«ЭНЕРГЕТИКА ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА» Интегрированный урок физики и экологии.
методическая разработка по физике (10 класс) по теме

                 «ЭНЕРГЕТИКА ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА»

                Интегрированный урок физики и экологии.

Учитель физики МОАУ гимназии №25 г. Благовещенска

Хабарова Ольга Николаевна.

Эпиграф.

Недалеко то время, когда человек

получит в свои руки атомную энергию...

сумеет ли он воспользоваться

этой силой на добро, а не на самоуничтожение?

Дорос ли он до умения использовать эту силу?

В.И. Вернадский

Экономика будущего - это прежде

всего экономика Мирового океана

С. Струмилин, академик.

Задачи:

1) Сформировать у учащихся представление об

альтернативных источниках  энергии.

2) Проверить правильность усвоения знаний о

современных  источниках  энергии ТЭЦ, ГЭС, АЭС.

3) Продолжить экологическое воспитание. Обратить

внимание на  экологические проблемы при

использовании различных видов источников энергии.

4) Выяснить пути  решения этих проблем.

5) Выявить основные проблемы загрязнения окружающей

среды Благовещенской ТЭЦ, а также  экологические

проблемы Зейской ГЭС, Бурейской ГЭС

 Оборудование: Таблицы : "Схемы ТЭЦ"

                                                     "Схемы ГЭС"

                                                     "Схемы АЭС"

Видеофильм "Последствия работы ТЭЦ",

Компьютер, Мультимедиа, экран, диски "Физика l 0-l l ",

Мультимедийный курс, фрагмент "Работа паровой турбины".

                                       Ход урока

Учитель биологии: Сегодня мы продолжим изучение темы

"Энергетика". Повторим основные источники

энергии, ещё раз остановимся на экологических проблемах.

- Бурно развивающаяся  экономика на рубеже XXI века

требует всё больших энергетических затрат. Когда-то казавшиеся

неистощимыми, такие источники, как нефть, газ иссякают

буквально на наших глазах. Освоение новых месторождений этих

ископаемых становится делом всё более трудным: за ними

приходится идти всё дальше на север и восток, устремляться всё

глубже в недра Земли, при этом стоимость их постоянно

повышается. Ученые говорят, что при современных объёмах

Энергопотребления разведанных запасов органического топлива на

Земле хватит примерно на 150 лет, в том числе

нефти на 35 лет,

газа на 50 лет,

угля . на 425 лет.

Но без топлива и тепла жизнь вообще немыслима. Так не грозит ли

нам в ближайшем будущем энергетический голод? Не придётся ли

нам вскоре, как встарь, зажигать лучины?

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ: Чтобы ответить на это вопрос, мы, прежде

всего, должны вспомнить, что является источником электрической

энергии сегодня ,т. е. какими способами получают электрическую

энергию.

- Самым «древним» источником электроэнергии является ГЭС.

УЧАЩИЙСЯ: Гидроэлектростанция - это комплекс

сложных сооружений, предназначенный для превращения

энергии потока воды в электрическую энергию. ГЭС состоит из

плотины, которая удерживает воду в водохранилище и помогает

создать необходимый напор воды. По специальным каналам в

плотине вода течёт к турбине и вращает её. Турбина, в свою

очередь вращает  ротор генератора, который вырабатывает

электроэнергию.

Часто ГЭС строятся по принципу  каскадности, это когда по

течению реки расположено несколько ГЭС. Это нужно не только для

повышения выработки электричества, но и для удовлетворения нужд

водного транспорта, рыбного хозяйства и водоснабжения.

УЧИТЕЛЬ ЭКОЛОГИИ: Наносит ли вред окружающей среде

строительство и эксплуатация ГЭС?

Сооружение водохранилищ перед плотиной ГЭС

приводит к затоплению значительной прилегающей территории

(лесных и сельскохозяйственных  угодий,  жилых поселков,  месторождений

полезных ископаемых)  и влияет на рельеф побережья в районе

сооружения ГЭС, особенно при её строительстве на равнинных

реках. При интенсивном испарении влаги с поверхности

водохранилищ возможны локальные изменения климата

повышение влажности воздуха, образование туманов, усиление

ветров и т.п.

Сооружение ГЭС существенно влияет на ледовый режим,

 на сроки ледостава, толщину ледяного покрова. К

серьёзным негативным экологическим последствиям

строительства ГЭС на равнинных реках относят:

• снижение скорости течения реки, замедление

водообмена  и самоочищения

•  повышение сейсмической активности в некоторых районах вследствие меняющегося уровня  давления воды на литосферу,
• подтопление берегов, заболачивание, оползневые процессы,
• развитие сине-зелёных водорослей, сокращение стада ценных промысловых рыб и др.

Член экспертной группы:  А есть ли проблемы у Зейской ГЭС?

Ученик: Конечно, есть, и не одна:

-затоплено огромное количество площадей

земли,

-замор рыбы,

• затопление деревьев, которые теперь разлагаются, губят всё живое в воде, а брёвна-топляки мешают плаванию судов,
• влажность воздуха: при температуре - 40, увеличивается опасность простудных заболеваний,..

УЧИТЕЛЪ ЭКОЛОГИИ: Мы немало услышали отрицательных

моментах, возникающих при работе с ГЭС, а есть ли

положительные аспекты ?

   Ученик:Я считаю, что положительные аспекты работы

ГЭС есть. Во-первых- это электроэнергия, которую вырабатывает ГЭС, без чего жизнь человека невозможна.

  Во-вторых- регулировка стока воды с помощью плотин и водохранилищ.

В-третьих- орошение полей.

В-четвёртых- защита прилегающих территорий от

наводнений также с помощью плотин и водохранилищ.

В-пятых-, водохранилища создают условия для разведения озёрных пород рыб, для массового отдыха. Улучшается условия судоходства.

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ: Что характерно для ТЭС?

Ученик: Типы электростанций различаются  характером двигателей, вращающих роторы генераторов.

Источником энергии на ТЭС служит топливо: уголь, газ, нефть, мазут. Оно поступает конвейерным способом из цеха подачи

топлива. В котельный цех, где при его сжигании освобождаемая энергия расходуется на нагрев воды, превращение её в пар и нагревание пара в паровом котле. При давлении 25 МПа и температуре равной 550С пар поступает по трубам в турбинный цех, где попадает на лопасти турбины, вращая её. Вал турбины жёстко соединён с валом генератора, который и осуществляет превращение механической энергии в  электрическую.

          Коэффициент полезного  действия ТЭС достигает 40%.

УЧИТЕЛЬ ЭКОЛОГИИ: Каков же вред окружающей среде от эксплуатации ТЭС?

ФРАГМЕНТ ВИДЕОФИЛЬМА ''Благовещенская ТЭЦ''

 Ученик: Основным источником энергии в нашей стране является тепловая энергия, получаемая от сгорания органического топлива - угля, нефти, газа, горючих сланцев. Вместе с тем ТЭС является крупнейшим загрязнителем окружающей среды. Наиболее характерно химическое и тепловое загрязнение. Поскольку сгорание топлива не бывает полным, то при сжигании топлива образуется большое количество золы, диоксида серы.. Эти вещества загрязняют окружающую среду и влияют на все компоненты природы. Так, СО2 вызывает кислотные дожди. они, в свою очередь, закислят почву, изменяют кислотность вод. Наиболее чувствительны к СО2 хвойные и лиственные леса. При содержании  его                                                    

в воздухе от 0,2З до 0,32 мг/м  происходит усыхание сосны за2 - 3 года в результате нарушения фотосинтеза.

Уголь эффективно используется в котлах ТЭС ,коэффициент использования его, достигает 90%, а тепловая отдача- всего лишь 30%. Остальное тепло теряется

в атмосфере. Тепловые выбросы приводят к росту среднегодовой температуры, образуются «острова теплоты» .

      Проблема снижения жёсткого прессинга ТЭС на окружающую среду должна решаться на каждом этапе технического процесса , производства, начиная с подготовки сырья. Хорошие результаты даёт предварительное облагораживание угля с помощью нагрева, в результате чего удаляется   большая  часть   влаги и другие летучие примеси.

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ: Более современным источником энергии являются атомные станции. Послушайте об устройстве станций и экологических проблемах.

Ученик: На сегодняшний день АЭС является наиболее выгодным производителем электрической энергии.

Первая АЭС была построена  в 1954 г.  Её мощность была равна 5МВт. .

 Одна из самых сложных и важных проблем _ это РАО(радиоактивные отходы) количество которых с каждым днём растёт. РАО могут быть, твёрдыми, жидкими, газообразными. Проблема в том, что РАО

нужно перерабатывать или «хоронить» т.е. помещать в специальные

хранилища, так называемые могильники , могильниками могут быть: глина, скальные породы, каменная соль. Переработка, РАО у нас в стране ведётся, но незначительными темпами, поэтому количество РАО растёт ежегодно.

    Ещё одна проблема, не отличается от предыдущей- это демонтаж АЭС, ресурс которой отслужил 30- летний срок. Уже к 2010 году 2/3 АЭС выработают свой технический ресурс. При аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивные вещества, выброшенные в атмосферу, были зарегистрированы за границей, а

именно: в Австрии, Германии, Польше, Швеции.

Поэтому- нужно обеспечивать безопасность эксплуатации АЭС.

Во- вторых, нужно располагать АЭС вблизи больших водоёмов. В -третьих необходимо учитывать экологический и геологический прогноз, чтобы не строить станцию на песчано-глинистых подвижных почвах, в сейсмических зонах. Надо располагать атомные реакторы под землёй, в скальных породах, как это делается в Швеции.

УЧИТЕЛЬ ЭКОЛОГИИ: Все вопросы арифметики

                                            Подсчитали энергетики.

                                            Первый плюс-В домах

                                            тепло, Новый плюс - везде

                                            светло, плюс - удобства,

                                            скорость плюс... Но

                                           скажу, не ошибусь: И для

                                           нас, и для природы: минус

                                           - топлива отходы.

- Итак, как мы видим, ГЭС, ТЭС, АЭС наносят  вред окружающей среде, может быть, есть необходимость использовать альтернативные источники энергии, экологически чистые?

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ: Такие альтернативные источники используются, но не в таком масштабе, как атомные или тепловые.

Самым распространённым источником энергии является энергия

солнца преобразованная в электрическую.

Ученица: Масштабы использования энергии солнца продолжают увеличиваться  и в отличие от ядерной ,стоимость энергии, получаемой на солнечных установках, постоянно снижается.

- Солнце поставляет на нашу планету 7. 10¹⁷ кВт/ч энергии электромагнитного излучения. Фотогальванические элементы (ФГЭ) превращают свет в электричество. Такие солнечные батареи могут служить до 30 лет в качестве источников питания для  калькуляторов, часов и искусственных

спутников. Механизм их действия основан на том, что поток фотонов от

Солнца, попадая на поверхность двухслойного полупроводника

(например, из кремния), возбуждают электроны. Те мигрируют к поверхности раздела между кремниевыми  пластинами и генерируют там разность потенциалов.

            Солнечные термальные установки или зеркальные гелиоконцентраторы преобразуют солнечную энергию в тепловую. Они просты в устройстве и достаточно распространены. Система следящих за Солнцем зеркал  фокусирует его лучи  и собирает их энергию, для того, чтобы довести до кипения рабочую жидкость (Н2О или лучше жидкий NH3). Кипятильник работает, как обычная

тепловая машина  и может вырабатывать электричество, отдавая теплоту электрогенератору. Создание лёгких зеркал и применение жидкостей с повышенной теплопроводностью могут существенно улучшить качество солнечных термальных установок.

            ФГЭ используются на искусственных спутниках Земли. В космосе нет поглощения, характерного для земной атмосферы. Поэтому на 1 м² поверхности искусственного спутника солнечной энергии попадает гораздо больше, чем на

1 м² Земли. Нет там и облачности, а самое главное, нет ночи! Поэтому ФГЭ предполагают размещать на специальных платформах, вращающихся вокруг Земли по спутниковым орбитам. На Землю собранная энергия будет поступать в

виде потока излучения с преобразованной частотой  микроволнового излучения  На Земле это излучение преобразуется в электроэнергию.

         Генератор «Океан – Солнце». Работа этого генератора, пока ещё

тоже находится в стадии модели, основана на использовании для выработки энергии разности температур в океане, Поверхностные воды в

тропиках обычно нагреты Солнцем да 20-25 С, на глубинах же в l км-

2 км температура падает до 5С. остаётся только создать

конструкцию с непрерывным рабочим циклом  тепловой

машины

   В Амурской области строительство гелиоустановок

невозможно, хотя Амурская область по количеству солнечных дней приближена к Крыму (280 солнечных дней), потому что у нас большая облачность в течение года, что уменьшает количество световой энергии, падающей на поверхность Земли.

Ученик: ПЭС- приливные электростанции. С точностью часов 2 раза в сутки уровень океана то поднимается, то опускается. Это гравитационные силы Луны и Солнца притягивают к себе массы воды. Вдали от берега колебания уровнями воды не превышает l м, но у самого берега они могут достигать 13 м. если залив или устье реки перегородить плотиной, то в момент наибольшего подъема воды в таком искусственном водохранилище можно запереть сотни

миллионов кубометров воды. Когда же в море наступает  отлив, между уровнями  воды в водохранилище и в море создаётся перепад,

достаточный для вращения гидротурбин, что используется на ПЭС.

Устройство ПЭС примерно такое же, как и на ГЭС, только  гидротурбина установлена горизонтально и ниже имеется резервуар, позволяющий воде проходить свободно. Электроэнергия вырабатывается как при приливе, так и при отливе. Например, во Франции работает крупное сооружение - ПЭС  мощностью 240000 кВт, самое интересное, что многочисленные опыты доказывают её абсолютную экологическую чистоту: залив превращается в

спокойное озеро, стал излюбленным местом отдыха и туризма. ПЭС не влияет на миграцию рыб.

      В нашей стране гораздо больше возможностей строить ПЭС, но

это не делается. Минус ПЭС, небольшая  мощность, энергией

снабжаются только прибрежные районы, в момент отлива, когда

кончается вода, ПЭС бездействует.

Ученик: Ветроэнергетические ресурсы приземного слоя атмосферы

огромны и ранее широко использовались на ветряных мельницах. Старая добрая ветряная мельница называется теперь ветродвигателем или ветроэнергетической установкой. Вместо мельничных крыльев у современного ветряка профилированная лопасть, похожая на пропеллер. Система управления всё время поворачивает её к ветру. Ветер обладает колоссальной и, главное,

бесплатной силой. Но научиться достаточно использовать его энергию очень трудно. Для нормальной работы требуется скорость  4,5 м/c, иначе агрегаты вообще не смогут работать. Наибольший же

эффект установки достигают при скорости 6-9 м/с.

            Ветродвигатель - одно из изобретений, позволяющих

 укрощать  и эффективно использовать  силу  ветра, преобразовывать энергию ветра в  электричество.  Развитие данного вида энергетики

сдерживается большими потерями при образовании энергии ветра в

электроэнергию.

Член экспертной группы: Возможно ли в Амурской области

строительство  ветродвигателей? Невозможно т. к. роза ветров не позволяет. Применение будет неэффективным.

Ученик: Геотермальная энергия. Подземное тепло горячих источников и гейзеров, которые есть во многих странах мира, превращается в электроэнергию на геотермальные ТЕС, они есть  в Италии, Японии, CIIIA и других странах. В России тоже есть опытная  гео- ТЭС на Камчатке - Паужетская мощностью 600кВт .Я считаю, что геотермальная ТЭС экономически и

экологически выгодна. но производство электроэнергии  с помощью геотермальных источников составляет незначительную  долю от

всего производства электроэнергии.  Минусы:

l) малая мощность,

2) локальное расположение геотермальных источников,

3) трудно доступность (скважины более 1 км).

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ: Более современная  на сегодняшний день  энергия-это энергия, полученная из биологических отходов - биоэнергия.

Ученик: Энергию можно получить и из растительной био-

массы. об этом знали уже давно, с тех пор как начали разжигать костры. Есть много способов получения энергии, и я расскажу о

некоторых:

1 способ: Биометаногенез, т.е получение биогаза. Этот

процесс осуществляют бактерии в три стадии. На первой стадии

происходит растворения и гидролиз сложных органических

соединений до пропионовой, масляной и молочной кислот. Вторая стадия - ацитогенез, который происходит под действием уксусных бактерий.

3 стадия - метаногенез.

      Метан можно получить и из ароматических соединений, но

только строго в анаэробных условиях. Кстати, этот процесс используют при утилизации отходов и детоксикации сточных  вод. Используя сельскохозяйственные  отходы и экскременты животные, а также канализационные и промышленные стоки, что очень важно с экологической точки зрения, можно получать значительные количества

топлива в виде метана в специальных реакторах - дайджестерах. В

некоторых странах (Индия, Китай, Филиппины) разработаны

национальные энергетические программы: промышленное

производство биогаза.

    2спoсoб: Этo производство этанола. Процесс производства  этилового спирта с помощью микроорганизмов становится всё более предпочтительным перед химическим синтезом. Тем более что поставщиками сырья являются некоторые сельскохозяйственные  культуры : свекла, тростник, кукуруза. Этанол можно использовать в качестве  альтернативного топлива в автомобильных двигателях

внутреннего сгорания, либо в безводном виде, либо в смеси с

бензином.

Внедряя подобные способы извлечения энергии из биомассы, некоторые страны, например Бразилия экономят нефть и решают проблему экологического загрязнения, обусловленного бензиновыми выхлопами.

      Член экспертной группы: Получается, что городская свалка

является огромным резервом для получения электрической энергии?

    Ученик: В принципе, да. Но для этого нужны специальные технологии, которых у нас в Амурской области нет, так как простое сжигание мусора ещё больше загрязняет окружающую среду.

    Ученик: Водородная энергетика. Вскоре ископаемое топливо

Закончится, что тогда? Если ископаемое топливо заменить на Н2, то никакого загрязнения окружающей среды не произойдёт.

H2- самый известный элемент во Вселенной. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, а теплотворная  способность выше, чем у сопоставимых элементов.

Но у ученых возникает вопрос, как получить H2 в большом

количестве?

1. химический метод (Н2 получается в качестве побочного эффекта при переработке  нефти)
2. при электролизе воды (Н2 получается при распаде водяного пара)

      ВЫВОД: водородная энергетика более перспективна и

экологически чиста, чем ископаемое топливо.

   УЧИТЕЛЬ ЭКОЛОГИИ: Итак, рассмотрев альтернативные

источники энергии, мы приходим к выводу, что и они оказывают влияние на окружающую среду, но это влияние менее опасно, чем влияние традиционных источников энергии. Для альтернативных источников энергии необходимы различные виды топлива. Это Н2  , биоотходы и т.д. Но сырьё кончится, а что дальше?

УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ : Год пройдёт, и два, и пять -

                                       Нам добра не занимать...

                                       Но придёт пора, мы знаем,

                                       Все запасы исчерпаем.

                                       Что же будем делать мы

                                       В ожидании зимы?

Ученик :Сырьё кончится, что дальше? Как вы уже слышали, разведанные запасы топлива весьма ограничены. И поэтому мы задаём вопрос: а что можно использовать для производства топлива?

      Во-первых-это Мировой океан. Расщепляя воду на кислород и

водород, мы можем использовать полученный  водород как топливо. Также на дне Мирового океана  имеются огромные запасы нефти и газа. По данным геологических  исследований, все месторождения нефти и газа, известные на Земле, продолжаются с неё на материковый склон и на шельф. Поэтому рано или поздно мы могли бы обнаружить новые крупные месторождения на мелководье морей. Уже более l00 государств активно добывают нефть и газ у берегов

континентального шельфа. Визитной карточкой морской индустрии является Персидский залив. Нефтяные вышки в нём являются едва ли не обязательным элементом местного пейзажа. Нефть добывают также в Мексиканском заливе, лагуна  Маракайбо. Нефтяные платформы имеются также у побережья Африки, Юго-Восточной Азии, Калифорнии. Нет пока нефтяных вышек у берегов Атлантиды. Но мы не можем утверждать, что их там не будет.  Учёные

доказали, что у берегов Ледовитого континента имеются богатые

месторождения нефти и газа. В целом мире осваиваются акватории

глубиной до 100 м, тогда как огромные месторождения нефти и газа

на больших глубинах ещё ждут своего часа.

    УЧИТЕЛЬ ЭКОЛОГИИ: энергетический кризис заставил думать и изобретать, появляются альтернативные источники энергии, но и они имеют свои минусы, как мы  уже сегодня слышали. Пусть мы не сможем решить эти проблемы, но возможно через 5-10 лет наука с вашей помощью придёт к оптимальному решению в этом вопросе. А мы меньше будем думать о том, что

нам когда-то придется сидеть без электричества или как  встарь зажигать лучину.

И в заключение хочется вспомнить слова К.Э.Циолковского:

«Невозможное сегодня, станет возможным завтра».

                                     П Р ОВ Е Р Ь       С Е Б Я

1. Что относится к альтернативным источникам энергии?

2. Как вы считаете, от чего будет зависеть эффективность работы

гелиоустановок? Аргументируйте свою точку зрения.

З. Расскажите о других видах альтернативной энергетики.

Если бы я ...

   Оцените возможности использования  ветроэнергетических

ресурсов в разных районах мира. Предложите наиболее

перспективные  из них.

Что будет если ...

Исходя из выделенных  вами перспективных

строительства ветроэнергетических установок,

В 70-х годах среди энергетиков мира существовала уверенность,

что через  каких-нибудь  10- 15 лет ПЭС  будет производить  чуть ли

не большую  часть всей электроэнергии, необходимой человеку. Почему не

сбылись прогнозы специалистов?

                       АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

.

Интегрированный урок

«Энергетика вчера, сегодня, завтра»

Учитель физики

МОАУ гимназии№25

г.Благовещенска

Хабарова О.Н.