資源簡介

中小學(xué)教育資源及組卷應(yīng)用平臺(tái)
第十六章 粒子和宇宙
16.3 能源：危機(jī)與希望
教學(xué)目標(biāo)：
1.物理觀念：
（1）知道能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移有一定的方向性。知道能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。
（2）了解我國和世界的能源狀況和能源消耗的趨勢。
（3）了解未來理想能源的特征。
2.科學(xué)思維：
能用辯證的觀點(diǎn)來看待資源利用與環(huán)境保護(hù)的關(guān)系。
3.科學(xué)探究：
（1）認(rèn)識永動(dòng)機(jī)不可能制造；
（2）了解中國“環(huán)流器”裝置。
4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：
認(rèn)識伴隨大量能源消耗所產(chǎn)生的環(huán)境問題，對于能源的開發(fā)和利用有可持續(xù)發(fā)展的意識。
教學(xué)重點(diǎn)：了解能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律，核裂變、核聚變。
教學(xué)難點(diǎn)：能量與能源，能量轉(zhuǎn)化的方向性。
教學(xué)課時(shí)：1課時(shí)
教學(xué)用具：多媒體。
教學(xué)互動(dòng)設(shè)計(jì)：
1、 創(chuàng)設(shè)情景，導(dǎo)入新課
2006 年建的中國“人造太陽”EAST，由中國科學(xué)院等離子體物理研究所建在安徽合肥。2021 年底，EAST 實(shí)現(xiàn)了 1056 秒的長脈沖高參數(shù)等離子體運(yùn)行，其間電子溫度近 7000 萬攝氏度，創(chuàng)下馬克裝置高溫等離子體運(yùn)行的最長時(shí)間紀(jì)錄。
2020 年 12 月 4 日，由中核集團(tuán)自主設(shè)計(jì)、建造的新一代“人造太陽”裝置（HL-2M）建成。今年 10 月， 取得了突破性進(jìn)展——等離子體電流突破 100 萬安培（1 兆安）。標(biāo)志著我國距離聚變點(diǎn)火越來越近。什么是核聚變？
二、新課講授，師生互動(dòng)
（一）能量轉(zhuǎn)化和守恒定律
自然界中的物質(zhì)存在著不同的運(yùn)動(dòng)形式，如汽車的運(yùn)動(dòng)、分子的運(yùn)動(dòng)、電荷的運(yùn)動(dòng)等，這些不同的運(yùn)動(dòng)形式對應(yīng)著不同的能量。從鉆木取火到用火箭發(fā)射衛(wèi)星，從伏打電池的發(fā)明到三峽電站的并網(wǎng)發(fā)電，從蒸汽機(jī)車的使用到高速鐵路的普及，從燈泡的發(fā)明到豐富多彩的家用電器，這些都離不開能量及其轉(zhuǎn)化的過程。人們正是在利用不同形式的能量及其轉(zhuǎn)化過程，為人類社會(huì)的生產(chǎn)和生活服務(wù)，不斷提高人們的生活質(zhì)量。
觀察與思考
觀察如圖所示的各種情景，請你說明：各種不同的運(yùn)動(dòng)形式都存在著什么能量 分別有哪些不同形式的能量在發(fā)生相互轉(zhuǎn)化 不同形式的能量之間的相互轉(zhuǎn)化有怎樣的規(guī)律
各種不同的運(yùn)動(dòng)形式都存在著什么能量 分別有哪些不同形式的能量在發(fā)生相互轉(zhuǎn)化 不同形式的能量之間的相互轉(zhuǎn)化有怎樣的規(guī)律
行駛的汽車和飛行的飛機(jī)，具有機(jī)械能，熱機(jī)利用燃料燃燒釋放內(nèi)能，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
大量事實(shí)表明：不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，在一定量的某種形式的能量減少的同時(shí)，總伴隨著其他形式的能量在等量地增加。也就是說：能量既不會(huì)憑空消失，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。這就是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律(law of energy conservation) 。
科學(xué)窗 能制造出“永動(dòng)機(jī)”嗎
早在17世紀(jì)，就有人想制造出一種不需要任何能量，而永不停息地對外做功的機(jī)器，史稱“第一類永動(dòng)機(jī)”
早在17世紀(jì)，就有人想制造出一種不需要任何能量，而永不停息地對外做功的機(jī)器，史稱“第一類永動(dòng)機(jī)”。如圖所示為幾種具體的設(shè)計(jì)方案，可是它們都失敗了。你認(rèn)為人們能制造出“永動(dòng)機(jī)”嗎 相信你一定能在能量轉(zhuǎn)化與守恒定律中找到答案。
機(jī)械運(yùn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生熱，即產(chǎn)生內(nèi)能，這個(gè)內(nèi)能無法再次利用，要利用這個(gè)內(nèi)能必須消耗新的能量。
能量永遠(yuǎn)不能被創(chuàng)生，而人類的生存和社會(huì)的發(fā)展都離不開能量，人們在生產(chǎn)、生活中靠各種能源提供能量，因此我們應(yīng)時(shí)刻注意節(jié)約能源和科學(xué)地利用能源。
值得一提的是，能量轉(zhuǎn)化的過程可以自發(fā)地朝某個(gè)方向進(jìn)行，卻不能自發(fā)地向相反方向進(jìn)行。如用煤火燒開水時(shí)，我們可以看到煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為水的內(nèi)能，而看不到水的溫度越來越低，而煤火卻越來越旺的現(xiàn)象；小孩坐在冰車上被沿水平冰面推出后，我們只能看到由于存在摩擦作用，小孩及冰車在冰面上的運(yùn)動(dòng)越來越慢，最后停止運(yùn)動(dòng)，這個(gè)過程中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而看不到小孩及冰車自動(dòng)地收集這些內(nèi)能而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
這些實(shí)例說明，自發(fā)的能量轉(zhuǎn)化過程是有一定方向性的，即自然進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)化過程是不可逆的。
水從高處流向低處。
熱量從高溫物體傳遞給物體。
摩擦生熱。
（二）能量與能源
能量是與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的。對應(yīng)于不同形式的運(yùn)動(dòng)，有不同形式的能量，如機(jī)械能、電磁能、內(nèi)能、化學(xué)能等。
自然界存在著可以為人類提供能量的自然資源。能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。歷史上，人類曾經(jīng)使用過和正在使用的能源有柴草、煤炭、石油、水能、風(fēng)能等。
可是，煤炭資源在許多國家已即將耗盡；石油儲(chǔ)藏，以今天的開采和耗費(fèi)速度，大約也只能再用100年了。
人類還能在地球上繼續(xù)生存下去嗎
（三）物質(zhì)與能量
1905年，愛因斯坦以驚人簡潔的公式E=mc 揭示了以質(zhì)量m為標(biāo)志的物質(zhì)與能量E的關(guān)系，式中c為光在真空中的速度。
1938年，物理學(xué)家用中子轟擊鈾，使鈾這種重原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核。這是一種新型的原子核反應(yīng)， 叫作核裂變(nuclear fission) 。人們發(fā)現(xiàn)，鈾核裂變反應(yīng)后生成物的質(zhì)量有所減少。
根據(jù)愛因斯坦揭示的上述關(guān)系，在核裂變過程中，必有能量ΔE= Δmc 釋放出來，式中Δm為核裂變反應(yīng)前后的質(zhì)量差。據(jù)此測算，1kg鈾全部裂變時(shí)放出的能量就相當(dāng)于2500t優(yōu)質(zhì)煤完全燃燒時(shí)放出的能量。人們把這種能稱為原子核能。
就這樣，物理學(xué)家為人類尋找到一種新能源。遺憾的是，這種新能源首先被用來制造原子彈。原子彈的使用雖對反法西斯戰(zhàn)爭的勝利起了促進(jìn)作用，但原子核能首先與灑滿鮮血的戰(zhàn)場相聯(lián)系，使得愛因斯坦痛悔地說道：“······參加過研制這種歷史上最可怕、最危險(xiǎn)武器的物理學(xué)家······ 也被自己的責(zé)任感所煩惱。”
核裂變，不控制——原子彈
現(xiàn)在，原子核能已被用于和平目的，包括我國在內(nèi)的十幾個(gè)國家都已建成核電站(圖)，正在為解決人類所面臨的能源危機(jī)發(fā)揮著積極的作用。但核電站一旦發(fā)生核泄漏，就會(huì)帶來核污染等問題，危及人類的生命安全。只有和平、安全地利用核能，才能造福于人類。
“華龍一號”是我國研發(fā)設(shè)計(jì)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的三代核電技術(shù)，滿足國際高安全標(biāo)準(zhǔn)，已實(shí)現(xiàn)批量化建設(shè)，標(biāo)志著我國全面實(shí)現(xiàn)核電核心關(guān)鍵設(shè)備自主可控。
在核裂變實(shí)現(xiàn)之后，物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了比氦核((_2^4) )輕的氘核((_1^2) )、氚核((_1^3) )在極高的溫度下能夠聚合成氦核，同時(shí)釋放巨大的能量。這種把輕核聚合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)稱為核聚變(nuclear fusion) 。
人們從太陽的光譜中發(fā)現(xiàn)，在太陽中存在著能夠發(fā)生聚變反應(yīng)的氫元素，灼熱的太陽內(nèi)部原子之間的熱碰撞使聚變反應(yīng)激烈地進(jìn)行，從而輻射出巨大的光和熱。
氫彈就是利用原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫，使氘核和氚核極其迅速地聚變成氦核而產(chǎn)生強(qiáng)烈爆炸的，可以說它就是人造的太陽。
在核聚變的優(yōu)越性不僅在于同樣質(zhì)量的核聚變釋放的能量要比核裂變多4倍以上，更為可喜的是，直接和間接發(fā)生核聚變的材料都是氘核，而氘核在海水中有1014t之多。計(jì)算表明，如果把海水中的氘全部提煉出來加以利用，所提供的能量足夠用上1000億年以上。可見，一旦實(shí)現(xiàn)了核聚變能的和平、可控地開發(fā)利用，就是找到了“取之不盡，用之不竭”的能源。
如果要使核聚變得到和平利用，就要使核聚變反應(yīng)平穩(wěn)受控進(jìn)行，這就是受控?zé)岷朔磻?yīng)。中國、美國、俄羅斯等國和歐洲的可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置都在運(yùn)行和改進(jìn)之中，人們翹望著和平利用核聚變能的日子早日來臨。
（四）科學(xué)與人類
除了物理學(xué)的研究表明，有些能源，如太陽能、風(fēng)能、潮汐能、水力和地?zé)崮艿瓤梢哉J(rèn)為是無限的，所以也把它們叫作可再生能源。當(dāng)代的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)使人類具有了認(rèn)識和利用自然環(huán)境的能力，推動(dòng)著人類社會(huì)的進(jìn)步，提高了人類生活的質(zhì)量。
我國的人造太陽，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄超過了1億攝氏度，達(dá)到了1.2億攝氏度。并且在1.6億攝氏度20秒等離子運(yùn)行。可控核聚變一旦成功，人類將進(jìn)入下一個(gè)科技紀(jì)元。讓聚變電站用幾千年，氘和氚在地球上的儲(chǔ)備也是足量的，人類真正可以擺脫能源束縛。
三、總結(jié)反思，超越自我
1. 自發(fā)的能量轉(zhuǎn)化過程有方向性，不可逆。能量既不會(huì)憑空消失，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。
2.能量與物質(zhì)及運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系。不同形式的運(yùn)動(dòng)，有不同形式的能量，如機(jī)械能、電磁能、內(nèi)能、化學(xué)能等。能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。
3.把重原子核分裂成較輕質(zhì)量的原子核的反應(yīng)叫做核裂變，原子彈、核能發(fā)電；把輕核聚合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)稱為核聚變，氫彈、太陽。
4.太陽能、風(fēng)能、潮汐能、水力和地?zé)崮艿仁强稍偕茉础４龠M(jìn)人與自然和諧共生。
四、板書設(shè)計(jì)，整合提升
1. 自發(fā)的能量轉(zhuǎn)化過程有方向性，不可逆。能量既不會(huì)憑空消失，也不會(huì)憑空產(chǎn)生，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。
2.能量與物質(zhì)及運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系。不同形式的運(yùn)動(dòng)，有不同形式的能量，如機(jī)械能、電磁能、內(nèi)能、化學(xué)能等。能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。
3.把重原子核分裂成較輕質(zhì)量的原子核的反應(yīng)叫做核裂變，原子彈、核能發(fā)電；把輕核聚合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)稱為核聚變，氫彈、太陽。
4.太陽能、風(fēng)能、潮汐能、水力和地?zé)崮艿仁强稍偕茉础４龠M(jìn)人與自然和諧共生。
五、大海揚(yáng)帆，嘗試遠(yuǎn)航
1. 下列說法不正確的是（ ）
A.自發(fā)的能量轉(zhuǎn)化過程是可逆的
B.自發(fā)進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)化過程是不可逆的
C.能量是與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系的
D.不同形式的運(yùn)動(dòng)有不同形式的能量
2．下列說法不正確的是（ ）
A. 在熱傳遞過程中，熱量只能自發(fā)從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體
B. 汽車制動(dòng)時(shí)，由于摩擦，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了輪胎、地面和空氣的內(nèi)能
C. 涉及熱現(xiàn)象的能量轉(zhuǎn)化過程有方向性、不可逆
D. 根據(jù)能量守恒，散失的熱量可以被收集起來再利用
3．下列說法中不正確的是（ ）
A．自然界存在著可以為人類提供能量的自然資源
B．能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)
C．人們使用的柴草、煤炭、石油、水能、風(fēng)能是可再生的能源
D．人與自然是生命共同體，無止境地向自然索取必然會(huì)遭到大自然的報(bào)復(fù)
4．在煤炭、石油、天然氣和太陽能中屬于可再生的能源的是（ ）
A.煤炭
B.石油
C.天然氣
D.太陽能
5．下列說法錯(cuò)誤的是（ ）
A.把重原子核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的原子核的反應(yīng)叫做核裂變
B.把輕核聚合成質(zhì)量較大的核的反應(yīng)稱為核聚變
C.同質(zhì)量的核聚變釋放的能量要比核裂變多4倍以上
D.一旦實(shí)現(xiàn)了核裂變能的和平、可控地開發(fā)利用，就是找到了“取之不盡，用之不竭”的能源
參考答案1.A；2.D；3.C；4.D；5.D。
六、作業(yè)：P212.T1
課外作業(yè)P212.T2、T3、T4 。
教學(xué)反思：
21世紀(jì)教育網(wǎng) www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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