资源简介

普 通 高 中 教 科 书
《通用技术》选择性必修7 职业技术基础
第二章 能源及其转换
第 一 节 能源种类
教学设计
教学背景
党的二十大报告对“实施科教兴国战略,强化现代化建设人才支撑”作了详尽丰富、深刻完整的论述, 提出坚持高中阶段学校多样化发展和推进职普融通策略。在高中阶段，有效开展职业技术基础教育是落实国家实施科教兴国战略的重要路径。
随着现代技术突飞猛进的发展，职业与技术的联系越来越紧密。本教材旨在带领同学们初步探索进入职业世界所必需的基本技术技能，提高职业认知，为同学们未来从事某一职业做好准备。
教学目标：
知识与技能目标:
1.学习常规能源的种类和各自特点。
2.了解新能源和可再生能源的区别和联系。
教学内容分析:
第一章主要介绍材料及其加工技术，通过学习让学生对常见材料有所认知，了解材料的特征，能够恰当选择、安全使用材料；在选择材料时，能认真考虑有关技术、社会、法律、环保等方面的因素，能根据不同材料的特性来制作产品，安全、有效地使用材料。
第二章主要介绍能源及其转换技术，学习能源存在的不同形式及能源的转换与利用；通过了解传统能源和新能源的特点，确认能源应用的经济性和环保性，从而增强节约和开发能源的意识，倡导简约适度、绿色低碳的生活方式。
第三章主要介绍信息技术这一新兴的职业技术对传统行业的影响和发展，从收集信息、处理信息、管理信息等角度让大家认识这些信息时代的基本技能，从而激发大家不断学习新兴信息技术的兴趣，以期胜任未来信息技术的新职业。
第四章主要介绍产品的技术使用、维护保养和故障维修等知识。无论是在生活中还是在工作中，我们都离不开各种各样的产品，我们要学会掌握产品的正确操作，养成良好的操作习惯。同时，能通过阅读用户手册、产品使用说明书等，合理使用工具、仪器和设备来进行简单的故障检测与维修。
学情分析:
学生对职业技术的基础知识认识有限，面对未来，他们需要学习有关职业技术的基础知识的知识。
了解职业技术的基础知识，探索关于材料和能源科技的无限奥秘，把握信息技术的发展方向，掌握产品使用与维护的基本技能，从而培养职业意识，明确自身职业生涯规划，培养技术素养，提高未来的职业技术能力。
教学重难点:
学习常规能源的种类和各自特点。
了解新能源和可再生能源的区别和联系。
教学策略:
通过“案例”等内容引导学生进行“思考”，接着用通俗易懂的方式介绍基础理论知识，每一个知识点后都附有“思考”“探究”“立即行动”等活动让学生充分消化所学知识。每节设有“习题”，每章设有“学习内容梳理”和“学习评价”，用于归纳教学内容，反馈教学效果。
教学准备:
展示用的图片、其他技术产品、多媒体课件。
教学过程:
情景导入:
老师：本节课我们学习《通用技术》选择性必修7 职业技术基础　第二章 能源及其转换 第 一 节 能源种类。
能源与空气、水源、食物一样，是人类赖以生存和发展的重要物质基础，人类社会的发展离不开优质能源和先进能源技术，每个人都是能源的使用者、消耗者，都参与了当今及未来的能源体系构造。
本章我们将学习能源存在的不同方式及能源的转换与利用，通过了解传统能源和新能源的特点，确认能源应用的经济性和环保性，从而增强节约能源和开发能源的意识，倡导简约适度、绿色低碳的生活方式。
案例
小敏热爱科技发明，他发现家里的太阳能平板热水器只能加热冷水，太阳能
电池板只能将光能转换为电能，太阳能热水器的集热板和太阳能电池板（如图2-1所示）（参见教材P27）各自独立工作，占用不少的空间，小敏设想在太阳能集热板反光面铺上太阳能电池板，设计与制作出一套实用的太阳能热水和发电的合成装置，并成功申请了专利。这种装置可以实现同一面积内太阳能热水和太阳能发电的双重功能，比单独的太阳能热水器和太阳能电池板节省一半的面积，大大提高太阳能的转换和利用效率。
导学思考
太阳能还有哪些转换方式？能源最普遍的转换方式是什么？
一、能源的应用
能源和人类社会息息相关，从最初的柴火，到煤炭、电、石油、天然气，再到新能源如风能、水能、核能、地热能、可燃冰等，每一种新能源的发现都在一定程度上促进人类历史向前发展。可以说人类历史就是能源的转换和应用的发展史，人类应用能源的历程也是从常规能源的应用到新能源的开发的历程。
（一）常规能源的应用
化石能源的燃烧是热能的主要来源之一。煤是世界上储存量最大的矿物燃料，长期广泛应用于人类生活中，无论是炊事、取暖，还是转换为机械能提供动力（煤炭曾经是铁路系统最重要的动力来源），即便是在科技发达的现代，煤仍是火力发电的主要燃料。
石油是当今世界的第二大能源，并且由于煤炭资源的逐渐枯竭和煤炭利用带来的污染等因素，石油消耗慢慢呈增长趋势。它既可以通过燃烧释放热值转换为各类交通工具、机械等的动力来源，也可以通过转换为化学能成为重要的化工原料。
天然气作为优质燃料，既可以在发电厂转换为电能，也可以作为交通工具燃料，转换为机械能，为交通工具提供动力。同时还可以转换成化学能，成为重要的化工原料。
思考
1．人类能源应用发展的历程经历了哪几个阶段？
2．查阅资料，了解常规能源的应用，并思考如何利用常规能源实现可持续发展？
（二）新能源和可再生能源的应用
新能源种类繁多，用途广泛。比如太阳能利用可以分为光热利用和光电利用；风能可以用来风力助航、风力提水及风力发电；地热能可以用于农业和畜牧业中的地热灌溉和地热养殖，还可以用来发电；海洋能中的波浪能、潮汐能、海流能都可以用来发电；生物质能是唯一可以转换为气、固、液三态的新能源。生物质气化除了发电，还可以用来供气、供热、合成燃料等；生物质液化可以转变为生物柴油、生物航油、燃料乙醇等；生物质压缩成型，可以成为固体燃料。
2017年5月18日，我国南海神狐海域天然气水合物（又称“可燃冰”，如图2-2所示）（参见教材P28）试采实现连续187个小时的稳定产气，这是我国勇攀世界科技高峰的又一标志性成就。可燃冰是甲烷和水分子在高压低温的情况下形成的白色固态结晶物质，具有燃烧持久、稳定和发热量高的性质，燃烧的产物二氧化碳和水也相对清洁，是一种新型环保能源。
思考
1．有人说可燃冰就是固态天然气，这种说法对吗？
2．可燃冰又称天然气水合物，一般是怎样生成的？存在于哪些地域？
二、能源的转换
能源物质蕴含一种或多种能量，根据人们的不同需求，能源蕴藏的能量可以转换为其他不同形式的能量。
（一）能源蕴藏的能量转换
以火力发电厂的蒸汽轮机工作转换为例，某种燃料（如煤、石油或天然气）能源所蕴藏的化学能转换为水的内能，水蒸气的内能再转换为机器的机械能；如图2-3（参见教材P29）所示，如果蒸汽轮机带动发电机工作，机械能又可以转换为电能；如果发电机连接用电器，电能又可以转换为光能（电灯）、内能（电热器）或机械能（电动机）。可见，根据不同的需求，能源蕴含的能量可以相互转换。
能量在转换过程中，都遵守能量守恒定律（也称为“热力学第一定律”）：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一种形式转换为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转换或转移的过程中，其总量不变。因此，我们常说的“能量消耗”其实并不是真的消耗了，而是度量能量的热力学量值减少了。比如说“电灯的电能消耗了”，实际上指的是电能转换为光能和热能了。
思考
1．有人想发明一种可以不需要能源而永远运动做功的机器——永动机。请结合所学的知识分析此发明是否可行？
2．查阅资料，了解机械能、内能、电能、光能、化学能、核能六大类能量形式，并举例说明生活中我们是如何应用它们的？
立即行动
谁推动了乒乓球
1．实验器具：酒精灯、小烧杯、硬纸片、乒乓球。
2．实验目的：进一步了解能量转换过程及蒸汽机的运行原理。
3．实验过程：向小烧杯内装水至2/3高度，杯上铺上硬纸片，乒乓球置于硬纸片上。加热烧杯内的水至沸腾，观察水的变化及乒乓球的运动。
安全提示：使用酒精灯时，需注意实验安全，谨防火灾和蒸汽伤人事故。
（二）常规能源发电
由于电能便于传输和储存，因此电能的应用最为广泛，将各种常规能源转换为电能，已成为当今社会最普遍、最重要的能源转换方式之一。
常规能源发电实际上是蒸汽动力循环发电的俗称，也叫火力发电（如图2-4所示）（参见教材P30）。
其能量转换首先是通过燃料（煤、天然气等）的直接燃烧把燃料的化学能转换为工作物质（可能是水，也可能是其他液体）的热能，然后工作物质通过循环系统将自己的热能转换为蒸汽轮机的机械能，最后机械能转换为电能输送到千家万户。如果是热电厂，还可以将产生的热能通过系统一起输送出去。从火力发电厂的能量转换过程中，我们可以看出，现代生产电能的方式与19世纪相比，并没有特别的不同，都是经历了化学能向热能、机械能，再到电能的转换过程。
思考
理论上机械能、内能、电能、光能、化学能、核能之间可以相互转换，那么化学能、内能可否直接转换为电能？请举例说明。
（三） 新能源发电
大部分新能源，无论是太阳能、风能、水能、核能，还是地热能、海洋能、生物质能等，都可以转换为电能，他们转换为电能的方式各有千秋。新能源发电相比常规能源发电，更能够体现能源应用的经济性和环保性。
1．太阳能发电。地球上大部分能源都直接或间接来自太阳能，太阳能具有资源充足、分布广泛、安全、清洁、技术可靠等优点。由于太阳能可以转换成多种形式的能量，因此应用范围非常广泛，经过多年的开发，太阳能发电也得到了长足的发展。
太阳能有两种发电方式：太阳能光热发电和太阳能光伏发电（如图2-5、图2-6所示）（参见教材P31）。
思考
请查阅相关资料，了解太阳能光热发电、太阳能光伏发电的原理和形式分别是什么？
各自在哪些领域有应用？
立即行动
太阳能电池经过多年的发展，形成了几代产品。请搜集并整理太阳能电池的种类，对比它们的优缺点，完成表2-2。
表2-2 不同太阳能电池优缺点比较
光伏组件 光伏控制器 逆变器
单晶硅电池 转换效率高 生产成本高
2．风力发电。风力发电就是把风能转换为电能（如图2-7所示）（参见教材P31）。风力发电的历史虽然不长，但其技术日趋成熟，目前风力发电运行的可靠性和发电成本已接近常规的火力发电。风力发电的能量转换过程主要是通过风车叶片捕获风能，将风能转换为叶片的机械能，再由机械能转换为电能。
风力发电最主要的设备是发电机，是一种将机械能转换为电能并可以旋转的设备。根据风车旋转轴方向的不同，风力发电机可以分为水平轴风力机和垂直轴风力机。
综合实践活动
设计与制作一套风光互补环保路灯
1．活动目的：制作能够利用风能和太阳能全天候发电的环保路灯装置。
2．活动材料：风力发电机模型、太阳能电池、智能控制器、蓄电池、多功能逆变器、LED灯泡、导线、辅助支撑件、电烙铁、焊锡等。
3．设计外观（如图2-8所示）（参见教材P32）。
4．制作与调试：①根据设计方案，组装风光互补LED路灯模型的外观。②根据电路图焊接各模块的电路。③将外观和电路组合。④调试风光互补路灯模型的功能，并优化改进作品。
5．作品展评：评选出优秀作品，并在班级内展示。
思考
1．观察、分析风光互补型LED路灯设备，说说该设备用到的清洁环保能源有哪些？
2．在设计制作风光互补型LED路灯模型时，你觉得最难的功能模块是哪个部分？
3．其他新能源发电。海洋能包括潮汐能、海流能、波浪能、温差能和盐差能，每一种都可以转换为电能。但目前已经建成发电站，大规模应用的只有潮汐能。近年来，波浪能发电技术也得到了突破性进展。
核能是原子核结构发生变化时放出的能量，分为核裂变和核聚变两种方式，现代核能发电技术主要是核裂变发电。人类利用核裂变能发电近60多年，应用非常广泛。但核放射性污染和核废料的处理则一直是人们担心的问题，也是核裂变利用的争议所在。
生物质能是一种以生物质为载体的能量，这种能量直接或间接地通过植物的光合作用把太阳能转换为化学能蕴藏在生物质内部。生物质能发电包括以下两种形式：一是生物质混燃发电。在发电厂里将生物质与煤混合燃烧，既节约了不可再生的煤炭，又可以利用原有的火力发电站设备，节省了再建发电设备的投资。二是生物质气化发电。即将生物质资源用气化技术处理，然后用气化燃气再发电。
探究
查阅资料，比较核裂变发电和火力发电的优缺点，完成表2-3的内容。
表2-3 核裂变发电与火力发电的优缺点比较
方式 优点 缺点
核裂变发电 对空气污染小 有核泄漏、核污染的风险
核燃料原料体积小，存储运输相对方便
火力发电 技术成熟，成本较低 排放废弃物、污染空气
三、能源的未来发展趋势
无论是常规能源还是新能源，随着科学技术的进步，未来发展都有无限可能。对于常规能源而言，清洁化利用是它未来的发展趋势。以煤为主的能源消耗结构是我国能源消耗的特色，在未来相当长的一段时间内，我国的能源利用还是离不开煤。煤基多联产能源系统技术是指利用从单一的设备（气化炉）中产生的“合成气”（主要成分为CO+H 2 ），来进行跨行业、跨部门的生产，以得到多种具有高附加值的化工产品、液体燃料（甲醇、F-T合成燃料、二甲醇、城市煤气、氢气），以及用于发电等。它有助于缓解能源总量要求，缓解液体燃料短缺，解决燃煤污染问题，满足未来减排二氧化碳的需要。依托最先进的节能和环保技术，煤炭完全可以更清洁，对环境的污染更小。
而对于新能源的开发，科学家们也提出了诸多设想，如太空太阳帆飞船、风筝发电等。对一些新能源的未来应用，科学家们也在持续努力地攻破难题，如可控的核聚变技术等。
探究
1．请同学们选择感兴趣的新能源种类，查阅相关资料，撰写该能源未来应用趋势的报告。
2．与能源问题一起进行研究和讨论最多的就是环境问题，能源与环境是紧密联系在一起的。请你写一篇短文，谈一谈能源与环境的关系。
课后作业
习 题
1．根据蒸汽机的运行原理，将下列空格补充完整。
2．查阅资料，收集有关新能源资源的情况，将下列表格补充完整。
新能源种类 资源总量
太阳能
生物质能 估计地球每年植物光合作用固定的碳为2×10 12 t，含有能量3×1021 J
风能
海洋能 海洋能包括潮汐能、海流能、波浪能、温差能和盐差能。估算全球海洋能理论可再生量为7.6×1013 W
核能
地热能 全世界地热资源总量大约是1.45×1026 J，相当于全球煤热能的1.7亿倍
天然气 水合物 据估计其资源总量约是当前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然气）中碳含量总和的2倍
板书设计
第二章 能源及其转换
第 一 节 能源种类
一、常规能源
（一）常规能源的应用
（二）新能源和可再生能源的应用
二、新能源和可再生能源
（一）能源蕴藏的能量转换
（二）常规能源发电
（三） 新能源发电
三、能源的未来发展趋势
教学反思
通用技术
选择性必修7：智能家居应用设计
普 通 高 中 教 科 书
主 编 刘琼发
副 主 编：李 榕 周卫星 朱美健 席春玲
本册主编：万录品
编写人员：周欢伟 徐 超 王水云 万录品
广东教育出版社
广东科技出版社

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