6. 能源的开发与利用教学实录与评析

4.6能源的开发与利用

【教学目标】

1．知识与技能

知道各种形式的能是可以相互转化的。

知道在转化的过程中，能量的总量是保持不变的。

列举出日常生活中能量守恒的实例。

有用能量守恒的观点分析物理现象的意识。

了解常规能源的使用与环境污染的关系. 知道未来能源的开发.

2．过程与方法

通过学生自己做小实验，发现各种现象的内在联系，体会各种形式能量之间的相互转化。

通过讨论体会能量不会凭空消失，只会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。

3．情感态度与价值观

通过学生自己做小实验，激发学生的学习兴趣，对物理规律有一个感性的认识。

通过学生讨论锻炼学生分析问题的能力。

【重点、难点分析】

重点：能的转化和守恒定律，强调能的转化和守恒定律是自然科学中最基本定律。

难点：运用能的转化和守恒原理计算一些物理习题；运用能的转化和守恒定律对具体的自然现象进行分析，说明能是怎样转化的。

【教具准备】

打气筒

单摆

【教学过程】

引入新课

问题：刀具在砂轮上磨削时，为什么会刀具发热？

学生回答：原因是通过摩擦力做功，机械能转化为内能。

问题：在暖气片上放有一瓶冷水，过一段时间后水会出现什么现象？出现这一现象的原因？

学生回答：变热，这是通过热量传递使这瓶水内能增加。

老师引导：这些实例中，物体的内能增加了，是由其他形式能转化来的或是从其他物体转移来的，今天要学习能的转化和转移过程中数量之间有什么关系？

新课教授

一、能量守恒定律

1．自然界存在多种形式的能量

提出问题：当今世界的三大产业是能源、材料和信息，自然界中的能量以各种形式存在着，你能说出能量的几种存在形式吗？

学生回答：机械能、电能、磁能、内能等等。

日常生活中的烧饭、取暖、照明、出行等都需要能量。我们所需要的能量都是谁提供的呢？

学生回答：煤、石油、天然气、电等等。

进一步分析利用能源时需要发生的变化而引入能的相互转化。

2．不同形式的能之间，在一定条件下可以相互转化

仔细观察下面的图片，说明它们具有哪种形式的能？涉及哪些能量之间的转化？（PPT234）

举例练习：

①电炉取暖：电能→内能；

②煤燃烧：化学能→内能；

③炽热灯灯丝发光：内能→光能；

④把一铁块放入盛有热水的烧杯中：说明内能发生转移。

归纳：在一定条件下，各种形式的能量可以相互转化和转移。

3．能量再转移和转化过程中遵循什么样的规律呢？

⑴机械能在转化过程中守恒

演示单摆摆动过程：

①回忆机械能之间是如何转化的：重力势能→动能→重力势能。

②解释每次达到最高点很接近的原因：如果没有摩擦时机械能守恒。

③得到结论：最初具有的机械能=最末物体具有的机械能+转化为其他形式的能即总能量守恒。

⑵内能在转移过程中守恒

把一铁块放入盛有热水的烧杯中，铁块从周围水中吸收了热量使它内能增加，温度升

高；热水则要放出热量，内能减少，温度降低。这一过程中如果没有热量散失，热水所放出热量就等于铁块所吸收的热量。

归纳：能量在转移过程中是守恒的。

结论：大量事实证明，在普遍存在的能量的转化和转移过程中，消耗多少某种形式的能量，就得到多少其他形式的能量。如在热传递过程中，高温物体放出多少热量（减少多少内能），低温物体就吸收多少热量（增加多少内能）；克服摩擦力做了多少功，就有多少机械能转化为内能，但能量的总量不变。

以上规律是人类经过长期的实践探索，直到19世纪，才确立了这个自然界最普遍的定律枣能量的转化守恒定律。通常把它表述为：

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，在转化或转移的过程中其总量保持不变。

【小结】

能量的转化和守恒定律是自然界最普遍的、最重要的定律之一。

（1）能量守恒定律普遍适用。在形形色色的自然现象中，只要有能量的转化，就一定服从能量守恒规律。从物理的、化学的现象到地质的、生物的现象，大到宇宙天体的演变，小到原子核内部粒子的运动，都服从能量守恒的规律。

（2）能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系。自然界的各种现象都不是孤立的，而是相互联系的。电灯发光跟电流有联系，电能转化为光能反映了这种联系。植物生长更不是孤立的，要靠阳光进行光合作用才能生长，光能转化为化学能反映了这种联系。

（3）能量守恒定律是人类认识自然的重要依据。人类认识自然，就要根据种种自然现象，总结规律，能量守恒定律就是人类总结出的规律之一，而且人类认识的其他规律也必定符合能量守恒定律。1933年意大利科学家费米，在研究β衰变的过程中发现，能量不守恒。于是他根据能量守恒定律大胆预言了还有一种未发现的粒子，这就是现在已被科学界公认的中微子。这一事例说明了能明守恒定律，已成为人类认识自然的重要依据。

（4）能量守恒定律是人类利用自然的重要武器。纵观人类科学技术进步的历史，也是一部认识能量、利用能量、实现能量转化的历史。从原始人钻木取火，到水能利用；从蒸汽机发明，到电能的利用；从太阳能，到核能的利用。人类总是在认识、利用能源，逐步实现能量的转化。

二、能源的利用

能源指的是能够提供某种形式能量的物质资源。这里可利用能量包括机械能、热能、电能、化学能、原子能等．

能源与人类的关系十分密切，能源利用方式的改进极大地提高了劳动生产效率，给人类的生活带来了极大的改善。

能源危机是世界性问题，在我国，这一问题更为突出．教学中，可列举大量的事实是学生认识到节约能源的重要性．学生对诸如酸雨、温室效应、城市热岛效应不会陌生，但这些现象是怎样产生的呢?教师可要求学生查找有关资料，写一篇如《谁污染了我们的环境?》等类的文章，弄清环境污染的主要来源，最好经过调查提出解决的办法或建议．

三、新能源的开发

我国的能源问题非常的饿严峻，大家考虑一下有什么办法可以缓解或更好的办法来解决我国的能源问题？解决能源问题的主要出路再何方？

资料：化石燃料、水流能、风能等都来源于太阳光的辐射，即太阳能。太阳每秒钟要向周围空间辐射3.8×1026焦的能量，其中到达地球表面的太阳能只有1.7×1017焦，但仍有大量的太阳能还没有被利用。近年来发明的太阳灶、太阳能热水器、太阳能电池等对太阳能的直接利用还刚刚开始。这里还有很大的潜力可挖。此外自然界还存在大量的潮汐能和地热能，我国和有的国家已试验用潮汐能和地热能来发电，由于有些技术问题还没有解决，使造价过高，因此还没有被广泛采用。另外本世纪初还发现了原子核能（原子能），原子能已经作为核潜艇、航空母舰和破冰船的核动力，也广泛地用于核电站。

我们把化石燃料、水流能、风能等人类早就应用的能源叫做常规能源。

把核能、太阳能、地热能、潮汐能等新近才开始利用的能源叫做新能源。

解决能源问题的主要出路（所有数据老师把握，整个新能源的得出由学生分组讨论得到）

教师：开发和利用新能源是人类解决能源问题的主要出路。我国虽然蕴藏着丰富的煤炭资源，新油田也在不断被发现，但是我国人口众多，能耗巨大，节约常规能源的消耗，开发和利用新能源仍是我国的一项重要任务。

参考数据：全球再生能源可转换成为二次能源的储能为185.55亿t标准煤，约为目前全球化石燃料消耗量的两倍，说明再生能源大有可为。但是，除水能基本得到充分利用外（发达国家利用率90%，中国10％），很多再生能源有待开发。有资料表明，美国到2030年再生能源在总利用能源中比重可达30％，英国到2020年再生能源占总开发电量的20％，但是不少人对此并不太乐观。对中国来说，首要的是开发水力资源和生物质能，其次是发展地热能、

风能和太阳能。太阳能和风能的利用存在较大的新材料问题。

（1）.核能

核能是康价的清洁能源，核电占世界电能的17％，已建核电装置400余座。但是由于核电站的安全与废料处理问题，目前核电发展缓慢。尽管如此，核电装置的改进仍在不断地进行，其中有不少材料问题，现仅就正在开发的两类核电装置分述如下。

快中子增殖堆：现行裂变反应堆所用燃料都是235U，而铀矿中235U含量只有0.7％，98％以上是238U。快中子增殖堆就是将238U吸收一个中子转变为239Pu，以此为燃料可使铀的利用率达70％。1200MW的快堆在法国己运行多年，但这种堆型存在一个严重的材料问题，即液体钠的腐蚀，以致造成了多次泄漏事故。同时，半衰期很长的239Pu，也可造成严重污染。最近提出的“加速器驱动的核反应堆”设想，就是利用擅变原理使239Pu，自循环，从而解决污染问题，我国在这方面正开展基础研究工作。

可视为永久能源的聚变堆：两个轻原子融合成重原子叫核聚变，它比核裂变产生的能量更大。氖和氟是氢的同位素，它们在一定条件下发生聚变反应，释放能量。海水中氛含量为0.034ｇ/kg，全球海水中氖含量多达ｌ0Uｔ，而每克氖相当100Ｌ汽油，所以说一旦聚变堆开发成功，将成为永久能源.聚变反应的点火温度高达5×108℃，在2×10-10秒内注入100万Ｊ的能量。目前欧美都己点火成功，但距商业化很远，要在2050年或更长的时间才有可能。我国也有两台实验装置，用以探索物理原理，也可做一些材料研究。核聚变装置对材料要求十分苛刻，如耐中子辐射、耐高温和抗氢脆等。因此，材料是聚变堆能否实用化的关键因素。

（2）.太阳能（在有太阳光的地方展示太阳能电池板收集太阳能可以带动小电风扇旋转）

太阳照射到地面的能量相当于全球能耗（1.1×1010kW）的1.6万倍，既无污染，又是永久性能源。可惜太阳辐射到地球的能量密度太低，只有1kW/m2，，还受气候影响。太阳能的利用形式主要有两种:－是热能的直接利用，如利用镜面或反射槽将太阳光聚焦在收集器上，由中间介质吸热产生蒸汽，推动气轮机组发电，美国单台容量己达80MW；另一种形式是利用小型太阳能装置为房屋采暖供热，现己大量应用。

研制高效、长寿、廉价的光伏转换材料已成为目前能源新材料领域的重要课题。当前不同材料的最高转换效率为'非晶硅（薄膜，可铺覆）为12.7％，理论上可达24％，缺点是稳定性较差；多晶硅为17.7％，－种复杂结构的多晶硅太阳能电池可达24.4％；单晶硅为28.7％，CdTe或Cds为13％；Cu(Ga,In)Te为17％，GaAs及GaInp可高达25％-30％。目前，太阳能电池组价格为每峰瓦４-5美元，估计要达到0.4美元左右才能在电价方面与常规发电相当。

近年来正在研制便于大规模制造的燃料纳米半导体材料及有机光伏转换薄膜。

尽管如此，在某些日照时间长、居民分散地区建立太阳能电站还是有意义的，因此发达国家都在积极开发太阳能，如美国"百万屋顶计划，德国"十万屋顶"计划及日本"1600个屋顶"太阳能电池系统等。我国对西部地区的开发应把太阳能的利用列为重点，因为西部地区日照好、居民分散，适合发展太阳能。20世纪70年代美国有一个异想天开的计划，就是在同步人造卫星上装两个16km2的电池板和聚光系统，将所获电能用微波传到地面。由于在大气层外阳光强度比地面高1.4倍，又不受气候影响，据估计，由此得到的电能成本可与常规电能相比。但是，除了材料和技术问题以外，是否造成环境污染还需要论证。

（3）.风力发电

太阳能在地面上约2％转变为风能，全球风力用于发电功率可达11.3万亿kW，很有发展前景。风能与风速密切相关，我国沿海与西北地区的风力资源丰富，大有作为，但风车材料是关键。－个2.5MW的风车，转子叶片直径要80ｍ，包括传动箱的总重达30t；风车高近百米，用材几百吨。风车叶片耍有足够的强度和抗疲劳性能（全寿命转数要求109以上），目前主要采用玻璃钢或碳纤维增强塑料，正向增强木材发展。虽然风能发电装置造价较高（1000美元／kW），但电价可与常规能源相比具有较强的可操作性。

（4）.氢能

氢被认为是理想能源，热值高、无污染。但是氢作为能源，存在两个问题，一是氢的来源，只能通过电解水，太阳能分解水，生物制氢，以及化工、冶金等流程制氢，这就需要消耗能源；二是氢在存储、运输及应用过程中容易发生爆炸，加」氢对材料产生氢脆、氢腐蚀，以及氢渗漏等，所以近年来对储氢材料的研究很多。－种储氢方式是将材料与氢结禽成为氢化物，需要时加热放氢，放完后还可继续充氢。同时储氢材料又是高能蓄电池的负极。储氢材料都是金属间化合物。这些金属间化合物比重大，并有中毒问题，限制了其应用并且成本很高。目前正在研究的纳米碳管，其储氢能力数倍于LaNi5受到广泛关注。国内外一些厂家利用上述储氢合金制造氢能汽车，但由于有些技术问题有待解决，价格又无竞争能力，离产业化尚远。

【板书设计】

【同步练习】

1．能量既不会凭空_______，也不会凭空_______，它只会从__________转化为_____________，或者从一个物体_________到另一个物体，而在转化和转移过程中，能量的

总量__________。

2．根据能量的转化和守恒定律可知，能量在转化或转移的过程中，其总量__________。电能可以使电灯发光，同时产生内能散失在空气中，但这些内能却无法自动转化为电能，该现象说明能量的转化具有_____________。

3．各种形式的能量都可以在________下转化，电动机带动水泵抽水是_____能转化成________能，植物吸收阳光进行光合作用是_______能转化为______能，燃料燃烧时发热是_________能转化为________能。

4．为应对国际金融危机，扩大内需，我国实施了4万亿元的投资刺激经济计划，而电动小轿车（使用蓄电池）项目是国家重点扶持的项目之一。当电动小轿车在平直公路上行驶时是将电能转化为___________，给蓄电池译电时，是将电能转化为____________。

5．在摩擦生热的现象中，_______能转化为______能，如克服摩擦做了100 J的功，就有______J的_______能转化为_______能。

6．光电池在供电的过程中，它的作用是（

）

A．光能转化为内能

B．电能转化为光能

C．光能转化为电能

D．光能转化为机械能

7．下列能量转化的实例中，将内能转化为机械能的是（

）

A．太阳能电池发电

B．水蒸气把壶盖顶起

C．电灯发光

D．弹弓将石头弹出。

8．如图所示，是一种在阳光下能不断摇摆的塑料小花。花盆表面的太阳能电板在光照下，产生电流驱动电动机，使小花左右摆动。下列有关该小花摆动过程中能量转化的描述正确的是（

）

A．叶片将光能转化为化学能

B．电动机将机械能转化为电能

C．太阳能电板将太阳能转化为电能

D．小花将动能转化为化学能

9．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

10．2kg

80℃的热水与4kg

20℃的冷水混合。如不计热损失，则热水放出热量Q放与冷水吸收热量Q吸的关系为（

）

A．Q放＞Q吸

B．Q放＜Q吸

C．Q放＝Q吸

D．无法判断

11．关下能量转化的问题，下列说法正确的是（

）

A．电饭煲工作时将内能转化为电能

B．电动机工作时将机械能转化为电能

C．发电机工作时将电能转化为机械能

D．内燃机工作时将内能转化为机械能

12．我国大力发展火力发电，火电厂进的是“煤”，出的是“电”，在这个过程中能量的转化是（

）

A．化学能→内能→机械能→电能

B．化学能→重力势能→动能→电能

C．机械能→内能→化学能→电能

D．内能→化学能→机械能→电能

参考答案：

1．消灭

产生

一种形式

其他形式

转移

保持不变

2．保持不变

不可逆转性

3．一定条件

电

机械

光

化学

化学

内

4．动能（或机械能）

化学能

5．机械

内

100

机械

内

6．C

7．B

8．C

9．D

10．C

11．D

12．A