高中物理4、8 能源的開發(fā)與利用１教案粵教版必修2

1、粵教版高中物理必修2第四章 機(jī)械能與能源整章教案第八節(jié) 能源的開發(fā)與利用名師導(dǎo)航重點(diǎn)與剖析一、能源及其分類按照基本形態(tài)分類，能源通?？煞譃橐淮文茉春投文茉?。所謂一次能源是指自然界天然存在、不改變其形態(tài)就可直接利用的能源，如煤炭、石油、天然氣、水力、風(fēng)力、太陽能等。二次能源是指由一次能源進(jìn)行加工轉(zhuǎn)換而得到的能源產(chǎn)品，如蒸汽、電力、煤氣、石油制品等。一次能源和二次能源的概念實(shí)際上反映了人類對能源的兩種利用方式。從一次能源到二次能源是人類能源利用方式的飛躍。一次能源經(jīng)過加工后，實(shí)現(xiàn)了不同能源間的轉(zhuǎn)換，大大提高了能源的利用率和使用范圍。按來源分類，可將能源分為再生能源和非再生能源。水力、風(fēng)力、太陽能

2、等屬于再生能源，煤炭、石油、天然氣等則屬于非再生能源。按目前應(yīng)用廣泛程度，可分為常規(guī)能源和新能源。目前普遍使用的煤、石油、天然氣屬于常規(guī)能源，而太陽能、核能等則屬于新能源。能源的開發(fā)利用本質(zhì)上就是改變能源的形態(tài)，把不方便人們利用的能源形式改變?yōu)榉奖闶褂?、清潔、高效的能源形式。二、能源危機(jī)與環(huán)境污染地球上已探明可供開采使用的常規(guī)能源極其有限，按現(xiàn)在的消耗速度，石油只能供開采約40年，煤炭也只能供開采約200年。石油和煤炭的使用導(dǎo)致了巨大的環(huán)境污染。我國面臨的環(huán)境和能源問題十分嚴(yán)峻。三、未來能源核能、太陽能、地?zé)崮?、生物物質(zhì)能、海洋能、氫氣等等。節(jié)約能源和開發(fā)利用新能源是解決當(dāng)前能源危機(jī)的主要途徑

3、。問題與探究問題1：能源是人類社會發(fā)展進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，同信息、材料一起構(gòu)成了現(xiàn)代文明的三大支柱。每一種新能源的開發(fā)利用和能源利用方式的變革都極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，并引發(fā)社會變革，使人類文明前進(jìn)一大步。圖4-34反映了人類不斷開發(fā)利用新能源的進(jìn)步歷程。試對應(yīng)每一方框舉一例，說明每一種新能源的開發(fā)利用對當(dāng)時社會生活的影響。直接燃燒柴禾直接燃燒煤利用石油和天然氣電能的利用核能的利用圖4-34探究思路：人類社會的發(fā)展經(jīng)歷了幾次工業(yè)革命？每次工業(yè)革命都是由科學(xué)技術(shù)的突破引發(fā)的。本題是開放性的題目，從課本上是難以找到答案的，請同學(xué)們利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)查閱文獻(xiàn)資料，可以幾個人組成小組，分工負(fù)責(zé)，合作完成。

4、問題2 由于人們長期使用煤和石油，這兩種傳統(tǒng)能源已被大量消耗，同時對環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。目前人們逐漸把關(guān)注的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到新能源的開發(fā)和利用上，去探索高效、潔凈的新能源。在21世紀(jì)，新能源將在能源消費(fèi)構(gòu)成中占據(jù)越來越重要的地位。1既然任何能量轉(zhuǎn)化過程中其總量是守恒的，為什么人類社會仍有能源危機(jī)的產(chǎn)生？2根據(jù)你所掌握的知識，說說目前國際上有關(guān)新能源的研究和開發(fā)主要集中哪些方面。探究思路:1雖然能的總量是守恒的，但各類能量在自然大環(huán)境下轉(zhuǎn)化的時間和方式是各不相同的，人類目前使用的常規(guī)能源（煤，石油，天然氣）只能再用不到200年，但這些能源的形成卻需要幾千萬年時間，另外地球上各類能量在自然大環(huán)境下轉(zhuǎn)化

5、方式中，有些是不可逆的，根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，任何自然界的宏觀過程都具有方向性，也必然存在著能量耗散，而目前人類生活需要的能量是巨大的，故在不久的將來存在著能源危機(jī)。2目前有關(guān)新能源的研究和開發(fā)主要在如下幾個方面：光電池已在一些領(lǐng)域（如計(jì)算器、廣告牌照明等）廣泛使用；太陽能已開始用于一些居民住宅和發(fā)電，以太陽能電池為能源的汽車也在實(shí)驗(yàn)中；用汽油、天然氣和氫做燃料的燃料電池也正在大力研制之中，研究員正在設(shè)法提高燃料電池的工作效率；核能發(fā)電面臨著一場革命，核反應(yīng)器的設(shè)計(jì)將全面創(chuàng)新，未來的反應(yīng)器將具有自動防止故障的能力而且體積將大大縮??；再生能源的使用也在不斷發(fā)展和擴(kuò)大，根據(jù)美國能源部的報(bào)告，現(xiàn)在

6、美國再生能源的供應(yīng)量占美國總能源量10，據(jù)估計(jì)到2030年將增加到28；生物能發(fā)電的研究和作用。典題與精析例1 某地強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)速v=20m/s，設(shè)空氣密度=1.3kg/m3,如果通過橫截面積為S=20m2的風(fēng)的動能全部轉(zhuǎn)化為電能，則用上述已知量計(jì)算電功率的公式應(yīng)為P= ，大小約為 W（取一位有效數(shù)字）精析：設(shè)想一個圓柱體內(nèi)的風(fēng)為研究對象。解析：t秒內(nèi)轉(zhuǎn)化為電能的是以S為底、vt為高的柱體內(nèi)風(fēng)的動能，則柱體內(nèi)風(fēng)的質(zhì)量為m= Svt ，動能為E= ，由此可得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率為P=，代入數(shù)據(jù)可求得P=1。例2 水在熱電廠的鍋爐中變?yōu)樗魵?，通過渦輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。用過的水蒸氣在液化器中凝結(jié)成水，再到鍋

7、爐，循環(huán)使用，液化器中的冷卻水回流到冷卻塔中降溫，如圖4-35所示，求： （1）夏天，來自冷卻塔的水溫為16，而回到冷卻塔的水溫為30，若冷卻塔和液化器間水的流量為 15m3/s，試求這個系統(tǒng)通過冷卻塔散熱的功率。 （2）如果發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率為56萬kw，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率為80%。不計(jì)水蒸氣通過渦輪機(jī)過程中由于熱傳遞造成的能量損失及渦輪機(jī)的磨擦，試求水蒸氣的能量轉(zhuǎn)化為電能的效率. 圖4-35精析：本題解決問題的關(guān)鍵是抓住能量轉(zhuǎn)化關(guān)系：（1）水蒸氣的能量主要轉(zhuǎn)化為渦輪機(jī)的機(jī)械能和冷卻水的內(nèi)能。（2）機(jī)械能的80%轉(zhuǎn)化為電能。求出冷卻水每秒吸收的熱量，即可求出系統(tǒng)的散熱功率，再求出機(jī)

8、械功率，就能求出總功率，然后求出電功率與總功率比即為水蒸氣的能量轉(zhuǎn)化為電能的效率。 解（1）1s內(nèi)冷卻水吸熱 （2）P電=80%P機(jī) 例3 大規(guī)模開發(fā)利用太陽能，將會滿足人類長期對大量能源的需求。太陽能的光一熱轉(zhuǎn)換是目前技術(shù)最為成熟、成本最低廉、應(yīng)用最廣泛的形式。太陽能熱水器的構(gòu)造示意圖如圖4-36所示，下方是象日光燈管似的集熱管，外有透明玻璃管，內(nèi)有黑色管子（管內(nèi)蓄水），由導(dǎo)熱性能良好的材料制成，在黑色管和外面透明管間有空隙，并抽成真空，集熱管的下方是一塊光亮的鋁合金板子，做成凹凸一定的曲面。圖4-36乙甲 試分析下列有關(guān)太陽能的利用問題：1說明太陽能熱水器哪些結(jié)構(gòu)與其功能相適應(yīng)？水箱為何安

9、裝在頂部而非下部？2圖乙中A是集熱器，B是儲水容器，在陽光直射下水將沿 時針向流動，這是因?yàn)?。C是附助加熱器，其作用是 。請?jiān)趫D中適當(dāng)位置安上進(jìn)水閥門，和出水閥門，并說明選擇位置的理由。3試舉例分析說明太陽能與電能、化學(xué)能、生物能的轉(zhuǎn)換。解析：1日光燈管似的集熱管面積較大，便于吸收較多的太陽能；外有透明玻璃管，內(nèi)有黑色管子使陽光能直射入玻璃管而不易被反射；在黑色管和外面透明管間有空隙，并抽成真空，減少兩管之間空氣對流引起的熱損失，減少熱傳導(dǎo)；集熱管的下方是一塊光亮的鋁合金板子，做成凹凸一定的曲面，使周圍及穿過管隙的陽光盡量聚焦在水管內(nèi)，水箱安裝在頂部而非下部，便于水的對流。2順時針流動，集熱

10、器中的水被太陽光曬熱后密度變小，受浮力作用沿管向右上方運(yùn)動；在陰天用電加熱的方式使水溫升高；在封閉的環(huán)形管道的左下方安上進(jìn)水閥門，在貯水容器下方豎直管道上安出水閥門，可使熱水流出，冷水得以補(bǔ)充。3光一電轉(zhuǎn)換的基本裝置是太陽能電池，目前國產(chǎn)硅光電池的最大開路電壓已達(dá)到600mV。利用硅光電池的光電流隨受光面積變化的特征，制成了各種自動控制裝置；利用太陽輻射能直接分解水制氫，氫是二次能源，用途廣、無污染、便貯存、便運(yùn)輸，這是一種很有吸引力的途徑；捕獲太陽能的生物是綠色植物，利用植物的光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化成生物能。綠色通道：本題把物理學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)知識綜合起來，有利于培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。希望

11、同學(xué)門多運(yùn)用所學(xué)的物理知識去解釋、解決生活實(shí)際中的現(xiàn)象和問題。自主廣場基礎(chǔ)達(dá)標(biāo)1、關(guān)于能源，以下說法中正確的是 A 煤、石油、天然氣等燃料的最初來源都可追溯到太陽能B 柴草燃燒時釋放的能量是生物能C 核能和地?zé)崮軄碜缘厍蜃陨鞤 潮汐能來源于月球引力做功1、答案：ACDB解析：本題屬能源科學(xué)，涉及物理學(xué)、化學(xué)、地理和生物學(xué)等多學(xué)科知識的綜合。柴草燃燒是劇烈的氧化反應(yīng)，燃燒時釋放的化學(xué)能將轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生的氣體及周圍物質(zhì)所增加的內(nèi)能，而柴草具有的化學(xué)能的最初來源也可追溯到太陽能，因?yàn)榫G色植物的生長過程必須依靠陽光，通過光合作用，葉綠素將水和二氧化碳制成淀粉，從能的轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)來看，在此過程中太陽能轉(zhuǎn)化成化學(xué)

12、能貯存在植物中，通過燃燒，化學(xué)能又轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。2、什么是一次能源？什么是二次能源？什么是常規(guī)能源？什么是新能源？各舉具體例子說明。2、答案：所謂一次能源是指自然界天然存在、不改變其形態(tài)就可直接利用的能源，如煤炭、石油、天然氣、水力、風(fēng)力、太陽能等。二次能源是指由一次能源進(jìn)行加工轉(zhuǎn)換而得到的能源產(chǎn)品，如蒸汽、電力、煤氣、石油制品等。一次能源和二次能源的概念實(shí)際上反映了人類對能源的兩種利用方式。從一次能源到二次能源是人類能源利用方式的飛躍。一次能源經(jīng)過加工后，實(shí)現(xiàn)了不同能源間的轉(zhuǎn)換，大大提高了能源的利用率和使用范圍。技術(shù)上比較成熟、使用較普遍的能源叫做常規(guī)能源（如煤炭、石油等），近幾十年才開始利用

13、或正在研究開發(fā)的能源叫做新能源。目前普遍使用的煤、石油、天然氣屬于常規(guī)能源，而太陽能、核能等則屬于新能源。3、由于氣候寒冷，南極大陸成為強(qiáng)大的高壓中心，形成由大陸中心吹向邊緣的風(fēng)暴，有世界“風(fēng)極”之稱，年平均風(fēng)速17m/s18m/s。若以最小平均風(fēng)速吹動一個直徑為10m的風(fēng)車發(fā)電，風(fēng)車將20%的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，試計(jì)算風(fēng)車的發(fā)電功率。（已知：空氣密度為1.29kg/m3） 3 解析：4、查閱資料，比較不同能源用于發(fā)電時的積極、消極因素，填入下表。表4-1 不同種類能源用于發(fā)電的積極因素和消極因素影響能源種類積極因素消極因素煤石油天然氣核能水能4、答案：表4-2 不同種類能源用于發(fā)電的積極因素和消極因素能源種類積極因素消極因素煤成本適度，建火電站較易，蘊(yùn)藏量豐富。大礦區(qū)集中。采礦業(yè)毀壞土地和水資源，對礦工高度危險(xiǎn)，燃燒煤時產(chǎn)生嚴(yán)重的大氣污染和大量的煤渣。石油成本適度，蘊(yùn)藏量較充足。大礦區(qū)集中。油價(jià)多變，油的泄露會嚴(yán)重污染土壤和