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2019-2020年高中物理 第三章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(chǔ)量和人類(lèi)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(diǎn)】 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(diǎn)】 能源和環(huán)境之間的關(guān)系 【教具準(zhǔn)備】 投影儀 【教學(xué)過(guò)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(guò)程都是不可逆的。涉及內(nèi)能的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程具有方向性，這在上一節(jié)已經(jīng)提到過(guò)了。在本節(jié)，我們討論這種方向性的現(xiàn)實(shí)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(shù)苗上，促成它長(zhǎng)成一段未來(lái)的木料，以供人類(lèi)（可能是種樹(shù)、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(huì)發(fā)現(xiàn)，首先，能量轉(zhuǎn)化的方向性并沒(méi)有被破壞，也就是說(shuō)，熱力學(xué)第二定律仍被得到尊重。其次，這將形成了一個(gè)循環(huán)，因?yàn)橹灰獣r(shí)間足夠，讓樹(shù)苗成長(zhǎng)成為木料的數(shù)目大于我們?nèi)紵玖系臄?shù)目，它就不會(huì)破壞需求與資源的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。其三，在這個(gè)循環(huán)中，必須要有第三者參與——如果沒(méi)有太陽(yáng)的光合作用，循環(huán)就終止了——所以人與資源（樹(shù)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(shuō)在燃燒樹(shù)木，還不如說(shuō)是在利用儲(chǔ)存的太陽(yáng)能）。其四，這種循環(huán)還有一種隱憂，那就是：灰燼“成為”樹(shù)木的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樹(shù)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(jià)的。 以上的四點(diǎn)中，第三點(diǎn)事實(shí)上已經(jīng)決定了循環(huán)“返回”過(guò)程的速度（不能由人類(lèi)操控），第二點(diǎn)和第四點(diǎn)則意味著人類(lèi)的行為、世界觀對(duì)“平衡”能否被破壞有著直接的關(guān)系。 在工業(yè)化時(shí)代到來(lái)之前，人們過(guò)著田園牧歌式的生活，沒(méi)有電器、沒(méi)有汽車(chē)、沒(méi)有空調(diào)，人類(lèi)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(méi)有被破壞。 隨著工業(yè)化時(shí)代的到來(lái)，這種狀況立即顯現(xiàn)出危機(jī)，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(wú)幾。但是，形成煤和石油的速度比長(zhǎng)成樹(shù)木的速度，就不能同日而語(yǔ)了！可以這樣說(shuō)，人們自從使用煤的第一天起，就沒(méi)有想到一個(gè)可能形成循環(huán)的問(wèn)題，更不用說(shuō)什么平衡了。所以，煤和石油事實(shí)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(lái)可以使用的就越少。 在不久的將來(lái)，人們用完了所有的煤和石油，會(huì)怎么辦？這是一個(gè)令社會(huì)學(xué)家睡不安枕的問(wèn)題。 然而，經(jīng)濟(jì)學(xué)家們卻不這樣看。經(jīng)濟(jì)學(xué)教授給學(xué)生們講課，出了這樣一個(gè)題目：地底下現(xiàn)有石油儲(chǔ)量X噸，近五年的開(kāi)采量是Y噸/年，請(qǐng)預(yù)測(cè)石油將在多少年后被開(kāi)采完？有的學(xué)生開(kāi)始用計(jì)算器摁鍵：X/Y = ? …這樣的學(xué)生被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)學(xué)的盲者。教授的觀點(diǎn)是：永遠(yuǎn)也開(kāi)采不完。因?yàn)?，隨著石油儲(chǔ)量的減少，開(kāi)采的成本會(huì)加大，成本大于銷(xiāo)售價(jià)格時(shí)，市場(chǎng)規(guī)律決定了人們?cè)谝膊粫?huì)去開(kāi)采石油了。此時(shí)石油存在事實(shí)已經(jīng)失去了利用價(jià)值，任它在地底下沉睡多少年也和我們沒(méi)有關(guān)系了。 那么人們會(huì)使用什么能源呢？巨大的市場(chǎng)潛力和利潤(rùn)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(jī)也就解決了。 是社會(huì)學(xué)家們悲天憫人，還是經(jīng)濟(jì)學(xué)家們盲目樂(lè)觀？這需要我們冷靜地去判斷。至少，以下的一些事實(shí)可以顯示，這兩派觀點(diǎn)都有一定的道理—— 世界上石油儲(chǔ)量最大的中東地區(qū)一直是發(fā)達(dá)國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)，外交、軍事莫不圍繞著這片從地表上看毫無(wú)魅力的區(qū)域打轉(zhuǎn)。世界警察（美國(guó)）和他的隨從們最愿意去管中東的事情：兩次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)等等…說(shuō)明能量消耗巨大的富國(guó)們對(duì)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(yáng)能驅(qū)動(dòng)地球上三棲（水、陸、空）循環(huán)。地表水的流動(dòng)時(shí)，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(yáng)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(yùn)含著巨大能量，既可以用來(lái)推動(dòng)機(jī)械裝置，又可以用來(lái)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?yàn)樗姆悬c(diǎn)與氣壓有關(guān)，如果建造一個(gè)裝置，用抽真空的方法使表層的海水在20攝氏度時(shí)汽化，并推動(dòng)汽輪機(jī)，再將深層的冷水提上來(lái)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(diǎn)的流體如丙烷和氨來(lái)作為熱機(jī)的工作介質(zhì)）。法國(guó)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(jī)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(shí)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(diǎn)是：總能量巨大，利用簡(jiǎn)單、無(wú)污染、可再生。缺點(diǎn)是：能量密度低（當(dāng)流速同為3米/秒時(shí)，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(shí)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(jī)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(guò)程可以減少（有機(jī)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(lái)，經(jīng)過(guò)細(xì)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(yáng)能：太陽(yáng)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(yáng)光聚焦，將光能轉(zhuǎn)化為熱能（傳說(shuō)阿基米德就曾經(jīng)利用聚光鏡反射陽(yáng)光，燒毀了來(lái)犯的敵艦）。在日照充分的地方，人們?cè)谏a(chǎn)和生活中已大量使用太陽(yáng)灶、干燥器和太陽(yáng)能熱水器（太陽(yáng)能熱水器的構(gòu)造要簡(jiǎn)單的多。因?yàn)椴恍枰a(chǎn)生太高的溫度。在大多數(shù)情況下，可以將太陽(yáng)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(guò)管道與水源和儲(chǔ)水箱相連。太陽(yáng)能熱水器在我國(guó)北方比較常見(jiàn)）。 二是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再用化學(xué)能發(fā)電。比較常見(jiàn)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(jì)算器和其他小型電子儀器現(xiàn)在已經(jīng)采用太陽(yáng)能電池供電，人造衛(wèi)星和宇宙飛船更是主要依靠太陽(yáng)能電池來(lái)提供電力。 但是陽(yáng)光在達(dá)到地面以前要經(jīng)過(guò)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(guò)程的影響，目前地面上利用日光發(fā)電受到一定限制。 無(wú)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(yáng)能的轉(zhuǎn)化形式。即使礦物燃料，也是通過(guò)生物的化石形式保存下來(lái)的億萬(wàn)年以前的太陽(yáng)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(lái)說(shuō)，最常用的是地?zé)崴茉?，占總利用量?/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(wú)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(chǔ)層，達(dá)到增加壓力、保護(hù)儲(chǔ)層、保護(hù)地?zé)豳Y源的雙重目的。*據(jù)美國(guó)地?zé)豳Y源委員會(huì)（GRC） 1990年的調(diào)查，世界上18個(gè)國(guó)家有地?zé)岚l(fā)電，總裝機(jī)容量5827.55兆瓦，裝機(jī)容量在100兆瓦以上的國(guó)家有美國(guó)、菲律賓、墨西哥、意大利、新西蘭、日本和印尼。我國(guó)的地?zé)豳Y 源也很豐富，但開(kāi)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(lèi)、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(guò)程中放出熱量。在軍事上鈾主要用來(lái)制造核武器和核動(dòng)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(duì)環(huán)境污染小和安全等優(yōu)點(diǎn)，世界各國(guó)，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)都大力發(fā)展核電，估計(jì)到xx年核電將達(dá)到世界總發(fā)電量的25%左右。我國(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)控制，無(wú)損傷檢查等；在農(nóng)業(yè)上利用射線培育良種，防止病蟲(chóng)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(lái)找礦等等。 從種種跡象看來(lái)，能源危機(jī)的解決也許并不是難事。但這是不是就意味著人類(lèi)可以高枕無(wú)憂呢？答案是否定的—— 二、環(huán)境 可以說(shuō)，自打人類(lèi)尋找到木材的替代品——煤和石油開(kāi)始，就已經(jīng)意識(shí)到了“替代”絕不就是“等同”。我們前面說(shuō)過(guò)，木料的灰燼能夠作為肥料施在小樹(shù)下，這樣就促進(jìn)了循環(huán)的完整與良性發(fā)展，而煤渣并不能做到這一點(diǎn)。也許學(xué)過(guò)化學(xué)的我們會(huì)說(shuō)，煤和石油的衍生物也可以制成肥料，但是，請(qǐng)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(shù)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?zhǔn)祝?。所以說(shuō)，垃圾問(wèn)題、大氣問(wèn)題，共同構(gòu)成了——環(huán)境問(wèn)題。 在新的能源中，環(huán)境問(wèn)題是不是徹底解決了呢？從前面介紹的1~6種能源中，人們確實(shí)充分考慮了這個(gè)問(wèn)題，理論上是不會(huì)有環(huán)境問(wèn)題的。但是，不知大家注意到了沒(méi)有，它們都會(huì)受自然條件和資源條件的制約（沒(méi)有風(fēng)，風(fēng)車(chē)能轉(zhuǎn)嗎？太陽(yáng)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(zhǎng)度，你去侵略別人的海域嗎？）。隨著人們需求的增長(zhǎng)，可以說(shuō)，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(diǎn)：核能（因?yàn)樗幸粋€(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，那就是能量巨大）。在發(fā)達(dá)國(guó)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(wèn)題比煤合石油的要嚴(yán)重得多… 人類(lèi)要在以上問(wèn)題中尋求一種協(xié)調(diào)與和諧，在調(diào)整需求意識(shí)、珍惜資源、科研開(kāi)發(fā)等多個(gè)方面都有工作要做。無(wú)論今后大家會(huì)致力于哪一方面的工作，今天的意識(shí)形成都會(huì)大有必要。 三、小結(jié) 本節(jié)我們介紹了能源于環(huán)境的問(wèn)題，通過(guò)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(lèi)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。 【板書(shū)設(shè)計(jì)】 注意“教學(xué)過(guò)程”的灰色部分，即是板書(shū)計(jì)劃。 【教后感】 純講座式的課很難控制速度，第一堂只“說(shuō)”了23分鐘，第二堂加了一點(diǎn)板書(shū)，把網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容機(jī)械的復(fù)述了一下，差不多35分鐘。是太激動(dòng)了嗎？語(yǔ)言的潤(rùn)色和激情的控制看來(lái)要?jiǎng)幽X筋。 幾種“新能源”的準(zhǔn)備不夠充分，沒(méi)有化為自己的語(yǔ)言，說(shuō)來(lái)就很別扭。剛才化時(shí)間改了一下。 調(diào)動(dòng)學(xué)生的效果好象不是太好，有一種吃虧不討好的感覺(jué)。距自己的期望值有不小的距離。