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能源、材料与社会
第二十一章
思考：你能读懂图片中表达的意思吗？地球上的能源是取之不尽、用用之不竭的吗？
观察与思考
学习目标
了解常见能源的种类，知道核能的特点和核能利用可能带来的问题；能从能源开发与利用的角度体会可持续发展的重要性。（重点）
02
知道能量守恒定律，能从能量转化和转移的角度认识效率，能用相关知识分析和解释自然界和生产生活中的现象与问题。（重点）
01
能结合实例了解一些新材料的特点及应用；体会新材料技术的研发与应用对社会发展的影响。
03
一、能量的转化与守恒
能量的转移与转化
电闪雷鸣，波涛汹涌……在自然界和生活中，能量以多种形式展现着。自然界和人类生产生活中处处都离不开能量，能量与社会发展密切相关。
不同形式的能量之间存在怎样的关系？在转移和转化的过程中有什么规律？
一、能量的转化与守恒
能量的转移与转化
大量事实说明，能量不但可从一个物体转移到其他物体，而且可从一种形式转化为其他形式。
如图所示，运动的小球通过碰撞让静止的小球也动起来，动能从一个物体转移到了另一个物体。
机械能转化为内能
机械能转化为电能
电能转化为光能和内能
电灯发光
水电站里水轮机带动发电机发电
钻木取火
一、能量的转化与守恒
能量的转移与转化
光能转化为电能
化学能转化为内能
光能转化为化学能
植物吸收太阳光
进行光合作用
燃料燃烧时发热
光太阳能电池
一、能量的转化与守恒
能量的转移与转化
　　
一、能量的转化与守恒
能量守恒定律
能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能量的总量保持不变。
大量的研究表明，自然界的能量是守恒的，科学家们将研究成果概括为能量守恒定律，即：
减少的机械能到哪里去了？
小球跟空气和地面摩擦，一部分的机械能转化为内能。
如图，小球的高度逐渐降低说明了什么？
说明了小球的机械能逐渐减少。
一、能量的转化与守恒
能量守恒定律
有人曾设想制造一种不需要动力就能源源不断地对外做功的机器，人们把这种机器叫永动机，如图。
这种机器有可能制成吗？为什么？
一、能量的转化与守恒
能量守恒定律
不能，机械能总有损耗。
一、能量的转化与守恒
能量转移和转化的方向性
荡秋千时，由于摩擦的存在，一部分机械能会转化为内能，那么这部分能量还能转化为机械能吗？在日常生活中，并不是所有能量转移和转化的过程都能自发地实现。
如图是黄河壶口瀑布，河中的水自上而下形成瀑布，我们能否看见水流自发的从低处流向高处流动呢？
在热传递的过程中，热量只能自发地从高温物体转移到低温物体，不可能自发的反过来进行。如果要使热量从低温物体转移到高温物体，就需要消耗其他形式的能量。例如电冰箱就需要消耗电能。
一、能量的转化与守恒
能量转移和转化的方向性
汽车制动时，由于摩擦，动能转化成了轮胎、地面和空气的内能，这些消耗的能量不能再自动地用来驱动汽车。
物理学的研究表明：能量的转移与转化具有方向性的。人们只能在能量的转化和转移的过程中利用能量。
一、能量的转化与守恒
能量转移和转化的方向性
一、能量的转化与守恒
能量转移和转化的效率
人类社会生活离不开能量。能量的利用存在效率问题，在能量转移和转化的过程中，输出的有用能量与输入总能量之比称为能量转化效率，通常用百分率表示。
在所有的能量利用过程中，能量损耗不可避免，100%的能量利用率只是一种理想情况。提高能量利用的效率是节能问题的核心，是可持续发展的重要措施之一。我们可利用现代科技尽量减少能量的损耗，提高能量利用效率。
二、跨学科：能源的开发与利用
人类对能源的利用
人类离不开能源，城市照明、汽车行驶、食物烹饪、电器工作都需要能源来提供能量，但能源并非都取之不尽、用之不竭。
人类在能源开发与利用的过程中，应关注哪些问题？
自然界存在多种能为人类提供生活、生产所需能量的能源。可分为可再生能源和不可再生能源。
二、跨学科：能源的开发与利用
人类对能源的利用
像太阳能、风能、水能以及动、植物等这类可以长期提供或可以再生的能源属于可再生能源。
像煤、石油、天然气、铀矿这类的化石或矿物能源一旦消耗就很难再生的能源为不可再生能源。
我国古代对水能的利用
二、跨学科：能源的开发与利用
人类对能源的利用
自然界中部分能源情况
大约在200多年前，由于煤的大量开采，人类利用能源的历史进入了一个崭新的时期。
用煤作燃料的蒸汽机的发明，带来了人类历史上的第一次工业革命。各种机械以及交通工具的相继发明大大提高了社会生产力。随后，石油、天然气先后成为人类生产、生活广泛使用的能源。
二、跨学科：能源的开发与利用
人类对能源的利用
通过对电磁的研究，人类找到了开发和利用能源的新途径，电能的利用，为人类带来光明、灿烂的新世界。各种电器设备的发明，使人们生活水平、生活质量得到极大的改善。
灯火辉煌的夜景
二、跨学科：能源的开发与利用
人类对能源的利用
二、跨学科：能源的开发与利用
能源与环境
泄漏的石油会污染海洋、煤燃烧产生的二氧化碳和烟尘会造成空气污染、温室效应……怎样解决利用能源与保护环境的问题呢？
清理漂浮的石油
废气笼罩的城市
寻找获取能源的新途径。
核裂变是较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应，如图。原子弹就是利用的这个原理制成的。
二、跨学科：能源的开发与利用
开发核能与重视核安全
核能的开发和利用一般有两种方法：一种是利用核裂变释放能量；另一种是核聚变释放能量。
核裂变
核聚变是较轻的原子核结合为较重的原子核的一种核反应，如图。氢弹就是根据这个原理制造的一种威力比原子弹更大的核武器。
利用核能发电是人们利用核能的一个重要方向。目前，世界上已经利用核裂变原理建成了许多核能发电站。
二、跨学科：能源的开发与利用
开发核能与重视核安全
核聚变
人类还在不断探索可控核聚变，期待不久的将来能通过可控核聚变开发核能，由此为人类提供清洁、安全而且原料几乎取之不尽的能源。
二、跨学科：能源的开发与利用
开发核能与重视核安全
不过，核能的利用也存在一些安全风险，核燃料使用后会产生一些放射性的核废料，为了防止放射性物质泄漏，核能利用装置都采用了严格的防护措施。对核废料的运输、储存，需要专门的运输工具和场地。
太阳能是一种既相对清洁，又取之不尽的能源。采用光转化为热的方式，可以用来发电，也可以用来取暖等。
太阳能发电
太阳能热水器
二、跨学科：能源的开发与利用
开发新能源
风能：风具有很大的能量。人们很早就学会了利用风能行船、抽水、磨谷……风能还可以用来发电。
风力发电站
二、跨学科：能源的开发与利用
开发新能源
地热能：地球内部蕴藏着大量的热。在有地热资源的地方可以开发的利用地热能发电。
冰岛地热
二、跨学科：能源的开发与利用
开发新能源
潮汐能：月球、太阳对地球的引力作用产生了潮汐。每天，涨潮与落潮水中蕴藏着巨大的能量，这种能量可以用来发电。
二、跨学科：能源的开发与利用
开发新能源
三、跨学科：材料的利用与开发
人类早期对材料的利用
原始人制造的工具
三星堆人面青铜像
人类发展过程中先后经历了石器时代、青铜时代和钢铁材料时代。
根据材料的导电性能，材料可分为导体、半导体及绝缘体三大类。
金、银、铜、铁和铝等金属材料是导电性能较好的导体，如铜、铝等常用来制成传导电流的导线。
三、跨学科：材料的利用与开发
导电性材料的利用和开发
绝缘体的电阻很大，电流几乎不能通过，因此常被用来隔离带电物体，如图。
半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，具有一些特殊的物理性质，如材料硅、锗、砷化镓等都属于半导体。
三、跨学科：材料的利用与开发
导电性材料的利用和开发
半导体元件
半导体材料可制成二极管、三极管等半导体元件（如图）和集成电路。二极管有单向导电性，三极管可以放大电信号。
超导材料
1911年，昂内斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在测试温度降低到4.2 K 时，汞的电阻突然降低到几乎为零（如图），从而发现超导现象。发生超导现象的材料即为超导材料。
三、跨学科：材料的利用与开发
开发新材料
汞电阻随温度变化的图像
纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1~100 nm 范围内的材料，这大约相当于10~1000个原子紧密排列在一起的尺度。
纳米材料除了其基本单元的尺度小以外，在力、热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能。纳米尺度的导线和芯片还能大大提高计算机的性能。
三、跨学科：材料的利用与开发
开发新材料
一种纳米尺度机器
课堂小结
能量
转移和转化
能量守恒定律
能源
利用
能源与社会环境的关系
太阳能、核能等
开发
材料
利用
材料导电性(半导体、超导体的特性)
开发新材料(如超导材料、纳米材料)
开发

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