第二十章 能源、材料与社会
第一节 能量的转化与守恒
拉长的橡皮筋
山巅的危石
运动的足球
西藏羊八井地热池
燃烧的木材
美味的蛋糕
我们的生活中都接触过哪些能量？
化学能是由于化学反应而产生的能量。
木材的燃烧是一种化学反应，燃烧时产生的光和热就来源于木材里储存的化学能；食物也具有化学能，人们的生活、工作所消耗的能量就来源于食物里储存的化学能。
多种形式的能量
核能是由于核反应，物质的原子核结构发生变化而释放的能量。
我国第一颗原子弹爆炸
我国第一颗氢弹爆炸
能量的转移与转化
【体验】能量的转移与转化
活动
1:
双手用力相互摩擦
,
感受手的温度变化
;
活动
2:
用打气筒打气
,
感受外壁的温度变化
;
活动
3:
荡秋千时
,
秋千从高处下降
,
观察秋千的摆动情况
;
活动
4:
用冰块给发烧的病人降温
;
活动
5:
挥动的球拍把球击飞。
(1)
活动
1
中双手摩擦后会发热
,
是将
能转化为
能。
(2)
活动
2
中活塞压缩气体
,
且与筒壁摩擦
,
将
能转化为
能。
(3)
活动
3
中秋千从高处下降到最低处再升高的过程中
,
能量的
转化是
__________
。
(4)
活动
4
中人的
转移为冰块的
。
(5)
活动
5
中球拍的
转移为球的
。
答案：(1)机械 内 (2)机械 内 (3)重力势能转化为动能再转化为重力势能 (4)内能 内能 (5)动能 动能
太阳光已经照耀我们的地球近
50
亿年，地球在这近
50
亿年中积累的太阳能是我们今天所用大部分能量的源泉。人类的日常生活，也无法离开阳光。
能量守恒定律
结合体验
,
回答下列问题。
1.
如图
,
分析小球在摆动过程中能量的转化
(1)小球上升时,
转化为
。
(2)小球下降时,
转化为
。
动能
重力势能
动能
重力势能
(3)
小球为什么最终会停下来
?
提示
:
小球在摆动的过程中
,
除了势能和动能不断地相互转化之外
,
在运动过程中还要产生热
,
所以造成机械能不断减小
,
因此小球最终会停下来。如果将内能一并算进去
,
总的能量还是守恒的。
参考答案
:
小球在摆动的过程中
,
还要产生热
,
造成机械能不断减小
,
因此小球最终会停下来。
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，而能的总量保持不变。
能量守恒定律
【拓展延伸】
(1)
能量守恒定律是普遍适用的规律。大到天体、小到原子核
,
无论是物理学的问题
,
还是化学、生物学、地理学、天文学的问题
,
所有能量的转化的过程
,
都服从能量守恒定律。
(2)
能量守恒定律反映了自然现象的普遍联系。如
:
植物的生长不是孤立的
,
要进行光合作用才能生长
,
光能够转化为化学能反映了这种联系。可见
,
自然界的各种现象都是相互联系的。
(3)
能量的转化和守恒是自然科学的核心内容之一
,
它从更深的层次上反映了物质运动和相互作用的本质。
能量转移与转化的方向性
1
、当一块炽热的铁块投入水中时
,
能量如何转移？
铁块的内能
水的内能
(
温度相同
)
铁块能自发地从同温度的水中吸收热量，使自己变得炽热吗？
分析
:
2
、当杂技演员沿竹竿下滑时，能量又是如何转化的？
演员的重力势能
手和竹竿的内能
手和竹竿的内能，能使演员上升吗？
分析以上事例你能得出结论吗？
我国有句俗语：“既要马儿跑，又要马儿不吃草。”你认为这可能吗？为什么？
这个
“
永动机
”
能旋转不息吗？
永动机的设计图
一、多种形式的能量
二、能量的转移与转化
三、能量守恒定律
四、能量转移与转化的方向性
第二十章 能源、材料与社会
第二节 能源的开发和利用
我们已经认识了各种形式的能，在日常生活中做饭、照明、取暖等需要能量。在工厂里机器的运转、在公路上汽车等交通工具的动力的产生等都需要能量。人类自身生命的运动、生长也需要能量
……
人类生活的一切活动都离不开能量，没有能量，人类将无法生存！
人类利用能源的历程
1
．能直接从自然界获取的能源称为一次能源。
煤
石油
风能
地热能
水能
2
．由一次能源经过加工得到的能源称为二次能源。
汽油、柴油
风力发电
水力发电
太阳能发电
地热发电
能源分类
一
次
能
源
化石能源
核能
太阳能
地热能
水能
风能
天然气
石油
煤
电能
柴油
汽油
二
次
能
源
可
再
生
能
源
不
可
再
生
能
源
人类社会的发展进步离不开能源的使用，每一次能源革命都给人类社会带来了重大的变革。
煤、石油、天然气等化石能源的利用，使人类获得大量的内能，给人类文明带来进步，但同时给人类带来环境污染，造成危害。如这些燃料在燃烧过程中产生了大量的有害气体，造成了大气污染，不但直接有害人体健康，而且会影响动植物的正常生长。
能源与环境
漂浮着的石油
雾霾笼罩下的首都
直接利用太阳能的方式主要有两种。
用集热器收集阳光中的能量来加热水等物质。实现了把太阳能转化为内能。
（1）光热转化
1.太阳能
开发新能源
热水
冷水
水箱
集热器
太阳光
集热器的原理
太阳能电池可以将太阳能转变为电能；
在航空、航 天、交通、通信等领域中有较为广泛的应用。
（2）光电转化
2.核能：在原子核发生变化时放出的能量。
★ 获得核能的两条途径是：
（1）重核的裂变
（2）轻核的聚变
用中子轰击铀核，铀核才能发生裂变，放出能量。
发生裂变的条件
将火柴搭成左下图所示结构，点燃第一根火柴后，会发生什么？
链式反应
（1）重核的裂变
核电站的核心设备是核反应堆。核反应堆是原子核发生链式反应的场所。
1942
年，人类利用核反应堆第一次实现了可控制的铀核裂变。
目前，全世界已经建成了几百座核电站，核电发电量接近全球发电量的
1/5
。
核电站利用核能发电
链式反应如果不加以控制，大量原子核就在一瞬间发生裂变。释放出极大的能量。
在人类实现可控核裂变大约三年后，即
1945
年，利用不加控制的核裂变制造的毁灭性武器
——
原子弹爆炸了。
将质量较小的原子核结合起来，也会释放出巨大的核能。
氘
氚
氦核
中子
氘核与氚核在超高温下结合形成氦核和一个中子，能释放大量核能。这一过程就是聚变。
能量
聚变
（2）轻核的聚变
其他新能源的开发与利用
风能
潮汐能
地热能
1
．能源与社会
可再生能源和不可再生能源
2
．能源与环境
3．开发新能源
太阳能、核能、地热能、潮汐能、风能
第二十章 能源、材料与社会
第三节 材料的开发和利用
我们周围大大小小的物品都是由各种材料制成的。
人类社会的发展与人们对材料的认识、开发和利用密切相关，人类发展过程中先后经历了石器时代、青铜时代和钢铁材料时代。
材料与社会
材料的导电性
根据材料的导电性能，材料可分为导体、半导体及绝缘体三大类。
容易导电的材料是导体；不容易导电的材料是绝缘体。
半导体可以制成二极管、三极管等半导体元件和集成电路。
半导体二极管有单向导电性，半导体三极管可以用来放大电信号。
【实验探究1】
导体和绝缘体
活动:准备电池、开关、导线、铁钉、铜丝、橡皮、小灯泡等,连接成如图所示的电路。
活动
:
如图所示
,
闭合开关
,
将夹子接触
,
观察到小灯泡发光。然后断开开关
,
在
A
、
B
两点间分别接入铁钉、铜丝、橡皮
,
观察小灯泡发光情况。
(1)
在
A
、
B
间接入铁钉
,
闭合开关小灯泡
,
铁钉
电。
(2)
在
A
、
B
间接入铜丝
,
闭合开关小灯泡
,
铜丝
电。
(3)
在
A
、
B
间接入橡皮
,
闭合开关小灯泡
,
橡皮
电。
提示
:(1)
发光 导
(2)
发光 导
(3)
不发光 不导
【实验探究2】
二极管的单向导电性
活动:准备电池、开关、导线、二极管、小灯泡,连接成如图所
示的电路。
活动:如图甲所示,闭合开关观察到小灯泡发光。然后断开开关,
在
A
、
B
两点间接入二极管观察小灯泡发光情况。
(1)
在
A
、
B
间接入二极管
,
二极管的
C
端接电源负极
,
闭合开关小灯泡
(
选填“发光”或“不发光”
)
。
(2)
在
A
、
B
间接入二极管
,
二极管的
D
端接电源负极
,
闭合开关小灯泡
(
选填“发光”或“不发光”
)
。
答案
:(1)
发光
(2)
不发光
开发新材料
其中有一种性能较好的材料叫超导材料。
为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们正在不断地研究性能更好、更容易制造的材料。
1911
年，昂内斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在测试温度降低到
4.2K
时，汞的电阻突然降低到测量不到的微小值。从而发现超导现象。
一、超导材料
O
4.2
温度
T
/K
电阻
R
/Ω
汞电阻随温度变化的图线
超导体
1.
超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附近时，某些材料的电阻率突然减小到无法测量的程度，可以认为其电阻率突然变为零，这种现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质称为超导体。
2.
转变温度
T
C
：材料由正常状态转变为超导状态的温度，叫做超导材料的转变温度。
3.
超导体的两个基本特性：零电阻性、抗磁性
超导材料出现以后，人们首先想到的是利用超导体的零电阻性实现远距离大功率输电。
很细的超导丝就可以输送强大的电流
1.
纳米是一个长度单位：
1 nm=10
-9
m
2.1nm
小到什么程度？
(10
个分子紧密排布的长度，大 约是一根头发丝的
1%)
3.
纳米材料除了其基本单元空间尺度小外，在力、热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能。
二、纳米材料
纳米颗粒材料
碳纳米管
纳米超晶格
想象中的纳米
“
机器人
”
计算机芯片中的纳米导线
材料
与社会
材料的
导电性
开发
新材料
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