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第二十一章 能源、材料与社会
第2节 跨学科：能源的开发与利用
我们生活离不开能源，传统的化石燃料的使用带来了哪些问题呢？
化石燃料燃烧导致空气污染、冰川融化，资源枯竭等等。
那么人类有哪些解决能源危机的办法？怎样去发展新能源呢？下面我们学习与此有关的内容。
1.能列举常见的不可再生能源和可再生能源。
2.知道核能的特点和核能利用可能带来的问题。
3.能从能源开发与利用的视角体会可持续发展的重要性。
知识点一、人类对能源的利用
1. 能源
概念：凡是能够提供能量的物质资源都可以称为能源。
煤
石油
天然气
2. 能源的分类
能源家族成员种类繁多，而且新成员不断加入。能获取有用能量并为人类利用的各种能源都可以加入到能源家族中来。
能源家族从不同的角度可以划分不同的类别，根据能源使用之后能否在短期内再生可分为可再生能源和不可再生能源。
（1）可再生能源
可以长期提供或可再生的能源属于可再生能源。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属于不可再生能源。例如，煤、石油、天然气和铀矿这类化石或矿物能源。
废弃铀矿的警告标志，马蹄台地，大峡谷，美国亚利桑那州
（3）可再生能源与不可再生能源的区别
区分可再生能源与不可再生能源的主要依据是看能源使用之后能否在短期内再生，能否在自然界里源源不断地得到。
我们熟悉的可再生能源有：
水能、风能、太阳能、
生物质能等。
可再生能源
我们熟悉的不可再生能源有：
煤炭、石油、
天然气、铀矿等。
不可再生能源
3. 人类利用能源的历程
（1）我国古代对能源的利用
钻木取火是人类利用能源的历史上的第一次能源革命。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。
我国古代对水能的利用促进了人类文明的发展。
我国古代对
水能的利用
纵观几千年的文明史可知，人类发现、开发、利用能源的历史，就是其认识自然、理解自然的历史。
钻木取火
（2）化石能源时代
人们对能源的需求与日俱增，探索方向逐渐从如何利用身边的自然能源转向如何获取更多能源。于是，大约在200多年前，由于对煤的大量开采，人类利用能源的历史进入了一个崭新的时期。
蒸汽机
18世纪，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，由此人类进入大工业生产的时代。各种机械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。
蒸汽机
（3）电能时代
19世纪，通过对电和磁的研究，人类找到了开发和利用能源的新途径，从此进入了电气时代。电能的利用为人类带来了一个光明、灿烂的新世界。各种电气设备的发明，使人们的生活水平和生活质量得到了极大改善，同时人类对能源的需求和依赖也越来越大。
灯火辉煌的城市夜景
物理学家——法拉第
（4）核能时代
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。
核电站蓝色时刻(Baden-Württemberg，德国)
4. 能源的利用与环境污染
能源的大量开发和使用，会造成环境污染与生态破坏。如何在开发和使用能源的同时保护好我们赖以生存的地球，这已经成为一个全球性的重大课题。
清理漂浮的石油
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。大气中二氧化碳的浓度增大，导致温室效应增强，全球变暖，危害生态平衡。火力发电厂发电时所产生的“余热”会引起热污染。泄漏的石油污染海洋；工业和交通工具的废气笼罩在城市的上空……人类将如何才能解决好利用能源与保护环境这一问题呢？开发和利用核能成为人类获取能量的一个新途径。
废气笼罩的城市
知识点二、开发核能与重视核安全
1. 核能
核能的开发和利用一般有两种方式：一种是利用核裂变释放能量；另一种是利用核聚变释放能量。
（1）核裂变
① 概念：是较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应。图是铀原子核在中子的轰击下产生裂变的过程，每一个铀原子核的裂变会产生大量能量。
②链式反应
科学家研究发现：如果放在一起的铀超过一定质量，就会发生剧烈的核反应。一个铀原子核分裂出2至3个中子，这2至3个中子又要去轰击2至3个铀原子核，使这些铀原子核也发生裂变，如此下去就会产生系列化的越来越剧烈的反应。这种核反应被称为链式反应。
③原子弹
如果链式反应不加以控制将快速地进行下去，并在极短的时间内释放出巨大的能量，发生强烈的爆炸。
原子弹就是根据这个原理制成的。
我国第一颗原子弹爆炸
（2）核聚变
①概念：核聚变是较轻的原子核结合成为较重的原子核的一种核反应。是产生核能的另一种方式。
如图所示是氘核和氚核结合成为氦核的聚变过程。这种核反应会释放巨大的能量。
②核聚变的应用
利用核聚变也能制造核武器。
氢弹就是利用核聚变原理制造的一种威力比原子弹还要大得多的核武器。
利用核聚变原理制造的氢弹爆炸时产生的巨大的蘑菇云
核能发电可缓解能源危机，是人们和平利用核能的一个重要方面。目前，世界上已经利用核裂变原理建成了许多核能发电站。
2. 核能的利用
（1） 核电站
核电站利用核能发电，它的核心设备是核反应堆。 核反应堆中发生的链式反应是可控的，核反应堆能缓慢地释放出核能。
（2）核电站的能量转化
它以铀为核燃料，反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能，通过汽轮机转化为机械能，再通过发电机转化为电能。
核能→内能→机械能→电能
能量转化
广东大亚湾核电站
（3）核泄漏的危害
核电站一旦发生核泄漏事故，就可能产生严重的危害，所以核电站的安全性应得到高度重视。
切尔诺贝利核电站事故于1986年4月26日发生在乌克兰境内的普里皮亚季市，核反应堆全部炸毁，大量放射性物质泄漏，成为核电时代以来最大的事故。
事故后有31余人当场死亡，200多人受到严重的放射性辐射，之后15年内有6-8万人死亡，13.4万人遭受各种程度的辐射疾病折磨，方圆30公里地区的11.5万多民众被迫疏散。
（4）核电站和核废料处理
核反应堆是通过可控裂变反应释放核能的设备。反应堆内的铀核发生裂变时，会释放能量，也会产生放射线。如果放射线泄漏到反应堆外面，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。
核电站使用过的核燃料成为核废料。由于核废料仍具有放射性，对环境会造成相当大的危害，因此要将核废料深埋到人迹稀少的沙漠地带。
美国尤卡山核废料处置
知识点三、开发新能源
1.太阳能
（1）太阳能的优点
① “储量”十分巨大，取之不尽，用之不竭；
② 分布广阔，不需要运输，投入小，收益太；
③ 是一种相对清洁能源，环境汚染小；
④ 使用方便、安全。
现在人们不仅努力开发核能，而且不断探索对太阳能、风能、地热能、潮汐能等新能源的开发。
（2）太阳能的直接利用
① 把太阳能转化为内能
图是一种常见的太阳能热水器。它工作的原理是：太阳光的照射使加热管内水的温度上升，由于热水的密度比冷水的小，管内热水不断上升并储存在储水箱上部；同时，储水箱内温度较低的水下降到加热管，通过水的不断对流，最终使得储水箱内水的温度升高。
一种家庭常用的
太阳能热水器
② 把太阳能转化为电能
实质上是光电转换，如太阳能电池。太阳能电池可以有效吸收太阳能，并将其转化成电能，它是用半导体硅、硒等材料制作成的将太阳的光能转化为电能的器件，可做人造卫星、航标灯、交通信号灯等的电源。现在不少城市开始使用太阳能路灯，有些家用灯具也使用太阳能电池。
太阳能路灯
（3）太阳能的间接利用
人类开发利用的地球上的煤、石油 、天然气和生物质能等，都是太阳能长期转化积累形成的；风能、水能实质上也是由太阳能转化而来的。
2. 风能
风能是指空气高速流动的能量。风具有很大的能量。这种能量可能会带来极大破坏，如拔起大树，吹倒房屋，但我们也可以利用风能为人类服务。
（1）古代对风能的利用
人们很早就学会了利用风能行船、抽水、磨谷……
（2）风能发电
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，越来越受到世界各国的重视。我国风能储量很大，分布面广，风能资源的开发和利用对于保护环境、调整能源结构具有重要意义。
新疆达坂城的
风力发电场
3. 地热能
地球内部蕴藏着大量的热，在有地热资源的地方可开发和利用地热来发电。 目前世界上巳有近二百座地热电站投入运行。 地热能在地球上的蕴藏量非常丰富，可供人类消耗几百亿年，是取之不尽、用之不竭的清洁能源。
地热能发电场
4. 潮汐能
潮汐是由于月球、太阳对地球的引力作用而产生的。 潮汐能可用于发电，且成本低，污染少，是一种很有发展潜力的新能源。在潮汐能较大的地方修建潮汐电站，当涨潮和落潮时，水流推动水轮机转动发电。
图是一种利用潮汐能发电的示意图。
涨潮时，如图（a）所示，海水汹涌而来，潮水从导流孔流入水库的同时推动水轮机转动，水轮机带动发电机发电。随着潮水的不断涌入，水库水位逐渐上涨，储存着能量。
落潮时，如图（b）所示，海水奔腾而去，水位陆续下降，水库的水流从导流孔流向大海，推动水轮机再次转动，水轮机又一次带动发电机发电。
5. 氢能源
更多的新能源在不断开发中。氢能源是人们关注的一种新能源，氢燃烧的产物是水，没有任何污染，是目前公认的最清洁能源。
氢燃料在航空航天、汽车中已有广泛应用。
①能源：能够提供能量的物质资源称为能源.
②各种能源：化石能源、生物质能、太阳能、
水能、风能、地热能、电能等.
③能源的分类：可再生能源、不可再生能源.
④人类利用能源历程：柴薪能源→化石能源→电能→核能.
⑤能源的大量开发和使用，会造成环境污染与生态破坏.
①利用方式：核裂变、核聚变.
②核能利用：原子弹、氢弹、核能发电站。
③核废料的危害与处理。
①太阳能：相对清洁，取之不尽，可发电或取暖、加热水.
②风能：风能可以用来发电.
③地热能：地球内部蕴藏着大量的热，可以用来发电.
④潮汐能：月球、太阳对地球的引力作用产生，可用来发电.
⑤氢能源：氢燃烧的产物是水，没有任何污染，是最清洁能源。
能源的开发和利用
能源与社会
核能与安全
开发新能源
1.国梦 小康梦，我国新农村建设如火如荼。许多村庄道路两侧安装了如图所示的太阳能路灯。下列与太阳能路灯有关的叙述中不正确的是（ ）
A．太阳能是可再生能源
B．硅电池板中的硅是半导体
C．给金属灯柱涂漆是为了防止灯柱锈蚀
D．硅电池板中的硅元素是地壳中含量最多的金属元素
D
2.（多选）关于能量和能源，下列说法正确的是（ ）
A．煤、石油、天然气都是可再生能源
B．电能是二次能源
C．水力发电是将水的机械能转化为电能
D．能量是守恒的，节约能源是没有意义的
BC
3.如图是郑州市周边新建道路两旁使用的太阳能LED照明路灯，太阳能是_________（选填“可再生”或“不可再生”）能源，它是太阳内部氢原子核发生________ （选填“裂变”或“聚变”）时释放出的能量。
可再生
聚变

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