資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修7 職業技術基礎
第二章 能源及其轉換
第 一 節 能源種類
教學設計
教學背景
黨的二十大報告對“實施科教興國戰略,強化現代化建設人才支撐”作了詳盡豐富、深刻完整的論述, 提出堅持高中階段學校多樣化發展和推進職普融通策略。在高中階段，有效開展職業技術基礎教育是落實國家實施科教興國戰略的重要路徑。
隨著現代技術突飛猛進的發展，職業與技術的聯系越來越緊密。本教材旨在帶領同學們初步探索進入職業世界所必需的基本技術技能，提高職業認知，為同學們未來從事某一職業做好準備。
教學目標：
知識與技能目標:
1.學習常規能源的種類和各自特點。
2.了解新能源和可再生能源的區別和聯系。
教學內容分析:
第一章主要介紹材料及其加工技術，通過學習讓學生對常見材料有所認知，了解材料的特征，能夠恰當選擇、安全使用材料；在選擇材料時，能認真考慮有關技術、社會、法律、環保等方面的因素，能根據不同材料的特性來制作產品，安全、有效地使用材料。
第二章主要介紹能源及其轉換技術，學習能源存在的不同形式及能源的轉換與利用；通過了解傳統能源和新能源的特點，確認能源應用的經濟性和環保性，從而增強節約和開發能源的意識，倡導簡約適度、綠色低碳的生活方式。
第三章主要介紹信息技術這一新興的職業技術對傳統行業的影響和發展，從收集信息、處理信息、管理信息等角度讓大家認識這些信息時代的基本技能，從而激發大家不斷學習新興信息技術的興趣，以期勝任未來信息技術的新職業。
第四章主要介紹產品的技術使用、維護保養和故障維修等知識。無論是在生活中還是在工作中，我們都離不開各種各樣的產品，我們要學會掌握產品的正確操作，養成良好的操作習慣。同時，能通過閱讀用戶手冊、產品使用說明書等，合理使用工具、儀器和設備來進行簡單的故障檢測與維修。
學情分析:
學生對職業技術的基礎知識認識有限，面對未來，他們需要學習有關職業技術的基礎知識的知識。
了解職業技術的基礎知識，探索關于材料和能源科技的無限奧秘，把握信息技術的發展方向，掌握產品使用與維護的基本技能，從而培養職業意識，明確自身職業生涯規劃，培養技術素養，提高未來的職業技術能力。
教學重難點:
學習常規能源的種類和各自特點。
了解新能源和可再生能源的區別和聯系。
教學策略:
通過“案例”等內容引導學生進行“思考”，接著用通俗易懂的方式介紹基礎理論知識，每一個知識點后都附有“思考”“探究”“立即行動”等活動讓學生充分消化所學知識。每節設有“習題”，每章設有“學習內容梳理”和“學習評價”，用于歸納教學內容，反饋教學效果。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修7 職業技術基礎　第二章 能源及其轉換 第 一 節 能源種類。
能源與空氣、水源、食物一樣，是人類賴以生存和發展的重要物質基礎，人類社會的發展離不開優質能源和先進能源技術，每個人都是能源的使用者、消耗者，都參與了當今及未來的能源體系構造。
本章我們將學習能源存在的不同方式及能源的轉換與利用，通過了解傳統能源和新能源的特點，確認能源應用的經濟性和環保性，從而增強節約能源和開發能源的意識，倡導簡約適度、綠色低碳的生活方式。
案例
小敏熱愛科技發明，他發現家里的太陽能平板熱水器只能加熱冷水，太陽能
電池板只能將光能轉換為電能，太陽能熱水器的集熱板和太陽能電池板（如圖2-1所示）（參見教材P27）各自獨立工作，占用不少的空間，小敏設想在太陽能集熱板反光面鋪上太陽能電池板，設計與制作出一套實用的太陽能熱水和發電的合成裝置，并成功申請了專利。這種裝置可以實現同一面積內太陽能熱水和太陽能發電的雙重功能，比單獨的太陽能熱水器和太陽能電池板節省一半的面積，大大提高太陽能的轉換和利用效率。
導學思考
太陽能還有哪些轉換方式？能源最普遍的轉換方式是什么？
一、能源的應用
能源和人類社會息息相關，從最初的柴火，到煤炭、電、石油、天然氣，再到新能源如風能、水能、核能、地熱能、可燃冰等，每一種新能源的發現都在一定程度上促進人類歷史向前發展。可以說人類歷史就是能源的轉換和應用的發展史，人類應用能源的歷程也是從常規能源的應用到新能源的開發的歷程。
（一）常規能源的應用
化石能源的燃燒是熱能的主要來源之一。煤是世界上儲存量最大的礦物燃料，長期廣泛應用于人類生活中，無論是炊事、取暖，還是轉換為機械能提供動力（煤炭曾經是鐵路系統最重要的動力來源），即便是在科技發達的現代，煤仍是火力發電的主要燃料。
石油是當今世界的第二大能源，并且由于煤炭資源的逐漸枯竭和煤炭利用帶來的污染等因素，石油消耗慢慢呈增長趨勢。它既可以通過燃燒釋放熱值轉換為各類交通工具、機械等的動力來源，也可以通過轉換為化學能成為重要的化工原料。
天然氣作為優質燃料，既可以在發電廠轉換為電能，也可以作為交通工具燃料，轉換為機械能，為交通工具提供動力。同時還可以轉換成化學能，成為重要的化工原料。
思考
1．人類能源應用發展的歷程經歷了哪幾個階段？
2．查閱資料，了解常規能源的應用，并思考如何利用常規能源實現可持續發展？
（二）新能源和可再生能源的應用
新能源種類繁多，用途廣泛。比如太陽能利用可以分為光熱利用和光電利用；風能可以用來風力助航、風力提水及風力發電；地熱能可以用于農業和畜牧業中的地熱灌溉和地熱養殖，還可以用來發電；海洋能中的波浪能、潮汐能、海流能都可以用來發電；生物質能是唯一可以轉換為氣、固、液三態的新能源。生物質氣化除了發電，還可以用來供氣、供熱、合成燃料等；生物質液化可以轉變為生物柴油、生物航油、燃料乙醇等；生物質壓縮成型，可以成為固體燃料。
2017年5月18日，我國南海神狐海域天然氣水合物（又稱“可燃冰”，如圖2-2所示）（參見教材P28）試采實現連續187個小時的穩定產氣，這是我國勇攀世界科技高峰的又一標志性成就。可燃冰是甲烷和水分子在高壓低溫的情況下形成的白色固態結晶物質，具有燃燒持久、穩定和發熱量高的性質，燃燒的產物二氧化碳和水也相對清潔，是一種新型環保能源。
思考
1．有人說可燃冰就是固態天然氣，這種說法對嗎？
2．可燃冰又稱天然氣水合物，一般是怎樣生成的？存在于哪些地域？
二、能源的轉換
能源物質蘊含一種或多種能量，根據人們的不同需求，能源蘊藏的能量可以轉換為其他不同形式的能量。
（一）能源蘊藏的能量轉換
以火力發電廠的蒸汽輪機工作轉換為例，某種燃料（如煤、石油或天然氣）能源所蘊藏的化學能轉換為水的內能，水蒸氣的內能再轉換為機器的機械能；如圖2-3（參見教材P29）所示，如果蒸汽輪機帶動發電機工作，機械能又可以轉換為電能；如果發電機連接用電器，電能又可以轉換為光能（電燈）、內能（電熱器）或機械能（電動機）。可見，根據不同的需求，能源蘊含的能量可以相互轉換。
能量在轉換過程中，都遵守能量守恒定律（也稱為“熱力學第一定律”）：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只能從一種形式轉換為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉換或轉移的過程中，其總量不變。因此，我們常說的“能量消耗”其實并不是真的消耗了，而是度量能量的熱力學量值減少了。比如說“電燈的電能消耗了”，實際上指的是電能轉換為光能和熱能了。
思考
1．有人想發明一種可以不需要能源而永遠運動做功的機器——永動機。請結合所學的知識分析此發明是否可行？
2．查閱資料，了解機械能、內能、電能、光能、化學能、核能六大類能量形式，并舉例說明生活中我們是如何應用它們的？
立即行動
誰推動了乒乓球
1．實驗器具：酒精燈、小燒杯、硬紙片、乒乓球。
2．實驗目的：進一步了解能量轉換過程及蒸汽機的運行原理。
3．實驗過程：向小燒杯內裝水至2/3高度，杯上鋪上硬紙片，乒乓球置于硬紙片上。加熱燒杯內的水至沸騰，觀察水的變化及乒乓球的運動。
安全提示：使用酒精燈時，需注意實驗安全，謹防火災和蒸汽傷人事故。
（二）常規能源發電
由于電能便于傳輸和儲存，因此電能的應用最為廣泛，將各種常規能源轉換為電能，已成為當今社會最普遍、最重要的能源轉換方式之一。
常規能源發電實際上是蒸汽動力循環發電的俗稱，也叫火力發電（如圖2-4所示）（參見教材P30）。
其能量轉換首先是通過燃料（煤、天然氣等）的直接燃燒把燃料的化學能轉換為工作物質（可能是水，也可能是其他液體）的熱能，然后工作物質通過循環系統將自己的熱能轉換為蒸汽輪機的機械能，最后機械能轉換為電能輸送到千家萬戶。如果是熱電廠，還可以將產生的熱能通過系統一起輸送出去。從火力發電廠的能量轉換過程中，我們可以看出，現代生產電能的方式與19世紀相比，并沒有特別的不同，都是經歷了化學能向熱能、機械能，再到電能的轉換過程。
思考
理論上機械能、內能、電能、光能、化學能、核能之間可以相互轉換，那么化學能、內能可否直接轉換為電能？請舉例說明。
（三） 新能源發電
大部分新能源，無論是太陽能、風能、水能、核能，還是地熱能、海洋能、生物質能等，都可以轉換為電能，他們轉換為電能的方式各有千秋。新能源發電相比常規能源發電，更能夠體現能源應用的經濟性和環保性。
1．太陽能發電。地球上大部分能源都直接或間接來自太陽能，太陽能具有資源充足、分布廣泛、安全、清潔、技術可靠等優點。由于太陽能可以轉換成多種形式的能量，因此應用范圍非常廣泛，經過多年的開發，太陽能發電也得到了長足的發展。
太陽能有兩種發電方式：太陽能光熱發電和太陽能光伏發電（如圖2-5、圖2-6所示）（參見教材P31）。
思考
請查閱相關資料，了解太陽能光熱發電、太陽能光伏發電的原理和形式分別是什么？
各自在哪些領域有應用？
立即行動
太陽能電池經過多年的發展，形成了幾代產品。請搜集并整理太陽能電池的種類，對比它們的優缺點，完成表2-2。
表2-2 不同太陽能電池優缺點比較
光伏組件 光伏控制器 逆變器
單晶硅電池 轉換效率高 生產成本高
2．風力發電。風力發電就是把風能轉換為電能（如圖2-7所示）（參見教材P31）。風力發電的歷史雖然不長，但其技術日趨成熟，目前風力發電運行的可靠性和發電成本已接近常規的火力發電。風力發電的能量轉換過程主要是通過風車葉片捕獲風能，將風能轉換為葉片的機械能，再由機械能轉換為電能。
風力發電最主要的設備是發電機，是一種將機械能轉換為電能并可以旋轉的設備。根據風車旋轉軸方向的不同，風力發電機可以分為水平軸風力機和垂直軸風力機。
綜合實踐活動
設計與制作一套風光互補環保路燈
1．活動目的：制作能夠利用風能和太陽能全天候發電的環保路燈裝置。
2．活動材料：風力發電機模型、太陽能電池、智能控制器、蓄電池、多功能逆變器、LED燈泡、導線、輔助支撐件、電烙鐵、焊錫等。
3．設計外觀（如圖2-8所示）（參見教材P32）。
4．制作與調試：①根據設計方案，組裝風光互補LED路燈模型的外觀。②根據電路圖焊接各模塊的電路。③將外觀和電路組合。④調試風光互補路燈模型的功能，并優化改進作品。
5．作品展評：評選出優秀作品，并在班級內展示。
思考
1．觀察、分析風光互補型LED路燈設備，說說該設備用到的清潔環保能源有哪些？
2．在設計制作風光互補型LED路燈模型時，你覺得最難的功能模塊是哪個部分？
3．其他新能源發電。海洋能包括潮汐能、海流能、波浪能、溫差能和鹽差能，每一種都可以轉換為電能。但目前已經建成發電站，大規模應用的只有潮汐能。近年來，波浪能發電技術也得到了突破性進展。
核能是原子核結構發生變化時放出的能量，分為核裂變和核聚變兩種方式，現代核能發電技術主要是核裂變發電。人類利用核裂變能發電近60多年，應用非常廣泛。但核放射性污染和核廢料的處理則一直是人們擔心的問題，也是核裂變利用的爭議所在。
生物質能是一種以生物質為載體的能量，這種能量直接或間接地通過植物的光合作用把太陽能轉換為化學能蘊藏在生物質內部。生物質能發電包括以下兩種形式：一是生物質混燃發電。在發電廠里將生物質與煤混合燃燒，既節約了不可再生的煤炭，又可以利用原有的火力發電站設備，節省了再建發電設備的投資。二是生物質氣化發電。即將生物質資源用氣化技術處理，然后用氣化燃氣再發電。
探究
查閱資料，比較核裂變發電和火力發電的優缺點，完成表2-3的內容。
表2-3 核裂變發電與火力發電的優缺點比較
方式 優點 缺點
核裂變發電 對空氣污染小 有核泄漏、核污染的風險
核燃料原料體積小，存儲運輸相對方便
火力發電 技術成熟，成本較低 排放廢棄物、污染空氣
三、能源的未來發展趨勢
無論是常規能源還是新能源，隨著科學技術的進步，未來發展都有無限可能。對于常規能源而言，清潔化利用是它未來的發展趨勢。以煤為主的能源消耗結構是我國能源消耗的特色，在未來相當長的一段時間內，我國的能源利用還是離不開煤。煤基多聯產能源系統技術是指利用從單一的設備（氣化爐）中產生的“合成氣”（主要成分為CO+H 2 ），來進行跨行業、跨部門的生產，以得到多種具有高附加值的化工產品、液體燃料（甲醇、F-T合成燃料、二甲醇、城市煤氣、氫氣），以及用于發電等。它有助于緩解能源總量要求，緩解液體燃料短缺，解決燃煤污染問題，滿足未來減排二氧化碳的需要。依托最先進的節能和環保技術，煤炭完全可以更清潔，對環境的污染更小。
而對于新能源的開發，科學家們也提出了諸多設想，如太空太陽帆飛船、風箏發電等。對一些新能源的未來應用，科學家們也在持續努力地攻破難題，如可控的核聚變技術等。
探究
1．請同學們選擇感興趣的新能源種類，查閱相關資料，撰寫該能源未來應用趨勢的報告。
2．與能源問題一起進行研究和討論最多的就是環境問題，能源與環境是緊密聯系在一起的。請你寫一篇短文，談一談能源與環境的關系。
課后作業
習 題
1．根據蒸汽機的運行原理，將下列空格補充完整。
2．查閱資料，收集有關新能源資源的情況，將下列表格補充完整。
新能源種類 資源總量
太陽能
生物質能 估計地球每年植物光合作用固定的碳為2×10 12 t，含有能量3×1021 J
風能
海洋能 海洋能包括潮汐能、海流能、波浪能、溫差能和鹽差能。估算全球海洋能理論可再生量為7.6×1013 W
核能
地熱能 全世界地熱資源總量大約是1.45×1026 J，相當于全球煤熱能的1.7億倍
天然氣 水合物 據估計其資源總量約是當前已探明的所有化石燃料（包括煤、石油和天然氣）中碳含量總和的2倍
板書設計
第二章 能源及其轉換
第 一 節 能源種類
一、常規能源
（一）常規能源的應用
（二）新能源和可再生能源的應用
二、新能源和可再生能源
（一）能源蘊藏的能量轉換
（二）常規能源發電
（三） 新能源發電
三、能源的未來發展趨勢
教學反思
通用技術
選擇性必修7：智能家居應用設計
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本冊主編：萬錄品
編寫人員：周歡偉 徐 超 王水云 萬錄品
廣東教育出版社
廣東科技出版社

展開更多......

收起↑