（必修3）12.4 能源与可持续发展（教案1）

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能源与可持续发展
【教学目标】
1．理解能量守恒定律，知道能源和能量耗散。
2．通过对生活中能量转化的实例分析，理解能量守恒定律的确切含义。
3．了感知我们周围能源的耗散，树立节能意识。
【教学重难点】
1．能量守恒定律的内容。
2．理解能量守恒定律的确切含义。
【教学过程】
一、新课教学
（一）能的转移和转化
1．教室列举生活中能量转化的例子
（1）化学能转化为内能和机械能     （2）风能转化为电能

                 

（3）重力势能转化为电能           （4）电能转化为机械能

                 

（5）电能转化为内能               （6）太阳能转化为电能

               

（7）光能转化为化学能             （8）化学能转化为电能

               

【练习】
指出下列现象中能量的转化或转移情况：
（1）人在跑步时，身体发热（                      ）
化学能转化为内能
（2）风吹动帆船前进（                      ）
风的机械能转移到帆船上
（3）放在火炉旁的冷水变热（                      ）
内能由火炉转移给水
（4）电流通过灯泡，灯泡发光（                      ）
电能转化为光能
（5）植物进行光合作用（                      ）
光能转化为化学能
（二）能量守恒定律
通过上面的练习，我们可以总结得出：
（1）能量转移：能量的形式没改变
（2）能量转化：能量的形式发生变化
无论能量发生转移还是转化，总能量保持不变。
1．能量守恒定律：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另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化或转移过程中，能量的总量保持不变。
在历史的长河里，物理规律从来都是经过不断的试错和摸索得来的，在此之前人们认为有永动机存在，它不消耗任何能量，却可以源源不断地对外做功。人们把这种不消耗能量的永动机叫第一类永动机。



在这个过程中，还设计了很多不同类型的永动机。


2．事实和理论都证明永动机是不可能制成的
永动不可能制成的原因：
根据能量守恒定律，任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有地制造能量，因此第一类永动机是不可能制成的。
17～18世纪许多机械专家就已经论证了永动机是不可能的法国科学院在1775年就正式决定，不再研究和试验任何永动机。
3．能量守恒定律的意义：
（1）能量守恒定律同生物进化论、细胞的发现被恩格斯誉为19世纪的三个最伟大的科学发现。
（2）能量守恒定律是在无数实验事实的基础上建立起来的，是自然科学的普遍规律之一。
（3）自然界一切已经实现的过程都遵守能量守恒定律。凡是违反能量守恒定律的过程都是不可能实现的，例如“永动机”只能以失败而告终。
（4）机械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。
【例题1】下列对能的转化和守恒定律的认识正确的是（    ）
A.某种形式的能减少，一定存在其他形式的能增加
B.某个物体的能量减少，必然有其他物体的能量增加
C.不需要任何外界的动力而持续对外做功的机器——永动机是不可能制成的
D.石子从空中落下，最后静止在地面上，说明机械能消失了
【例题2】一个物体沿粗糙斜面匀速滑下，则下列说法正确的是（    ）
A.物体机械能不变，内能也不变
B.物体机械能减小，内能不变
C.物体机械能减小，内能增大，机械能与内能总量减小
D.物体机械能减小，内能增大，机械能与内能总量不变
（三）能量转化和转移的方向性
教师抛出问题：既然能量是守恒的，不可能消灭，为什么我们还要节约能源？
师生活动1：
活动要求：
根据给定器材设计活动，使能量发生转化和转移；
思考并记录：活动的目标是什么、使用了何种能源、能量转化过程怎样、能量最终去了哪里？
第1组：长木板   弹簧   小车
第2组：干电池   导线   小电珠   开关
第3组：高功率红外灯    电动机   小型叶片（或者蜂鸣器）
第4组：电吹风    电动机   小型叶片
第5组：脸盆     水    水车
教师提问：现在请各小组派一代表来说一下你们这组的活动目标是什么？利用什么能源？能量的转化情况如何？
学生回答：略
师生总结：
（1）虽然我们的器材不同、使用的能源不同，但是能量在转化和转移的过程中都完成了目标，因此能源的利用本质就是能量的转化和转移；
（2）所有的能量最终“归宿”都为内能。
教师提问：那你们感受到了内能吗？
学生回答：没有
教师提问：为什么？
学生回答：能量太小了
教师提问：那为什么当它是机械能、水能、化学能其他形式的时候我们能感知到了呢，难道能量不守恒了吗？
学生回答：守恒
教师提问：那是为什么？
学生回答：（引导回答）那是因为环境太大，内能分散到各个角落都有可能，无序度高；
教师提问：那我们有没有办法把散发在空气的所有内能收集回来，比如重新让你们的灯泡发光、叶片旋转、小车运动起来呢？
学生回答：不能
教师总结：不管何种形式的能源，其能量最终“归宿”都为内能，燃料燃烧时一旦把自己的热量释放出去，它就不会再次自动聚集起来供人类重新利用，电池中的化学能转化为电能，它又通过灯泡转化成内能和光能，热和光被其他物质吸收后变为周围环境的内能，我们无法把这些内能收集起来重新利用。这种现象叫做能量的耗散。
教师展示一座房屋的红外线照片


可以看出，由于取暖和使用电器，室内温度比室外高。热量散失到室外后，不能回收重新利用。
教师提问：能量耗散与能量守恒是否矛盾，该怎样理解？
教师总结：能量耗散和能量守恒并不矛盾，能量耗散表明，在能源利用的过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并没有减少。但是可利用的品质上降低了，从便于利用变为不便于利用了。这是节约能源的根本原因。
这说明能量的耗散从能量转化的角度反映出自然界中宏观过程的方向性。
教师提问：我们手拿着冰块，内能是谁转移给谁？冰块能够将内能转移给手吗？


学生回答：不能
教师总结：内能总是自发地从高温物体向低温物体转移，而不会自发的由低温物体向高温物体转移。
师生活动2
教师提问：同学们当内能向其他形式能量转化时，是否无条件全额地转化呢？
演示实验：温差热机发电


得出结论：要使叶片转动，前提条件必须与环境存在温度差，第二内能也会自发地向低温环境传递热量，因此内能不能百分之百的转化为其他形式的能量。能量耗散实际上也是品质降低的过程。
教师提问：对于一个国家，主要能源来自化石能源，如石油、天然气、煤炭等，主要的发电形式也是火力发电，过渡使用能源将会出现什么问题？
学生回答：能源危机和环境问题。
穿插介绍：能源危机引发一个国家的能源掠夺、经济的震荡；
图片展示：介绍环境问题和引发的危害


（1）温室效应
大量燃烧石油、煤炭、天然气等产生的二氧化碳气体，增大了大气中二氧化碳的含量，由于二氧化碳对长波的辐射有强烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一样，只准太阳光的热辐射进来，不让室内长波热辐射出去，使地球气温上升，这种效应叫温室效应。温室效应使两极的冰雪融化，海平面上升，淹没沿海城市，使海水倒流入河流，从而使耕地盐碱化。
（2）酸雨
酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大气降水。形成酸雨的主要原因是燃烧煤炭和石油，以及工业生产等释放到大气中的二氧化硫和氮氧化物，通过化学反应分别转化为硫酸和硝酸，混入雨水和雪水中，使其酸度增加。同时，酸雨的形成还与大气中其他许多碱性物质如飞灰中的氧化钙、土壤中的碳酸钙等与酸发生中和反应有关。
酸雨对人类是有害的，首先危害人体健康：由于酸雨可溶解空气及土壤中的重金属粒子，使其变成对人体有害的金属，人饮用了这种水就能诱发各种疾病；其次，使土壤酸度增加从而危害植物的正常生长，使土壤沙化；河流湖泊酸化后就影响水生物及鱼类的生长等，严重破坏生态环境；再者酸雨是强腐蚀剂，能腐蚀建筑材料。
（3）化学烟雾
内燃机工作时的高温使空气中和燃料中的多种物质发生化学反应，产生氮氧化合物和碳氢化合物。这些化合物在大气中受到紫外线的照射，产生二次污染物质一化学烟雾。这些物质有毒，能引起人的多种疾病。
（四）能源的分类与应用
教师提问：同学们面对这样血泪控诉的环境问题，面将即将消耗殆尽的化石能源，面对人类的发展离不开能源，我们该怎么办？
学生回答：略
师生共同总结：可持续发展之路的举措
举措一：开发新能源
1.分类：
（1）从人类开发能源的历史划分
①常规能源：如煤、石油、天然气、水能等
②新能源：如核能、风能、太阳能、地热能、海洋能等
（2）从使用分类
①一次能源：如煤、石油、天然气、水能、风能、生物质能、海洋能等
②二次能源：如电能、氢能、焦炭等
（3）从能否再生分类
①可再生能源：如水能、风能、潮汐能等
②不可再生能源：如石油、煤等
（4）从对环境的影响分类
①清洁能源：如太阳能、风能等
②非清洁能源：如煤、石油、天然气等
2.新能源特点的讨论（从使用前储存量、使用时安全经济、使用后对环境无污染等考虑）
图片展示各种新能源的作用。
（1）太阳能：有直接加热物体的太阳能热水器、太阳灶，有利用半导体材料把太阳能转化为电能的太阳能电池等，主要问题是只能白天工作，还要受天气影响，会妨碍大规模使用太阳能，要研究储存太阳能的方法。
（2）水能：水能有巨大的开发潜力，可开发梯级电站。
（3）核能：是一个巨大的能源，通过原子反应堆进行核发电，主要应注意核泄漏、控制核污染。
（4）风能：为了增加风力发电的功率，通常把很多风车建在一起，称为“风车田”。我国的新疆。内蒙古等地已经开始大规模利用风力发电。
举措二：节约能源
提问学生：在生活中你如何做到节能？强调节能从此时此刻此地自我做起。
同时提醒学生在使用能源时，更要做到提高能源的使用率。
举措三：减少污染物的排放
【例3】下列对能量耗散的理解正确的有（    ）
A．能量耗散说明能量在不断减少
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失
D．能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性
【例4】关于“温室效应”，下列说法正确的是（    ）
A．太阳能源源不断地辐射到地球上，由此产生了“温室效应”
B．石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量，由此产生了“温室效应”
C．“温室效应”使得地面气温上升、两极冰雪融化
D．“温室效应”使得土壤酸化
（五）能源与社会发展
教师介绍能源的使用与社会发展的紧密关系：
人类利用能源大致经历了三个时期，即柴薪时期，煤炭时期，石油时期。
1.柴薪时期
出现年代：五六十万年前


火的使用是人类在能源利用上的第一个里程碑，它使人类脱离了茹毛饮血的时代。
2.煤炭时期
出现年代：2000年前


蒸汽机的广泛使用，带动了工业革命和资本主义社会的成长。
3.石油时期
出现年代：19世纪80年代


内燃机的发展推动了19世纪末，20世纪初开始的机械化和电气化进程。
【达标检测】
一、单项选择题
1．下列各组能源中，均为不可再生能源的是(    )
A．煤、石油、天然气           B．太阳能、地热能、风能
C．电能、汽油、风能           D．核能、水能、生物能
2．在我们的家乡——江汉平原，目前使用最广泛的能源是(     )
A．核能                        B．电能                        C．风能                        D．太阳能
3．下列关于核能的说法错误的是(    )
A．核电站是利用核能来发电的
B．核反应堆中发生的是链式反应
C．核电站发生泄漏时会对人和生物造成伤害
D．核废料不会对环境造成污染
4．下列有关能源和信息的说法正确的是
A．空气中的电磁波频率越高波长越长
B．核电站是利用核裂变的能量来发电的
C．手机是利用超声波来传递信息的
D．能量是守恒的，所以不会发生能源危机
5．能源的开发和利用在“两型”社会的建设中起着很重要的作用。下列能源中，在使用时最安全、最清洁的是(    )
A．煤气            B．太阳能          C．电能             D．核能
6．为改善驻守在南沙某岛礁边防战士的工作、生活条件，今年在岛上安装了太阳能电池板。白天，太阳能电池板给蓄电池充电；晚上，蓄电池为探照灯供电。这样白天与晚上的能量转化形式是(    )
A．白天：太阳能→内能→电能
B．晚上：化学能→电能→太阳能
C．白天：太阳能→电能→化学能
D．晚上：化学能→电能→化学能
7．为控制大气污染，下列措施目前不可行的是
A．尽量用天然气代替煤作为城市居民生活用的燃料
B．开发和使用新能源
C．改进消烟和除尘装置，提高其性能
D．禁止使用石油资源
8．我们应该加强节能意识，下列做法不妥的是(    )
A．在日常用电中要随手关灯
B．电视机、空调器在不用时拔下电源插头
C．用太阳能热水器代替家中电热水器
D．关闭空调，打开工作的冰箱门来降低室温
9．常州市城市生活垃圾焚烧发电厂将于2008年9月28日并网发电。该工程总投资5亿元，每天可焚烧垃圾7.5×105kg，发电1.6×105kW•h，利用垃圾焚烧所产生的炉渣可制砖6万块。对于该工程的意义，下列说法错误的是（     ）
A．解决城市生活垃圾的处理难题，变废为宝
B．高温消灭垃圾中的细菌、病毒，有利环保
C．减少需要填埋的垃圾质量和体积，节约土地
D．居民投放垃圾不用分类，轻松便捷
10．下列关于能量的转化和守恒的说法中错误的是(     )
A．高山上滚下的石块越来越快，说明重力势能转化为动能
B．酒精燃烧时，将化学能转化为内能
C．发电机发电时，将机械能转化为电能
D．人们对太阳能的开发和利用，说明能量可以凭空产生
二、填空题
1．2007年10月24日“嫦娥一号”已成功发射，现正在计划运行探测，月球是一个核聚变原料宝库，仅其尘埃中的聚变材料----氦核，就足够使人类使用上万年，目前核能在许多经济发达国家已经成为常规能源，它是______（选填“可”或“不可”）再生能源，与火力发电相比，核能发电的优点之一是核电站只需消耗很少的核燃料，最后产生大量的____________能。
2．在青岛设立的2008年奥运会帆船比赛场地，采用的是风力发电机给路灯供电。风力发电是将________能转化为________能。
3．近年来，一些地区推广使用乙醇汽油(乙醇俗称酒精)。乙醇汽油是由10％的乙醇与90％的 汽油混合而成。（1）乙醇汽油燃烧过程是_________能转化为内能的过程；（2）按照能源分类，由于乙醇是由植物酿而成，所以乙醇属于__________能源(选填“可再生”或“不可再生”)。使用乙醇汽油较使用汽油的好处有(请你说出一条)：____________________。
4．我国科学家闵恩泽院士获得了2007年度“国家最高科学技术奖”，以表彰他在“绿色化学”等多个方面的开拓性贡献。试回答：
（1）“绿色化学”的核心理念是从源头上减少对环境的污染。下列措施：
①少用或不用有害物质；②少排放或不排放有害物质；③不使用任何化学物质。
其中符合“绿色化学”理念的是______________(选填编号)。
（2）闵恩泽院士在“利用油料作物发展生物柴油”方面开展了积极的研究，这一产业的发展可以减少人类对______________燃料的依赖，从而更好地保护环境。