第二十一章 能源、材料与社会（知识清单）物理新教材沪科版九年级全一册

第二十一章 能源、材料与社会（知识清单） 思维导图 第一节 能量的转化与守恒 一、多种形式的能量 能量种类 概述 机械能 机械能包括 能和 能（势能包括重力势能和弹性势能）。 电能 发电机或电池等电源把其他形式的能转化为 能，电流通过用电器把 能转化为人们需要的能量形式。 内能 物体内所有分子无规则运动的 能以及 能的总和就是物体的内能。一切物体都有内能。 化学能 由于化学反应而产生的能量。 核能 由于核反应，物质的原子核结构发生变化而释放的能量。核电站工作、核弹爆炸的能量都来自核能。 太阳能 太阳辐射向地球传递的巨大的能量。 二、能量的转移与转化 1. 能量的转移：指同种形式的能量在不同物体之间或同一物体的不同部分之间发生转移。 2. 能量的转化：能量转化的过程是一种形式的能转化为其他形式的能的过程。不同形式的能量可以在一定条件下相互转化。 3. 地球上能量的来源：我们生产、生活中利用的能量大都来自 能。太阳辐射向地球传递了巨大的能量。 三、能量守恒定律 1. 能量守恒定律的内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能量的 保持不变。 2. 对能量守恒定律的理解 （1）能量守恒定律的普遍性：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。 自然界中的一切变化过程，只要有能量转移或转化，都遵循能量守恒定律。 （2）能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。 （3）能量守恒定律的成立是 的。（选填“有条件”或“无条件”） 能量从一种形式转化为其他形式，一种形式的能量减少多少，其他形式的能量就会 多少；能量从一个物体转移到另一个物体上，一个物体的能量减少多少，另一个物体的能量就 多少。能量的总量保持不変。 第二节 跨学科：能源的开发与利用 一、能源与社会 1. 常见的能源 能源种类 来源（形成） 化石能源 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。 生物质能 自然界中有 的物质提供的能量。食物分解和柴薪燃烧等都能提供生物质能。 太阳能 由 辐射提供的能量，主要表现就是常说的太阳光线。 水能、风能 由自然界中的流水和流动的空气提供的能量。 地热能 由地球内部提供的一种内能，来自地球内部的熔岩。 电能 由其他形式的能转化而成供各种用电器使用的能源。 2. 能源的分类 分类 概念 实例 按照获 取方式 一次能源 可直接从自然界获得的能源。 化石能源、风能、水能、太阳能、地热能、核能、潮汐能等。 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。 电能、酒精、木炭、煤气、柴油、液化气、氢气、汽油等。 按照对环境的影响 清洁能源 使用时对环境没有污 染或污染较轻的能源。 太阳能、电能、风能、水能、潮汐能、地热能等。 污染能源 使用时对环境污染较重的能源。 煤、石油、柴薪等。 按照人类开发早晚 常规能源 人类已经利用多年的能源。 煤、石油、天然气及水能等。 新能源 人类新近才开始利用的能源。 核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能、生物质能等。 按照是否可再生 不可再 生能源 一旦消耗就很难再生的能源。 煤、石油、天然气等化石能源，核能等。 可再 生能源 可长期提供或可再生的能源。 风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、潮汐能等。 3. 人类利用能源的历程 （1）火的利用：钻木取火是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。柴薪燃烧时的能量转化：化学能→ 能。 （2）化石能源的利用：蒸汽机的发明是人类利用能量的新里程碑，直接导致了第二次能源革命，使人类进入工业化社会。蒸汽机工作时的能量转化：化学能→内能→ 能。 （3）电能的利用 19世纪初，根据 原理，发明了发电机，使化石能源转换成更加便于输送和利用的 能，电能的利用是人类进入现代文明社会的标志。 电能的优点：①电能便于 。②电能便于 ：电能通过用电器可以比较方便地转化为机械能、化学能光能、内能等其他形式的能量，为人类所用。 发电机的能量转化： 能→电能。 （4）核能的利用：20世纪40年代，科学家发明了可以控制核能释放的装置—— ，拉开了以核能为代表的新能源利用的序幕。核能发电的能量转化：核能→电能。 二、能源与环境 影响 解读 空气污染、 温室效应、酸雨 燃烧煤、石油、天然气等燃料会产生大量的CO2、SO2、氮氧化合物等物质，除造成空气污染和加剧温室效应外，还会形成酸雨，导致水、土壤酸化，对植物、建筑物、金属构件等造成危害。 地质影响 过分依靠柴薪能源加剧了水土流失和沙漠化。 有害辐射 核能的开发和利用，核废料处理不当或遇到特殊情况（如地震）时，也有造成有害辐射的可能。 废物污染 煤、柴薪等能源在使用后，会产生废物、废渣等，对环境也会造成一定的污染。 热污染 化石能源产生了大量的内能，其中相当一部分没有被利用，汽车尾气就是造成城市热岛效应的罪魁祸首之一。 三、核能 1. 核能：由于原子核的变化而释放出的巨大能量叫做核能。核能的开发和利用采用以下两种方式：一种是利用核 释放能量；另一种是利用核 释放能量。 2. 核裂变 （1）核裂变：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。 （2）链式反应：用中子轰击铀235原子核 ，铀核分裂时释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子又会轰击其他铀核，使其他铀核发生裂变……于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量的核能。 核裂变 链式反应 3. 核聚变 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。它是产生核能的另一种方式。 4. 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 。 核反应堆中发生的链式反应是可控的，能缓慢地释放出核能。能量转化：核能→ 能→ 能→ 能。 （2）原子弹：链式反应不加控制，大量原子核就会在一瞬间发生裂变，释放出巨大的能量。 （3）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。太阳内部时刻进行着大规模的聚变，并以电磁波的形式向外释放核能，这就是太阳能的来源。 5. 重视核安全：防止放射性物质泄漏；对核废料进行储存。 四、开发新能源 1. 太阳能 （1）太阳能的优点：太阳能的“储量”十分巨大，取之不尽，用之不竭；太阳能是一种清洁能源，使用时不会带来汚染。 （2）太阳能的直接利用 ① 把太阳能转化为内能：实质上是 转换。例如，生活中的太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室，生产中的太阳能干燥系统、太阳能冶炼、太阳能土壤消毒杀菌技术，太阳能空调与太阳能建筑等。 ② 把太阳能转化为电能：实质上是 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。现在城市广泛开始使用太阳能路灯。 （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 能转化而来的。 2. 风能：风能可用来 ，把风的动能转化为电能就是风力发电，风能是一种清洁的 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 。 4. 潮汐能：潮汐是由于月球、太阳对地球的 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。 5. 氢能源：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 能源。 第三节 跨学科：材料的利用与开发利用 一、材料与社会 1. 人类社会发展经历的材料时代 时代 标志 意义 旧石器时代和 新石器时代 把木料、石头、动物的皮、骨等制成工具用作生活用品。 原始人智力发展中迈出的重要一步。 时代 冶炼青铜。 青铜的利用提高了社会生产力，人类进入了青铜器时代。 高性能 时代 以铁为主发展出的高性能钢铁材料成为材料家族的主体。 为人类大规模制造机器提供了材料基础，开创了人类历史的新纪元。 2. 材料与社会的关系：材料的发展促进了社会的发展，也为科学技术的发展提供了物质基础。同时，材料的发展及大量使用也带来了许多资源和环境问题。 二、材料的导电性 1. 导体、半导体和绝缘体 类别 定义 导电或 不导电原因 常见物体 应用 导体 容易导电的物体。 内部有大量可自由移动的 。 金属、酸碱盐溶液、石墨、大地。 制作传导电流的电线。 绝缘体 不容易导电的物体。 内部几乎没有能自由移动的电荷。 玻璃、橡胶、陶瓷、塑料、油、空气。 隔离带电体。 半导体 导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。 自由电荷数量受光、温度、压强等因素的影响。 硅、锗、砷化镓 现代电子科技产品中。 2. 半导体元件 半导体材料可以制成二极管、三极管等半导体元件和集成电路。 （1）二极管：外形及电路图中的符号如图所示。有两根引线，一根是正极，一根是负极。 （2）二极管具有 导电性。 （3）发光二极管（LED）：发光二极管在导电时发光，不同的发光二极管可以发出不同颜色的光。 三、开发新材料 1. 超导材料 （1）超导现象：1911年，昂内斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在温度降低到4.2K（-268.8℃）时汞的电阻值突然降低到几乎为 ，从而发现超导现象。 （2）超导体：发生超导现象的材料叫超导材料。物质的电阻变为 时的温度叫做这种物质的超导转变温度或超导临界温度。不同物质的超导临界温度不同。 （3）超导材料的特性和应用前景 ① 超导输电：超导材料处于超导状态时电阻为零，能够无损耗地传输电能，这意味着用细电线就可以输送极大的 。 ② 超导磁浮：用超导磁浮特性可实现交通工具的无摩擦运行，大大提高交通工具的运行速度。 ③ 超导发电机、电动机：用超导材料做导线制作发电机、电动机的线圈，线圈 发热（选填“会”或“不会”），可以大大提高发电机和电动机的效率。 ④超导计算机：将超导体应用于电子工业，在低温环境中可以大大减小这些电子元件的体积和能耗（因不必考虑散热问题，超导电子元件可以做得很小）。 2. 纳米材料 （1）概念：纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1～100nm范围内的材料，这大约相当于10～1000个原子紧密排列在一起的尺度。 （2）特性：纳米材料除了其基本单元的尺度小以外，在力、热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能，如它可以大大提高材料的 和硬度，降低烧结温度，提高材料的 等。 （3）应用 ①研制纳米尺度的微小 ； ②用纳米材料制作的导线能大大提高计算机的性能，缩小计算机芯片的体积； ③用纳米技术做成的所谓量子 能増大存储容量。 21 / 27 学科网（北京）股份有限公司zxxk.com 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第二十一章 能源、材料与社会（知识清单） 思维导图 第一节 能量的转化与守恒 一、多种形式的能量 能量种类 概述 机械能 机械能包括动能和势能（势能包括重力势能和弹性势能）。 电能 发电机或电池等电源把其他形式的能转化为电能，电流通过用电器把电能转化为人们需要的能量形式。 内能 物体内所有分子无规则运动的动能以及分子势能的总和就是物体的内能。一切物体都有内能。 化学能 由于化学反应而产生的能量。 核能 由于核反应，物质的原子核结构发生变化而释放的能量。核电站工作、核弹爆炸的能量都来自核能。 太阳能 太阳辐射向地球传递的巨大的能量。 二、能量的转移与转化 1. 能量的转移：指同种形式的能量在不同物体之间或同一物体的不同部分之间发生转移。 2. 能量的转化：能量转化的过程是一种形式的能转化为其他形式的能的过程。不同形式的能量可以在一定条件下相互转化。 3. 地球上能量的来源：我们生产、生活中利用的能量大都来自太阳能。太阳辐射向地球传递了巨大的能量。 三、能量守恒定律 1. 能量守恒定律的内容：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到其他物体，而能量的总量保持不变。 2. 对能量守恒定律的理解 （1）能量守恒定律的普遍性：能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。 自然界中的一切变化过程，只要有能量转移或转化，都遵循能量守恒定律。 （2）能量守恒定律包括“能量转化”和“能量转移”两个方面。 （3）能量守恒定律的成立是无条件的。（选填“有条件”或“无条件”） 能量从一种形式转化为其他形式，一种形式的能量减少多少，其他形式的能量就会増加多少；能量从一个物体转移到另一个物体上，一个物体的能量减少多少，另一个物体的能量就増加多少。能量的总量保持不変。 第二节 跨学科：能源的开发与利用 一、能源与社会 1. 常见的能源 能源种类 来源（形成） 化石能源 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。 生物质能 自然界中有生命的物质提供的能量。食物分解和柴薪燃烧等都能提供生物质能。 太阳能 由太阳辐射提供的能量，主要表现就是常说的太阳光线。 水能、风能 由自然界中的流水和流动的空气提供的能量。 地热能 由地球内部提供的一种内能，来自地球内部的熔岩。 电能 由其他形式的能转化而成供各种用电器使用的能源。 2. 能源的分类 分类 概念 实例 按照获 取方式 一次能源 可直接从自然界获得的能源。 化石能源、风能、水能、太阳能、地热能、核能、潮汐能等。 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。 电能、酒精、木炭、煤气、柴油、液化气、氢气、汽油等。 按照对环境的影响 清洁能源 使用时对环境没有污 染或污染较轻的能源。 太阳能、电能、风能、水能、潮汐能、地热能等。 污染能源 使用时对环境污染较重的能源。 煤、石油、柴薪等。 按照人类开发早晚 常规能源 人类已经利用多年的能源。 煤、石油、天然气及水能等。 新能源 人类新近才开始利用的能源。 核能、太阳能、潮汐能、地热能、风能、生物质能等。 按照是否可再生 不可再 生能源 一旦消耗就很难再生的能源。 煤、石油、天然气等化石能源，核能等。 可再 生能源 可长期提供或可再生的能源。 风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、潮汐能等。 3. 人类利用能源的历程 （1）火的利用：钻木取火是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。柴薪燃烧时的能量转化：化学能→内能。 （2）化石能源的利用：蒸汽机的发明是人类利用能量的新里程碑，直接导致了第二次能源革命，使人类进入工业化社会。蒸汽机工作时的能量转化：化学能→内能→机械能。 （3）电能的利用 19世纪初，根据电磁感应现象原理，发明了发电机，使化石能源转换成更加便于输送和利用的电能，电能的利用是人类进入现代文明社会的标志。 电能的优点：①电能便于输送。②电能便于转化：电能通过用电器可以比较方便地转化为机械能、化学能光能、内能等其他形式的能量，为人类所用。 发电机的能量转化：机械能→电能。 （4）核能的利用：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。核能发电的能量转化：核能→电能。 二、能源与环境 影响 解读 空气污染、 温室效应、酸雨 燃烧煤、石油、天然气等燃料会产生大量的CO2、SO2、氮氧化合物等物质，除造成空气污染和加剧温室效应外，还会形成酸雨，导致水、土壤酸化，对植物、建筑物、金属构件等造成危害。 地质影响 过分依靠柴薪能源加剧了水土流失和沙漠化。 有害辐射 核能的开发和利用，核废料处理不当或遇到特殊情况（如地震）时，也有造成有害辐射的可能。 废物污染 煤、柴薪等能源在使用后，会产生废物、废渣等，对环境也会造成一定的污染。 热污染 化石能源产生了大量的内能，其中相当一部分没有被利用，汽车尾气就是造成城市热岛效应的罪魁祸首之一。 三、核能 1. 核能：由于原子核的变化而释放出的巨大能量叫做核能。核能的开发和利用采用以下两种方式：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。 2. 核裂变 （1）核裂变：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。 （2）链式反应：用中子轰击铀235原子核 ，铀核分裂时释放出核能，同时还会产生几个新的中子，这些中子又会轰击其他铀核，使其他铀核发生裂变……于是就导致一系列铀核持续裂变，并释放出大量的核能。 核裂变 链式反应 3. 核聚变 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。它是产生核能的另一种方式。 4. 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，能缓慢地释放出核能。能量转化：核能→内能→机械能→电能。 （2）原子弹：链式反应不加控制，大量原子核就会在一瞬间发生裂变，释放出巨大的能量。 （3）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。太阳内部时刻进行着大规模的聚变，并以电磁波的形式向外释放核能，这就是太阳能的来源。 5. 重视核安全：防止放射性物质泄漏；对核废料进行储存。 四、开发新能源 1. 太阳能 （1）太阳能的优点：太阳能的“储量”十分巨大，取之不尽，用之不竭；太阳能是一种清洁能源，使用时不会带来汚染。 （2）太阳能的直接利用 ① 把太阳能转化为内能：实质上是光热转换。例如，生活中的太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室，生产中的太阳能干燥系统、太阳能冶炼、太阳能土壤消毒杀菌技术，太阳能空调与太阳能建筑等。 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。 （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。 2. 风能：风能可用来发电，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。 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。 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。 5. 氢能源：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。 第三节 跨学科：材料的利用与开发利用 一、材料与社会 1. 人类社会发展经历的材料时代 时代 标志 意义 旧石器时代和 新石器时代 把木料、石头、动物的皮、骨等制成工具用作生活用品。 原始人智力发展中迈出的重要一步。 青铜器时代 冶炼青铜。 青铜的利用提高了社会生产力，人类进入了青铜器时代。 高性能 钢铁时代 以铁为主发展出的高性能钢铁材料成为材料家族的主体。 为人类大规模制造机器提供了材料基础，开创了人类历史的新纪元。 2. 材料与社会的关系 材料的发展促进了社会的发展，也为科学技术的发展提供了物质基础。同时，材料的发展及大量使用也带来了许多资源和环境问题。 二、材料的导电性 1. 导体、半导体和绝缘体 类别 定义 导电或 不导电原因 常见物体 应用 导体 容易导电的物体。 内部有大量可自由移动的电荷。 金属、酸碱盐溶液、石墨、大地。 制作传导电流的电线。 绝缘体 不容易导电的物体。 内部几乎没有能自由移动的电荷。 玻璃、橡胶、陶瓷、塑料、油、空气。 隔离带电体。 半导体 导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。 自由电荷数量受光、温度、压强等因素的影响。 硅、锗、砷化镓 现代电子科技产品中。 2. 半导体元件 半导体材料可以制成二极管、三极管等半导体元件和集成电路。 （1）二极管：外形及电路图中的符号如图所示。有两根引线，一根是正极，一根是负极。 （2）二极管具有单向导电性。 （3）发光二极管（LED）：发光二极管在导电时发光，不同的发光二极管可以发出不同颜色的光。 三、开发新材料 1. 超导材料 （1）超导现象：1911年，昂内斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在温度降低到4.2K（-268.8℃）时汞的电阻值突然降低到几乎为零，从而发现超导现象。 （2）超导体：发生超导现象的材料叫超导材料。物质的电阻变为零时的温度叫做这种物质的超导转变温度或超导临界温度。不同物质的超导临界温度不同。 （3）超导材料的特性和应用前景 ① 超导输电：超导材料处于超导状态时电阻为零，能够无损耗地传输电能，这意味着用细电线就可以输送极大的电流。 ② 超导磁浮：用超导磁浮特性可实现交通工具的无摩擦运行，大大提高交通工具的运行速度。 ③ 超导发电机、电动机：用超导材料做导线制作发电机、电动机的线圈，线圈不会发热（选填“会”或“不会”），可以大大提高发电机和电动机的效率。 ④超导计算机：将超导体应用于电子工业，在低温环境中可以大大减小这些电子元件的体积和能耗（因不必考虑散热问题，超导电子元件可以做得很小）。 2. 纳米材料 （1）概念：纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1～100nm范围内的材料，这大约相当于10～1000个原子紧密排列在一起的尺度。 （2）特性：纳米材料除了其基本单元的尺度小以外，在力、热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能，如它可以大大提高材料的强度和硬度，降低烧结温度，提高材料的磁性等。 （3）应用 ①研制纳米尺度的微小机器； ②用纳米材料制作的导线能大大提高计算机的性能，缩小计算机芯片的体积； ③用纳米技术做成的所谓量子磁盘能増大存储容量。 21 / 27 学科网（北京）股份有限公司zxxk.com 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $