資源簡介

12.4 能源和可持續發展
教學目標與核心素養
一、教學目標
1．理解能量守恒定律，知道能源和能量耗散。
2．通過對生活中能量轉化的實例分析，理解能量守恒定律的確切含義。
3．了感知我們周圍能源的耗散，樹立節能意識。
二、核心素養
物理觀念：了解自然界中存在多種形式的能量.知道不同形式的能量可互相轉化，在轉化過程中能量總量保持不變，能量轉化是有方向性的。
科學思維：通過對能量轉化和守恒的分析，提高學生的分析論證能力，在教學中培養學生歸納、總結的科學思維方法。
科學探究：通過對日常事例的分析，培養學生主動觀察、分析和總結的能力．
科學態度與責任：知道合理使用能源的重要性，具有可持續發展觀念，養成節能的習慣.認識環境污染的危害，思考科學、技術、社會、環境協調發展的關系，具有環境保護的意識和行動。
教學重難點
重點：理解能量守恒定律的確切含義。
難點：能量守恒定律的運用。
教學過程
【新課引入】
不同形式的能之間可以通過做功相互轉化，既然能量是守恒的，不會憑空消失，為什么我們還要節約能源呢？
【新知探究】
一、新課教學
（一）能的轉移和轉化
1．教室列舉生活中能量轉化的例子
（1）化學能轉化為內能和機械能 （2）風能轉化為電能
（3）重力勢能轉化為電能 （4）電能轉化為機械能
（5）電能轉化為內能 （6）太陽能轉化為電能
（7）光能轉化為化學能 （8）化學能轉化為電能
【例題1】指出下列現象中能量的轉化或轉移情況：
（1）人在跑步時，身體發熱。答：化學能轉化為內能
（2）風吹動帆船前進。答：風的機械能轉移到帆船上
（3）放在火爐旁的冷水變熱。答：內能由火爐轉移給水
（4）電流通過燈泡，燈泡發光。答：電能轉化為光能
（5）植物進行光合作用。答：光能轉化為化學能
（二）能量守恒定律
通過上面的練習，我們可以總結得出：
（1）能量轉移：能量的形式沒改變
（2）能量轉化：能量的形式發生變化
無論能量發生轉移還是轉化，總能量保持不變。
1．能量守恒定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，而在轉化或轉移過程中，能量的總量保持不變。
在歷史的長河里，物理規律從來都是經過不斷的試錯和摸索得來的，在此之前人們認為有永動機存在，它不消耗任何能量，卻可以源源不斷地對外做功。人們把這種不消耗能量的永動機叫第一類永動機。
在這個過程中，還設計了很多不同類型的永動機。
2．事實和理論都證明永動機是不可能制成的
永動不可能制成的原因：
根據能量守恒定律，任何一部機器，只能使能量從一種形式轉化為另一種形式，而不能無中生有地制造能量，因此第一類永動機是不可能制成的。
17～18世紀許多機械專家就已經論證了永動機是不可能的法國科學院在1775年就正式決定，不再研究和試驗任何永動機。
3．能量守恒定律的意義：
（1）能量守恒定律同生物進化論、細胞的發現被恩格斯譽為19世紀的三個最偉大的科學發現。
（2）能量守恒定律是在無數實驗事實的基礎上建立起來的，是自然科學的普遍規律之一。
（3）自然界一切已經實現的過程都遵守能量守恒定律。凡是違反能量守恒定律的過程都是不可能實現的，例如“永動機”只能以失敗而告終。
（4）機械能守恒定律只是能量守恒定律的特例。
【例題2】下列對能的轉化和守恒定律的認識正確的是（ ）
A.某種形式的能減少，一定存在其他形式的能增加
B.某個物體的能量減少，必然有其他物體的能量增加
C.不需要任何外界的動力而持續對外做功的機器——永動機是不可能制成的
D.石子從空中落下，最后靜止在地面上，說明機械能消失了
【例題3】一個物體沿粗糙斜面勻速滑下，則下列說法正確的是（ ）
A.物體機械能不變，內能也不變
B.物體機械能減小，內能不變
C.物體機械能減小，內能增大，機械能與內能總量減小
D.物體機械能減小，內能增大，機械能與內能總量不變
（三）能量轉化和轉移的方向性
問題：既然能量是守恒的，不可能消滅，為什么我們還要節約能源？
師生活動1：
活動要求：
根據給定器材設計活動，使能量發生轉化和轉移；
思考并記錄：活動的目標是什么、使用了何種能源、能量轉化過程怎樣、能量最終去了哪里？
第1組：長木板 彈簧 小車
第2組：干電池 導線 小電珠 開關
第3組：高功率紅外燈 電動機 小型葉片（或者蜂鳴器）
第4組：電吹風 電動機 小型葉片
第5組：臉盆 水 水車
教師提問：現在請各小組派一代表來說一下你們這組的活動目標是什么？利用什么能源？能量的轉化情況如何？
學生回答：略
師生總結：
（1）雖然我們的器材不同、使用的能源不同，但是能量在轉化和轉移的過程中都完成了目標，因此能源的利用本質就是能量的轉化和轉移；
（2）所有的能量最終“歸宿”都為內能。
問：那你們感受到了內能嗎？
答：沒有
問：為什么？
答：能量太小了
問：那為什么當它是機械能、水能、化學能其他形式的時候我們能感知到了呢，難道能量不守恒了嗎？
答：守恒
問：那是為什么？
答：（引導回答）那是因為環境太大，內能分散到各個角落都有可能，無序度高；
問：那我們有沒有辦法把散發在空氣的所有內能收集回來，比如重新讓你們的燈泡發光、葉片旋轉、小車運動起來呢？
答：不能
總結：不管何種形式的能源，其能量最終“歸宿”都為內能，燃料燃燒時一旦把自己的熱量釋放出去，它就不會再次自動聚集起來供人類重新利用，電池中的化學能轉化為電能，它又通過燈泡轉化成內能和光能，熱和光被其他物質吸收后變為周圍環境的內能，我們無法把這些內能收集起來重新利用。這種現象叫做能量的耗散。
教師展示一座房屋的紅外線照片
可以看出，由于取暖和使用電器，室內溫度比室外高。熱量散失到室外后，不能回收重新利用。
問：能量耗散與能量守恒是否矛盾，該怎樣理解？
教師總結：能量耗散和能量守恒并不矛盾，能量耗散表明，在能源利用的過程中，即在能量的轉化過程中，能量在數量上并沒有減少。但是可利用的品質上降低了，從便于利用變為不便于利用了。這是節約能源的根本原因。
這說明能量的耗散從能量轉化的角度反映出自然界中宏觀過程的方向性。
問：我們手拿著冰塊，內能是誰轉移給誰？冰塊能夠將內能轉移給手嗎？
答：不能
教師總結：內能總是自發地從高溫物體向低溫物體轉移，而不會自發的由低溫物體向高溫物體轉移。
師生活動2
教師提問：同學們當內能向其他形式能量轉化時，是否無條件全額地轉化呢？
演示實驗：溫差熱機發電
得出結論：要使葉片轉動，前提條件必須與環境存在溫度差，第二內能也會自發地向低溫環境傳遞熱量，因此內能不能百分之百的轉化為其他形式的能量。能量耗散實際上也是品質降低的過程。
教師提問：對于一個國家，主要能源來自化石能源，如石油、天然氣、煤炭等，主要的發電形式也是火力發電，過渡使用能源將會出現什么問題？
學生回答：能源危機和環境問題。
穿插介紹：能源危機引發一個國家的能源掠奪、經濟的震蕩；
圖片展示：介紹環境問題和引發的危害
（1）溫室效應
大量燃燒石油、煤炭、天然氣等產生的二氧化碳氣體，增大了大氣中二氧化碳的含量，由于二氧化碳對長波的輻射有強烈的吸收作用，且像暖房的玻璃一樣，只準太陽光的熱輻射進來，不讓室內長波熱輻射出去，使地球氣溫上升，這種效應叫溫室效應。溫室效應使兩極的冰雪融化，海平面上升，淹沒沿海城市，使海水倒流入河流，從而使耕地鹽堿化。
（2）酸雨
酸雨是指pH小于5.6的雨、雪或其他形式的大氣降水。形成酸雨的主要原因是燃燒煤炭和石油，以及工業生產等釋放到大氣中的二氧化硫和氮氧化物，通過化學反應分別轉化為硫酸和硝酸，混入雨水和雪水中，使其酸度增加。同時，酸雨的形成還與大氣中其他許多堿性物質如飛灰中的氧化鈣、土壤中的碳酸鈣等與酸發生中和反應有關。
酸雨對人類是有害的，首先危害人體健康：由于酸雨可溶解空氣及土壤中的重金屬粒子，使其變成對人體有害的金屬，人飲用了這種水就能誘發各種疾病；其次，使土壤酸度增加從而危害植物的正常生長，使土壤沙化；河流湖泊酸化后就影響水生物及魚類的生長等，嚴重破壞生態環境；再者酸雨是強腐蝕劑，能腐蝕建筑材料。
（3）化學煙霧
內燃機工作時的高溫使空氣中和燃料中的多種物質發生化學反應，產生氮氧化合物和碳氫化合物。這些化合物在大氣中受到紫外線的照射，產生二次污染物質一化學煙霧。這些物質有毒，能引起人的多種疾病。
（四）能源的分類與應用
教師提問：同學們面對這樣血淚控訴的環境問題，面將即將消耗殆盡的化石能源，面對人類的發展離不開能源，我們該怎么辦？
學生回答：略
師生共同總結：可持續發展之路的舉措
舉措一：開發新能源
1.分類：
（1）從人類開發能源的歷史劃分
①常規能源：如煤、石油、天然氣、水能等
②新能源：如核能、風能、太陽能、地熱能、海洋能等
（2）從使用分類
①一次能源：如煤、石油、天然氣、水能、風能、生物質能、海洋能等
②二次能源：如電能、氫能、焦炭等
（3）從能否再生分類
①可再生能源：如水能、風能、潮汐能等
②不可再生能源：如石油、煤等
（4）從對環境的影響分類
①清潔能源：如太陽能、風能等
②非清潔能源：如煤、石油、天然氣等
2.新能源特點的討論（從使用前儲存量、使用時安全經濟、使用后對環境無污染等考慮）
圖片展示各種新能源的作用。
（1）太陽能：有直接加熱物體的太陽能熱水器、太陽灶，有利用半導體材料把太陽能轉化為電能的太陽能電池等，主要問題是只能白天工作，還要受天氣影響，會妨礙大規模使用太陽能，要研究儲存太陽能的方法。
（2）水能：水能有巨大的開發潛力，可開發梯級電站。
（3）核能：是一個巨大的能源，通過原子反應堆進行核發電，主要應注意核泄漏、控制核污染。
（4）風能：為了增加風力發電的功率，通常把很多風車建在一起，稱為“風車田”。我國的新疆。內蒙古等地已經開始大規模利用風力發電。
舉措二：節約能源
提問學生：在生活中你如何做到節能？強調節能從此時此刻此地自我做起。
同時提醒學生在使用能源時，更要做到提高能源的使用率。
舉措三：減少污染物的排放
【例4】下列對能量耗散的理解正確的有（ ）
A．能量耗散說明能量在不斷減少
B．能量耗散遵守能量守恒定律
C．能量耗散說明能量不能憑空產生，但可以憑空消失
D．能量耗散從能量角度反映出自然界的宏觀過程具有方向性
【例5】關于“溫室效應”，下列說法正確的是（ ）
A．太陽能源源不斷地輻射到地球上，由此產生了“溫室效應”
B．石油和煤炭燃燒時產生的二氧化碳增加了大氣中二氧化碳的含量，由此產生了“溫室效應”
C．“溫室效應”使得地面氣溫上升、兩極冰雪融化
D．“溫室效應”使得土壤酸化
（五）能源與社會發展
教師介紹能源的使用與社會發展的緊密關系：
人類利用能源大致經歷了三個時期，即柴薪時期，煤炭時期，石油時期。
1.柴薪時期
出現年代：五六十萬年前
火的使用是人類在能源利用上的第一個里程碑，它使人類脫離了茹毛飲血的時代。
2.煤炭時期
出現年代：2000年前
蒸汽機的廣泛使用，帶動了工業革命和資本主義社會的成長。
3.石油時期
出現年代：19世紀80年代
內燃機的發展推動了19世紀末，20世紀初開始的機械化和電氣化進程。
【課堂小結】
1.能量守恒定律：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉化為其他形式，或者從一個物體轉移到別的物體，在轉化或轉移的過程中，能量的總量保持不變
2.能量的耗散：一切與熱現象有關的宏觀自然過程都是不可逆的
3.能源的分類：可再生能源與不可再生能源
4.能源的利用與節能
【隨堂演練】
1.如圖所示是一種新型節能路燈。它“頭頂”小風扇，“肩扛”太陽能電池板。關于節能路燈的設計解釋合理的是( )
A. 太陽能電池板將太陽能轉化為電能
B. 小風扇是用來給太陽能電池板散熱的
C. 小風扇是風力發電機， 將電能轉化為機械能
D. 蓄電池在夜晚放電時，將電能轉化為化學能
答案 A
2.關于能源及能源利用，下列說法中正確的是 ( )
A. 煤炭、石油和天然氣都是化石能源
B. 太陽能電池能夠將電能轉化為太陽能
C. 由于能量是守恒的，因此沒有必要節約能源
D. 水能和風能歸根結底來源于太陽能，它們是不可再生能源
答案 A
3.關于能量和能源，下列說法中正確的是( )
A. 能量在轉化和轉移過程中，其總量有可能增加
B. 能量在轉化和轉移過程中，其總量會不斷減少
C. 能量在轉化和轉移過程中，其總量保持不變，故節約能源沒有必要
D. 能量在轉化和轉移過程中具有方向性，且現有可利用的能源有限，故必須節約能源
答案 D
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