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第二十二章 能源与可持续发展
第二十二章 能源与可持续发展
第1节 能源
历史上许多民族都将太阳作为顶礼膜拜的神明。如果没有太阳，地球就会处在黑暗和冰冷的长夜中，也不会孕育出任何生命。
实际上，宇宙中除了太阳还有无数的恒星，那些恒星离我们非常遥远，所以看起来没有太阳那么大、那么亮。太阳是离地球最近的一颗恒星。许多恒星比太阳还大。每颗恒星都在释放巨大的能量，它们每时每刻都在向外辐射着惊人的光和热 。
太阳和其他恒星为什么会辐射如此巨大的能量？人类利用的能量都是由太阳提供的吗？人类使用的能量是无穷无尽的吗？让我们在本章中一起探索这些有趣的问题吧！
1. 人类利用能源的历程
2. 21世纪的能源趋势
学习内容导览
第1节 能源
学习目标
1. 能列出不同历史时期人类利用的主要能源。
2. 结合实例，说出能源与人类生存和社会发展的关系。
3. 了解什么是一次能源、二次能源及其特点。
4. 了解我国和世界的能源状况以及21世纪的能源趋势。
第1节 能源
1. 复习——回忆能量的概念
①什么是能量？
②你学过的能量中有哪些形式？
机械能
内能
电能
化学能
……
能量的形式
能量是物体做功本领的量度
我们生活、生产中离不开能量。例如在生活中，烧饭、取暖、照明中都需要利用能量；在生产中如金属的冶炼、机器的运转、汽车和火车等交通工具的行驶也需要能量。
2. 能量
2012年7月4日，三峡水电站32台机组全部投入工作。自2003年三峡工程正式开始发电，到2012年7月，三峡电站发电量累计达到5 648亿千瓦时，相当于从滚滚长江中捞起了近2亿吨标准煤，减排二氧化碳4亿吨、二氧化硫500多万吨。
3. 三峡水电站
三峡水电站是世界上最大的水力发电站，它通过提高上游的水位增加水的势能，高水位的水向下流，使水轮机转动并带动发电机发电，从而向人们提供电能。
想一想：我们生活、生产中用的这些能量它们来源于哪里？我们利用了哪些种类的能源？
生产和生活中利用的这些能量，是通过不同的能源提供的。今天我们一起了解能源的利用和发展历史。
4. 能源
第1节 能源
一、人类利用
能源的历程
一、人类利用能源的历程
二、21世纪的能源趋势
三、课堂总结
四、动手动脑学物理
五、课堂练习
本节课学习流程
第1节 能源
（1）物质的运动和相互作用的方式多种多样，每种运动形式都对应相应的能量。
（2）常见的能量：如机械能、内能、化学能、电能、核能等。
2. 能源
能够提供能量的物质资源叫做能源。
生产和生活中利用的各种能量，是通过不同的能源提供的。各种能源的广泛利用，极大地促进了人类文明的发展。
1. 能量
一、人类利用能源的历程
3. 常见的能源
（1）化石能源
①我们使用的煤、石油、天然气，是千百万年前埋在地下的动、植物经过漫长的地质年代形成的，所以称为化石能源。
一、人类利用能源的历程
②化石能源的形成示意图
岩石
岩石
岩石
岩石
褐煤
煤
动、植物化石
煤
转化
一、人类利用能源的历程
③化石能源是当今世界的主要能源
使用化石能源的交通工具：货车、轮船、飞机、汽油机、柴油机等。
一、人类利用能源的历程
（2）生物质能
由生命物质提供的能量称为生物质能。生物质能可以理解为生物机体物质发生化学变化时释放的能量。例如，食物分解和柴薪燃烧等都提供了生物质能。
一、人类利用能源的历程
（3）太阳能
由太阳辐射提供的能量。
一、人类利用能源的历程
（4）水能、风能
由自然界中的流水和风提供的能量。
一、人类利用能源的历程
（5）地热能
由地球内部提供的一种内能。
一、人类利用能源的历程
新西兰陶波菲尔德地热发电站
（6）电能
由其他形式的能转化而成的供各种用电器使用的能源叫做电能。
为什么我们要使用电能，不直接使用石化能源呢？
① 电能便于输送。
一、人类利用能源的历程
②电能便于转化
电能通过用电器可以比较方便地转化为机械能、化学能光能、内能等其他形式的能量，为人类所用。
一、人类利用能源的历程
电能
内能光能
转化
内能
机械能
转化
化学能
转化
转化
4. 人类利用能源的历程
能源利用 历程 代表事件 能源利用简介 意义 能量
转化
火的利用
钻木取火是从利用自然火到利用人工火的转变，开启了以柴薪作为主要能源的时代。现在，柴薪仍是某些地区的重要生活能源.
蒸汽机的发明是人类利用能量的新里程碑。人类从此逐步以机械动力大规模代替人力和畜力，直接导致了第二次能源革命。化石能源是当今世界的主要能源，推动了化石燃料工业的兴起，使人类进入工业化社会.
第一次能源
革命的标志，
第一次使人支配了一种自然力
第二次能源革命的标志，引发了世界性的工业革命
化学能→内能
化学能→内能→机械能
蒸汽机的应用
钻木取火
一、人类利用能源的历程
化石能源的利用
能源利用 历程 代表事件 能源利用简介 意义 能量
转化
电能的 利用
19世纪以来，电磁感应现象的发现，发明了发电机，使煤、石油等化石能源转换成更加便于输送和利用的电能。电能最终通过用电器转化为光能、内能、机械能等其他形式的能，为人类所用.
20世纪40年代，科学家发明了可以控制核能释放的装置——核反应堆，拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕
电能的利用是人类进人现代文明社会的标志
第三次能源革命的标志，开始了开发和利
用核能的新纪元
机械能→电能
核能→电能
核能发电
一、人类利用能源的历程
电能支撑的城市
核能的
利用
（1）一次能源
像化石能源这样可以直接从自然界获得的能源称为一次能源。
化石能源（煤、石油、天然气）都是一次能源，其他常见的一些能源：风能、水能、太阳能等也都是一次能源。
　5. 一次能源与二次能源
一、人类利用能源的历程
常见的一次能源：地热能、核能等。
地热能
核能
一、人类利用能源的历程
（2）二次能源
①无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到的能源称为二次能源。
②常见的二次能源：电能，因为电能是消耗一次能源得到的。
风能发电
风能
水能
水力发电
电能
一、人类利用能源的历程
光发电时，把光能转化为电能。因为光能是一次能源，消耗一次能源才能得到电能，所以电能是二次能源。
光能
电能
转化
光发电
一、人类利用能源的历程
其他常见的二次能源：汽油、柴油、酒精等。
汽油
货车使用的柴油
酒精
一、人类利用能源的历程
分类 概念 实例
一次能源
可直接从自然界获得的能源
太阳能、电能、风能、水能、潮汐能、地热能等
化石能源、风能、水能、太阳能、地热能、核能、潮汐能等
煤、石油、柴薪等
一、人类利用能源的历程
二次能源
无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到的能源
电能、酒精、木炭、煤气、柴油、液化气、沼气、氢气、汽油等
按照对环
境的影响
清洁能源
污染能源
使用时对环境没有污染或污染较轻的能源
使用时对环境污染较重的能源
按照人类开发早晚
新能源
常规能源
人类已经利用多年的能源
人类新近才开始利用的能源
煤、石油、天然气及水能等
核能、太阳能、潮汐能、地热
能、风能、生物质能等
　6. 总结——能源的分类
按照获
取方式
【例题1】凡是能提供________的物质资源叫做能源。现有煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、核能以及电能。在这些能源中属于化石能源的有____________________；属于一次能源的有_____________________________________________ ；属于二次能源的有_______ 。
凡是能提供能量的物质资源叫做能源。这些能源中，化石能源有：煤、石油、天然气。
一次能源有：煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、核能。
二次能源是指无法从自然界获取，必须通过一次能源的消耗才能得到的能源，如电能等。
煤、石油、天然气
一、人类利用能源的历程
电能
能量
煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、核能
二、21世纪的
能源趋势
一、人类利用能源的历程
二、21世纪的能源趋势
三、课堂总结
四、动手动脑学物理
五、课堂练习
本节课学习流程
第1节 能源
右表所示是把全世界的能源消耗量折合成热值为2.93×107J/kg的标准煤来计算后与年代的关系，你发现了什么规律？
1950年为26亿吨，1987年为110多亿吨，2003年接近140亿吨，2007年达到160亿吨，两个多世纪以来，人类能源消耗急剧增长。
二、21世纪的能源趋势
1. 能源危机
已探测的数据表明，目前作为人类主要能源的化石能源储量并不丰富，而且化石能源开发利用后不能再生，如果长期大规模开采，不久的将来会消耗殆尽，所以开发新能源、更好地利用已知能源，是全球范围内的重要课题。
2. 解决能源问题的出路——开发使用新能源
二、21世纪的能源趋势
在物理学的发展过程中，随着对机械能认识的不断深入，风能和水能逐渐得到了较为广泛的应用。而随着科学家对物质结构研究的不断深入，20世纪40年代，科学家发明了可以控制核能释放的装置——核反应堆，拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕。
（1）新能源
指人类新近才开始利用的能源。例如，核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能、生物质能等都属于新能源。
（2）核能发电示意图
核反应堆
水在核反应堆中心循环流动，吸收在核反应中产生的热量，并将这部分内能传递给蒸汽发生器内的水。
蒸汽推动发电机运转，将蒸汽的机械能转化为电能.
吸收了热量的水汽化变成蒸汽
二、21世纪的能源趋势
3. 《科学·技术·社会——石油危机和能源科学》
（1）石油危机
石油是世界上许多国家的主要能源。盛产石油的中东国家是发达国家主要的石油供应国。
1973年爆发了第四次中东战争，由此引发了西方国家第一次石油危机。1980年，中东两个石油大国伊朗和伊拉克之间爆发战争，两伊战争猛烈冲击世界石油市场，引发了第二次石油危机。在此之后，1990年由于伊拉克攻占科威特引发了第三次石油危机。
二、21世纪的能源趋势
（2）能源科学
石油危机在全球范围内引起了人们对能源问题的思考。例如，以石油作为经济发展的支柱是否可靠？以化石燃料为主的能源结构还能支撑多久？由能源问题引发的能源科学的崛起，是人类进步的又一表现。它不仅研究能源的开发、利用和保护，而且还研究涉及生态环境、人口控制、社会经济可持续发展等一系列重大问题。
二、21世纪的能源趋势
【例题2】如图分别是某一年中国与世界能源消耗结构图，从图和所学的知识可知（ ）
A．在这一年中国水电消耗的比例比世界的大
B．世界消耗的能源以化石能源为主
C．因为煤炭是二次能源，所以中国以煤炭为主要能源
D．多烧煤少用天然气符合建设生态文明城市的要求
B
二、21世纪的能源趋势
世界能源消耗
中国能源消耗
A．在这一年中国水电消耗的比例为5.9%，比世界的（6.4%）小；该选项错误。
B．世界消耗的能源以化石能源为主；该选项正确。
C．煤炭是一次能源，所以该选项错误。
D．多烧煤少用天然气，污染严重，不符合建设生态文明城市的要求，该选项错误。
故选B。
二、21世纪的能源趋势
三、课堂总结
一、人类利用能源的历程
二、21世纪的能源趋势
三、课堂总结
四、动手动脑学物理
五、课堂练习
本节课学习流程
第1节 能源
能 源
能源分类
能源：能够提供能量的物质资源叫做能源.
①钻木取火：开启了以柴薪作为主要能源的时代.
②蒸汽机：是人类利用能量的新里程碑.
③核能：拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕.
①按照人类开发早晚分：常规能源、新能源.
②按照能否从自然界直接获取分：
一次能源、二次能源.
③按照对环境的影响分：清洁能源、污染能源.
能源危机；开发新能源.
21世纪的
能源趋势
三、课堂总结（1）
能 源
人类利用
能源的历程
四、动手动脑学物理
一、人类利用能源的历程
二、21世纪的能源趋势
三、课堂总结
四、动手动脑学物理
五、课堂练习
本节课学习流程
第1节 能源
四、动手动脑学物理
1. 以下列出了各种形式的能源：柴薪、煤、石油、天然气，风能、水能、电能、太阳能、地热能。在这些能源中哪些是化石能源？哪些是一次能源？哪些是二次能源？请填在以下表格中。
煤、石油、天然气
柴薪、煤、石油、天然气、风能、水能、太阳能、地热能
电能
四、动手动脑学物理
2. 蒸汽机的发明对人类利用能源有什么意义？电能的广泛使用对人类利用能源有什么意义？
蒸汽机的发明是人类利用能量的新里程碑，人类从此逐步以机械动力代替人力和畜力，主要能源由柴薪转向煤炭。电能的利用是人类进入现代文明社会的标志。现代社会离不开各种各样的用电器，这些用电器可以很方便地将电能转化为人类所需要的其他各种形式的能量，并且电能便于输送和转化。
四、动手动脑学物理
3. 根据你的了解，说出你家庭近几十年能源使用的变化。要求说明能源形式的变迁情况和人均能源消耗数量的变化情况。
我国的家用燃料主要种类：50~60年代以柴草为主；60~70年代以煤炭为主；70~90年代出现了液化石油气；现在城市主要的家用燃料是管道天然气。
除燃料外，电能的普及、利用率也在不断攀升，新型太阳能、风能等清洁能源也在不断进入千家万户。
2020年，我国人均能源消费量3531千克标准煤，比2012年增长18.9%，年均增长2.2%。2020年，我国人均生活用能456千克标准煤，比2012年增长46.2%，年均增长4.9%；人均生活电力消费量年均增长7.3%，人均生活液化石油气消费量年均增长6.7%，人均生活天然气消费量年均增长8.1%。
五、课堂练习
一、人类利用能源的历程
二、21世纪的能源趋势
三、课堂总结
四、动手动脑学物理
五、课堂练习
本节课学习流程
第1节 能源
1．下列能源中，属于二次能源的是（ ）
A．煤 B．汽油 C．太阳能 D．石油
B
所谓一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源，它包括：原煤、原油、天然气、核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热、生物质能和海洋温差能等等． 由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品，称为二次能源，例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等．故ACD错误．
五、课堂练习
所以选B。
2. 下列不属于新能源开发利用的是（　　）
A．风能发电 B．太阳能发电
C．火力发电 D．潮汐能发电
ABD．风能、太阳能、潮汐能是新能源，所以风能发电、太阳能发电、潮汐能发电属于新能源开发利用，故ABD不符合题意；
C．火力发电使用的燃料是煤炭，煤炭属于常规能源，所以火力发电不属于新能源开发利用，故C符合题意。
C
所以选C.
五、课堂练习
3．当今世界的主要能源是_________ ，人们最方便的能源是______ .
当今世界最主要的能源煤、石油和天然气，它们都属于化石能源；最方便的能源是由其它能源转化来的电能．人们几乎已经离不开电．
电能
五、课堂练习
化石能源
4. 人类的发展离不开能源，“碳达峰、碳中和”是我国对世界做出的庄严承诺。为了保护地球这个人类共同的家园，下列能源中哪一种是我们更应该去积极开发和利用的？（　　）
A．煤 B．石油 C．天然气 D．太阳能
为了保护地球这个人类共同的家园，我们应当积极开发新能源、清洁型能源，煤、石油、天然气属于化石能源，污染型能源；太阳能属于新能源、清洁型能源。
D
所以选D.
五、课堂练习
5．如图所示是由大量反射镜组成的太阳能发电装置，图中各个反射镜由计算机控制，使反射的太阳光聚集在塔顶的集热器（锅炉）上，集热器中的水变成水蒸气后推动汽轮机，从而带动发电机发电。
（1）该太阳能发电站发电时，将光能转化为_______能，太阳能是___________（选填“一次能源”或“二次能源”）；
（2）这个装置中反射镜的作用是改变______；
（3）10kW h的电能，如果由热电转化效率为30%的热电厂来供电，需要完全燃烧煤_______kg。
（煤的热值q煤＝3×107J/kg，
1kW h＝3.6×106J）
五、课堂练习
一次能源
4
光的传播方向
电
（1）太阳能发电是将太阳能转化为电能，太阳能是可以从自然界源源不断地得到的能源，故称之为一次能源。
（2）由题意可知该装置中的反射镜，将照射在其上面的太阳光反射到塔顶的集热器（锅炉）上，所以反射镜的作用是改变了光的传播方向。
（3）电能
煤完全燃烧放出的热量
煤的质量
五、课堂练习
6. 2022年11月25日，国内首台自主研制F级50兆瓦重型燃气轮机正式完工，标志着我国在重型燃气轮机领域完成了从无到有的突破。
（1）燃气轮机______（选填“属于”或“不属于”）热机。
（2）F级联合循环一小时发电量可达7万千瓦时，则该过程中其功率为______W，产生的电能是______（选填“一”或“二”）次能源。燃气轮机工作压强为18个大气压，该环境下手掌面积大小的零件上受到的压力约为______N（选填“2×102、2×103或2×104）。
（3）已知F级燃气轮机的单循环热效率可达38%，E级燃气轮机的单循环热效率为34%。某装备E级燃气轮机的驱逐舰进行一次巡航任务需要消耗燃油760t，若改装成F级燃气轮机可节约燃油_____ t。
2×104
五、课堂练习
属于
7×107
二
80
（1）燃气轮机工作时将内能转化为机械能，所以属于热机。
（2）燃气轮机的功率
电能必须通过一次能源例如机械能、内能的消耗才能得到，是二次能源。
手掌的面积约为
该环境下手掌面积大小的零件上受到的压力
（3）已知两种发动机做的有用功相等，所以
若改装成F级燃气轮机可节约燃油
五、课堂练习

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