2019-2020年高中物理 《能源的开发和环境保护》教案 沪科版选修3-3.doc

2019-2020年高中物理 能源的开发和环境保护教案 沪科版选修3-3一、教学目的1、了解什么是能源，什么是常规能源，知道常规能源的储量和人类需求的矛盾2、了解常规能源的使用和环境污染方面的关系3、了解哪些是清洁能源，哪些是可再生能源二、教学重点1、能源、常规能源、可再生能源的教学2、能源和环境之间的关系三、教学难点能源和环境之间的关系四、教学过程热力学第二定律告诉我们，很多与热现象有关的物理过程都是不可逆的。涉及内能的能量转化过程具有方向性，这在上一节已经提到过了。在本节，我们讨论这种方向性的现实意义。一、能源一段木料燃烧后化为灰烬，能够释放给我们所需要的能量。然而，灰烬却不能立即被合成而成为一段木料。但是，我们至少可以将灰烬作为肥料施在一颗小树苗上，促成它长成一段未来的木料，以供人类（可能是种树、施肥者的子孙，也可能是别人的子孙）再次燃烧。在这一人与资源的交互行为中，我们会发现，首先，能量转化的方向性并没有被破坏，也就是说，热力学第二定律仍被得到尊重。其次，这将形成了一个循环，因为只要时间足够，让树苗成长成为木料的数目大于我们燃烧木料的数目，它就不会破坏需求与资源的动态平衡关系。其三，在这个循环中，必须要有第三者参与如果没有太阳的光合作用，循环就终止了所以人与资源（树木）之间并不是“今天你给我，明天我还给你”的关系（我们与其说在燃烧树木，还不如说是在利用储存的太阳能）。其四，这种循环还有一种隐忧，那就是：灰烬“成为”树木的速度要远远小于树木变成灰烬的速度，表面的平衡是以内部数量上的不平衡为代价的。以上的四点中，第三点事实上已经决定了循环“返回”过程的速度（不能由人类操控），第二点和第四点则意味着人类的行为、世界观对“平衡”能否被破坏有着直接的关系。在工业化时代到来之前，人们过着田园牧歌式的生活，没有电器、没有汽车、没有空调，人类使用大自然的资源只是为了满足最基本的生活需求，因此，这种“平衡”没有被破坏。随着工业化时代的到来，这种状况立即显现出危机，循环就要被终止了。于是，人们想到了地底下的资源：煤和石油。他们提供的能量很有用，燃烧的速度和效能和木材相差无几。但是，形成煤和石油的速度比长成树木的速度，就不能同日而语了！可以这样说，人们自从使用煤的第一天起，就没有想到一个可能形成循环的问题，更不用说什么平衡了。所以，煤和石油事实上是一种坐吃山空的资源：我们今天用得越多，我们的子孙将来可以使用的就越少。在不久的将来，人们用完了所有的煤和石油，会怎么办？这是一个令社会学家睡不安枕的问题。然而，经济学家们却不这样看。经济学教授给学生们讲课，出了这样一个题目：地底下现有石油储量X吨，近五年的开采量是Y吨/年，请预测石油将在多少年后被开采完？有的学生开始用计算器摁键：X/Y = ? 这样的学生被认为是经济学的盲者。教授的观点是：永远也开采不完。因为，随着石油储量的减少，开采的成本会加大，成本大于销售价格时，市场规律决定了人们在也不会去开采石油了。此时石油存在事实已经失去了利用价值，任它在地底下沉睡多少年也和我们没有关系了。那么人们会使用什么能源呢？巨大的市场潜力和利润空间将驱使人们去研究一种石油的替代品。因此，能源的危机也就解决了。是社会学家们悲天悯人，还是经济学家们盲目乐观？这需要我们冷静地去判断。至少，以下的一些事实可以显示，这两派观点都有一定的道理世界上石油储量最大的中东地区一直是发达国家关注的焦点，外交、军事莫不围绕着这片从地表上看毫无魅力的区域打转。世界警察（美国）和他的随从们最愿意去管中东的事情：两次海湾战争、伊拉克战争等等说明能量消耗巨大的富国们对石油的心痛程度。令以一方面，“替代品”新能源的研发、形式层出不穷。1、水能：水作为能量的载体，被太阳能驱动地球上三栖（水、陆、空）循环。地表水的流动时，在落差大、流量大的地区，形成可利用的水能资源。目前世界上水力发电还处于起步阶段。2、海洋能：由于地球受月球和太阳引力的周期性不均衡，海水发生非气候性的涨潮和落潮现象，形成潮汐。潮汐蕴含着巨大能量，既可以用来推动机械装置，又可以用来发电。此外，由于海水表层和深层间的存在很大的温差，利用这种温差也可以发电（*因为水的沸点与气压有关，如果建造一个装置，用抽真空的方法使表层的海水在20摄氏度时汽化，并推动汽轮机，再将深层的冷水提上来使蒸汽冷却，如此周而复始，就可以发电了。除这种方法外，还可以用低沸点的流体如丙烷和氨来作为热机的工作介质）。法国已经建成了世界上第一座温差发电站，发电容量为14,000kW。3、风能：利用风的机械能发电，风能是一种重要的自然能源。据有关专家估算，在全球边界层内的总能量为1.31015瓦，一年中约为1.41016千瓦时电力的能量，相当于目前全世界 每年所燃烧能量的3000倍。其中1/10为可取用的极限量。风能的优点是：总能量巨大，利用简单、无污染、可再生。缺点是：能量密度低（当流速同为3米/秒时，风力的能量密度仅为水力的1/1000）、不稳定性大，连续性、可靠性差，时空分布不均匀。4、生物质能：利用厌氧微生物在密闭条件下分解（废弃）有机物，产生沼气，沼气具有很高的热值，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不危害农作物和人畜健康。生成沼气的原料本身就是各种废弃物，生产过程可以减少（有机物）垃圾的数量。在农村到处可以看到许多生物质的废弃物，如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等。将这些废弃物收集起来，经过细菌发酵可以产生沼气，用沼气做燃料和照明，也可以发电。5、太阳能：太阳能是一种可广泛利用的清洁能源。我们目前的利用方式主要是两种一是将阳光聚焦，将光能转化为热能（传说阿基米德就曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰）。在日照充分的地方，人们在生产和生活中已大量使用太阳灶、干燥器和太阳能热水器（太阳能热水器的构造要简单的多。因为不需要它产生太高的温度。在大多数情况下，可以将太阳能热水器的集热器制成箱式、蛇型管式、直管式、平板式或枕式，通过管道与水源和储水箱相连。太阳能热水器在我国北方比较常见）。二是将太阳能转化为化学能，再用化学能发电。比较常见的光电池是硅电池（它能将13%-20%的日光能转化为电能）。许多电子计算器和其他小型电子仪器现在已经采用太阳能电池供电，人造卫星和宇宙飞船更是主要依靠太阳能电池来提供电力。但是阳光在达到地面以前要经过大气的反射、散射和吸收，能量损失较大，加上阴天、昼夜变化和雨雪等降水过程的影响，目前地面上利用日光发电受到一定限制。无论是生物质能、风能，还是水力、温差和潮汐能，归根结底都是太阳能的转化形式。即使矿物燃料，也是通过生物的化石形式保存下来的亿万年以前的太阳能。6、地热能：用地热采暖、将地热用于农业、水产养殖业、工业生产等，在全世界范围内受到关注。（从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%）。利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃（尾）水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重目的。*据美国地热资源委员会（GRC） 1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。我国的地热资 源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。除以上利用外，从热水中还可提取盐类、有益化学组分和硫磺等。7、核能：铀在自然界中有三种放射性同位素：U235、U238、U234 ，在衰变过程中放出热量。在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。铀的和平用途十分广泛，其中最主要的是用作核电反应堆的燃料。由于核电具有发电成本低、对环境污染小和安全等优点，世界各国，尤其是工业发达的国家和地区都大力发展核电，估计到xx年核电将达到世界总发电量的25%左右。我国已建成秦山、大亚湾核电站，目前还有多处正在筹建。铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农业生产和科学技术领域中有广泛的用途。例如，在工业上利用射线实现生产自动控制，无损伤检查等；在农业上利用射线培育良种，防止病虫害等；在医学上用于灭菌消毒，临床诊断及治疗；在地质勘探工作中用来找矿等等。从种种迹象看来，能源危机的解决也许并不是难事。但这是不是就意味着人类可以高枕无忧呢？答案是否定的。二、环境可以说，自打人类寻找到木材的替代品煤和石油开始，就已经意识到了“替代”绝不就是“等同”。我们前面说过，木料的灰烬能够作为肥料施在小树下，这样就促进了循环的完整与良性发展，而煤渣并不能做到这一点。也许学过化学的我们会说，煤和石油的衍生物也可以制成肥料，但是，请大家不要忘了，木料的灰烬可以被大自然“照单全收”地降解、燃烧的二氧化碳也是植物（新树苗）呼吸作用的必须，可煤燃烧的废渣、石油的衍生物（塑料等）却不能或很难被降解，他们燃烧的废气（二氧化硫等）是天怨人怒的有害物质（石油燃烧的废气还是城市人们致癌的罪魁祸首）。所以说，垃圾问题、大气问题，共同构成了环境问题。在新的能源中，环境问题是不是彻底解决了呢？从前面介绍的16种能源中，人们确实充分考虑了这个问题，理论上是不会有环境问题的。但是，不知大家注意到了没有，它们都会受自然条件和资源条件的制约（没有风，风车能转吗？太阳能需要面积，你能把热效应管架在别人的房子上去吗？潮汐能需要海岸线的长度，你去侵略别人的海域吗？）。随着人们需求的增长，可以说，这前6能源的供应量必然不能满足要求，所以第7种能源成为人们关注的焦点：核能（因为它有一个突出的优点，那就是能量巨大）。在发达国家，核能的使用量日益增多但是，核能的直接或潜藏的环境问题比煤合石油的要严重得多人类要在以上问题中寻求一种协调与和谐，在调整需求意识、珍惜资源、科研开发等多个方面都有工作要做。无论今后大家会致力于哪一方面的工作，今天的意识形成都会大有必要。三、小结本节我们介绍了能源于环境的问题，通过介绍，希望大家能够了解：1、能量和能源是两回事；2、非再生能源和可再生能源是两回事；3、人类不能打破与环境的和谐，破坏环境等于摧毁自己的生存家园。