16.3 能源：危机与希望 教案【核心素养目标】（2022新课标）

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第十六章 粒子和宇宙
16.3 能源：危机与希望
教学目标：
1.物理观念：
（1）知道能量的转化和转移有一定的方向性。知道能量转化和守恒定律。
（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。
2.科学思维：
能用辩证的观点来看待资源利用与环境保护的关系。
3.科学探究：
（1）认识永动机不可能制造；
（2）了解中国“环流器”装置。
4.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。
教学重点：了解能量的转化与守恒定律，核裂变、核聚变。
教学难点：能量与能源，能量转化的方向性。
教学课时：1课时
教学用具：多媒体。
教学互动设计：
1、 创设情景，导入新课
2006 年建的中国“人造太阳”EAST，由中国科学院等离子体物理研究所建在安徽合肥。2021 年底，EAST 实现了 1056 秒的长脉冲高参数等离子体运行，其间电子温度近 7000 万摄氏度，创下马克装置高温等离子体运行的最长时间纪录。
2020 年 12 月 4 日，由中核集团自主设计、建造的新一代“人造太阳”装置（HL-2M）建成。今年 10 月， 取得了突破性进展——等离子体电流突破 100 万安培（1 兆安）。标志着我国距离聚变点火越来越近。什么是核聚变？
二、新课讲授，师生互动
（一）能量转化和守恒定律
自然界中的物质存在着不同的运动形式，如汽车的运动、分子的运动、电荷的运动等，这些不同的运动形式对应着不同的能量。从钻木取火到用火箭发射卫星，从伏打电池的发明到三峡电站的并网发电，从蒸汽机车的使用到高速铁路的普及，从灯泡的发明到丰富多彩的家用电器，这些都离不开能量及其转化的过程。人们正是在利用不同形式的能量及其转化过程，为人类社会的生产和生活服务，不断提高人们的生活质量。
观察与思考
观察如图所示的各种情景，请你说明：各种不同的运动形式都存在着什么能量 分别有哪些不同形式的能量在发生相互转化 不同形式的能量之间的相互转化有怎样的规律
各种不同的运动形式都存在着什么能量 分别有哪些不同形式的能量在发生相互转化 不同形式的能量之间的相互转化有怎样的规律
行驶的汽车和飞行的飞机，具有机械能，热机利用燃料燃烧释放内能，内能转化为机械能。
大量事实表明：不同形式的能量之间可以相互转化，在一定量的某种形式的能量减少的同时，总伴随着其他形式的能量在等量地增加。也就是说：能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。这就是能量转化与守恒定律(law of energy conservation) 。
科学窗 能制造出“永动机”吗
早在17世纪，就有人想制造出一种不需要任何能量，而永不停息地对外做功的机器，史称“第一类永动机”
早在17世纪，就有人想制造出一种不需要任何能量，而永不停息地对外做功的机器，史称“第一类永动机”。如图所示为几种具体的设计方案，可是它们都失败了。你认为人们能制造出“永动机”吗 相信你一定能在能量转化与守恒定律中找到答案。
机械运动都会产生热，即产生内能，这个内能无法再次利用，要利用这个内能必须消耗新的能量。
能量永远不能被创生，而人类的生存和社会的发展都离不开能量，人们在生产、生活中靠各种能源提供能量，因此我们应时刻注意节约能源和科学地利用能源。
值得一提的是，能量转化的过程可以自发地朝某个方向进行，却不能自发地向相反方向进行。如用煤火烧开水时，我们可以看到煤的化学能转化为水的内能，而看不到水的温度越来越低，而煤火却越来越旺的现象；小孩坐在冰车上被沿水平冰面推出后，我们只能看到由于存在摩擦作用，小孩及冰车在冰面上的运动越来越慢，最后停止运动，这个过程中机械能转化为内能，而看不到小孩及冰车自动地收集这些内能而转化为机械能。
这些实例说明，自发的能量转化过程是有一定方向性的，即自然进行的能量转化过程是不可逆的。
水从高处流向低处。
热量从高温物体传递给物体。
摩擦生热。
（二）能量与能源
能量是与物质及其运动相联系的。对应于不同形式的运动，有不同形式的能量，如机械能、电磁能、内能、化学能等。
自然界存在着可以为人类提供能量的自然资源。能源是人类社会活动的物质基础。历史上，人类曾经使用过和正在使用的能源有柴草、煤炭、石油、水能、风能等。
可是，煤炭资源在许多国家已即将耗尽；石油储藏，以今天的开采和耗费速度，大约也只能再用100年了。
人类还能在地球上继续生存下去吗
（三）物质与能量
1905年，爱因斯坦以惊人简洁的公式E=mc 揭示了以质量m为标志的物质与能量E的关系，式中c为光在真空中的速度。
1938年，物理学家用中子轰击铀，使铀这种重原子核分裂成两个中等质量的原子核。这是一种新型的原子核反应， 叫作核裂变(nuclear fission) 。人们发现，铀核裂变反应后生成物的质量有所减少。
根据爱因斯坦揭示的上述关系，在核裂变过程中，必有能量ΔE= Δmc 释放出来，式中Δm为核裂变反应前后的质量差。据此测算，1kg铀全部裂变时放出的能量就相当于2500t优质煤完全燃烧时放出的能量。人们把这种能称为原子核能。
就这样，物理学家为人类寻找到一种新能源。遗憾的是，这种新能源首先被用来制造原子弹。原子弹的使用虽对反法西斯战争的胜利起了促进作用，但原子核能首先与洒满鲜血的战场相联系，使得爱因斯坦痛悔地说道：“······参加过研制这种历史上最可怕、最危险武器的物理学家······ 也被自己的责任感所烦恼。”
核裂变，不控制——原子弹
现在，原子核能已被用于和平目的，包括我国在内的十几个国家都已建成核电站(图)，正在为解决人类所面临的能源危机发挥着积极的作用。但核电站一旦发生核泄漏，就会带来核污染等问题，危及人类的生命安全。只有和平、安全地利用核能，才能造福于人类。
“华龙一号”是我国研发设计的具有完全自主知识产权的三代核电技术，满足国际高安全标准，已实现批量化建设，标志着我国全面实现核电核心关键设备自主可控。
在核裂变实现之后，物理学家又发现了比氦核((_2^4) )轻的氘核((_1^2) )、氚核((_1^3) )在极高的温度下能够聚合成氦核，同时释放巨大的能量。这种把轻核聚合成质量较大的核的反应称为核聚变(nuclear fusion) 。
人们从太阳的光谱中发现，在太阳中存在着能够发生聚变反应的氢元素，灼热的太阳内部原子之间的热碰撞使聚变反应激烈地进行，从而辐射出巨大的光和热。
氢弹就是利用原子弹爆炸产生的高温，使氘核和氚核极其迅速地聚变成氦核而产生强烈爆炸的，可以说它就是人造的太阳。
在核聚变的优越性不仅在于同样质量的核聚变释放的能量要比核裂变多4倍以上，更为可喜的是，直接和间接发生核聚变的材料都是氘核，而氘核在海水中有1014t之多。计算表明，如果把海水中的氘全部提炼出来加以利用，所提供的能量足够用上1000亿年以上。可见，一旦实现了核聚变能的和平、可控地开发利用，就是找到了“取之不尽，用之不竭”的能源。
如果要使核聚变得到和平利用，就要使核聚变反应平稳受控进行，这就是受控热核反应。中国、美国、俄罗斯等国和欧洲的可控核聚变实验装置都在运行和改进之中，人们翘望着和平利用核聚变能的日子早日来临。
（四）科学与人类
除了物理学的研究表明，有些能源，如太阳能、风能、潮汐能、水力和地热能等可以认为是无限的，所以也把它们叫作可再生能源。当代的科学技术不断发展，已经使人类具有了认识和利用自然环境的能力，推动着人类社会的进步，提高了人类生活的质量。
我国的人造太阳，创造了世界纪录超过了1亿摄氏度，达到了1.2亿摄氏度。并且在1.6亿摄氏度20秒等离子运行。可控核聚变一旦成功，人类将进入下一个科技纪元。让聚变电站用几千年，氘和氚在地球上的储备也是足量的，人类真正可以摆脱能源束缚。
三、总结反思，超越自我
1. 自发的能量转化过程有方向性，不可逆。能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。
2.能量与物质及运动相联系。不同形式的运动，有不同形式的能量，如机械能、电磁能、内能、化学能等。能源是人类社会活动的物质基础。
3.把重原子核分裂成较轻质量的原子核的反应叫做核裂变，原子弹、核能发电；把轻核聚合成质量较大的核的反应称为核聚变，氢弹、太阳。
4.太阳能、风能、潮汐能、水力和地热能等是可再生能源。促进人与自然和谐共生。
四、板书设计，整合提升
1. 自发的能量转化过程有方向性，不可逆。能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。
2.能量与物质及运动相联系。不同形式的运动，有不同形式的能量，如机械能、电磁能、内能、化学能等。能源是人类社会活动的物质基础。
3.把重原子核分裂成较轻质量的原子核的反应叫做核裂变，原子弹、核能发电；把轻核聚合成质量较大的核的反应称为核聚变，氢弹、太阳。
4.太阳能、风能、潮汐能、水力和地热能等是可再生能源。促进人与自然和谐共生。
五、大海扬帆，尝试远航
1. 下列说法不正确的是（ ）
A.自发的能量转化过程是可逆的
B.自发进行的能量转化过程是不可逆的
C.能量是与物质及其运动相联系的
D.不同形式的运动有不同形式的能量
2．下列说法不正确的是（ ）
A. 在热传递过程中，热量只能自发从高温物体转移到低温物体
B. 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
C. 涉及热现象的能量转化过程有方向性、不可逆
D. 根据能量守恒，散失的热量可以被收集起来再利用
3．下列说法中不正确的是（ ）
A．自然界存在着可以为人类提供能量的自然资源
B．能源是人类社会活动的物质基础
C．人们使用的柴草、煤炭、石油、水能、风能是可再生的能源
D．人与自然是生命共同体，无止境地向自然索取必然会遭到大自然的报复
4．在煤炭、石油、天然气和太阳能中属于可再生的能源的是（ ）
A.煤炭
B.石油
C.天然气
D.太阳能
5．下列说法错误的是（ ）
A.把重原子核分裂成两个中等质量的原子核的反应叫做核裂变
B.把轻核聚合成质量较大的核的反应称为核聚变
C.同质量的核聚变释放的能量要比核裂变多4倍以上
D.一旦实现了核裂变能的和平、可控地开发利用，就是找到了“取之不尽，用之不竭”的能源
参考答案1.A；2.D；3.C；4.D；5.D。
六、作业：P212.T1
课外作业P212.T2、T3、T4 。
教学反思：
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