第二十二章 能源与可持续发展
第1节 能 源
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.知道什么是能源。
2.知道什么是一次能源、二次能源。知道哪些能源是常规能源、哪些能源是新能源。
3.知道解决能源问题的重要性和主要出路。
【过程与方法】
根据一次能源、二次能源的特点,给能源进行分类。
【情感·态度·价值观】
了解21世纪的能源趋势,形成节约能源的意识。
◇教学重难点◇
【教学重点】
能源的分类。
【教学难点】
21世纪的能源趋势。
◇教学过程◇
一、新课导入
人类的生产生活离不开能源,可以说能源开发利用的历程,也是人类文明进步的历程。而你了解哪些能源及其利用呢?
二、教学步骤
探究点1 人类利用能源的历程
[思考]生活中烧水、煮饭都需能量,而这些能量是从哪来的呢?
[提示]烧水、煮饭可以用天然气烧,可以用薪柴烧,也可以用电等,也就是说生产生活中利用的这些能量,来自于不同的能源。
[阅读课本]P166“自从原始人发现使用……重要生活能源。”
[思考]人类开发利用能源从什么时候开始的呢?
[提示]自从人类掌握了人工取火的方法之后,人类就开始了开发利用能源的历程。
[思考]以柴薪为主要能源的时代,对人类文明进程有着怎样的推动?
[提示]人类结束了茹毛饮血的时代,人类以柴薪为主要能源的时代持续了近一万年。
[阅读课本]P167“蒸汽机的发明……均属于一次能源。”
[思考]人类自柴薪时代之后,开发利用能源的新的里程碑从什么时候开始的呢?
[提示]蒸汽机的发明是人类利用能源新的里程碑,人类的主要能源由薪柴转向煤。
[思考]生活中常见的煤、石油、天然气是从哪来的呢?
[提示]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,所以称之为化石能源。
[思考]你知道一次能源的划分标准吗?
[小结论]可以直接从自然界获得的能源,我们称之为一次能源。
[思考]人类对煤和石油的开发利用,又是如何推动人类文明进步的呢?
[提示]人类逐步以机械动力代替人力和畜力,从而进一步加快了社会的发展。
[归纳提升]人类利用能源史上两次划时代革命转折,即煤炭代替柴薪成为主要能源,石油取代煤炭而居主导,创造了人类文明发展的奇迹。
[阅读课本]P167“电能不属于一次能源……所以称电能这样的能源为二次能源。”
[思考]电能是哪里来的呢?
[提示]火力发电厂的电能是由内能转化的,水力发电厂的电能是由机械能转化的,也就是说电能是由其它形式能转化来的。
[思考]电能可以直接从自然界获得吗?
[提示]电能必须通过消耗一次能源才能得到,有一个转化过程。
[小结论]由一次能源经过加工或转换得到的其他种类和形式的能源,我们称之为二次能源。
[思考]能源的种类划分都是依据某一标准划分的,你能按照一定的标准给能源分类吗?能否列举一些常见的能源呢?
[提示]按能源能否直接从自然界获得看:一次能源:煤、天然气、太阳能、核能、地热能。二次能源:汽油、电能;按能源能否循环使用和不断补充看:可再生能源:太阳能、地热能。不可再生能源:煤、天然气、汽油、电能。
[归纳提升]一次能源与二次能源的根本区别在于是否经历了加工或转化过程;可再生能源与不可再生能源的区别在于是否可以在较长时间的持续使用,或可以再生。
探究点2 21世纪的能源趋势
[阅读课本]P168“21世纪的能源趋势”
[思考]以化石能源为主的能源结构是否合理?
[提示]化石燃料是一次能源,也是不可再生能源,用一点就少一点。近几十年来能源消耗明显加快,化石能源储量有限,人类存在能源危机。
[思考]面对能源危机,人类该怎么办?
[提示]在实际使用能源时要节约能源,要更加迫切地去开发新能源和使用可再生能源。如开发风能发电、潮汐发电、地热能、核能、太阳能等新能源。
[归纳提升]开发和利用新能源是人类解决能源问题的主要出路。
三、板书设计
第1节 能源
1.人类利用能源的历程
(1)能源
(2)柴薪时代
(3)煤炭时代
(4)一次能源
(5)二次能源
2.21世纪的能源趋势
(1)能源危机
(2)开发新能源
◇教学反思◇
介绍21世纪的能源趋势,可通过现有的能源储量和消耗速度,帮助学生梳理能源危机意识,下一步如何解决这一问题?学生很自然地想到开发新能源,以及我们周边的新能源利用等。
第2节 核 能
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.了解原子核结构。
2.了解核能。
3.了解核裂变。
4.了解核聚变。
【过程与方法】
探讨核能的开发和利用,感悟科学对人类社会发展的重要性。
【情感·态度·价值观】
初步认识科学技术对于人类生活的影响。
◇教学重难点◇
【教学重点】
裂变和聚变。
【教学难点】
裂变和聚变的过程分析。
◇教学过程◇
一、新课导入
如图是我国第一颗原子弹爆炸,与原子弹相比,氢弹所用的燃料更少,而威力比原子弹大很多。原子弹和氢弹为什么会具有这么大的威力呢?
二、教学步骤
探究点1 核能
[阅读课本]P170“核能”
[思考]回忆一下原子的组成?
[提示]原子是由原子核和核外电子组成的,电子在绕核运动。
[思考]原子核是原子中最小的结构吗?
[提示]原子核也是可分的,它是由质子和中子组成的。
[思考]质子和中子是依靠什么力结合在一起的?
[提示]质子和中子依靠强大的核力紧密地结合在一起,因此原子核十分牢固,要使它们分裂或重新组合是极其困难的。
[思考]什么是核能呢?
[提示]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,就可能释放惊人的能量,这就是核能。
[归纳提升]原子核发生改变有两种情况:一种是质量较大的原子核分裂成质量较小的原子核;另一种是由两个质量较小的原子核聚合成一个较大的原子核。这两种原子核发生改变的过程中都会伴随着巨大的能量释放。
探究点2 裂变
[阅读课本]P171“1934年至1938年……这就是裂变中的链式反应。”
[思考]科学家们是怎样让原子核裂变的?
[提示]科学家利用中子轰击质量较大的铀235原子核,使其裂变成两个质量中等大小的原子核,同时释放出巨大的能量。
[思考]怎样才能使裂变持续下去呢?
[提示]铀核裂变时,还同时放出2~3个中子,放出的中子又可以轰击其他铀核,使它们也发生裂变。这样,裂变将不断地自行继续下去,这种现象叫做链式反应。
[阅读课本]P171“核电站利用核能发电……原子弹爆炸了。”
[思考]你知道核电站的核心设备是什么吗?
[提示]核电站是利用核能发电的,它的核心设备是核反应堆。
[思考]核电站是怎样把核能转化为电能的呢?
[提示]核电站利用核反应堆产生内能,通过蒸汽轮机转化为机械能,再通过发电机转化为电能。
[思考]核反应堆中链式反应可以控制吗?如何实现的呢?
[提示]在链式反应中,可以通过控制中子数量来控制链式反应的速度。
[思考]如果核反应堆的链式反应不加控制或失去控制会产生怎样的危害呢?
[提示]链式反应如果不加以控制,大量原子核就会在一瞬间发生裂变,释放出极大的能量。原子弹爆炸时发生的链式反应就是不加控制的。
[思考]你知道我国科学家在核裂变方面曾经取得过的成就吗?
[提示]我国物理学家钱三强与何泽慧发现铀原子核被中子击碎时,还会分裂成三个甚至四个碎片,称为三分裂或四分裂现象。
探究点3 聚变
[阅读课本]P172“聚变”
[思考]重核可以裂变成质量较小的核,那么质量较小的原子核能否聚合成质量较大的原子核呢?
[提示]质量较小原子核结合成质量较大的原子核也会放出大量的能量,这就是聚变。
[思考]聚变需要在什么条件下才能发生呢?
[提示]只有在超高温下,质量较小的原子核才能聚合成质量较大的原子核,所以核聚变又称为热核反应。
[思考]你知道目前科学家们一般利用什么材料实现核聚变的呢?
[提示]一般都是将氘核(由一个质子和一个中子构成)与氚核(由一个质子和两个中子构成),在超高温下结合成氦核,进而释放出巨大的核能。氢弹就是利用氢核聚变制成的。氢弹是一种比原子弹威力更为巨大的核武器。
[思考]热核反应可以控制吗?
[提示]现阶段科学家还没有找到控制核聚变的方法。通过可控聚变来利用核能,有望彻底解决人类能源问题。
[阅读课本]P172“核电站和核废料处理”
[思考]核电站的有没有不利的一面呢?科学家们是怎么处理的?
[提示]核反应堆内铀核裂变时会产生能量,也会产生放射线,不加防范会对人和其他生物产生伤害;核电站使用过的燃料依然具有放射性,需深埋在人烟稀少的地方。
三、板书设计
第2节 核能
1.核能
(1)原子的组成
(2)原子核的组成
2.裂变
(1)核反应堆
(2)链式反应
3.聚变
(1)热核反应
(2)氢弹
(3)核电站和核废料处理
◇教学反思◇
对核反应堆的链式反应理解,可以通过火柴实验的模拟链式反应,即形象生动,又能很好地解释不加控制的链式反应可以产生巨大的能量,以及通过减少中子个数,适当地控制反应速度,释放适当的能量,就能让核能的利用得以实现。
第3节 太阳能
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.知道太阳能的由来及其优点。
2.了解太阳能是人类资源宝库。
3.知道利用太阳能的方式。
【过程与方法】
通过对太阳能及其能量转化情况的讨论,培养用能量转化观点分析问题的习惯。
【情感·态度·价值观】
初步了解太阳能利用的现状和广泛利用太阳能存在的困难树立高效利用太阳能的意识。
◇教学重难点◇
【教学重点】
太阳能的利用。
【教学难点】
自制集热器。
◇教学过程◇
一、新课导入
能源危机从来没有解除,开发利用新能源在当今社会显得尤为必要。在利用能源的同时减少污染,保护好我们赖以生存的地球,也成为人类关注和亟待解决的问题。太阳能是人类开发利用的最重要新能源之一。可你知道我们为什么要开发利用太阳能吗?又如何开发利用呢?
二、教学步骤
探究点1 太阳——巨大的“核能火炉”
[阅读课本]P174“太阳——巨大的‘核能火炉’”
[思考]我们距离太阳有多远?
[提示]太阳距地球约1.5×108 km。
[思考]太阳很大吗?
[提示]太阳的直径约是地球的110倍,它的质量约是地球的33万倍。
[思考]太阳有多热?
[提示]太阳表面的温度约6000 ℃,内核的温度高达1.5×107 ℃。
[思考]太阳的能量从哪来的呢?
[提示]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。太阳能的原理和氢弹一样。
[思考]太阳的年龄是多少?它还能燃烧多少年?
[提示]太阳像一个巨大的“核能火炉”,它已经燃烧了近50亿年,它将还能再燃烧约50亿年。
[归纳提升]太阳核心的原子核发生的聚变反应,使太阳核心释放的巨大核能向外扩散,传送到太阳表面,大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射。
探究点2 太阳是人类能源的宝库
[阅读课本]P174“太阳是人类能源的宝库”
[思考]太阳每天都在给地球提供能量,对此你了解多少呢?
[提示]太阳每秒向外辐射的总能量高达3.74×1026 J,相当于每秒钟燃烧1.28×1026 t的标准煤。但从太阳发射出来的总能量中,到达地球的太阳能只是太阳向外辐射能量的20亿分之一。
[思考]你知道化石能源是怎么形成的吗?
[提示]远古时期陆地和海洋中的生物通过光合作用将太阳能转化为生物的化学能,死后的它们经过几百万年的沉积、化学变化、地层的运动,在高压下逐渐变成了石油、煤和天然气,化石能源实际上是上亿年前的太阳能。
[思考]你知道风能的来源吗?
[提示]风能是由于太阳照射地球表面各部分受热不均匀,使空气冷热不同,形成对流而成风。
[思考]你知道水能的来源吗?
[提示]陆地和海洋中的水被蒸发到空中,遇到冷空气形成了雨。不难看出,水能也是来源于太阳能。
[思考]是不是人类使用的所有能源都来自太阳呢?
[提示]人类利用的能源中除地热能、潮汐能、核能以外的能源几乎都来自太阳。
[归纳提升]人类利用的化石能源、风能、水能等,其实都是间接地利用太阳能,太阳是人类能源的宝库。
探究点3 太阳能的利用
[阅读课本]P176“太阳能的利用”
[思考]在生产生活中你见过利用太阳能的事例吗?
[提示]生活中利用太阳能的事例有很多,如太阳能热水器、太阳能路灯等。
[思考]平板式集热器的构造有什么特点?为什么要那样制作?
[提示]箱面是玻璃的,为了让光更好地通过;内部是涂黑的吸热板,为了更多地吸收热量。
[思考]太阳能电池的优点和缺点是什么?主要应用于哪些方面?
[提示]优点:使用寿命长、没有污染;缺点:成本高,且每个太阳能电池产生的电压较低。太阳能电池主要应用于航空、航天、通信等领域中,在日常生活中也用于照明、计算器、手表等耗电少、工作电压低的用电器。
[思考]有关太阳能的利用有很多,如植物的光合作用、太阳灶、太阳能电池等,但这些都是将太阳能进行了转化,你能从能量转化的角度进行分类吗?
[提示]植物的光合作用将太阳能转化为化学能;太阳灶将太阳能转化为内能;太阳能电池将太阳能转化为电能。
[归纳提升]利用太阳能的过程主要有三个方面:光热转换、光电转换和光化转换。
三、板书设计
第3节 太阳能
1.太阳——巨大的“核能火炉”
(1)距离
(2)温度
(3)年龄
2.太阳是人类能源的宝库
(1)辐射热量
(2)能量之源
3.太阳能的利用
(1)太阳能的转化
(2)太阳能集热器
(3)太阳能电池
◇教学反思◇
关于太阳能的优点,向学生讲解时,需结合生活中的实际例子给他们讲解,这样才能更容易接受;太阳能利用的分类,课堂上可让学生自己列举实例,然后根据从能量转化的角度进行分类,学生容易理解,也容易记忆。
第4节 能源与可持续发展
◇教学目标◇
【知识与技能】
1.认识能量的转移和转化。
2.了解能源消耗对环境的影响。
3.知道可再生能源与不可再生能源。
【过程与方法】
指导学生分析事例,培养学生分析问题和理论联系实际的能力。
【情感·态度·价值观】
通过亲身的体验和感悟,关注自己身边的能源消耗对环境的影响,关注人类对能源的需求和大量消耗能源所带来的问题,有可持续发展的意识,对保护环境,维持自然界的平衡与和谐负有责任感。
◇教学重难点◇
【教学重点】
1.能量的转移和转化。
2.可再生能源与不可再生能源。
【教学难点】
能量转化和转移的方向性。
◇教学过程◇
一、新课导入
能源、环境与可持续发展是人类面临的新课题,我们的生活离不开能源,但能源的利用也会破坏环境,我们如何面对这一矛盾,做到既能利用能源、又能保护环境、还可以持续发展呢?
二、教学步骤
探究点1 能量转移和能量转化的方向性
[阅读课本]P178“能量转移和能量转化的方向性”
[思考]能量守恒定律的内容是什么?
[提示]能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,能量的总量不变。
[思考]冷水能把内能自发地转移给热水吗?
[提示]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。
[思考]生活中有低温物体把热量传递给高温物体的吗?
[提示]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。例如冰箱、空调都需要消耗电能。
[小结论]能量的转移具有方向性。
[思考]单摆在摆动的过程中会逐渐减慢,最后停下,这是什么原因呢?
[提示]单摆在摆动的过程中,有一部分能量转化为内能,但这部分内能不能转化为机械能使用。
[思考]电动机工作时将电能转化为机械能和内能,我们能把不需要的那部分内能收回转化为电能吗?
[提示]由于电流的热效应,转化的内能以热的方式散失到空气中,人们无法收回,也不能转化为电能。
[小结论]能量转化具有方向性。
[思考]既然能量是守恒的,为什么还要说“存在能源危机”,并倡导合理使用和节约能源呢?
[提示]我们使用能源必须通过转化才能实现,而转化和转移的能量中总有一部分转化为内能被消耗掉,不能回收重复利用,所以我们要节约能源。
[归纳提升]能量的转移和转化具有方向性。
探究点2 能源消耗对环境的影响
[阅读课本]P178“能源消耗对环境的影响”
[思考]什么是温室效应?全球变暖有什么后果?
[提示]化石燃料的燃烧产生大量的二氧化碳,二氧化碳浓度增加热量难以散发出去,从而出现温室效应。导致全球变暖,海平面上升,危害生态平衡。
[思考]酸雨是怎样形成的?酸雨中的铅尘增加,给人类带来什么后果?
[提示]煤、石油、天然气的燃烧会产生含硫气体,汽车的尾气和工厂的废气都会产生二氧化碳或二氧化硫气体,有的甚至还会含有铅,这些含硫气体污染物进入大气溶入雨水中形成了酸雨。酸雨不仅污染水源,还会污染土壤。
[思考]如何解决能源的利用与环境保护的矛盾,谈一谈你的看法?
[提示]人类不可能为了保护环境而停止使用能源,因为人类离开能源同样不能生存。因此,人类只有在合理利用能源的过程中,高度重视生存环境的保护。
[归纳提升]保护环境,控制和消除大气污染,已成为当前世界需要解决的重要课题。我们既要有效地利用能源,又要很好的控制和消除污染。
探究点3 能源与可持续发展
[阅读课本]P180“能源与可持续发展”
[思考]目前人们在生产生活中使用的能源有哪些?
[提示]煤、石油、天然气、水能、风能、核能、太阳能、潮汐能、地热能等。
[思考]你能给他们分类吗?哪些能源可以短期内在自然界得到补充,哪些不能在短期内得到补充?
[提示]化石能源、核能等能源会越来越少,不能在短期内从自然界中得到补充,这类能源称为不可再生能源;太阳能、风能、水能等可以在自然界中源源不断地得到,称为可再生能源。
[思考]开发可再生能源要满足什么条件?
[提示]可长期使用,价格便宜,规模大可供多数人使用,注意环保。
[归纳提升]未来理想能源满足的条件:(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。
三、板书设计
第4节 能源与可持续发展
1.能量转移和能量转化的方向性
(1)与热现象有关的能量的转化和转移具有方向性
(2)能源的利用是有条件的
2.能源消耗对环境的影响
(1)温室效应
(2)热岛效应
(3)酸雨
(4)保护环境
3.能源与可持续发展
(1)不可再生能源
(2)可再生能源
◇教学反思◇
让参与讨论能量在转移和转化过程中具有方向性,可帮助学生认识节约能源和提高能源利用效率的必要性,以及科技进步的重要性,培养学生节约能源的意识,激发为社会服务而掌握科学知识的热情,从而达到情感态度价值观教育的目标。
