资源简介

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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
沪科版2024
物理观念：了解原子核结构及核能产生原理（裂变与聚变），知道太阳能由太阳内部核聚变形成，掌握新能源（如核能、太阳能）的能量转化方式及利用途径，建立“能量守恒与可持续发展”的认知框架。
科学思维：能区分核裂变与核聚变的异同，解释链式反应的可控与不可控应用（如核电站与原子弹），通过分析新能源开发案例（如太阳能路灯），运用比较、归纳等方法评估不同能源的优势与局限。
科学探究与创新：完成开放性实验（如设计太阳能利用装置），自主规划实验步骤、分析数据并优化方案。
科学态度与责任：通过“碳中和”“新能源开发”等STS话题讨论，培养节约能源、保护环境的社会责任感。学习钱学森等科学家的科研故事，弘扬科学精神，增强对科技推动社会发展的认同。
核心素养
等到那一天，我们人类又会用什么？
　　 化石能源是现代人类文明所需的主要能源。由于它们属于不可再生的资源，所以总有使用殆尽的一天。
情境导入
人类对能源的利用
能够提供热、光、机械能和电能等各种形式的能量来源就叫能源。
如：煤、石油、天然气、太阳光、水流、风、电等等。
金属的冶炼、机器的运转、汽车和火车等交通工具的行驶需要能量，生活中烧饭、取暖、照明等也需要能量。
生产和生活中利用的这些能量，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。
人类对能源的利用
钻木取火这项技术的出现，使人类实现了从利用自然火到利用人工火的转变。开启了人类以柴薪为主要能源的时代。
柴薪主要通过砍伐森林获得，大面积的砍伐森林严重破坏地球的生态平衡。同时由于燃烧柴薪获取能量的效率较低，人类仍需要开发其他的能源。
人类对能源的利用
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。
这三种能源是当今世界一次能源的三大支柱。
像化石能源一样可以直接从自然界获取的能源叫一次性能源。
常见的一次性能源有哪些？
煤、石油、天然气、生物质能、水能、风能、太阳能、地热能、核能等等。
人类对能源的利用
人类对能源的利用
一次性能源
不可再生能源
化石能源：煤、石油、天然气
核能
可再生能源：太阳能、地热能、风能、水能
二次能源
包括：电能、汽油、柴油、工业余热
思考：人们在利用能源的同时，对环境造成了什么影响？
化石能源产生大量内能，其中一部分未被利用，造成热污染；
燃料燃烧排放的二氧化碳加剧了地球的温室效应，同时生成的二氧化硫等是有害物质；
燃料不完全燃烧生成粉尘和一氧化碳，形成酸雨。
人类对能源的利用
核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中，因此核能发电不会造成空气污染
核能发电不会产生加重地球温室效应的二氧化碳
核能发电所使用的铀燃料，除了发电外，没有其他的用途
核燃料能量密度比起化石燃料高上几百万倍，故核能电厂所使用的燃料体积小，运输与储存都很方便
核能发电的成本中，燃料费用所占的比例较低
人类对能源的利用
分子是由原子构成的，原子的中心是原 子核，原子核周围有一定数目的电子在运动。科学家通 过进一步的研究表明，原子核还有如图 所示的 更精细的内部结构：原子核通常由质子和中子组成，质子带正电荷，其电荷量跟电子的电荷量相等，中子不带电；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。
随着科学技术的发展，科学家发现了更多的新粒子，并发现质子、中子等本身也有自己的复杂结构。人们对 微观世界的探索在不断深入。
开发核能与重视核安全
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，一旦质量较的原子核发生分裂或者质量较，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（nuclear energy）。
开发核能与重视核安全
裂变：20 世纪 30 年代，科学家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（如图）。1kg铀全部裂变，释放的能量相当于2800t标准煤完全燃烧时释放的能量。
开发核能与重视核安全
开发核能与重视核安全
聚变： 如果使某些质量很小的原子核，例如氘核 （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（如图 ）。这 就是聚变，有时也称为热核反应。
氢弹爆炸，比原子弹爆炸的威力更大。
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。
开发核能与重视核安全
太阳能
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6000℃，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。太阳这个巨大的“核能火炉”已经“燃烧”了近 50 亿年。目前，它 正处于壮年，要再过 50 亿年才会燃尽自己的核燃料。
开发新能源
太阳能的利用
太阳照耀着我们的地球，人类除了间接利用储存在 化石燃料中的太阳能，还设法直接利用太阳能。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主要有两种：
（1）用集热器把水等物质加热；
（2）用太阳能电池把太阳能转化成电能。
开发新能源
风能：风能转化电能
开发新能源
地热能的开发与利用
地热资源：
是指地球陆地表面以下10km深度以内，温度为15～400oC的地热能量。
（加热、发电）
开发新能源
其他新能源的开发与利用
利用潮涨潮落的水位差进行发电，水的机械能转化为电能。
潮汐能
开发新能源
你认为风能、太阳能、核能以及你所想到的可能的能源，哪些有可能成为未来的理想能源，为什么？
风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能有可能成为今后的理想能源，因为这些能源既可以循环使用，又不会对环境产生破坏和污染。
开发新能源
秦山核电站
敦煌光伏电站吸热塔
新疆达坂城风力发电
我国新能源开发和利用的实例
河南黄河小浪底发电工程
开发新能源
新疆太阳能发电站
羊八井地热电站
蓝鲸一号南海开采可燃冰
我国在试验氢能源汽车
我国新能源开发和利用的实例
开发新能源
课堂总结
新能源的发展
能量转移和转化的方向性
特点：能量转移、转化具有方向性
启示：能源利用有条件，需节约能源
核能
核裂变：应用于核电站、原子弹
核聚变：应用于热核电站、氢弹
太阳能：包含其利用方式
能源消耗对环境的影响
未来理想能源
下 课
Thanks!
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