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第二十二章 能源与可持续发展
九年级全
能源是人类文明进步的基础和动力，能源问题和我们每个人都息息相关.在本章的学习中，我们将从自己的家庭入手，调查能源使用情况，有针对性地制订优化能源使用的方案.
从身边的事做起，每个人都可以为全社会实现可持续发展作出贡献.快来试试吧!
第1、2节 能源利用的现状和面临的挑战 新能源的发展
第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案
能源与可持续发展
第1、2节 能源利用的现状和面临的挑战 新能源的发展
学习目标
物理观念
能列举不同时期人类利用的主要能源，了解一次能源、二次能源及其特点.了解能源利用的挑战和面临的问题.了解原子、原子核的结构，了解核裂变、核聚变.知道太阳能的由来及其特点.
科学思维
在认识能源以及新能源的过程中，进行比较和分类，发展科学思维能力.
科学探究
通过观察与分析，了解能源可持续发展的方向.
科学态度与责任
通过了解我国能源利用的挑战和面临的问题，增强节约能源的意识，激发利用学科技术发展新能源的动力.
重点：能源以及能源的利用.
难点：核裂变和核聚变.
生活生产中各方面都需要能量，这些能量是通过不同的能源提供的.各种能源的利用，极大促进了人类文明的发展.
新课引入
利用的这些能量，是通过哪些能源提供的？
思考
一、人类利用能源的历程
自从原始人发现使用火的方法以后，能源就成为人类文明发展的重要物质基础.钻木取火在人类利用能量的历史上非常重要.从利用自然火到利用人工火的转变，结束了远古人类的茹毛饮血，开启了以柴薪作为主要能源的时代.这个时代持续了近一万年.现在，柴薪仍是某些地区的生活能源.
钻木取火——人类最早的“技术革命”
蒸汽机的发明是人类利用能源的新里程碑.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，人类进入工业化社会.
蒸汽机的利用——人类进入工业化社会
我们今天大规模使用的煤、石油和天然气，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.
化石能源等不能在短期内从自然界得到补充，所以这类能源叫作不可再生能源.
煤
石油
天然气
水能和风能等能源可以在短期内从自然界得到补充，叫作可再生能源.可再生能源与不可再生能源都是可以直接从自然界获得的能源，我们称这样的能源为一次能源.
风能
太阳能
地热能
水能
电能是我们经常使用的能源.它通常是由其他能源转化而来的，最终还要转化为光能、内能、动能等其他形式的能量，为人类所用.
因为电能便于输送和转化.
为什么很多地方要使用电能，而不直接使用一次能源呢？
思考
现代社会离不开的各种各样的用电器，是将电能转化为其他各种形式能量的转化器.由于电能无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到，所以称电能这样的能源为二次能源.
二、能源利用面临的挑战
想 想 议 议
我们已经知道能量是守恒的，为什么还要节约能源呢？
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.同样，热量只能自发地从高温物体转移到低温物体，不能相反.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.实际上，涉及热现象的能量转化和转移过程是有方向性、不可逆的.
人们是在能量的转化或转移的过程中利用能量的.有些能量可以利用，有些则不能.因此，能源的利用是有条件的，我们所能利用的能源是有限的.化石能源是当今世界的主要能源，比如大多数汽车、飞机、轮船等交通工具都离不开它.
由于世界人口的增加和经济的不断发展，能源的消耗量持续增长.特别是近几十年来，能源消耗量的增长速度明显加快.如果把全世界的能源消耗量折合成热值为2.93×107 J/kg的标准煤来计算，1950年为26亿吨，1987年为110多亿吨，2007年达到160亿吨，2022年达到205亿吨.如果长期大规模开采，化石能源最终将会消耗殆尽.
在耗用各种能源时，不可避免地会对环境造成影响.例如，由于现代生活中化石能源的广泛使用，燃料的燃烧产生了大量的二氧化碳，加剧了地球的温室效应.
此外，煤、石油、天然气等燃料往往含有杂质，致使燃烧生成的气体中含有二氧化硫等有害物质.燃料的不完全燃烧还会产生粉尘和一氧化碳，对和环境造成危害.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.
煤
石油
天然气
科学·技术·社会·环境
我国火力发电的燃料主要是煤.煤发电的原理是：用煤燃烧产生的热量加热水，使之变成高温高压的水蒸气，然后推动汽轮发电机组发电.在现代化的发电厂中，会对水蒸气进行二次加热，使它继续推动发电机发电，提高发电效率.
为了降低污染，煤在燃烧前会经过洗
选来去除杂质，在充分燃烧后，发电厂会
对排出的烟气进行脱硫、脱硝、除尘等净
化处理，减少二氧化硫等污染物的排放.
燃煤发电的清洁技术
此外，碳捕集技术正在快速发展.碳捕集技术能够将烟气中的二氧化碳大规模收集起来，制成纯度为99.5%的工业级合格液态二氧化碳产品，对实现“碳达峰碳中和”目标具有重要意义.2021年1月，我国建成了燃煤电厂每年15万吨燃烧后二氧化碳捕集示范工程.另一个年产150万吨的燃煤电厂燃烧后二氧化碳捕集项目也正在加紧建设.
为了解决利用化石能源带来的问题，人们着手开发各种新能源.你知道的新能源有哪些？
？
三、核能
原子核(正)
核外电子(负)
质子(正)
中子(不带电)
原子的结构
原子核
质子
中子
核外电子
分子是由原子构成的.
质子的质量大约是电子的1836倍，中子和质子的质量几乎相同.质子和中子构成非常小的原子核，就像几颗豆粒挤在一个非常大的广场中央.
质子、中子依靠强大的核力紧密地结合在一起，因此原子核十分牢固，要使它们分裂或结合是极其困难的.但是，一旦质量较大的原子核发生分裂或者质量较小的原子核相互结合，就有可能释放出惊人的能量.这种能量就是核能.
获得核能的两种途径：裂变和聚变.
核裂变
核聚变
裂变是较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应.
铀矿石
核裂变
思考
如果一系列铀原子核持续裂变会发生什么？
用中子轰击质量比较大的铀235原子核，使其发生裂变，变成两个质量中等大小的原子核，同时还会产生几个新的中子，这些中子又会轰击其他铀核……于是就导致一系列铀核持续裂变，释放出巨大的能量.这就是裂变中的链式反应.1 kg铀全部裂变，释放的能量相当于2 800 t标准煤完全燃烧时释放的能量.
链式反应
如果对链式反应不加控制，那么大量原子核就会在一瞬间发生裂变，释放出极大的能量，例如原子弹的爆炸.
1964年我国第一颗原子弹爆炸
如果链式反应可控，那么就可以控制核能的释放，例如核反应堆中发生的就是可控链式反应.核电站利用核能发电，它的核心设备就是核反应堆.
“华龙一号”核反应堆
核反应堆外围包裹着厚厚的混凝土罩以吸收辐射
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
吸收了热量的水汽化变成蒸汽
蒸汽推动发电机运转，将蒸汽的机械能转化为电能
核能发电的原理
拓展
核电站利用核反应堆产生的内能，通过汽轮机做功，带动发电机发电.随着我国具有完全自主知识产权的第三代百万千瓦级核电技术机组——华龙一号的建成，我国的核能发电技术已居于世界先进地位.
华龙一号核反应堆
大亚湾核电站
秦山核电站
田湾核电站
岭奥核电站
聚变如果使某些质量很小的原子核，例如氖核(由一个质子和一个中子构成)与氚核(由一个质子和两个中子构成)，在超高温和高压下结合成新的原子核——氦核，也会释放出巨大的核能.这就是聚变，有时也称为热核反应.
氘氚聚变
氘核、氚核都是氢核的一种.大量氢核的聚变，可以在瞬间释放出惊人的能量.氢弹利用的就是这种能量.
在太阳内部，氢原子核在超高温下发生聚变，释放出巨大的核能.因此可以说，太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸，比原子弹爆炸的威力更大.太阳核心释放的能量向外扩散，可以传送到太阳表面.太阳表面温度约为6 000 ℃，就像一个高温气体组成的海洋.大部分太阳能以热和光的形式向四周辐射出去.
科学家预言，通过可控核聚变来利用核能，有望彻底解决人类所面临的能源问题.我国正在采用不同方式进行可控核聚变的研究，中国科学院建造的环流器(tokamak)EAST实现了1 000 s以上的长时间运行，中国工程物理研究院等单位建造了“神光Ⅲ”激光约束核聚变研究装置.
与化石燃料一样，核燃料在自然
界中也是有限的，核能属于不可再生
能源.
中国科学院建造的环流器
随着科学技术的进步，太阳能等可再生能源逐渐得到较为广泛的应用.目前直接利用太阳能的方式有哪些？
？
四、太阳能
目前直接利用太阳能的方式主要有两种，一种是用集热器把水等物质加热，另一种是用太阳能电池把太阳能转化成电能.
屋顶的太阳能集热器
太阳能电池阵列
平板式集热器的箱面是玻璃，内部有涂黑的吸热板，可以吸收太阳辐射并将其转化为内能，从而将集热器管道内的水流加热.太阳能电池具有使用寿命较长的优点.太阳能电池应用在航空、航天、通信等领域，在日常生活中也用于电灯、计算器、手表等用电器.
风能和海洋能也是人们可以利用的新能源，它们都可以用来发电.我国建设了数座潮汐电站，也建成了许多“风车田”，场面蔚为壮观.
科学·技术·社会·环境
核反应堆是通过可控裂变反应释放核能的设备.核反应堆内的铀核发生裂变时，会释放能量，也会产生射线.如果射线泄漏到反应堆外面，就会对人和其他生物造成伤害，所以核反应堆都封闭在一个厚厚的钢筋混凝土壳中.
核电站与核废料处理
核电站使用过的核燃料称为核废料.由于核废料仍然具有放射性，所以一般将其放入特殊的容器封存后，深埋在人烟稀少的地方.某些发达国家将核废料运送到其他国家埋放，引起了广泛的抗议.
2011年日本福岛核电站因地震发生核泄漏
能源利用的
现状和面临
的挑战 新
能源的发展
课堂小结
人类利用
能源的历程
________：可以直接从自然界获得的能源.
________：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.
一次能源
二次能源
目前人类的主要能源为____能源.
能源利用
面临的挑战
化石
解决能源危机的主要出路：一是提高能源的______，二
是开发和利用______.
利用率
新能源
核能
原子由核外____和______构成.原子核由质子和____组成.
核能：质量较大的原子核发生____或者质量较小的原子核相互
____，就有可能释放出惊人的能量.
电子
原子核
中子
分裂
结合
裂变：用中子轰击质量比较大的原子核，使其发生裂变，变成
两个质量中等大小的原子核，产生几个新的中子，同时
释放出巨大的____.
裂变
核电站的工作原理：利用________产生的内能，通过汽轮机做
功，带动发电机发电.
能量
核反应堆
课堂小结
聚变：质量很小的______在超高温和高压下结合成新的原子核——氦
核，也会释放出巨大的核能，这就是聚变，也称为____反应.
原子核
热核
直接利用太阳能的方式：一种是用集热器把水等物质加热，
另一种是用太阳能电池把太阳能转
化成____.
太阳能
电能
太阳能电池的应用：应用在航空、航天、通信等领域，在日
常生活中也用于电灯、计算器、手表等
用电器.
能源利用的
现状和面临
的挑战 新
能源的发展
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.
一次能源
二次能源
化石能源
地热能
电能
柴薪
太阳能
水能
风能
天然气
石油
煤
煤
天然气
石油
2. (2025云南改编)能源是人类文明进步的基础和动力.关于能源，下列说法正确的是 ( )
A. 太阳能属于可再生能源
B. 石油取之不尽用之不竭
C. 太阳辐射的能量主要来自太阳内部的核裂变反应
D. 风力发电的效率可以达到100%
A
√
不可再生能源
×
核聚变
×
风力发电过程中存在能量损耗，效率不可能达到100%
×
3. (2025武汉)2025年5月14日，我国自主三代核电“华龙一号”全球首堆——中核集团福清核电5号机组实现连续安全稳定运行1 000天，持续向社会稳定输送清洁电能超370亿度，如图所示是“华龙一号”全球首堆外景.下列有关说法错误的是 ( )
A.核能属于不可再生能源
B.核电站利用核反应堆通过可控核裂变释
放核能
C.核反应堆将核能直接转化为电能
D.核废料具有放射性，一般深埋在人烟稀少的地方
C
√
×
√
√
核能→内能→机械能→电能
4. 上海世博会中国馆展出了名为“叶子”的小型低碳化未来汽车. 车顶部的巨型叶子实际上是一个高效光电转换器，它可将___________能转化为电能；车轮的轮毂其实是四个风力发电机，可以把捕捉到的风能转化为_____能，充入自身电池储存起来.同时，它还能将光电转换中排放的高浓度二氧化碳转化为电能并供车内照明.与传统汽车相比，叶子车的优点是___________________________(写出一点即可).
光(或太阳)
电
节能环保(或减小温室效应等)

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