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2019-2020年高中物理 《能源的開發(fā)和環(huán)境保護》教案 滬科版選修3-3 一、教學(xué)目的 1、了解什么是能源，什么是常規(guī)能源，知道常規(guī)能源的儲量和人類需求的矛盾 2、了解常規(guī)能源的使用和環(huán)境污染方面的關(guān)系 3、了解哪些是清潔能源，哪些是可再生能源 二、教學(xué)重點 1、能源、常規(guī)能源、可再生能源的教學(xué) 2、能源和環(huán)境之間的關(guān)系 三、教學(xué)難點 能源和環(huán)境之間的關(guān)系 四、教學(xué)過程 熱力學(xué)第二定律告訴我們，很多與熱現(xiàn)象有關(guān)的物理過程都是不可逆的。涉及內(nèi)能的能量轉(zhuǎn)化過程具有方向性，這在上一節(jié)已經(jīng)提到過了。在本節(jié)，我們討論這種方向性的現(xiàn)實意義。 一、能源 一段木料燃燒后化為灰燼，能夠釋放給我們所需要的能量。然而，灰燼卻不能立即被合成而成為一段木料。但是，我們至少可以將灰燼作為肥料施在一顆小樹苗上，促成它長成一段未來的木料，以供人類（可能是種樹、施肥者的子孫，也可能是別人的子孫）再次燃燒。 在這一人與資源的交互行為中，我們會發(fā)現(xiàn)，首先，能量轉(zhuǎn)化的方向性并沒有被破壞，也就是說，熱力學(xué)第二定律仍被得到尊重。其次，這將形成了一個循環(huán)，因為只要時間足夠，讓樹苗成長成為木料的數(shù)目大于我們?nèi)紵玖系臄?shù)目，它就不會破壞需求與資源的動態(tài)平衡關(guān)系。其三，在這個循環(huán)中，必須要有第三者參與——如果沒有太陽的光合作用，循環(huán)就終止了——所以人與資源（樹木）之間并不是“今天你給我，明天我還給你”的關(guān)系（我們與其說在燃燒樹木，還不如說是在利用儲存的太陽能）。其四，這種循環(huán)還有一種隱憂，那就是：灰燼“成為”樹木的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樹木變成灰燼的速度，表面的平衡是以內(nèi)部數(shù)量上的不平衡為代價的。 以上的四點中，第三點事實上已經(jīng)決定了循環(huán)“返回”過程的速度（不能由人類操控），第二點和第四點則意味著人類的行為、世界觀對“平衡”能否被破壞有著直接的關(guān)系。 在工業(yè)化時代到來之前，人們過著田園牧歌式的生活，沒有電器、沒有汽車、沒有空調(diào)，人類使用大自然的資源只是為了滿足最基本的生活需求，因此，這種“平衡”沒有被破壞。 隨著工業(yè)化時代的到來，這種狀況立即顯現(xiàn)出危機，循環(huán)就要被終止了。于是，人們想到了地底下的資源：煤和石油。他們提供的能量很有用，燃燒的速度和效能和木材相差無幾。但是，形成煤和石油的速度比長成樹木的速度，就不能同日而語了！可以這樣說，人們自從使用煤的第一天起，就沒有想到一個可能形成循環(huán)的問題，更不用說什么平衡了。所以，煤和石油事實上是一種坐吃山空的資源：我們今天用得越多，我們的子孫將來可以使用的就越少。 在不久的將來，人們用完了所有的煤和石油，會怎么辦？這是一個令社會學(xué)家睡不安枕的問題。 然而，經(jīng)濟學(xué)家們卻不這樣看。經(jīng)濟學(xué)教授給學(xué)生們講課，出了這樣一個題目：地底下現(xiàn)有石油儲量X噸，近五年的開采量是Y噸/年，請預(yù)測石油將在多少年后被開采完？有的學(xué)生開始用計算器摁鍵：X/Y = ? …這樣的學(xué)生被認(rèn)為是經(jīng)濟學(xué)的盲者。教授的觀點是：永遠(yuǎn)也開采不完。因為，隨著石油儲量的減少，開采的成本會加大，成本大于銷售價格時，市場規(guī)律決定了人們在也不會去開采石油了。此時石油存在事實已經(jīng)失去了利用價值，任它在地底下沉睡多少年也和我們沒有關(guān)系了。 那么人們會使用什么能源呢？巨大的市場潛力和利潤空間將驅(qū)使人們?nèi)パ芯恳环N石油的替代品。因此，能源的危機也就解決了。 是社會學(xué)家們悲天憫人，還是經(jīng)濟學(xué)家們盲目樂觀？這需要我們冷靜地去判斷。至少，以下的一些事實可以顯示，這兩派觀點都有一定的道理—— 世界上石油儲量最大的中東地區(qū)一直是發(fā)達國家關(guān)注的焦點，外交、軍事莫不圍繞著這片從地表上看毫無魅力的區(qū)域打轉(zhuǎn)。世界警察（美國）和他的隨從們最愿意去管中東的事情：兩次海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等等…說明能量消耗巨大的富國們對石油的心痛程度。 令以一方面，“替代品”——新能源的研發(fā)、形式層出不窮。 1、水能：水作為能量的載體，被太陽能驅(qū)動地球上三棲（水、陸、空）循環(huán)。地表水的流動時，在落差大、流量大的地區(qū)，形成可利用的水能資源。目前世界上水力發(fā)電還處于起步階段。 2、海洋能：由于地球受月球和太陽引力的周期性不均衡，海水發(fā)生非氣候性的漲潮和落潮現(xiàn)象，形成潮汐。潮汐蘊含著巨大能量，既可以用來推動機械裝置，又可以用來發(fā)電。 此外，由于海水表層和深層間的存在很大的溫差，利用這種溫差也可以發(fā)電（*因為水的沸點與氣壓有關(guān)，如果建造一個裝置，用抽真空的方法使表層的海水在20攝氏度時汽化，并推動汽輪機，再將深層的冷水提上來使蒸汽冷卻，如此周而復(fù)始，就可以發(fā)電了。除這種方法外，還可以用低沸點的流體如丙烷和氨來作為熱機的工作介質(zhì)）。法國已經(jīng)建成了世界上第一座溫差發(fā)電站，發(fā)電容量為14,000kW。 3、風(fēng)能：利用風(fēng)的機械能發(fā)電，風(fēng)能是一種重要的自然能源。據(jù)有關(guān)專家估算，在全球邊界層內(nèi)的總能量為1.31015瓦，一年中約為1.41016千瓦時電力的能量，相當(dāng)于目前全世界 每年所燃燒能量的3000倍。其中1/10為可取用的極限量。 風(fēng)能的優(yōu)點是：總能量巨大，利用簡單、無污染、可再生。缺點是：能量密度低（當(dāng)流速同為3米/秒時，風(fēng)力的能量密度僅為水力的1/1000）、不穩(wěn)定性大，連續(xù)性、可靠性差，時空分布不均勻。 4、生物質(zhì)能：利用厭氧微生物在密閉條件下分解（廢棄）有機物，產(chǎn)生沼氣，沼氣具有很高的熱值，燃燒后生成二氧化碳和水，不污染空氣，不危害農(nóng)作物和人畜健康。生成沼氣的原料本身就是各種廢棄物，生產(chǎn)過程可以減少（有機物）垃圾的數(shù)量。 在農(nóng)村到處可以看到許多生物質(zhì)的廢棄物，如人畜糞便、秸稈、雜草和不能食用的果蔬，等等。將這些廢棄物收集起來，經(jīng)過細(xì)菌發(fā)酵可以產(chǎn)生沼氣，用沼氣做燃料和照明，也可以發(fā)電。 5、太陽能：太陽能是一種可廣泛利用的清潔能源。我們目前的利用方式主要是兩種—— 一是將陽光聚焦，將光能轉(zhuǎn)化為熱能（傳說阿基米德就曾經(jīng)利用聚光鏡反射陽光，燒毀了來犯的敵艦）。在日照充分的地方，人們在生產(chǎn)和生活中已大量使用太陽灶、干燥器和太陽能熱水器（太陽能熱水器的構(gòu)造要簡單的多。因為不需要它產(chǎn)生太高的溫度。在大多數(shù)情況下，可以將太陽能熱水器的集熱器制成箱式、蛇型管式、直管式、平板式或枕式，通過管道與水源和儲水箱相連。太陽能熱水器在我國北方比較常見）。 二是將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再用化學(xué)能發(fā)電。比較常見的光電池是硅電池（它能將13%-20%的日光能轉(zhuǎn)化為電能）。許多電子計算器和其他小型電子儀器現(xiàn)在已經(jīng)采用太陽能電池供電，人造衛(wèi)星和宇宙飛船更是主要依靠太陽能電池來提供電力。 但是陽光在達到地面以前要經(jīng)過大氣的反射、散射和吸收，能量損失較大，加上陰天、晝夜變化和雨雪等降水過程的影響，目前地面上利用日光發(fā)電受到一定限制。 無論是生物質(zhì)能、風(fēng)能，還是水力、溫差和潮汐能，歸根結(jié)底都是太陽能的轉(zhuǎn)化形式。即使礦物燃料，也是通過生物的化石形式保存下來的億萬年以前的太陽能。 6、地?zé)崮埽河玫責(zé)岵膳?、將地?zé)嵊糜谵r(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等，在全世界范圍內(nèi)受到關(guān)注。（從直接利用地?zé)岬囊?guī)模來說，最常用的是地?zé)崴茉?，占總利用量?/3以上，其次是地?zé)崴B(yǎng)殖和種植約占20%，地?zé)岵膳s占13%，地?zé)崮芄I(yè)利用約占2%）。 利用地?zé)崮?，占地很少，無廢渣、粉塵污染，用后的棄（尾）水既可綜合利用，又可回注到地下儲層，達到增加壓力、保護儲層、保護地?zé)豳Y源的雙重目的。*據(jù)美國地?zé)豳Y源委員會（GRC） 1990年的調(diào)查，世界上18個國家有地?zé)岚l(fā)電，總裝機容量5827.55兆瓦，裝機容量在100兆瓦以上的國家有美國、菲律賓、墨西哥、意大利、新西蘭、日本和印尼。我國的地?zé)豳Y 源也很豐富，但開發(fā)利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省區(qū)。除以上利用外，從熱水中還可提取鹽類、有益化學(xué)組分和硫磺等。 7、核能：鈾在自然界中有三種放射性同位素：U235、U238、U234 ，在衰變過程中放出熱量。在軍事上鈾主要用來制造核武器和核動力燃料。鈾的和平用途十分廣泛，其中最主要的是用作核電反應(yīng)堆的燃料。 由于核電具有發(fā)電成本低、對環(huán)境污染小和安全等優(yōu)點，世界各國，尤其是工業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)都大力發(fā)展核電，估計到xx年核電將達到世界總發(fā)電量的25%左右。我國已建成秦山、大亞灣核電站，目前還有多處正在籌建。 鈾裂變時產(chǎn)生的同位素及其射線，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中有廣泛的用途。例如，在工業(yè)上利用射線實現(xiàn)生產(chǎn)自動控制，無損傷檢查等；在農(nóng)業(yè)上利用射線培育良種，防止病蟲害等；在醫(yī)學(xué)上用于滅菌消毒，臨床診斷及治療；在地質(zhì)勘探工作中用來找礦等等。 從種種跡象看來，能源危機的解決也許并不是難事。但這是不是就意味著人類可以高枕無憂呢？答案是否定的。 二、環(huán)境 可以說，自打人類尋找到木材的替代品——煤和石油開始，就已經(jīng)意識到了“替代”絕不就是“等同”。我們前面說過，木料的灰燼能夠作為肥料施在小樹下，這樣就促進了循環(huán)的完整與良性發(fā)展，而煤渣并不能做到這一點。也許學(xué)過化學(xué)的我們會說，煤和石油的衍生物也可以制成肥料，但是，請大家不要忘了，木料的灰燼可以被大自然“照單全收”地降解、燃燒的二氧化碳也是植物（新樹苗）呼吸作用的必須，可煤燃燒的廢渣、石油的衍生物（塑料等）卻不能或很難被降解，他們?nèi)紵膹U氣（二氧化硫等）是天怨人怒的有害物質(zhì)（石油燃燒的廢氣還是城市人們致癌的罪魁禍?zhǔn)祝Ｋ哉f，垃圾問題、大氣問題，共同構(gòu)成了——環(huán)境問題。 在新的能源中，環(huán)境問題是不是徹底解決了呢？從前面介紹的1~6種能源中，人們確實充分考慮了這個問題，理論上是不會有環(huán)境問題的。但是，不知大家注意到了沒有，它們都會受自然條件和資源條件的制約（沒有風(fēng)，風(fēng)車能轉(zhuǎn)嗎？太陽能需要面積，你能把熱效應(yīng)管架在別人的房子上去嗎？潮汐能需要海岸線的長度，你去侵略別人的海域嗎？）。隨著人們需求的增長，可以說，這前6能源的供應(yīng)量必然不能滿足要求，所以第7種能源成為人們關(guān)注的焦點：核能（因為它有一個突出的優(yōu)點，那就是能量巨大）。在發(fā)達國家，核能的使用量日益增多…但是，核能的直接或潛藏的環(huán)境問題比煤合石油的要嚴(yán)重得多… 人類要在以上問題中尋求一種協(xié)調(diào)與和諧，在調(diào)整需求意識、珍惜資源、科研開發(fā)等多個方面都有工作要做。無論今后大家會致力于哪一方面的工作，今天的意識形成都會大有必要。 三、小結(jié) 本節(jié)我們介紹了能源于環(huán)境的問題，通過介紹，希望大家能夠了解：1、能量和能源是兩回事；2、非再生能源和可再生能源是兩回事；3、人類不能打破與環(huán)境的和諧，破壞環(huán)境等于摧毀自己的生存家園。