【沪粤2024版】九下20.2 开发新能源 学案

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【学习目标】
1.物理观念：理解太阳能、核能的能量转化形式，明确核裂变与核聚变的区别，知晓各类新能源的特性。
2.科学思维：对比不同新能源的开发方式、优势与挑战，建立“能源特性—应用场景”的关联逻辑。
3.科学探究：完成“直接利用太阳能”活动，分析新能源能量转化路径，提升逻辑分析能力。
4.科学态度与责任：感受我国在新能源开发领域的科技成就，激发科学探索兴趣，树立“清洁低碳”的能源发展意识。
重点：1．掌握太阳能的直接利用方式与能量转化；
2．理解核裂变、核聚变的原理及应用（核电站、核武器）；
3．了解我国新能源开发的领先成果。
难点：1．解释核裂变“链式反应”的控制原理；
2．区分核聚变与核裂变的差异及应用现状；
3．分析不同新能源的发展潜力与面临的挑战。
【自主学习】
1．太阳能到达地球表面的辐射功率达1.7×1014kW，直接利用太阳能的方式主要有三种：转化为______（如太阳能热水器）、转化为________（如太阳能电池板）、转化为_______（如太阳能制氢）。
2.太阳能到达地面后,主要通过四种途径被吸收或利用。第一种途径是通过___________把太阳能转化和储存起来,再以草木、沼气、煤、石油、天然气等燃料燃烧的形式释放出来;第二种途径是通过__________________,再通过风、流水、海流等释放出来;第三种途径是__________________,成为海洋的内能;第四种途径是__________________,如太阳能热水器、太阳灶、太阳能发电等。
3．核能的释放方式有两种：_________（较重原子核裂变为较轻原子核）和________（较轻原子核聚合成较重原子核）。
4．核裂变的关键是________反应，若不加控制会引发原子弹爆炸；核电站通过__________控制反应速度，实现安全发电，我国第一座自行设计建造的核电站是_____________核电站。
5．核聚变需在__________条件下发生（又称热核反应），太阳能就来自太阳内部的________，目前人类尚未实现受控核聚变的和平利用。
6．我国在新能源领域成就显著，___________是世界最大水力发电站，“奋进号”是世界最大单机容量潮流能发电机组，风力发电总装机容量居世界第__________位。
【合作探究】
1.太阳能优势：能量_______、____________、可再生，是最具开发价值的能源； 每天接收的太阳能足够世界使用多年，资源近乎无限。
太阳能
太阳以___________的形式向四周辐射能量，其中到达地球表面的太阳辐射功率达1.7×1014kW。
2.太阳能的利用途径
（1）第一种途径是通过植物的___________把太阳能转化和储存起来，再以草木、沼气、煤、石油、天然气等燃料的形式释放出来。
（a）被植物、微生物吸收
（2）第二种途径是通过____________的升腾循环，再通过风、流水、波浪、海流等释放出来。
(b）使大气、水分升腾循环
（3）第三种途径是被海洋吸收，成为海洋的________。
(c）被海洋吸收
（4）第四种途径是被人们________利用，如太阳能热水器、太阳灶、太阳能发电等。
（d）直接利用
活动：怎样直接利用太阳能
观察图片，说一说能量是如何转化的？
太阳能热水器
(a）太阳能热水器将太阳能直接转化成_______
(b)太阳能发电站利用太阳能电池直接将太阳能转化成________
(c)用太阳能制氢，是将太阳能转化为__________，驱动氢能源公交车
根据图课文20-2-3，你还知道哪些直接利用太阳能的事例？
太阳能光伏发电
太阳能板直接把光能转成________，用于路灯、屋顶电站、光伏大棚等。
太阳能灶：用反光板________，直接烧水煮饭，适合无电地区。另外还有太阳能温室大棚、太阳能制冷空调、 太阳能路灯 / 庭院灯、太阳能充电宝、计算器、太阳能供暖系统等。
信息浏览 太阳能电池
1.原理：基于____________原理，太阳光照射半导体材料硅，直接转化能。
2.应用：____________、宇宙飞船、空间站（如中国空间站太阳能电池板）、太阳能发电站。
3.未来方向：探索太空收集____________，通过微波技术传回地球利用。
中国空间站上的太阳能电池板
1.核能：原子核内部蕴藏的__________能量，叫做原子核能，简称核能。
2.核能释放的两种方式：__________和_________
(1)核裂变______链式反应
①核裂变：核裂变是_________的原子核裂变为_______的原子核的一种核反应。
铀原子核在中子的轰击下产生_________的过程，每一个铀原子核的裂变会产生大量能量。
②链式反应
原理：用______轰击铀核，使其裂变为较轻原子核，同时释放2~3个中子和大量核能，新中子继续轰击其他铀核，这种铀核裂变的引发过程，叫做链式反应。
1964 年我国第一颗原子弹爆炸原子弹就是利用__________的链式反应不加控制制成的。
计算表明，1kg铀全部裂变释放的能量，相当于2700t标准煤完全燃烧放出的能量。
③核电站发电的能量来自__________。
要安全利用核能，就必须利用核反应堆控制产生中子的________。
（i）反应堆的关键：控制中子
（ii）反应堆里有两类关键装置
控制棒：吸收中子，减少中子数量，想停就停、想慢就慢；
减速剂（水/重水/石墨）：把快中子变慢，让裂变更容易稳定发生。
我国秦山核电站 大亚湾核电站
汽轮机：高温蒸汽驱动其旋转；
发电机：将机械能转化为电能；
水泥外壳：屏蔽核辐射。
④核废料的处理
目前常用的方法是将核废料装入可屏蔽辐射的________中，最后将这些金属罐放入位于地下500~1000m的处置库内。
⑤核发电是人类利用核能的主要方式
我国在安全利用核能和建造核电站的方面位居世界前列。我国自主研制的第三代“___________”核电机组，已出口到国外。
（2）核聚变——热核反应
核聚变示意图
①核聚变：_________温条件下，质量_______的原子核（如氘、氚）聚合成_______原子核，这种反应叫核聚变，释放比核裂变更巨大的能量。
思考：为什么核聚变反应又称为热核反应
②核聚变的应用
目前，核聚变应用只限于__________，1967 年 6 月 17 日，中国第一颗________爆炸成功，成为世界上第四个掌握氢弹技术的国家。
目前，我国和世界各国都在致力于受控热核反应的研究，我国的研究成果已位于世界前列。
我国研究受控热核反应的装置中国环流三号
想一想：你知道为祖国的核能开发和利用作出了杰出贡献的科学家有哪些吗？
“氢弹之父”于敏
信息浏览 水能
1.水电站是利用水流动的_________推动水轮机和发电机转子转动发电的，水能是一种已经广泛利用的常规能源，也是一种稳定的_______能源。
三峡水电站是世界上最大的水力发电站 白鹤滩水电站
白鹤滩水电站安装的单机容量100万千瓦水轮发电机组是目前世界上单机容量最大、技术领先的水轮发电机。我国年水力发电量稳居世界第_______位。
海洋能
2.浩瀚的海洋覆盖了地球表面的71%，它蕴藏着波浪能、潮流能、潮汐能、 温差能等，是取之不尽的________能源。2022年2月24日，世界最大单机容量潮 流能发电机组“奋进号”在浙江舟山成功下海，连续运行时间和发电量均居世界前列。
“奋进号”潮流能发电机组
风能
3.风能是一种_______、______、可再生的绿色能源。开发风能，对环境污染少，对生态破坏小，环境效益和生态效益良好，对于人类社会可持续发展具有重要意义。
2021年底，我国风力发电机组总装机约3.28×108kW，居世界第一位。
我国甘肃风电场
氢能
4.氢能具有______、________、易贮存、可运输等特点。我国长征五号B运载火箭 就使用液态氢作为主要燃料。人类目前已掌握多种制氢工艺， 其中利用太阳能制氢有着广阔的前景。可以预见，氢能将成为21世纪的重要能源之一。
长征五号B运载火箭
【归纳整理】
1.太阳能优势：能量巨大、清洁无污染、可再生
2.太阳能的利用途径：被植物、微生物吸收；使大气、水分升腾循环；被海洋吸收；直接利用
3. 核裂变
①较重的原子核裂变为较轻的原子核。
②链式反应
4.核聚变：较轻的原子核结合成为较重的原子核
5.其它能源：水能、海洋能、风能、氢能
【课堂练习】
1.北京时间2023年5月30日9时31分，神舟十六号载人飞船搭载长征二号F遥十六运载火箭成功发射升空。发射过程中宇航员说“很舒服”，声音是通过________波传到地球的。太阳能就是来自太阳内的 __________（选填“核聚变”或“核裂变”）。
2.中国国有核电巨头中核工业集团2020年11月27日宣布，中国独立研发的新型核电机组“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组首次并网成功。此前中国使用的核电机组主要通过从欧美引进，未来将加速独立研发核电机组的建设，并将大力推动海外出口。核电站利用核能发电，它的核心设备是核反应堆。下列说法错误的是（　　）
A. 目前核电站都是通过聚变反应来利用核能
B. 核反应堆中发生的链式反应是可以控制的
C. 原子核分裂或聚合时释放出核能
D. 核能是一种不可再生的能源
3.下列关于核能、原子核的说法，正确的是（　　）
A．太阳能来自太阳内部物质的核裂变反应
B．核反应堆发生的链式反应是可以控制的
C．核废料可直接排放，无需任何处理试验
D．原子核是由质子、中子和电子组成
【课后巩固】
1.在直接利用太阳能的技术中，你最感兴趣的是哪一种？理由是什么
2.在核电站中，从核能到电能，中间经过了哪些形式的能量转化？
3. 太阳能辐射到地球表面的平均功率为1.7×1014 kW，试计算太阳每1h 辐射到地球上的总能量是多少？这些能量相当于多少吨无烟煤完全燃烧所放出 的能量 （无烟煤的热值为3.4X107J/kg）
4.你认为太阳能、核能、风能、海洋能、氢能等新能源中，哪些最可能 成为人类未来的理想能源？说说你的依据。
1．下列关于能源说法正确的是（ ）
A．煤、石油、天然气均为可再生能源
B．核裂变和核聚变是获得核能的方式
C．太阳能电池可以将电能转化为太阳能
D．太阳能是太阳内部氢原子核发生裂变释放的能量
2.近年，我国在能源、信息和材料等领域取得了辉煌成就。下面关于能源、信息和材料的说法，正确的是（ ）
A．2025年是太阳黑子活动的又一个峰年，太阳内部发生的主要是氢核的裂变
B．用三颗地球同步卫星就可以实现全球通信
C．“祖冲之号”是我国量子计算机的原型，量子计算机中的二极管是由超导体制成的
D．我国在南海开采的可燃冰属于可再生能源
3.2025年我国新建宁夏中卫300万千瓦光伏基地，是国内同期最大单体光伏项目，位于“沙戈荒”地区，日发电量可达1000万千瓦时，半导体太阳能电池组件是光伏发电系统的核心部分。关于光伏发电，下列说法正确的是（　　）
A．光照强度越大，太阳能电池的输出功率一定越大
B．太阳能电池组件将光能转化为电能
C．常温下半导体的电阻为零
D．保定市居民用电总功率约为，若宁夏中卫光伏基地向保定市输送电能，则日发电量可供保定市居民用电约
4.如图所示，是中国首架太阳能氢能混合动力固定翼无人机在重庆明月湖顺利升空的情境。下列说法正确的是（　　）
A．太阳能属于二次能源
B．无人机使用氢燃料是因为氢的热值小
C．无人机导航系统是靠电磁波传递信息
D．无人机上太阳能电池板是把核能转化为电能
5.如图所示，一只太阳能草坪节能灯，由太阳能电池板、蓄电池、“6V 1W”的节能灯等组成，太阳能电池板发电并将电能储存在蓄电池中，供节能灯晚间照明；该太阳能电池板接收太阳辐射的面积为，其光电转化效率（即发电效率）为20%。若在太阳能电池板接收太阳辐射的有效时间内，太阳能电池板接收太阳辐射的功率为640W。下列说法正确的是（ ）
A．太阳能电池板发电过程中把光能转化成电能
B．太阳能电池板给蓄电池充电过程中将化学能转化成电能
C．该灯的太阳能电池板发电功率为
D．节能灯正常发光10h消耗的电能为
6.2025年4月24日，搭载神舟二十号载人飞船的长征二号F遥二十运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射，三名航天员顺利进驻中国空间站。随后，神舟十九号和神舟二十号两个航天员乘组拍下“全家福”，共同向牵挂他们的全国人民报平安。下列说法正确的是（　　）
A．空间站的控制系统中的芯片是由超导体材料制成的
B．太空中的温差极大，制作空间站的材料需要具有良好的隔热性能
C．空间站上的太阳能电池板工作时将太阳能转化为化学能
D．两个航天员乘组的“全家福”画面是通过电磁波传至地面的
7.获取核能有两条途径：重核的裂变和轻核的聚变。如图所示，图甲表示的是 。太阳是人类能源的宝库，在太阳内部，氢原子核在超高温下发生 ，释放出巨大的核能。（均选填“核裂变”或“核聚变”）
8.如图是“玉兔二号”在月球行走的画面，它是首台在月球背面成功着陆的月球车，“玉兔二号”月球车是通过 （选填“电磁波”或“超声波”）与地面联系的；核电站是利用核 （选填“裂变”或“聚变”）反应所释放的能量来发电的；该反应是 （选填“可控”或“不可控”）
9.请阅读《可控核聚变与中国的“人造太阳”》并回答问题。
可控核聚变与中国的“人造太阳”
在能源需求日益增长的今天，可控核聚变因其清洁、安全、燃料储量极其丰富，被视为能源问题的终极解决方案。
中国在这一前沿领域的突破性进展，让“人造太阳”的梦想照进现实。与当前核电站采用的核裂变技术不同，核聚变模拟太阳内部的反应过程，将氢同位素（如氘、氚）原子核融合成氦，释放巨大能量，具有产能效率高、燃料来源广、对环境友好等显著优势。然而，实现可控核聚变极为困难，其核心挑战在于将核燃料加热至上亿摄氏度，形成等离子体，并实现稳定约束。任何实体容器都无法承受如此高温。科学家利用强磁场构建无形“牢笼”，将高温等离子体约束其中，避免接触容器壁。这种装置称为托卡马克。为产生强大磁场，需使用大电流线圈，若线圈存在电阻，能耗极高，因此必须采用超导材料。目前超导需在极低温下实现，故托卡马克成为“冰火两重天”的装置——核心是上亿摄氏度的等离子体，外围是超低温超导线圈。
在这一领域，中国的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），即“人造太阳”，已成为世界引领者。2025年1月，我国全超导托卡马克核聚变实验装置，首次完成1亿摄氏度1066秒“高质量等离子体运行”。这是中国科研团队向着聚变发电的未来迈出的一大步，也是人类向着清洁能源未来迈出的一大步。
请根据上述材料，回答下列问题：
(1)“人造太阳”是通过 （选填“核裂变”或“核聚变”）反应释放能量。
(2)实现该反应过程极为困难，其核心挑战是 。
(3)提供磁场的线圈采用超导材料的原因是 。
(4)假设1克氘在核聚变中完全反应，可释放约J能量。若某城市日用电量为度，理论上1千克氘聚变产生的能量可供该城市使用 天。
【课后评价】
这节课我给自己☆☆☆☆☆颗星。
【参考答案】
【课前预习】
答案：1.内能 电能 化学能 2.植物的光合作用 大气和水分的升腾循环 被海洋吸收 被人们直接利用 3.核裂变 核聚变 4.链式 控制棒 秦山5.超高温 核聚变 6.三峡水电站 一
【合作探究】
探究点一：
答案:1.巨大 清洁无污染 光和热 2.（1）光合作用（2）大气和水分 （3）内能（4）直接活动：（a）内能（b）电能（c）化学能 交流讨论：电能 聚光
信息浏览 1.光电转换 2.人造卫星3.太阳能
探究点二：
答案：1.巨大 2.核裂变 核聚变 （1）①较重 较轻 裂变 ②中子 核裂变 ③可控的核裂变 数量和速度 ④金属罐 ⑤华龙一号 （2）①超高 较轻 较重 思考参考答案：核聚变要求氘和氚具有很高的温度，在反应过程中要把反应物质加热到千万摄氏度以上才能发生大规模的核聚变。因此，聚变反应又称为热核反应。② 核爆炸 氢弹 想一想参考答案：我国从20世纪50年代开始研究核能，以王金昌、钱三强、邓稼先、于敏等为代表的一批“两弹一星”科学家，为祖国的核能开发和利用作出了杰出的贡献。其中于敏院士提出的氢弹构型，使得我国核武器的研究居世界前列，为保障国家安全作出了巨大的贡献。信息浏览 1.机械能 可再生 一 2.洁净 3.清洁 安全 4.高效 干净
【课堂练习】
1.【答案】 电磁 核聚变
【解析】[1]声音的传播需要介质，真空不能传声；电磁波可以在真空中传播。发射过程中宇航员说“很舒服”，声音经过转换为加载到高频电磁波上，是通过电磁波传到地球的。
[2]获得核能的两种途径:核裂变和核聚变，太阳能就是来自太阳内的核聚变。
2.【答案】A
【解析】A．目前人类能够控制的核反应是核裂变，核聚变人类还没有能力控制其反应速度，故目前核电站都是通过裂变反应来利用核能，A说法错误，符合题意；
B．核反应堆中发生的链式反应人类能够控制反应速度，故是可以控制的，B说法正确，不符合题意；
C．核能就是原子核分裂或聚合时释放出来的能量，C说法正确，不符合题意；
D．核能一旦使用，短期内不能再次利用，故是一种不可再生能源，D说法正确，不符合题意；
故选A。
3.【答案】B
【解析】A．太阳能是来自太阳内部物质的核聚变反应，故A错误；
B．核电站的反应堆发生的链式反应是可控制的，故B正确；
C．核废料具有放射性，不能直接排放，故C错误；
D．原子核是由质子和中子组成，原子由原子核和电子组成，故D错误。
故选B。
【课后巩固】
基础练习
1.在直接利用太阳能的技术中，最感兴趣的应该是光一热转化;因为太阳能的热利用技术还处于发展阶段，在目前利用太阳能技术中，比较成熟的是光-热转化，例如太阳能热水器，太阳灶等，已经应用于生活中。
2.核能发电时，在核反应堆中核能转化为内能，在汽轮机中内能再转化为机械能，在发电机中机械能转化为电能，所以，核能发电过程中能量转化顺序是核能→内能→机械能→电能。
3.已知太阳辐射到地球的功率，由P=可得太阳每1h辐射到地球上的总能量:
W=Pt=1.7×1014kW ×1h=1.7×1014kW·h=1.7×1014 × 3.6 × 106J=6.12 × 1020J;
由题知，Q=W=mq,所以无烟煤的质量:m===1.8×1013kg=1.8×1010t。
答:太阳每1h辐射到地球上的总能量是6.12×1020J，这些能量相当于1.8×1010t无烟煤完全燃烧所放出的能量。
4.太阳能、风能、海洋能。
未来新能源应该满足的条件:①贮量丰富；②价格便宜;③技术成熟；④安全清洁。太阳能、风能、海洋能符合未来理想能源的条件，最有可能成为人类未来的理想能源；而核能在利用时有危险，要求技术含量较高，应在技术成熟的情况下发展，不可盲目发展。
能力提升
1.【答案】B
【详解】A．煤、石油、天然气在地球上的储量是有限的，消耗后短时间内不能再生，属于不可再生能源，故A错误；
B．目前人类利用核能的两种方式是核裂变和核聚变，故B正确；
C．太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置，并非将电能转化为太阳能，故C错误；
D．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，而不是裂变，故D错误。
故选B。
2.【答案】B
【详解】A．太阳内部每时每刻都在发生着氢核的聚变，释放出巨大的能量，故A错误；
B．一颗同步卫星发出的信号可以覆盖地球表面约1/3的区域。 三颗卫星的布局：如果在地球赤道上空等间隔分布三颗同步卫星，它们的信号覆盖区域就可以拼接起来，基本实现除地球南北两极极小区域外的全球通信覆盖。故B正确；
C．二极管具有单向导电性，量子计算机中的二极管是由半导体制成的，故C错误；
D．可燃冰属于化石能源，在开发利用后不能在短时间内从自然界得到补充，属于不可再生能源，故D错误。
故选B。
3.【答案】B
【详解】A．太阳能电池的输出功率不仅与光照强度有关，还与电池的温度、负载等因素有关。在一定范围内，光照强度增大，输出功率可能增大，但当光照强度达到一定程度后，由于电池的其他特性限制，输出功率不一定继续增大，故A错误 ；
B． 半导体太阳能电池组件是光伏发电系统的核心部分，其作用就是将光能转化为电能，故B正确 ；
C．半导体在常温下电阻不为零，超导体在特定条件下电阻才为零，故C错误 ；
D．根据可知供电时间
故D错误 。
故选B。
4.【答案】C
【详解】A．一次能源是直接从自然界获取的能源，太阳能可直接从自然界获得，属于一次能源，并非二次能源，故A错误；
B．热值是燃料的一种特性，单位质量（或体积）的燃料完全燃烧时所放出的热量叫热值。无人机使用氢燃料，是因为氢的热值大，相同质量的氢燃料完全燃烧能释放更多能量，故B错误；
C．电磁波可以在真空中传播，且能传递信息，无人机导航系统是靠电磁波传递信息的，故C正确；
D．太阳能电池板的作用是把太阳能转化为电能，故D错误。
故选C。
5.【答案】AD
【详解】A．太阳能电池板的工作原理是将光能（太阳能）转化为电能，此描述符合能量转化规律。故A正确；
B．太阳能电池板给蓄电池充电，是将太阳能转化的电能转化为蓄电池的化学能，故B错误；
C．太阳能电池板接收的总辐射功率为
则发电功率（光电转化后）为
故C错误；
D．节能灯正常发光功率为
正常发光10h消耗的电能
故D正确。故选AD。
6.【答案】BD
【详解】A．空间站控制系统中的芯片通常由半导体材料制成，而非超导体材料，故A错误；
B．制作空间站的材料需要具有良好的隔热性能，使空间站内可以保持合适的温度，故B正确；
C．太阳能电池板的工作原理是将太阳能直接转化为电能，故C错误；
D．电磁波可以在真空中传播，航天员拍摄的“全家福”图像数据，正是通过电磁波传回地面的，故D正确。故选BD。
7.【答案】核裂变 核聚变
【详解】[1]甲图中是由一个较重的原子核变成较轻的原子核的核反应，是核裂变。
[2]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，因此可以说，太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸。
8.【答案】电磁波 裂变 可控
【详解】[1]电磁波可以在真空中传播，月球上面是真空，“玉兔二号”月球车是通过电磁波传递信息。
[2][3]目前人类的核电站是利用铀原子核裂变时释放出的核能来发电的，核反应堆中的链式反应是可控的。
9.【答案】(1)核聚变(2)将核燃料加热至上亿摄氏度，形成等离子体，并实现稳定约束
(3)为产生强大磁场，需使用大电流线圈，若线圈存在电阻，能耗极高，因此必须采用超导材料
(4)5
【详解】（1）根据材料“与当前核电站采用的核裂变技术不同，核聚变模拟太阳内部的反应过程，将氢同位素（如氘、氚）原子核融合成氦，释放巨大能量”可知，“人造太阳”是通过核聚变反应释放能量。
（2）由材料可知，实现该反应过程极为困难，其核心挑战是将核燃料加热至上亿摄氏度，形成等离子体，并实现稳定约束。
（3）由材料内容可知提供磁场的线圈采用超导材料的原因是：为产生强大磁场，需使用大电流线圈，若线圈存在电阻，能耗极高，因此必须采用超导材料。
（4）因为
所以某城市日用电量
已知1克氘在核聚变中完全反应，可释放约能量，那么1千克（1000克）氘聚变产生的能量为
则理论上1千克氘聚变产生的能量可供该城市使用的天数为天
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