Цель: показать практическое применение закона электромагнитной индукции; способы передачи электроэнергии; изучить физические основы производства и использования электрической энергии.
«Нам необыкновенно повезло, что мы живем в век, когда еще можно сделать открытия».
Р.Фейнман
Ход урока.
Сегодня наш с вами урок посвящен теме, которая занимает ум человечества ни один век - получение, передача и использование электрической энергии.
Мы рассмотрим следующие вопросы:
- Характеристики первичных источников электрической энергии (ветряные, солнечные, термальные, приливные, гидростанции, тепловые, атомные).
- Современные электрогенераторы: технические решения физических идей, параметры, тенденция совершенствования.
- Современные системы передачи электроэнергии: неравномерность нагрузки и приемы ее сглаживания; построение схемы распределения электрической мощности.
- Экологическая проблема современной энергетики.
Это было в июльские дни 1850 года, когда у витрины магазина на одной из центральных улиц Лондона Риджентстрит собралась толпа зевак. Обступив витрину, они с удивлением рассматривали модель локомотива, ведущего игрушечный поезд по двум железным полоскам рельсов. Движимый неведомой силой поезд еще и еще раз пробегал свой путь. Его двигала сила, еще кому мало известная в ту пору – электричество. (слайд 2)
«Век пара», «век электричества», «век атома» … - границы целых эпох – определяют по главному виду используемой ими энергии.
Уровнем производства и потребления энергии определяется уровень развития производительных сил общества, способность производить материальные благи.
Среди пригодных к использованию и экономически выгодных форм энергии особое место занимает электрическая энергия. Целый ряд ее преимуществ явился причиной того.(3 слайд) Что электроэнергия используется в современном обществе наиболее широко. Во-первых: электрическая энергия сравнительно легко может быть получена за счет других видов энергии (механической. внутренней, химической); во-вторых, сравнительно просто осуществить и обратный процесс; в-третьих, эту энергию можно передавать с весьма незначительными потерями на большие расстояния от места производства к месту потребления; в-четвертых, электрическая энергия легко дробится, что очень важно для ее распределения по отдельным токоприемниками.
В настоящее время нет ни одной отрасли народного хозяйства, ни одного предприятия, которые не потребляли бы электроэнергию. Электрический ток, электродвигатель проникают всюду. Решительно преобразуя производство, облегчая труд, значительно поднимая его производительность.(4 слайд)
Энергетика настоящего и будущего – вот о чем состоится сегодня разговор.
Для того чтобы человек мог жить в благоустроенных квартирах, чтобы работали заводы, транспорт, различные средства связи и т.д., необходима энергия. На сегодняшний день основным источником энергии является минеральное топливо: нефть, газ, уголь, торф, дерево. Энергию, полученную от сгорания топлива, на электростанциях преобразуется в электрическую энергию. К традиционным источникам электроэнергии относятся тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС), атомные (АЭС) станции. Рассмотрим подробно устройство каждого из этих типов станции.
Самая распространенная станция это ТЭС. Об устройстве и работе этой станции расскажет 1 группа ребят (5 слайд).
В настоящее время в нашей стране ТЭЦ дают около 40% всей производимой электроэнергии.
Людям известны и другие источники энергии, которые с успехом используется для промышленного получения электроэнергии. Это – ГЭС. В чем же заключается преимущество гидростанции по сравнению с тепловыми? На этот вопрос ответит 2 группа ребят (6 слайд).
Из всех ГЭС построенных в России, является Саянно-Шушенская ГЭС, которая вырабатывает 6400 МВт.
Однако гидравлические ресурсы ограничены и даже максимальное их использование не может покрыть все потребности в электроэнергии. Человечество нуждается в новых экономически выгодных источниках энергии. В середине ХХ века ученые разработали принципиально новый способ получения энергии – выделение энергии, запасенной внутри ядра. В результате на службе энергетики появилась атомные электростанции. О АЭС нам расскажет 3 группа ребят (7 слайд).
Специалисты считают, что в начале ХХ1 века каждому живущему человеку на Земле понадобится для нормальной жизни примерно 3-4 кВт мощности (8 слайд). Если учесть. Что население Земли составляет примерно 6 млрд человек, то необходимо вырабатываемая станциями мощность должна составлять порядка 20 млрд кВт. Для России с ее населением в 146 человек требуется около 440 млн кВт. Демографы полагают, что 2050 году население достигнет 12-14 миллиардов. Поэтому вклад атомной энергетики с каждым годом будет увеличиваться и уже к 2020 году по прогнозу специалистов составит 40-50%.
Проблема возобновляемых источников энергии становится одним из наиболее актуальных направлений устойчивого развития региона. Дело не только в ограниченности ископаемых энергоносителей, по наиболее оптимистичным прогнозам, их хватит лишь на настоящий век, и не в стремительном росте цен на углеводородсодержащее топливо. Главной причиной тревоги политиков и специалистов-экологов является необратимые последствия сжигания топлива для окружающей среды. Поэтому перед учеными встал вопрос о использовании нетрадиционных источников энергии. И следующие выступления будут посвящены этому вопросу.
Ежегодно на поверхность Земли солнечные лучи приносят более 567.1023 Дж/год , т.е. это очень много. Но используется она недостаточно по несколько причинам: малая плотность потока; зависимость притока энергии к земной поверхности от време года, суток и погодных условий. Поэтому первое выступление будет посвящено солнечным электростанциям. Солнечную энергию используют для выработки тепла и электроэнергии. (выступление уч-ся 9 слайд))
Энергия ветра колоссальна. Академик П.П.Лазарев подсчитал, что около 70% солнечной энергии. Достигающей нашей планеты. Преобразуется в энергию движения воздушных масс атмосферы. Ветер является одним из самых мощных на Земле возобновляемых энергоисточников. Ветроэнергетические ресурсы нашей страны по самым скромным оценкам составляет в год 8.1012 кВт.ч. Поэтому в места, где дует ветер, не заменимым являются ветряные электростанции. (выступление уч-ся 10 слайд)
При погружении в глубь Земли температура повышается в среднем на 10 на каждые 30 м. В местах с интенсивной вулканической деятельностью горячая подземная вода или нагретые пары и газы, находящиеся близко к поверхности, иногда под действием давления вырываются наружу Термальные подземные воды – практически неисчерпаемый источник тепловой энергии. Раньше считали, что только Исландия является страной горячих источников и гейзеров. На Камчатке есть тоже долина гейзеров, которая сейчас после схода лавины была засыпана. В таких места и строятся геотермальные электростанции. (Выступление уч-ся 11 слайд).
Величествен и прекрасен Мировой океан своеобразный громадный аккумулятор и преобразователь энергии Солнца и Луны. Независимо от условий погоды через определенный промежуток времени океан наступает на сушу. Длится это примерно 6 часов, после чего начинается спад воды, продолжающийся столько же времени. Огромная масса воды, приподнятая силой всемирного тяготения, обладает колоссальной энергией. По подсчетам ученых общая мощность составляет 7.1016кВт. У нас в России - Обская губа. На ней и была построена приливная электростанция. (Выступление уч-ся)
Мне хочется привести замечательные слова великого флорентинца Данте, которые сказаны и, пять с половиной веков назад: (12 слайд)
Пусть не напрасно греет и светит Солнце, пусть не напрасно течет вода и бьются волны о берег. Надо отнять у них бесцельно расточаемые дары природы и покорить их, связав по своему желанию.
Международная конференция по возобновляемой энергии в Бонне 2004 году собрала представителей более сотни стран – представителей правительств и парламентов, неправительственных организаций, а также специалистов. Были выявлены различные направления развития и технологические решения, которые отражали экономические и географические особенности различных континентов и регионов. Доля возобновляемых источников энергии (воды, ветра, Солнца, приливов) в энергетическом балансе стран Европейского союза составляет около 6%, 16% приходится на атомную энергию, остальное – на ископаемые энергоносители. К 2010 Европейская комиссия ориентируется на достижение 12 %, возобновляемы источники энергии .
(15 слайд) Все станции используют механическую энергию: ветра, воды, пара, Солнце и т.д. Но мы потребляем электрическую энергию(13 и 14 слайд). Следовательно, нужны устройства, которые преобразовывали механическую энергию в электрическую. Эти машины получили название генераторы. Послушаем сообщения о генераторах .
(16 слайд) Выработать электроэнергию – это полдела. Ведь еще нужно быстро и экономично передать потребителям и в соответствии с нуждами разумно распределить между ними. Когда говорят о передаче электроэнергии, то имеют в виду передачу больших мощностей на большие расстояния. Такая передача должна осуществляться с очень малыми потерями, т.е. высоким кпд, иначе она будет нерентабельно (17 слайд). Приведу один пример. Почти на 1000 км передается электроэнергия с потерями 7-8 %. Послушаем учащихся, которые готовили 3 вопрос.
Эффективность передачи электроэнергии достигается применением высоких напряжений. Напряжение на линии передачи приходится делать тем выше, чем большее расстояние, на которое должна передаваться электроэнергия (18-19 слайд).
Линии передач переменного тока строят на напряжение 220, 330, 500 и 750 кВт. Научно-технические исследования показали, что для обеспечения устойчивости в работе и большой пропускаемой способности целесообразно делать две параллельные линии передач.
На линиях передач применяются сталеалюминиевые провода: они состоят из внутреннего стального сердечника, и внешних алюминиевых проволок, по которым проходит электрический ток.
Могущество энергетического хозяйства страны зависит от его единства. Некоторые электростанции не могут работать равномерно: гидростанции – из-за спада воды, ветростанции – из-за изменения скорости ветра, приливные – из-за периодичности приливов и отливов, гелио станции не действуют ночью. Потребность в электроэнергии значительно колеблется в течение суток и зависит от времени года, а электростанции не могут вырабатывать энергию про запас. Именно поэтому, для того чтобы надежно и экономически выгодно обеспечивать всех потребителей электроэнергии, нужно объединять станции в единую систему; только в этих условиях они будут взаимно помогать друг другу.
Энергопотребление оказывает заметное воздействие на природу, загрязняя атмосферу, землю и воду вредными выбросами газов, твердых частиц и сточными водами электростанций. При этом расходуется большое количество водных и земельных ресурсов; биосфера подвергается неблагоприятному воздействию радиации, связанному с эксплуатацией атомных электростанций, электромагнитных полей линий электропередач.
Прослушаем сообщения об экологических проблемах электростанций.
Экологические последствия энергопотребления в России, по крайней мере в европейской части, усугубляется ее климатическими особенностями. В средних широтах Северного полушария преобладает западный перенос воздушных масс. Поэтому при сжигании в Европе энергоносителей, часто загрязняющие вещества попадают на нашу территорию .
Посмотрите таблицу и скажите, какая же станция экологически чистая и почему (20 слайд)?
Влияние энергопотребления на окружающую среду полностью устранить невозможно, но можно его существенно уменьшить. Некоторые выбросы, например, соединений серы, золы и других твердых частиц, можно уменьшить переработкой вредных веществ в нейтральные соединения или применением современных эффективных фильтров. Для выбросов углекислого газа не существует технологий переработки в безвредные соединения, и единственный путь снизить такие выбросы – это ограничить потребление ископаемого топлива (21 слайд).
(22 слайд) Итак, в 2050 году, то есть через 43 года, общее ежегодное количество потребления энергии может достичь 74 млрд тонн. Ну а что будет после 2050 ? Есть ли пределы развития энергетика? Если рост энергетики будет продолжаться со скоростью всего 2%, через 100 -150 лет искусственное энергопотребление на Земле составит 2 % от солнечной. А 1000 лет величина энергии, добываемая человеком, сравняется с энергией, приносимой Солнцем. Предел ли это? Нужна ли человечеству еще большая энергия? (Обсуждение данного вопроса)
Ребята, большой спасибо вам за урок. Надеюсь, что наш разговор пройдет не бесследно, видь вы будущее нашей страны и вам решать судьбу будущих поколений.
Литература:
- Г.Я.Мякишев « Физика – 11 класс», Дрофа, Москва 2002
- А.Проценко «Энергия будущего», «Молодая гвардия», Москва, 1985
- Журнал «Физика в школе»
- Материалы сети Интернет
- Программное обеспечение Физика 7-11 кл. Кирилл и Мефодий.