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2019-2020年高中物理 3.5《能源與可持續(xù)發(fā)展》教案 粵教版選修3-3.doc

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2019-2020年高中物理 3.5《能源與可持續(xù)發(fā)展》教案 粵教版選修3-3.doc

2019-2020年高中物理 3.5能源與可持續(xù)發(fā)展教案 粵教版選修3-3【教學(xué)目的】1、了解什么是能源,什么是常規(guī)能源,知道常規(guī)能源的儲量和人類需求的矛盾2、了解常規(guī)能源的使用和環(huán)境污染方面的關(guān)系3、了解哪些是清潔能源,哪些是可再生能源【教學(xué)重點】1、能源、常規(guī)能源、可再生能源的教學(xué)2、能源和環(huán)境之間的關(guān)系【教學(xué)難點】能源和環(huán)境之間的關(guān)系【教具準備】投影儀【教學(xué)過程】引入熱力學(xué)第二定律告訴我們,很多與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程都是不可逆的。涉及內(nèi)能的能量轉(zhuǎn)化過程具有方向性,這在上一節(jié)已經(jīng)提到過了。在本節(jié),我們討論這種方向性的現(xiàn)實意義。一、能源一段木料燃燒后化為灰燼,能夠釋放給我們所需要的能量。然而,灰燼卻不能立即被合成而成為一段木料。但是,我們至少可以將灰燼作為肥料施在一顆小樹苗上,促成它長成一段未來的木料,以供人類(可能是種樹、施肥者的子孫,也可能是別人的子孫)再次燃燒。在這一人與資源的交互行為中,我們會發(fā)現(xiàn),首先,能量轉(zhuǎn)化的方向性并沒有被破壞,也就是說,熱力學(xué)第二定律仍被得到尊重。其次,這將形成了一個循環(huán),因為只要時間足夠,讓樹苗成長成為木料的數(shù)目大于我們?nèi)紵玖系臄?shù)目,它就不會破壞需求與資源的動態(tài)平衡關(guān)系。其三,在這個循環(huán)中,必須要有第三者參與如果沒有太陽的光合作用,循環(huán)就終止了所以人與資源(樹木)之間并不是“今天你給我,明天我還給你”的關(guān)系(我們與其說在燃燒樹木,還不如說是在利用儲存的太陽能)。其四,這種循環(huán)還有一種隱憂,那就是:灰燼“成為”樹木的速度要遠遠小于樹木變成灰燼的速度,表面的平衡是以內(nèi)部數(shù)量上的不平衡為代價的。以上的四點中,第三點事實上已經(jīng)決定了循環(huán)“返回”過程的速度(不能由人類操控),第二點和第四點則意味著人類的行為、世界觀對“平衡”能否被破壞有著直接的關(guān)系。在工業(yè)化時代到來之前,人們過著田園牧歌式的生活,沒有電器、沒有汽車、沒有空調(diào),人類使用大自然的資源只是為了滿足最基本的生活需求,因此,這種“平衡”沒有被破壞。隨著工業(yè)化時代的到來,這種狀況立即顯現(xiàn)出危機,循環(huán)就要被終止了。于是,人們想到了地底下的資源:煤和石油。他們提供的能量很有用,燃燒的速度和效能和木材相差無幾。但是,形成煤和石油的速度比長成樹木的速度,就不能同日而語了!可以這樣說,人們自從使用煤的第一天起,就沒有想到一個可能形成循環(huán)的問題,更不用說什么平衡了。所以,煤和石油事實上是一種坐吃山空的資源:我們今天用得越多,我們的子孫將來可以使用的就越少。在不久的將來,人們用完了所有的煤和石油,會怎么辦?這是一個令社會學(xué)家睡不安枕的問題。然而,經(jīng)濟學(xué)家們卻不這樣看。經(jīng)濟學(xué)教授給學(xué)生們講課,出了這樣一個題目:地底下現(xiàn)有石油儲量X噸,近五年的開采量是Y噸/年,請預(yù)測石油將在多少年后被開采完?有的學(xué)生開始用計算器摁鍵:X/Y = ? 這樣的學(xué)生被認為是經(jīng)濟學(xué)的盲者。教授的觀點是:永遠也開采不完。因為,隨著石油儲量的減少,開采的成本會加大,成本大于銷售價格時,市場規(guī)律決定了人們在也不會去開采石油了。此時石油存在事實已經(jīng)失去了利用價值,任它在地底下沉睡多少年也和我們沒有關(guān)系了。那么人們會使用什么能源呢?巨大的市場潛力和利潤空間將驅(qū)使人們?nèi)パ芯恳环N石油的替代品。因此,能源的危機也就解決了。是社會學(xué)家們悲天憫人,還是經(jīng)濟學(xué)家們盲目樂觀?這需要我們冷靜地去判斷。至少,以下的一些事實可以顯示,這兩派觀點都有一定的道理世界上石油儲量最大的中東地區(qū)一直是發(fā)達國家關(guān)注的焦點,外交、軍事莫不圍繞著這片從地表上看毫無魅力的區(qū)域打轉(zhuǎn)。世界警察(美國)和他的隨從們最愿意去管中東的事情:兩次海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等等說明能量消耗巨大的富國們對石油的心痛程度。令以一方面,“替代品”新能源的研發(fā)、形式層出不窮。1、水能:水作為能量的載體,被太陽能驅(qū)動地球上三棲(水、陸、空)循環(huán)。地表水的流動時,在落差大、流量大的地區(qū),形成可利用的水能資源。目前世界上水力發(fā)電還處于起步階段。2、海洋能:由于地球受月球和太陽引力的周期性不均衡,海水發(fā)生非氣候性的漲潮和落潮現(xiàn)象,形成潮汐。潮汐蘊含著巨大能量,既可以用來推動機械裝置,又可以用來發(fā)電。此外,由于海水表層和深層間的存在很大的溫差,利用這種溫差也可以發(fā)電(*因為水的沸點與氣壓有關(guān),如果建造一個裝置,用抽真空的方法使表層的海水在20攝氏度時汽化,并推動汽輪機,再將深層的冷水提上來使蒸汽冷卻,如此周而復(fù)始,就可以發(fā)電了。除這種方法外,還可以用低沸點的流體如丙烷和氨來作為熱機的工作介質(zhì))。法國已經(jīng)建成了世界上第一座溫差發(fā)電站,發(fā)電容量為14,000kW。3、風(fēng)能:利用風(fēng)的機械能發(fā)電,風(fēng)能是一種重要的自然能源。據(jù)有關(guān)專家估算,在全球邊界層內(nèi)的總能量為1.31015瓦,一年中約為1.41016千瓦時電力的能量,相當(dāng)于目前全世界 每年所燃燒能量的3000倍。其中1/10為可取用的極限量。風(fēng)能的優(yōu)點是:總能量巨大,利用簡單、無污染、可再生。缺點是:能量密度低(當(dāng)流速同為3米/秒時,風(fēng)力的能量密度僅為水力的1/1000)、不穩(wěn)定性大,連續(xù)性、可靠性差,時空分布不均勻。4、生物質(zhì)能:利用厭氧微生物在密閉條件下分解(廢棄)有機物,產(chǎn)生沼氣,沼氣具有很高的熱值,燃燒后生成二氧化碳和水,不污染空氣,不危害農(nóng)作物和人畜健康。生成沼氣的原料本身就是各種廢棄物,生產(chǎn)過程可以減少(有機物)垃圾的數(shù)量。在農(nóng)村到處可以看到許多生物質(zhì)的廢棄物,如人畜糞便、秸稈、雜草和不能食用的果蔬,等等。將這些廢棄物收集起來,經(jīng)過細菌發(fā)酵可以產(chǎn)生沼氣,用沼氣做燃料和照明,也可以發(fā)電。5、太陽能:太陽能是一種可廣泛利用的清潔能源。我們目前的利用方式主要是兩種一是將陽光聚焦,將光能轉(zhuǎn)化為熱能(傳說阿基米德就曾經(jīng)利用聚光鏡反射陽光,燒毀了來犯的敵艦)。在日照充分的地方,人們在生產(chǎn)和生活中已大量使用太陽灶、干燥器和太陽能熱水器(太陽能熱水器的構(gòu)造要簡單的多。因為不需要它產(chǎn)生太高的溫度。在大多數(shù)情況下,可以將太陽能熱水器的集熱器制成箱式、蛇型管式、直管式、平板式或枕式,通過管道與水源和儲水箱相連。太陽能熱水器在我國北方比較常見)。二是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,再用化學(xué)能發(fā)電。比較常見的光電池是硅電池(它能將13%-20%的日光能轉(zhuǎn)化為電能)。許多電子計算器和其他小型電子儀器現(xiàn)在已經(jīng)采用太陽能電池供電,人造衛(wèi)星和宇宙飛船更是主要依靠太陽能電池來提供電力。但是陽光在達到地面以前要經(jīng)過大氣的反射、散射和吸收,能量損失較大,加上陰天、晝夜變化和雨雪等降水過程的影響,目前地面上利用日光發(fā)電受到一定限制。無論是生物質(zhì)能、風(fēng)能,還是水力、溫差和潮汐能,歸根結(jié)底都是太陽能的轉(zhuǎn)化形式。即使礦物燃料,也是通過生物的化石形式保存下來的億萬年以前的太陽能。6、地?zé)崮埽河玫責(zé)岵膳?、將地?zé)嵊糜谵r(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等,在全世界范圍內(nèi)受到關(guān)注。(從直接利用地?zé)岬囊?guī)模來說,最常用的是地?zé)崴茉。伎偫昧康?/3以上,其次是地?zé)崴B(yǎng)殖和種植約占20%,地?zé)岵膳s占13%,地?zé)崮芄I(yè)利用約占2%)。利用地?zé)崮?,占地很少,無廢渣、粉塵污染,用后的棄(尾)水既可綜合利用,又可回注到地下儲層,達到增加壓力、保護儲層、保護地?zé)豳Y源的雙重目的。*據(jù)美國地?zé)豳Y源委員會(GRC) 1990年的調(diào)查,世界上18個國家有地?zé)岚l(fā)電,總裝機容量5827.55兆瓦,裝機容量在100兆瓦以上的國家有美國、菲律賓、墨西哥、意大利、新西蘭、日本和印尼。我國的地?zé)豳Y 源也很豐富,但開發(fā)利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省區(qū)。除以上利用外,從熱水中還可提取鹽類、有益化學(xué)組分和硫磺等。7、核能:鈾在自然界中有三種放射性同位素:U235、U238、U234 ,在衰變過程中放出熱量。在軍事上鈾主要用來制造核武器和核動力燃料。鈾的和平用途十分廣泛,其中最主要的是用作核電反應(yīng)堆的燃料。由于核電具有發(fā)電成本低、對環(huán)境污染小和安全等優(yōu)點,世界各國,尤其是工業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)都大力發(fā)展核電,估計到xx年核電將達到世界總發(fā)電量的25%左右。我國已建成秦山、大亞灣核電站,目前還有多處正在籌建。鈾裂變時產(chǎn)生的同位素及其射線,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有廣泛的用途。例如,在工業(yè)上利用射線實現(xiàn)生產(chǎn)自動控制,無損傷檢查等;在農(nóng)業(yè)上利用射線培育良種,防止病蟲害等;在醫(yī)學(xué)上用于滅菌消毒,臨床診斷及治療;在地質(zhì)勘探工作中用來找礦等等。從種種跡象看來,能源危機的解決也許并不是難事。但這是不是就意味著人類可以高枕無憂呢?答案是否定的二、環(huán)境可以說,自打人類尋找到木材的替代品煤和石油開始,就已經(jīng)意識到了“替代”絕不就是“等同”。我們前面說過,木料的灰燼能夠作為肥料施在小樹下,這樣就促進了循環(huán)的完整與良性發(fā)展,而煤渣并不能做到這一點。也許學(xué)過化學(xué)的我們會說,煤和石油的衍生物也可以制成肥料,但是,請大家不要忘了,木料的灰燼可以被大自然“照單全收”地降解、燃燒的二氧化碳也是植物(新樹苗)呼吸作用的必須,可煤燃燒的廢渣、石油的衍生物(塑料等)卻不能或很難被降解,他們?nèi)紵膹U氣(二氧化硫等)是天怨人怒的有害物質(zhì)(石油燃燒的廢氣還是城市人們致癌的罪魁禍首)。所以說,垃圾問題、大氣問題,共同構(gòu)成了環(huán)境問題。在新的能源中,環(huán)境問題是不是徹底解決了呢?從前面介紹的16種能源中,人們確實充分考慮了這個問題,理論上是不會有環(huán)境問題的。但是,不知大家注意到了沒有,它們都會受自然條件和資源條件的制約(沒有風(fēng),風(fēng)車能轉(zhuǎn)嗎?太陽能需要面積,你能把熱效應(yīng)管架在別人的房子上去嗎?潮汐能需要海岸線的長度,你去侵略別人的海域嗎?)。隨著人們需求的增長,可以說,這前6能源的供應(yīng)量必然不能滿足要求,所以第7種能源成為人們關(guān)注的焦點:核能(因為它有一個突出的優(yōu)點,那就是能量巨大)。在發(fā)達國家,核能的使用量日益增多但是,核能的直接或潛藏的環(huán)境問題比煤合石油的要嚴重得多人類要在以上問題中尋求一種協(xié)調(diào)與和諧,在調(diào)整需求意識、珍惜資源、科研開發(fā)等多個方面都有工作要做。無論今后大家會致力于哪一方面的工作,今天的意識形成都會大有必要。三、小結(jié)本節(jié)我們介紹了能源于環(huán)境的問題,通過介紹,希望大家能夠了解:1、能量和能源是兩回事;2、非再生能源和可再生能源是兩回事;3、人類不能打破與環(huán)境的和諧,破壞環(huán)境等于摧毀自己的生存家園?!景鍟O(shè)計】注意“教學(xué)過程”的灰色部分,即是板書計劃?!窘毯蟾小考冎v座式的課很難控制速度,第一堂只“說”了23分鐘,第二堂加了一點板書,把網(wǎng)頁內(nèi)容機械的復(fù)述了一下,差不多35分鐘。是太激動了嗎?語言的潤色和激情的控制看來要動腦筋。幾種“新能源”的準備不夠充分,沒有化為自己的語言,說來就很別扭。剛才化時間改了一下。調(diào)動學(xué)生的效果好象不是太好,有一種吃虧不討好的感覺。距自己的期望值有不小的距離。

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