第二节 跨学科：能源的开发与利用 （教学课件）物理新教材沪科版九年级全一册

该初中物理课件聚焦“能源的开发与利用”，系统涵盖能源的概念、分类（可再生与不可再生）、人类利用历程（柴薪到核能）、核能特点与安全，以及太阳能、风能等新能源开发，通过问题驱动导入，构建从基础认知到实际应用的知识支架。 其亮点在于跨学科整合，含《人类利用能源的历程》视频及水电站、核电站等图片，结合实例分析（如切尔诺贝利事故、太阳能路灯）培养科学思维，强调可持续发展渗透科学态度与责任，助力学生建立能源观念，教师可高效开展教学。

义务教育教科书 第二十一章 能源、材料与社会 第二节 跨学科：能源的开发与利用 上海科学技术出版社 思考： 地球上的能源是取之不尽、用之不竭的吗? 导入新课 人类离不开能源，城市照明、汽车行驶、食物烹饪、电器工作都需要能源来提供能量，但能源并非都取之不尽、用之不竭。人类在能源开发与利用的过程中，应关注哪些问题？ 下面我们学习与此有关的内容. 学习目标 能列举常见的不可再生能源和可再生能源，知道核能的特点和核能利用可能带来的问题；能从能源开发与利用的视角体会可持续发展的重要性。 1. 人类对能源的利用 2. 开发核能与重视核安全 3. 开发新能源 4. 课堂总结 5. 综合提升训练 目录导航 一、人类对能源的利用 第二节 跨学科：能源的开发与利用 一、人类对能源的利用 1. 能源 （1）概念：凡是能够提供能量的物质资源都可以称为能源。 （2）各种能源 ①化石能源：我们使用的煤、石油、天然气，是千百万年前埋在地下的动、植物经过漫长的地质年代形成的，所以称为化石能源。 一、人类对能源的利用 ②生物质能 由生命物质提供的能量称为生物质能。生物质能可以理解为生物机体物质发生化学变化时释放的能量。例如，食物分解和柴薪燃烧等都提供了生物质能。 ③太阳能 由太阳辐射提供的能量。 一、人类对能源的利用 ④水能、风能：由自然界中的流水和风提供的能量。 ⑤地热能：由地球内部提供的一种内能。 新西兰陶波菲尔德地热发电站 一、人类对能源的利用 ⑥电能：由其他形式的能转化而成的供各种用电器使用的能量。 西藏山南市雅鲁藏布江峡谷藏木水电站 一、人类对能源的利用 2. 能源的分类 能源家族成员种类繁多，而且新成员不断加入。能获取有用能量并为人类利用的各种能源都可以加入到能源家族中来。 能源家族从不同的角度可以划分不同的类别，根据能源使用之后能否在短期内再生可分为可再生能源和不可再生能源。 （1）可再生能源 可以长期提供或可再生的能源属于可再生能源。例如，太阳能、风能、水能以及生物质能等。 一、人类对能源的利用 （2）不可再生能源 一旦消耗就很难再生的能源属于不可再生能源。例如，煤、石油、天然气和铀矿这类化石或矿物能源。 废弃铀矿的警告标志，马蹄台地，大峡谷，美国亚利桑那州 一、人类对能源的利用 （3）可再生能源与不可再生能源的区别 区分可再生能源与不可再生能源的主要依据是看能源使用之后能否在短期内再生，能否在自然界里源源不断地得到。 我们熟悉的可再生能源有： 水能、风能、太阳能、 生物质能等。 可再生能源 我们熟悉的不可再生能源有： 煤炭、石油、 天然气、铀矿等。 不可再生能源 一、人类对能源的利用 3. 人类利用能源的历程 （1）我国古代对能源的利用 钻木取火是人类利用能源的历史上的第一次能源革命。从利用自然火到利用人工火的转变，开启了以柴薪作为主要能源的时代。 我国古代对水能的利用促进了人类文明的发展。 我国古代对 水能的利用 纵观几千年的文明史可知，人类发现、开发、利用能源的历史，就是其认识自然、理解自然的历史。 钻木取火 一、人类对能源的利用 （2）化石能源时代 人们对能源的需求与日俱增，探索方向逐渐从如何利用身边的自然能源转向如何获取更多能源。于是，大约在200多年前，由于对煤的大量开采，人类利用能源的历史进入了一个崭新的时期。 蒸汽机 18世纪，用煤作燃料的蒸汽机的发明，带来了人类历史上的第一次工业革命，由此人类进入大工业生产的时代。各种机械及交通工具的相继发明大大提高了社会生产力。随后，石油、天然气先后成为人类生产、生活广泛使用的能源。 蒸汽机 一、人类对能源的利用 （3）电能时代 19世纪，通过对电和磁的研究，人类找到了开发和利用能源的新途径，从此进入了电气时代。电能的利用为人类带来了一个光明、灿烂的新世界。各种电气设备的发明，使人们的生活水平和生活质量得到了极大改善，同时人类对能源的需求和依赖也越来越大。 灯火辉煌的城市夜景 物理学家——法拉第 一、人类对能源的利用 （4）核能时代 20世纪40年代，科学家发明了可以控制核能释放的装置—核反应堆，拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕。 核电站蓝色时刻(Baden-Württemberg，德国) 分类 代表事件 概念 实例 一次能源 可直接从自然界获得的能源 太阳能、电能、风能、水能、潮汐能、地热能等 化石能源、风能、水能、太阳能、地热能、核能、潮汐能等 煤、石油、柴薪等 二次能源 无法从自然界直接获取，必须通过消耗一次能源才能得到的能源 电、酒精、木炭、煤气、柴油、液化气、沼气、氢气、汽油等 清洁能源 污染能源 使用时对环境没有污染或污染较轻的能源 使用时对环境污染较重的能源 新能源 常规能源 人类已经利用多年的能源 人类新近才开始利用的能源 煤、石油、天然气及水能等 核能、太阳能、潮汐能、地热 能、风能、生物质能等 　4. 总结——能源的分类 按照对环 境的影响 按照人类开发早晚 按照获 取方式 17 一、人类对能源的利用 　视频欣赏——《人类利用能源的历程》 一、人类对能源的利用 5. 能源的利用与环境污染 能源的大量开发和使用，会造成环境污染与生态破坏。如何在开发和使用能源的同时保护好我们赖以生存的地球，这已经成为一个全球性的重大课题。 清理漂浮的石油 煤的燃烧会产生大量的二氧化碳气体和烟尘，造成空气污染。大气中二氧化碳的浓度增大，导致温室效应增强，全球变暖，危害生态平衡。火力发电厂发电时所产生的“余热”会引起热污染。泄漏的石油污染海洋；工业和交通工具的废气笼罩在城市的上空…如何在开发和使用能源的同时保护好我们赖以生存的地球，这已经成为一个全球性的重大课题。 废气笼罩的城市 一、人类对能源的利用 【例题1】科普小组的同学调查了我省不同类型的发电站，其中利用不可再生能源发电的是（　　） A．小浪底水电站 B．孟津风力电站 C．郑州燃气电站 D．博爱光伏电站 A．小浪底水电站是利用水能发电，水能是可再生能源，故A不符题意； B．孟津风力电站是利用风能发电，风能是可再生能源，故B不符题意； C．郑州燃气电站是利用天然气发电，天然气是化石能源，会越用越少，是不可再生能源，故C符合题意； D．博爱光伏电站是利用太阳能发电，太阳能是可再生能源，故D不符题意。 故选C。 C 二、开发核能与重视核安全 第二节 跨学科：能源的开发与利用 二、开发核能与重视核安全 1. 核能 核能的开发和利用一般有两种方式：一种是利用核裂变释放能量；另一种是利用核聚变释放能量。 （1）核裂变 ① 概念：是较重的原子核裂变为较轻的原子核的一种核反应。图是铀原子核在中子的轰击下产生裂变的过程，每一个铀原子核的裂变会产生大量能量。研究发现：1kg铀全部裂变，释放的能量超过 2000 t 煤完全燃烧时释放的能量。 二、开发核能与重视核安全 ②链式反应 科学家研究发现：如果放在一起的铀超过一定质量，就会发生剧烈的核反应。一个铀原子核分裂出2至3个中子，这2至3个中子又要去轰击2至3个铀原子核，使这些铀原子核也发生裂变，如此下去就会产生系列化的越来越剧烈的反应。这种核反应被称为链式反应。 二、开发核能与重视核安全 ③原子弹 如果链式反应不加以控制将快速地进行下去，并在极短的时间内释放出巨大的能量，发生强烈的爆炸。 原子弹就是根据这个原理制成的。 我国第一颗原子弹爆炸 二、开发核能与重视核安全 （2）核聚变 ①概念：核聚变是较轻的原子核结合成为较重的原子核的一种核反应。是产生核能的另一种方式。 如图所示是氘核和氚核结合成为氦核的聚变过程。这种核反应会释放巨大的能量。 二、开发核能与重视核安全 ②核聚变的应用 利用核聚变也能制造核武器。 氢弹就是利用核聚变原理制造的一种威力比原子弹还要大得多的核武器。 利用核聚变原理制造的氢弹爆炸时产生的巨大的蘑菇云 二、开发核能与重视核安全 核能发电可缓解能源危机，是人们和平利用核能的一个重要方面。目前，世界上已经利用核裂变原理建成了许多核能发电站。 2. 核能的利用 （1） 核电站 核电站利用核能发电，它的核心设备是核反应堆。 核反应堆中发生的链式反应是可控的，核反应堆能缓慢地释放出核能。 二、开发核能与重视核安全 （2）核电站的能量转化 它以铀为核燃料，反应堆中放出的核能转化为高温蒸汽的内能，通过汽轮机转化为机械能，再通过发电机转化为电能。 核能→内能→机械能→电能 能量转化 广东大亚湾核电站 二、开发核能与重视核安全 （3）核泄漏的危害 核电站一旦发生核泄漏事故，就可能产生严重的危害，所以核电站的安全性应得到高度重视。 切尔诺贝利核电站事故于1986年4月26日发生在乌克兰境内的普里皮亚季市，核反应堆全部炸毁，大量放射性物质泄漏，成为核电时代以来最大的事故。 事故后有31余人当场死亡，200多人受到严重的放射性辐射，之后15年内有6-8万人死亡，13.4万人遭受各种程度的辐射疾病折磨，方圆30公里地区的11.5万多民众被迫疏散。 二、开发核能与重视核安全 （4）核电站和核废料处理 核反应堆是通过可控裂变反应释放核能的设备。反应堆内的铀核发生裂变时，会释放能量，也会产生放射线。如果放射线泄漏到反应堆外面，会对人和其他生物造成伤害，所以核反应堆都封闭在一个厚厚的钢筋混凝土壳中。 二、开发核能与重视核安全 核电站使用过的核燃料成为核废料。由于核废料仍具有放射性，对环境会造成相当大的危害，因此要将核废料深埋到人迹稀少的沙漠地带。 美国尤卡山核废料处置 二、开发核能与重视核安全 【例题3】原子核分裂或聚合，可以释放出巨大的能量，这种能量叫作________。用中子轰击比较大的原子核，使其变成两个中等大小的原子核，同时释放出巨大的能量，这是原子核的_____。两个质量很小的原子核，在一定条件下结合成一个新的原子核，会释放出更大的核能，这就是原子核的_______，氢弹就是利用这种变化制成的。 核能 聚变 裂变 原子核分裂或聚合时释放的能量叫作核能，原子核分裂叫作裂变，原子核聚合叫作聚变. 三、开发新能源 第二节 跨学科：能源的开发与利用 三、开发新能源 1. 太阳能 （1）太阳能的优点 ① “储量”十分巨大，取之不尽，用之不竭； ② 分布广阔，不需要运输，投入小，收益太； ③ 是一种相对清洁能源，环境汚染小； ④ 使用方便、安全。 现在人们不仅努力开发核能，而且不断探索对太阳能、风能、地热能、潮汐能等新能源的开发。 三、开发新能源 （2）太阳能的直接利用 ① 把太阳能转化为内能 图是一种常见的太阳能热水器。它工作的原理是：太阳光的照射使加热管内水的温度上升，由于热水的密度比冷水的小，管内热水不断上升并储存在储水箱上部；同时，储水箱内温度较低的水下降到加热管，通过水的不断对流，最终使得储水箱内水的温度升高。 一种家庭常用的 太阳能热水器 三、开发新能源 ② 把太阳能转化为电能 实质上是光电转换，如太阳能电池。太阳能电池可以有效吸收太阳能，并将其转化成电能，它是用半导体硅、硒等材料制作成的将太阳的光能转化为电能的器件，可做人造卫星、航标灯、交通信号灯等的电源。现在不少城市开始使用太阳能路灯，有些家用灯具也使用太阳能电池。 太阳能路灯 （3）太阳能的间接利用 人类开发利用的地球上的煤、石油 、天然气和生物质能等，都是太阳能长期转化积累形成的；风能、水能实质上也是由太阳能转化而来的。 三、开发新能源 2. 风能 风能是指空气高速流动的能量。风具有很大的能量。这种能量可能会带来极大破坏，如拔起大树，吹倒房屋，但我们也可以利用风能为人类服务。 （1）古代对风能的利用 人们很早就学会了利用风能行船、抽水、磨谷…… 三、开发新能源 （2）风能发电 风能还可以用来发电。把风的动能转化为电能就是风力发电，风能是一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。我国风能储量很大，分布面广，风能资源的开发和利用对于保护环境、调整能源结构具有重要意义。 三、开发新能源 3. 地热能 地球内部蕴藏着大量的热，在有地热资源的地方可开发和利用地热来发电。 目前世界上巳有近二百座地热电站投入运行。 地热能在地球上的蕴藏量非常丰富，可供人类消耗几百亿年，是取之不尽、用之不竭的清洁能源。 地热能发电厂 三、开发新能源 4. 潮汐能 潮汐是由于月球、太阳对地球的引力作用而产生的。 潮汐能可用于发电，且成本低，污染少，是一种很有发展潜力的新能源。在潮汐能较大的地方修建潮汐电站，当涨潮和落潮时，水流推动水轮机转动发电。 三、开发新能源 图是一种利用潮汐能发电的示意图。 涨潮时，如图甲所示，海水汹涌而来，潮水从导流孔流入水库的同时推动水轮机转动，水轮机带动发电机发电。随着潮水的不断涌入，水库水位逐渐上涨，储存着能量。 落潮时，如图乙所示，海水奔腾而去，水位陆续下降，水库的水流从导流孔流向大海，推动水轮机再次转动，水轮机又一次带动发电机发电。 三、开发新能源 5. 氢能源 更多的新能源在不断开发中。氢能源是人们关注的一种新能源，氢燃烧的产物是水，没有任何污染，是目前公认的最清洁能源。 氢燃料在航空航天、汽车中已有广泛应用。 三、开发新能源 【例题3】如图，太阳能汽车利用太阳能电池将太阳能转化为电能，储存在车上的蓄电池内，为汽车提供动力。下列说法正确的是（　　） A．太阳能取之不尽、用之不竭，所以是可再生能源，故A错误； B．蓄电池为汽车提供动力时，将化学能转化为电能，故B错误； C．太阳能汽车不能将接收到的太阳能全部转化为机械能，有一部分太阳能会转化为内能等其它形式的能，故C正确； D．太阳能汽车将太阳能转化为电能，再将电能转化为动能，故D错误。 C 故选C. A．太阳能是一种不可再生能源 B．蓄电池为汽车提供动力时，将电能转化为化学能 C．太阳能汽车不能将接收到的太阳能全部转化为机械能 D．太阳能汽车将太阳能转化为内能，再将内能转化为动能 三、开发新能源 【例题4】能源是人类生存和发展的基础，人类社会的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。关于能源的开发和利用，下列说法错误的是（　　） A．核能是可再生能源，开发和利用核能是人类获取能源的一个新途径 B．煤是不可再生能源，以煤为主要燃料的火电站容易造成环境污染 C．太阳能是一次能源，可直接利用且污染小，开发前景广阔 D．能量在利用的过程中，其转化和转移是有方向性的 A 三、开发新能源 A．核能是不可再生能源，故A错误，符合题意。 B．煤不能短期内从自然界得到补充，是不可再生能源，以煤为主要燃料的火力发电容易造成环境污染，故B正确，不符合题意； C．太阳能是一次能源，是一种新型的无污染的能源，太阳能是取之不尽的能源，可直接利用且对环境的污染小，前景广阔，故C正确，不符合题意； D． 能量的转化和转移是有方向性的，具有不可逆性，并不是所有的能量都可以被利用，所以我们需要节约能源，故D正确，不符合题意。故选A. 四、课堂总结 第二节 跨学科：能源的开发与利用 课堂总结 能源的开发和利用 ①能源：能够提供能量的物质资源称为能源. ②各种能源：化石能源、生物质能、太阳能、 水能、风能、地热能、电能等. ③能源的分类：可再生能源、不可再生能源. ④人类利用能源历程：柴薪能源→化石能源→电能→核能. ⑤能源的大量开发和使用，会造成环境污染与生态破坏. ①利用方式：核裂变、核聚变. ②核能利用：原子弹、氢弹、核能发电站。 ③核废料的危害与处理。 ①太阳能：相对清洁，取之不尽，可发电或取暖、加热水. ②风能：风能可以用来发电. ③地热能：地球内部蕴藏着大量的热，可以用来发电. ④潮汐能：月球、太阳对地球的引力作用产生，可用来发电. ⑤氢能源：氢燃烧的产物是水，没有任何污染，是最清洁能源。 能源与社会 核能与安全 开发新能源 47 五、综合提升训练 第二节 跨学科：能源的开发与利用 【解析】自行车要运动靠人蹬来驱动，故消耗的是人的生物能①；太阳能小车消耗太阳能④；电力机车是靠电机来驱动，消耗的是电能③； 故选B。 综合提升训练 1. 出行是人们工作、生活必不可少的环节，出行的工具多种多样，使用的能源也不尽相同。自行车、太阳能小车和电力机车所消耗能量的类型分别是（ ） ①生物能；②核能；③电能；④太阳能 A．①②③ B．①④③ C．①②④ D．②④③ B 综合提升训练 【解析】A．煤、石油不能短时期内从自然界得到补充，是不可再生能源，A错误； B．太阳能电池工作时，消耗太阳能，产生电能，将太阳能转化为电能，B正确； C．能量是守恒的，但能量的转移或转化是有方向性的，所以节约能源势在必行，故C错误； D．核电站是利用核裂变时释放的能量进行发电的，不是核聚变，故D错误。故选B。 2. 发展是人类永恒的主题，能源与社会发展关系密切。关于能源与可持续发展，下列说法正确的是（　　） A．煤、石油属于可再生能源 B．太阳能电池可以将太阳能转化为电能 C．能量是守恒的，我们不需要节约能源 D．核电站是利用核聚变释放的能量进行发电 B 综合提升训练 通过天然作用再生更新，从而为人类反复利用的资源叫可再生资源；经人类开发利用后，在相当长的时期内不可能再生的自然资源是不可再生资源。其中太阳能、风能、水能可以源源不断的在自然界中获取，取之不尽，属于可再生能源，而天然气随着人类的开发越来越少，属于不可再生能源。故选D. 3．能源问题已经严重影响着当今世界和平发展，因此各国大力提倡使用可再生能源。下列能源中是不可再生能源的是（　　） A．太阳能 B．风能 C．水能 D．天然气 D 综合提升训练 能归入图中阴影部分的能源应该是来自太阳的热辐射， 并且是可再生能源和新能源。 A．煤炭、沼气不是可再生能源也不是新能源，A不符题意； B．太阳能、风能是来自太阳的热辐射，并且是可再生能源和新能源，B符合题意； CD．天然气、石油和核能都是不可再生能源，故CD项不符合题意。故选B. 4. 中国是一个负责任的大国，为构建人类命运共同体而不懈努力，实现可持续发展已成为21世纪各国的任务。能源可按不同方式分类，如图，下列四组能源中，能归入图中阴影部分的一组是（　　） A．煤炭、沼气 B．太阳能、风能 C．水能、天然气 D．石油、核能 B 综合提升训练 能够短时间内从自然界得到补充的是可再生能源，短时间得不到补充的是不可再生能源。核能属于一旦消耗就很难再生的能源，是不可再生能源。 核裂变和核聚变都能释放能量，对于核裂变是可控的，如核电站的核反应堆就是通过核裂变提供能量的；核电站是利用可控的核裂变释放能量来发电的。 热机的种类很多，内燃机、蒸汽机、汽轮机、喷气发动机都是热机。核电站中的汽轮机是利用内能工作的，属于热机。 5．核能是一种_________（选填“可再生”或“不可再生”）能源。核电站利用核能发电，它的核心设备是核反应堆，核反应堆是通过可控________（选填“核裂变”或“核聚变”）反应释放核能的设备。核电站中的汽轮机属于_______（选填“发电机”“电动机”或“热机”）。 热机 不可再生 核裂变 综合提升训练 （1）有些沙漠紧邻大海，_____（白天/晚上）风通常从 大海吹向沙漠，导致空气中富含水蒸气。 （2）伯克利分校的团队设计出一款沙漠集水器﹣WaterSeer， 如图所示，利用风能这种_____（可再生/不可再生）能源，借助 风力驱动风轮旋转，带动螺旋桨将讲空气输入金属管中部。 （3）深埋在土壤深处的金属管底部温度较低，由于金属的 __________（填物理属性）好使得金属管中部温度也降低。 （4）空气中的水蒸气在金属管中部_____（吸/放热），液化成水滴，水滴在_____力的作用下，沿管壁下落，汇集于金属管底部容器。 （5）WaterSeer每天可以收集约37L饮用水，合_____kg，应用前景十分乐观。（ρ水＝1.0×103kg/m3） 6. 沙漠集水器。 白天 可再生 导热性 放 37 重 综合提升训练 【解析】（1）由于砂石和海水的比热容不同，海水的比热容大于砂石的比热容，白天，在同样太阳光的照射下，沙漠和大海升温和降温的快慢不同，从而使空气形成对流．白天，沙漠比大海升温快，地面热空气密度较小，热空气上升，海面较冷的空气就会来补充，于是冷空气沿海面吹向沙漠，形成海风． （2）风能能够源源不断的从自然界得到，属于可再生能源． （3）深埋在土壤深处的金属管底部温度较低，由于金属的导热性好，使得金属管中部温度也降低． （4）空气中的水蒸气在金属管中部液化放热成水滴，水滴在重力的作用下，沿管壁下落，汇集于金属管底部容器． （5）水的体积V＝37L＝37dm3＝0.037m3，水的质量： m＝ρV＝1.0×103kg/m3×0.037m3＝37kg. 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