图示为格尔木光伏电站，位于青海省西部的柴达木盆地，于 2011 年建成并网发电。电站总规划装机容量达 7 210 MW。太阳能光伏发电是利用太阳能电池吸收太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。世界各国对环境的保护和对再生清洁能源有着巨大需求，还有哪些可开发利用的新能源呢？

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 12–1  采用电池供电的新能源公交车

 

自然界中处处充满能量，能量无所不在，而它的表现形式是多种多样的。以汽车为例：汽车行驶，具有动能；鸣响喇叭，声波在空气中传播，是声能的表现；打开车灯照亮道路，这是光能的作用。如图 12–1 所示的新能源公交车内部电池中贮存着电能，电能转化为声能、光能、机械能等能量形式。此外，自然界还有原子核能、引力势能、生物质能等。正是由于在这个世界上到处有能量存在，而且这些能量还可以相互转化，才使得我们这个世界绚丽多彩，充满了生机和活力。

能量在日常生活中的表现更是多种多样：按下开关，台灯亮起；点燃煤气，煮饭烧菜；人吃饱饭，充满力量……这些都反复证明，能量不仅普遍存在，而且无时无刻不在发挥作用。

能量来自能源。能源是能提供多种形式、可以相互转换的能量的源泉。简单确切地说，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源。人类利用的能源有太阳、草木、风、水、煤、石油、天然气等。

能源有若干种，人类为了更好地认识能源，按照不同的分类准则对其进行了分类。

能源按来源可分为三大类：来自太阳的能源、地球本身蕴藏的能源及太阳、月球等天体与地球的相互作用产生的能源。来自太阳的能源有太阳光的热辐射能和间接来自太阳的煤、石油、天然气以及生物质能、水能、风能等；地球本身蕴藏的能源有地热能和核燃料（如铀矿等）所蕴藏的原子核能；太阳、月球等天体与地球的相互作用产生的能源有潮汐 能等。

能源按生产的方式分类可分为一次能源和二次能源。一次能源是指在自然界现成存在的能源，如太阳能、水能、煤、石油、天然气等；二次能源是指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、焦炭、煤气、蒸汽等。 一次能源又可分为可再生能源和不可再生能源两大类。可以不断得到补充，或能在较短周期内再产生的能源称之为可再生能源，如太阳能、生物质能、风能、水能、潮汐能等；经过亿万年形成而短期内无法恢复的能源称之为不可再生能源，如煤、石油、天然气等。

还有其他不同的能源分类方式。如按能源的性质可分为燃料能源、非燃料能源；按能源的利用技术可分为常规能源、新能源等。

从保护环境和可持续发展的角度来看，煤、石油和天然气等燃料，不仅存量有限，而且有的燃料在使用时会排放大量有害气体，引起温室效应和大气污染。而太阳能、水能、风能具有可再生、无污染等特点。人们一直在研究和开发这些“清洁能源”，同时也在发展和利用核能。

 

1．水能

水力发电是利用水能的主要方面。一般需筑坝拦截江河水流或蓄水成水库，水流自上而下冲击安装在坝底的发电机组发电。可见水力发电的能源乃是上游水的势能。归根结底，能量来自太阳，因为上游水主要来自雨水，而雨水是靠太阳蒸发地表水系成为水汽，凝结成云而化雨下落。

我国三峡水电站（图 12–2）位于湖北省宜昌市三斗坪镇境内，总装机容量达到 2 240 万千瓦，是我国最大的水力发电站和清洁能源生产基地。三峡水电站通过华东电网保障了上海市巨大的用电量。三峡工程是一项极具综合效益的水利工程，集发电、防洪、航运、供水灌溉等多种效益于一体。

水能不仅可再生，而且成本低、效率高。许多国家在规划电力工业时也往往优先发展水电。

2．风能

风力发电是利用风能的最重要的方面。风力发电就是把风的动能转化为电能。如图 12–3 所示的上海市东海大桥 10 万千瓦风电场是中国第一个国家海上风电示范项目。该项目位于上海市浦东新区临港新城至洋山深水港的东海大桥两侧，海上风电机组全部是我国自主研发。每年为国家节约燃煤几十万吨，减排大量二氧化碳。

 

风能也是太阳能的一种转化形式。太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀，引起大气层中气压分布不均匀，从而形成风。风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染，但存在风能转换效率偏低的发展瓶颈。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

3．太阳能

太阳能的利用有光热转换和光电转换，光伏发电是一种新兴的可再生能源，是太阳能利用的重要方面。光伏的含义是利用半导体技术直接将太阳的光能转换成电能（称为光伏效应）输出，相应的发电元件称为太阳能电池或光伏电池。简单的光伏电池可为手表、计算器、路灯（图 12–5）提供能源，较复杂的光伏发电系统把光能转换成电能并实时输送上电网。我国太阳能光伏发电潜力巨大，到 2030 年光伏装机容量将达 1 亿千瓦，年发电量可达 1 300 亿千瓦·时。

太阳能既便捷又环保。阳光普照大地、无需开采运输，可直接利用，且清洁无污染。同时，太阳能既量大又长久。每年照射到地球表面的太阳能相当于 130 万亿吨煤，其总量属当今世界最大能源。科学家认为太阳寿命仍有约 50 亿年，因此，太阳能可谓取之不尽、用之不竭。

我国太阳能发电技术走在世界前列，已成为世界最大的太阳能发电国。

 

4．核能

核能是一种重要的新能源。我国核电工业历经艰辛，已具一定规模。其中秦山核电站（图 12–6）是中国自行设计、建造和运营管理的第一座 30 万千瓦压水堆核电站，地处浙江省嘉兴市海盐县。秦山核电站采用目前世界上技术成熟的压水堆，核岛内采用燃料包壳、压力壳和安全壳 3 道屏障，能承受极限事故引起的高压、高温和各种自然灾害等异常情况。秦山核电基地经过多次扩建，9 台机组的总装机容量达到 650 多 万千瓦，年发电量约 500 亿千瓦·时，成为国内核电机组数量最多、堆型最丰富、装机容量最大的核电基地。

核能的能量释放速度极快；并且核燃料的能量密度比传统化石燃料高几百万倍，因此核电厂所需的燃料体积小，运输储存都很方便。如果对核能有正确的认识，安全生产，核能也会和其他新能源一样为人类发展提供强有力的能量保障。

核裂变

1939 年，物理学家发现用中子轰击铀 核时铀核分裂成几个其他原子核，同时释放出能量。较重的原子核分裂成几个较轻的原子核的过程叫做核裂变（图 12–7）。 一个铀 235 核裂变可释放约 200 MeV 能量（eV 是能量单位，称为“电子伏特”， 1 eV = 1.6×10⁻¹⁹ J，1 MeV = 10⁶ eV）。若有足够数量的铀核裂变且能持续进行，那么，所释放的能量就能为人类所用。

 

如图 12–9 所示，铀核受中子轰击而发生裂变时能放出 2 ~ 3 个中子和一定的能量。这 2 ~ 3 个中子又迅速引起周围其他铀核的裂变，这就使裂变迅速扩大，释放出越来越多的能量。这种反应过程的产物可以引起随后的反应，因而使这种反应一经开始就能自动持续进行的反应过程叫做链式反应。链式反应能够迅速释放巨大的核能。

铀材料的体积大小是产生链式反应的一个重要条件。由于原子核非常小，如果铀块的体积不够大，中子射入铀块时可能一个铀核都没碰到就穿了出去。能够发生链式反应的铀块的最小体积叫做临界体积。如果一块铀 235 的体积超过了临界体积，只要有中子进入就会立即引起铀核的链式反应，在极短时间内释放出大量核能，会发生猛烈的爆炸。原子弹就是根据这个原理制成的。

为了控制核裂变的链式反应速度从而安全稳定地利用核能，必须建立一种装置，使铀核不但能发生链式反应，而且中子的再生率是可以控制的。这种装置叫做反应堆。

目前，利用核能发电的技术已经成熟。作为核燃料的铀、钍等元素在地球上的可采储量的核能是煤、石油等所能提供的能量的 15 倍左右。因此，发展核电的前景广阔。

核聚变

若干个较轻的原子核也可以结合成一个较重的原子核，同时释放出巨大能量，这样的过程称为核聚变。太阳能就来源于太阳内部氢的核聚变。氢弹也是依靠核聚变释放出巨大的能量，是不可控核聚变。在我国的氢弹研究事业中，“两弹一星”元勋、核物理学家于敏（1926—2019）突破了氢弹原理研究的一系列问题，填补了我国原子核理论的空白，对我国的氢弹研制起到了关键作用，被誉为中国“氢弹之父”。他隐姓埋名 28 载，不求名利，无私奉献，为我国的国防科技事业做出了重要贡献。

可控核聚变是未来人类能源的理想来源，相比核裂变，核聚变的放射性污染等环境问题少很多。如氘和氚的核聚变反应，其原料可直接取自地球上储量巨大的海水。目前科学家们正在攻克可控核聚变问题。中国科学院合肥物质科学研究院研制的世界上第一个非圆截面全超导托卡马克装置，即可控核聚变反应装置，被叫做“东方超环”，也被称为“人造小太阳”，2019 年已实现在 1×10⁸ ℃ 条件下运行 10 s。

整章分析

学习目标

1．了解利用水能、风能、太阳能和核能的方式；初步认识核裂变和核聚变；知道能量在转化过程中总量保持不变，能量转化具有方向性；了解能源及其分类；逐步增强能量观念。

2．通过关注生产生活中的能源利用及其对环境的影响，增强环境保护的意识和自觉行为。

3．认识能源开发与利用对人类生活和社会发展的影响，关注科学·技术·社会·环境的关系，培养分析和解决实际问题的能力与社会责任感。

编写意图

课程标准中对本章的“内容要求”为：

3.4.1  了解利用水能、风能、太阳能和核能的方式。初步了解核裂变与核聚变。

3.4.2知道不同形式的能量可互相转化，在转化过程中能量总量保持不变，能量转化是有方向性的。

3.4.3  了解可再生能源和不可再生能源的分类，认识能源的过度开发和利用对环境的影响。

3.4.4认识环境污染的危害，了解科学·技术·社会·环境协调发展的重要性，具有环境保护的意识和行为。

本章是从不同的视角对能源分类，进一步了解关于分类的知识和新能源的开发与利用。通过对如何预防污染、可采取哪些方式节能减排及对清洁能源和太阳能的利用等课题的研究，认识科学对技术的推动作用，体会科技进涉对人类生活和社会发展的影响。

能源与可持续发展等内容的学习有助于领会能量转化与守恒的能量观念，认识能源的过度开发和利用对环境的影响，明确保护环境、节约能源、促进可持续发展的重要意义。

完成本章内容的学习，共需要 5 课时。其中，第一节 1 课时，第二节 1 课时，第三节 1 课时，学期活动 2 课时。

本章教材解读

格尔木光伏电站是我国已建成的大型光伏发电站。光伏发电是一种新兴的可再生能源，是太阳能利用的重要方面。太阳辐射能是一种自然能源．每年照射到地球表面的太阳能相当于 130 万亿吨煤，其总量属当今世界最大能源。现在公认太阳寿命仍有 50 亿年，太阳能可谓取之不尽、用之不竭。

太阳能无需开采运输，可直接利用，清洁无污染，既量大又长久；是国际公认为未来最具竞争性的能源之一。

我国太阳能光伏发电潜力巨大，尽管我国太阳能发电技术已经走在世界前列，已成为世界最大太阳能发电国，但太阳能的利用率仍有很大的研究空间。借此巨大壮观的场景，号召有兴趣的同学将来投身于太阳能开发利用领域，为人类的可持续发展做贡献。

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本节编写思路

通过“大家谈”进一步熟悉能量在日常生活中的表现的多样性及其来源，进而引出能源分类方式。再次通过“大家谈”引导关注可再生能源与不可再生能源的特点。

通过三峡水电站、东海大桥风力发电场、太阳能路灯等实例介绍水能、风能、太阳能在生产生活中应用。通过秦山核电站的介绍了解核能的可控与和平利用。

让学生了解核裂变和核聚变。通过“多米诺骨牌”的自主活动了解链式反应；通过中科院研制“东方超环”的介绍，了解可控核聚变的研究前沿。

在学习过程中，了解科学知识在新能源的开发和利用中的应用，体会科学·技术·社会·环境关系。

正文解读

上海已将公交车全部更换为新能源汽车，这是上海市清洁空气行动计划中的一项重要举措。发展新能源车是汽车行业的趋势，减少用油就是减少碳排放。通过节首图引导学生关注公共交通，关注新能源汽车电池的研究。

 

此处设置“大家谈”是要学生意识到，我们的生存和所有的日常活动都是在消耗能源。提问我们的能源哪里来，深层次的意义是要学生体会能源的有限与宝贵，人人都要珍惜，不要浪费。

 

对能源分类学习的目的之一是让学生认识对事物进行分类要依据一定的标准，这也有助于学生厘清生活中关于能源名称的多种表述的含义。

 

此处的“大家谈”是要让学生意识到我们每天用掉多少不可再生能源。进一步可启发学生思考“不可再生”的社会意义，从而引导学生关注社会，激发学生的社会责任感。

 

关于新能源的开发和“清洁能源”的使用所举的实例都是我国为改善民生、增强国家综合实力所采取的重大举措或成就，有利于激发和提升民族自豪感。

 

此处的“STSE”不仅仅是表现上海中心这座现代化建筑是多么壮观，更是引导学生去了解和探寻它的“现代”体现在哪些地方，真实感受现代建筑涉及的科学与技术，开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣。

 

尽管太阳能是人类最早利用、也是最直接利用的原始能源，直到今天关于太阳能的利用仍在不断研究与创新之中。太阳能发电就是把太阳辐射能直接或间接转化为电能。一类是利用阳光的热效应加热水，再利用蒸汽驱动涡轮带动发电机发电；另一类是利用太阳能电池直接把光能转为电能。太阳能电池与光伏发电，是我国重要的能源产业。无论哪一类，将太阳能转化为电能的效率都还有很大的提升空间。

太阳给人类带来温暖的同时，太阳也不断向外喷射出高速带电粒子流。这些高速带电粒子流流动时所产生的效应与空气流动十分相似，所以称它为太阳风。在地球上，12 级台风的风速是 32.5 m/s 以上；而太阳风的风速可达 200 ~ 800 km/s。这些高速带电粒子流与地球附近的空气分子不同，太阳风暴的冲击会干扰人类正常的无线电短波通信。可指导学生查阅研究太阳能热发电的技术及其发展历程，引导学生关注太阳能的利用与研究。

 

通过此处的“大家谈”引导学生了解技术与社会的关系，也为学生后续关于“清洁能源与太阳能利用”的课题研究启发思路。

 

核电池不同于日常使用的电池，它的全称是放射性同位素热电发生器，简称 RTG。核电池的原理与核发电站相类似，它利用了放射性元素衰变过程中产生的热能，热能推动发电设备工作，产生电能。航天器上采用的核电池一般是放射性元素钚 – 238。钚 – 238 不像其他的天然的放射性同位素，它需要由人工制造，通过在特定的核反应堆中由中子轰击 镎 – 237 才能获得。钚 – 238的生产成本昂贵、产量也非常低，目前只有极少数国家有能力批量生产。核电池与太阳能电池相比，核电池不受天气与灰尘的影响，其稳定性更好。核能是人类未来能源的重要来源。了解核裂变和核聚变的最新研究成果，不仅有助于培育学生的科学素养，也希望能促进有兴趣的同学进一步去学习和研究核物理。

 

此处的“自主活动”模拟链式反应，目的是让学生体会利用类比的方法解释科学问题。既调节学生的学习方式，也能丰富教师的教学方法。起到活跃课堂气氛，激发学习兴趣的作用。

多米诺骨牌排列的式样可以多种多样，排列骨牌的关键要素是骨牌之间的间距要均匀、适中，在倒下的过程中只碰倒邻近的骨牌，碰撞点应在骨牌重心上方，尽量不要碰撞在骨牌的顶端。

问题与思考解读

1．参考解答：机械运动对应机械能，热运动现象对应内能，电荷的定向移动对应电能。

命题意图：回顾每种运动形式都有对应的能量，强调运动与相互作用以及能量观念。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）。

 

2．参考解答：重核裂变时放出的可以使裂变不断进行下去的粒子是中子。要使链式反应发生，裂变物质的体积要大于其临界体积。

命题意图：初步了解链式反应的基本条件，认识物质的运动与变化是需要满足一定条件的。

主要素养与水平：模型建构（Ⅰ）。

 

3．参考解答：声波的能量来自喇叭振膜振动的机械能；振膜的机械能来自喇叭电源的电能；声波的能量最终转化为空气的内能。

命题意图：巩固能量转化与守恒的认知。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

4．参考解答：垂直于地球表面的有效辐射面积可以等效视为地球大圆面积，即 πR²。因此，每秒辐射到地球的总能量 Q = 1 361 × π ×（6.371 × 10⁶）² J = 1.735 × 10¹⁷ J。

命题意图：通过模型构建与等效替代的思想方法，了解地球与太阳之间的能量传递与利用，知道有“太阳常数”这个名词，再次认识太阳能。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；模型建构（Ⅰ）。

 

5．参考解答：风力发电机每分钟产生的电能 W = Pt = 160 × 60 J = 9 600 J，每分钟风所做的功为

W₀ = ΔE_k = （30 000 – 18 000）J = 12 000 J，因此发电机效率为 η = \(\frac{W}{{{W_0}}}\) = \(\frac{{9600}}{{12000}}\) × 100% = 80%。

命题意图：初步了解能量转化的技术途径与转化效率。

主要素养与水平：能量观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅱ）。

资料链接

太空探测器中的太阳能利用

太空探测器是人类研究宇宙的重要工具，太空探测器中各种仪器设备都需要电能来维持运作。在太空中能够利用的能源有限，早期探测器采用太阳能提供能量，现在也有用核电池供电的探测器。如我国首辆祝融号火星车采用的是太阳能动力。“祝融号”火星车利用太阳能的方式有三种：一种方式是通过太阳能电池板的转换直接为车上的科学仪器提供充足的电力。在火星的中午前后阳光充足，火星车会把一部分电能储存在蓄电池中，以备夜间使用，这是“祝融号”火星车利用太阳能的第二种方式。科学家还设计了一种利用物质相变吸收太阳能的方法：在火星车顶部的集热窗里装有正十一烷，正十一烷白天吸收太阳能温度升高而熔化，存储能量；到晚上无太阳光照射时温度下降，正十一烷由液体凝固为固体，同时释放热量给机器设备保温，以保障火星车安全度过漫漫寒夜。

热中子反应堆与快中子反应堆

核反应堆指的是一种可控制的核裂变或者核聚变链式反应的装置。我国目前商用核电站的主要堆型是热中子堆（或称慢中子堆）。热中子反应堆是用含轻元素而又吸收中子少的物质，如重水、铍、石墨、水等，把核裂变反应中产生的自由中子速度降低，使之成为热中子，再利用热中子来进秆链式反应的一种装置。热中子又称“慢中子”，通常指动能小于 1 eV 的中子，其速度大小约几千米/秒。

快中子反应堆（简称快堆）是以快中子引起裂变链式反应的核反应堆，快堆是没有中子慢化剂的核裂变反应堆，核裂变反应十分剧烈，必须使用导热能力很强的物质把堆芯产生的大量内能转移并用于发电。快堆是国际公认的第四代先进核能系统中的优选堆型。快中子是指在核裂变反应中产生的自由中子，其动能大于 0.1 MeV，速度大小约为光速的 5%。

铅铋冷却快堆可以发展为移动式小型核反应堆，使之成为真正的移动电源，便于为偏远地区、深海空间站及其他水下核动力设备供电，也有研究用于核动力飞机、核动力导弹（理论表明发射之后拥有无限飞行的能力）等。核反应堆小型化的应用前景广阔，但也存在核泄漏风险。