升级，升级后的燃油更加环保，可以改善大气质量。
三、能源与可持续发展
可再生能源：
　　太阳能、风能、水能等可以在自然界里源源不断地得到 。
2．发展新的理想能源
不可再生能源：
　　化石能源、核能等能源会越用越少。
　　你认为风能、太阳能、核能以及你所想到的可能的能源，哪些有可能成为未来的理想能源，为什么？
　　能源家族中，有木柴、煤炭、石油、天然气、水能、风能、太阳能、核能等，哪 些属于不可再生能源？哪些属于可再生能源？
想想议议
(1)必须足够丰富，可以保证长期使用.
(2)必须足够便宜，可以保证多数人用得起.
(3)相关的技术必须成熟，可以保证大规模使用.
(4)必须足够安全、清洁，可以保证不会严重影响环境.
未来理想能源满足的条件：
　　你认为风能、太阳能、核能以及你所想到的可能的能源，哪些有可能成为未来的理想能源，为什么？
课堂小结
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