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第二节 跨学科：能源的开发与利用
第二十一章 能源、材料与社会
学习目标
课时讲解
1
课时流程
2
人类对能源的利用
能源与环境
开发核能与重视核安全
开发新能源
逐点
导讲练
课堂小结
作业提升
知1－讲
感悟新知
知识点
人类对能源的利用
1
能源 能够提供光、热等各种形式的能量的物质资源。
1.能源的分类
(1) 可再生能源 可长期提供或可再生的能源。例如：太阳能、风能、水能以及生物质能等。
(2) 不可再生能源 一旦消耗就很难再生的能源。例如：煤、石油、天然气和铀矿。
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方法点拨
对比法区分能源和能量:
能源 能量
定义 能够提供能量的物质资源 物体能够对 外 做功，就 说该物体具有能量
本质 可以提供某种形式能量的物质 与物质及其运动相联 系，对应不同形式 的 运动，有 不同形式的能 量，如电流做功对应电能
联系 能 源 的 利 用 过 程，实质上就是能量的转化和转移的过程 感悟新知
常见能源的分类方法
知1－讲
分类方法 类别 概念 常见能源
从能源是否可以再生划分 不可再生能源 不能在短期内从自然界得到补充的能源 煤、石油、天然气、核能等
可再生能源 可以从自然界源源不断地获得的能源 风能、水能、太阳能、生物质能、地热能等
从能源的获取方式划分 一次能源 可以直接从自然界获得的能源 化石能源、风能、水能、太阳能、地热能、生物质能、核能等
二次能源 由一次能源直接或间接转化而来的能源 电能、汽油、柴油、煤油等
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知1－讲
分类方法 类别 概念 常见能源
从能源的开发时间和利用状况划分 常规能源 已经大规模生产和广泛使用的能源 煤、石油、天然气及水能等
新能源 刚开始利用或正在积极研究、有待推广的能源 核能、太阳能、风能、潮汐能、地热能等
从对环境的影响划分 清洁能源 对环境无污染的能源 太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能等
非清洁能源 对环境有污染的能源 煤、石油、柴薪等
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易错提醒
可再生能源和不可再生能源都是对于一次能源来说的。
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2.能源利用的历程
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[北京东城区一模] 下列各种不同类型的发电站在发电过程中，利用不可再生能源发电的是(　　)
A. 西藏羊八井地热发电站
B. 新疆哈密光热发电站
C. 湖北宜昌三峡水力发电站
D. 内蒙古托克托燃煤火力发电站
例1
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解析： 煤是化石能源，会越用越少，不可能在短时间内得到补充，是不可再生能源；地热能、太阳能、水能都可以源源不断地得到，是可再生能源，所以利用不可再生能源发电的是内蒙古托克托燃煤火力发电站，故 D 符合题意， A、 B、 C
不符合题意。
答案：D
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方法点拨
根据能源分类判断能源种类：
分类标准 分类 解释
是否可再生 可再生能源 ① 可 以 长期 提 供 能量的能源，例如：太阳能；② 可 以 再生的能源，例 如： 风能、水能等
不可再生能源 消耗后，很难再生，例如：煤、石油、 天 然气、铀矿等
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知识点
能源与环境
2
1.煤炭开发利用带来的生态问题 煤的燃烧会产生大量的二氧化碳气体和烟尘，造成空气污染；开采煤炭，尤其是露天开采，严重破坏土地，被破坏的生态系统恢复耗费大，所需时间长；燃烧废热形成热污染。
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2.石油开发利用带来的生态问题 相比煤炭而言，石油和天然气的开采，只引起轻微的土地破坏，燃烧时仅有轻度和中度的空气污染，污染程度取决于硫的含量；油轮和油井易造成事故性溢油，造成海洋污染。
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知识点拨
绿色能源： 在释放能量或能量转化过程中对环境不造成污染的能源。
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下列做法不利于减少空气污染的是(　　)
A. 积极推广使用新能源公交车
B. 限制、禁止燃放烟花爆竹
C. 田间焚烧秸秆，净化环境
D. 火力发电厂进行脱硫、控尘处理
例2
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解析： 积极推广使用新能源公交车，会减少空气污染，故A 不符合题意；限制、禁止燃放烟花爆竹，有利于减少空气污染，故 B 不符合题意；焚烧秸秆会生成有害气体和烟尘，不利于减少空气污染，故 C 符合题意；火力发电厂进行脱硫、控尘处理，有利于减少空气污染，故 D 不符合题意。
答案：C
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知识点拨
常见的能源污染:
空气污染 ①煤的燃烧会产生大量的二氧化碳气体 和 烟 尘，造 成 空气污染；②当大气中二氧化碳 的 浓 度 增 大 后，会导致温室效应增强，全球变暖；
③煤的燃烧会产生二 氧 化 硫 等，形 成酸雨
水质污染 载油轮船如果出现事 故，会 造 成 原 油泄漏，污染水质
核污染 在 使 用 核 能 时，如果 防 护 措 施 做 不好，会造成核辐射
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知识点
开发核能与重视核安全
3
1.核能
(1) 原子核中的质子、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，这就是核能。
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(2) 释放核能的两种方式 核裂变和核聚变。
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定义 示意图 应用
核裂变 较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应 原子弹和核电站的核反应堆就是利用该反应释放核能的
核聚变 较轻的原子核结合成为较重的原子核的一种核反应 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
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温故知新
原子核的结构：
原子核
质子和中子(统称核子)组成
核子之间存在
一种很强的核力
质子间还存在静电斥力
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2.链式反应 用中子轰击铀 235 原子核，铀核在分裂时，会释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子会继续轰击其他铀核。于是就导致一系
列铀核持续裂变，并释放出大量
核能，这就是裂变中的链式反应，
如图 1 所示。
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知识点拨
1 kg 铀全部裂变释放的能量超过 2 000 t煤完全燃烧时释放的能量。
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3.核电站
(1) 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。核反应堆是原子核发生链式反应的场所，是核电站的核心设备。
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(2) 核能发电的利弊
①由于核电不会排放二氧化碳，因此不会造成空气污染；
②核电消耗较少的核燃料就能产生巨大的电能，发电成本低；
③核电站建厂投入成本巨大；
④核电站使用的核燃料及产生的废料具有放射性，必须慎重处理；
⑤一旦发生核泄漏，造成的污染和危害特别大。
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4.可控核聚变
(1) 认识 可控核聚变是指通过人工控制条件，使轻原子核 (如氘、氚)在超高温高压环境下发生核聚变反应，释放巨大能量并实现持续稳定输出的技术。
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(2) 发展 其核心目标是模拟太阳内部的核聚变过程，为人类 提 供 清 洁、安 全、近 乎 无 限 的 能 源。 中 国 环 流 器(如HL-2M、 EAST)是我国可控核聚变研究的“国之重器”，通过持续技术创新，已在高参数等离子体运行、超导磁体、材料国产化等领域实现国际领先。未来，随着 ITER的成功运行和我国聚变工程示范堆(CFETR)的建设，中国环流器将为“人造太阳”的商业化应用奠定坚实基础，助力人类实现“取之不尽、用之清洁”的聚变能源梦想。
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知3－讲
方法点拨
核能的两种获取方式的对比 :
核裂变 核聚变
定义 质量较大的原子核分裂为较小的原子核的过程 质量较小的原子核结合成较大的原子核的过程
条件 中子轰击质量较大的原子核 超高温
释放核能大小 巨大 更加巨大
应用 原子弹、核电站 氢弹
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中国“人造太阳”(EAST)取得重大突破，奠定了我
国在该领域的世界领先地位。 EAST 利用氘、氚原子核，在超高温下结合成氦原子核，同时释放出巨大的核能。
例3
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下列关于核能的利用说法正确的是( )
A．“人造太阳”释放的核能是可再生能源
B. “人造太阳”利用核聚变获取能量
C. “人造太阳”与我国正在运行的核电站获得核能的方式相同
D. 结合成氦原子核时，带正电的氘、氚原子核间具有很强的静电引力
知3－练
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解析：“人造太阳”释放的核能属于不可再生能源，故 A错误；“人造太阳”利用氘、氚原子核在超高温下合成氦原子核，并释放巨大核能，通过核聚变获取能量，故 B 正确；“人造太阳”与我国运行的核电站获能方式不同，核电站利用核
裂变，“人造太阳”利用核聚变，故 C 错误；由于同种电荷相互 排 斥，故 带 正 电 的 氘、氚 原 子 核 间 具 有 很 强 的 静 电 斥 力，故 D 错误。
答案：B
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知识点拨
核 聚 变 可 以 产生比核裂变要多得多的能量，但核聚变需要几百万摄氏度以上的超高温度。如何实现可控聚变，如何利用可控聚变释放的核能，科学家一直在积极地探索着。
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知识点
开发新能源
4
1.太阳能
(1) 太阳能来源 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。太阳核心每时每刻都在发生氢弹爆炸，太阳就像一个巨大的“核能火炉”。太阳至今已经稳定地“燃烧”了近 50 亿年，而且还能继续“燃烧” 50亿年。
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知4－讲
(2) 太阳能的扩散 太阳核心释放的能量向外扩散，可以传送到太阳的表面。太阳表面温度约 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。太阳向外辐射的能量中，只有约二十亿分之一传递到地球。太阳光已经照耀我们的地球近 50 亿年，地球在这近 50 亿年中积累的太阳能是我们今天所用的大部分能量的源泉。
知4－讲
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知识拓展
太 阳 距 地 球 1.5亿千米，直径大约是地球的 110 倍，体积是地 球 的 130 万 倍， 质量是地球的 33 万倍，核心温度高达 1 500 万摄氏度。
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知4－讲
(3) 太阳能的利用
①化石燃料： 远古时期的植物通过光合作用将太阳能转化为生物体的化学能。经过地壳不断运动，死后的动植物被埋在地下和海底。经过几百万年的复杂变化，变成了煤、石油，在石油形成过程中还放出天然气。
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知识点拨
太阳能的利用：
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②人类利用太阳能
利用太阳能的方式 利用太阳能集热器收集阳光中的能量来加热水等物质 太阳能电池在航空、航天、交通、通信等领域中有较为广泛的应用
能量转化 将太阳能转化为内能 将太阳能转化为电能
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知4－讲
③太阳能的优缺点
太阳能的优点 太阳能的缺点
a. 十分巨大 b. 供应时间长久 c. 分布广阔，获取方便 d. 安全、清洁、无污染 a. 太分散
b. 受季节、天气和地理环境影响较大
c. 能量转换效率低
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知识拓展
与传统的电厂相比，太阳能电厂具有两大优势：
(1) 整个发电过程清洁，没有任何碳排放；
(2) 利用的是太阳能，不需要任何燃料成本。
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2.风能
(1) 风能的来源 太阳辐射导致大气温差形成的空气流动能量，风速越大能量越强。
(2) 风能的利用 人们很早就学会了利用风能行船、抽水、磨谷等。风能还可以用来发电，把风的动能转化为电能就是风力发电，风能是一种清洁的可再生能源。
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3.地热能
(1) 地热能的来源 地球内部储存的天然热能，来源于地核放射性元素衰变和地球形成时的余热。主要存在于地壳板块交界处(如火山带、温泉区域)。
(2) 地热能的利用 地热发电场通过钻井抽取地下高温蒸汽或热水，驱动涡轮机发电。
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方法点拨
归类法区分各种能源：
清洁能源 太阳能、风能、水能、潮汐能、地热能
非清洁能源 煤、石油、天然气、柴薪
常规能源 煤、石油、天然气、水能
新能源 核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能
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4.潮汐能
(1) 潮汐能的来源 由月球和太阳引力引起的海水周期性涨落现象(潮汐)中蕴含的能量。
(2) 潮汐能的利用 潮汐发电站通过水库闸门控制潮水流动，利用水位差驱动水轮机。
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关于能源，下列说法正确的是(　　)
A. 风能、地热能、电能均属于一次能源
B. 太阳内部，原子核发生裂变释放出巨大的核能
C. 风力发电机的能量转化效率能达到 100％
D. 地热发电实际上就是把地下的热能转变为机械能，然后再将其转变为电能的能量转变过程
例4
知4－练
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解析： 风能、地热能可以直接从自然界获得，属于一次能源，电能必须经过一次能源的消耗才能得到，属于二次能源，故 A 错 误；太 阳 内 部，原 子 核 发 生 聚 变 释 放 出 巨 大 的 核 能，故 B 错误；任何机械工作时不可避免地要做额外功，机械效率不可能达到 100％ ，风力发电机的能量转化效率也不可能达到 100％ ，故 C 错误；地热发电站发电时，通过钻井抽取地下高温蒸汽或热水推动活塞，使汽轮机转动工作，将蒸汽或热水的内能转化为机械能，汽轮机带动发电机工作，将机械能转化为电能，故 D 正确。
答案：D
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知识点拨
人类已经长期利用的传统能源，如化石能源、水能等，称为常规能源；近年来刚开始开发和利用或正在积极研究、有待推广的能源，被称为新能源，如核能、太阳能等。
跨学科：能源的开发与利用
能源与环境
开发新能源
能源的开发与利用
能源的分类
核能与核安全
不可再生能源
可再生能源
太阳能、风能、
地热能等

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