Урок физики в 11 классе "Производство, передача и использование электроэнергии"
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

Муниципальное казённое  образовательное  учреждение

«Придорожная  СШ»

имени   А. С. Новикова-Прибоя

Урок физики в  11 классе

 «Производство,  передача  и  использование

электроэнергии»

Подготовила    учитель  физики  Гоппе  Л. И.

2014 – 2015  учебный  год

Цели урока:

Дидактическая:    познакомить  учащихся  с  видами     электростанций,  изучить  их   достоинства  и  недостатки;  сформировать  представление  о  передаче  энергии  на  расстояние.

Развивающая:  использовать  полученную  информацию  для  развития  мышления,  умения  сравнивать,  анализировать,   делать  выводы.

Воспитательная:  воспитывать  экологическую,   экономическую,  информационную  культуру  учащихся.

Тип урока:  конференция.

Оборудование:  компьютер,  проектор.

Организационный  момент:  проверка  готовности  учащихся  к  уроку.

Вступительное  слово  учителя:  сегодня  у  нас  заключительный  урок  по  разделу    физики  «Электромагнитные  колебания».

Вопрос:  что  представляют  собой  вынужденные  электромагнитные  колебания?

Ответ:  переменный  электрический  ток.

Вопрос:  где  и  каким  образом  вырабатывается  электрический  ток?

Ответ:  на  электростанциях  с  помощью  генераторов  переменного  тока.

Учитель:  в  наше  время  потребление  электроэнергии  неудержимо  растёт,  а   запасы  ископаемого  топлива  столь  же  стремительно  сокращаются.  Необходимо  изыскивать  новые,  по  возможности  дешёвые,   достаточно  мощные  и  экологически  чистые  источники  энергии.    И    сегодня   на  своей  конференции  мы  обсудим  эту  проблему.   Какие  вопросы    будут  стоять  перед  нами?

Ответ:  производство,  передача  и  использование  электроэнергии.

Вопрос:  какие  цели  и  задачи   мы  должны  поставить  перед  собой  и   попробовать  решить?

Заслушиваем  мнения  учащихся.

Учитель:  в  процессе  подготовки  к  конференции  каждый  ученик  получил  задание   подготовить  проект  по  основным  видам  электростанций  на  современном  этапе  развития  науки  и  техники,  дать    характеристики  основным  и  альтернативным  типам  электростанций  и  рассказать  о    преимуществах  и  недостатках  этих  электростанций.

Первый    проект  содержит  информацию  о  ТЭС  и  ГЭС.

Ученик:  электроэнергия  вырабатывается,  в  основном,  с  помощью  электромеханических  индукционных  генераторов.  Существуют  два  основных  типа  электростанций:  тепловые  и  гидроэлектростанции.  На  тепловых  электростанциях  топливом  служат  уголь,  газ,  нефть,  мазут,  горючие  сланцы.  Роторы  генераторов  приводятся  во  вращение  паровыми  и  газовыми  турбинами.  Наиболее  экономичными  являются  крупные  паротурбинные  электростанции  (ТЭС).  Паровые  турбогенераторы  весьма  быстроходны:  число  оборотов  составляет  несколько  тысяч  в  минуту.  

КПД   ТЭС  -  40%.  Большая  часть  энергии  теряется  вместе  с  отработанным  паром.

Превращение  энергии  на  тепловой  станции  можно  показать  на  схеме:

энергия  топлива             внутренняя  энергия  пара       кинетическая  энергия  пара                   кинетическая  энергия  турбины                  электрическая  энергия

Специальные  тепловые  электростанции  -  теплоэлектроцентрали  -  позволяют  использовать  значительную  часть  энергии  отработанного  пара  на  промышленных  предприятиях  или  для  бытовых  нужд (отопления  и  горячего  водоснабжения).    КПД   ТЭЦ  достигает  60 – 70 %.  В  настоящее  время  в  нашей  стране  ТЭЦ  дают  около  40%  всей  электроэнергии.

Достоинства  тепловых  электростанций:                                                                                                                      

под  станции  используются  небольшие  площади;

высокая  удельная  теплота  сгорания   видов  топлива;

простота  хранения  угля,  пригодность  к  непосредственному  использованию  угля,  нефти,  газа.

              Недостатки  тепловых  электростанций:

сильно  загрязняют  атмосферу  сернистыми  и  азотистыми  соединениями,  углекислым  газом,  создают  парниковый  эффект,  кислотные  дожди;

используются  большие  площади  для  добычи  угля,  рельеф  портится  шахтами;

с  охлаждающей  водой  в  ближайшие  водоёмы  сбрасывается  большое  количество  тепла,  повышающее  температуру   водоёма.

На  гидроэлектростанциях  (ГЭС)  для  вращения  роторов  генераторов  используется  потенциальная  энергия  воды.  Роторы  приводятся   во  вращение  гидравлическими  турбинами.  ГЭС  дают  около  20  %  вырабатываемой  в  стране  электроэнергии.

Превращение  энергии  на   ГЭС  показаны  на  схеме:

потенциальная  энергия  воды            кинетическая  энергия  воды  кинетическая  энергия  турбины       электрическая  энергия.

                         Достоинства  гидроэлектростанций:

не  загрязняется  атмосфера;

создаются  новые  водоёмы;

увлажняется  атмосфера,  меняется  микроклимат;

гидроресурсы  не  надо  добывать  и  обрабатывать.

                Недостатки  гидроэлектростанций:

затапливаются  огромные  территории;

вынужденное  переселение  людей  из  зон  затопления;

разрушается  естественная  среда  обитания  флоры  и  фауны;

отчуждаются  плодородные  пойменные  земли;

плотины  отрицательно  влияют  на  воспроизводство  ценных  пород   промысловых  рыб;

по  мнению  некоторых  учёных,  последствием  строительства  ГЭС  является  «наведённая  сейсмичность»  в  зоне  расположения  мощных  гидроузлов  и  больших  водохранилищ.

В  1967  году  в  Индии  была  разрушена  плотина   высотой  103 метра.

Причина  -  землетрясение,  эпицентр  -  под  телом  плотины.

Учитель:  значительную  роль  в  энергетике  играют  атомные  электростанции  (АЭС),  которые  в  настоящее  время  дают  свыше  10 %  электроэнергии.  Устройство  ядерных  реакторов  и  работу  АЭС  мы  будем  детально  изучать  в  разделе  «Ядерная  физика».  Сегодня  мы   скажем  о  достоинствах  и  недостатках  этого  вида  электростанций.

Ученик:  достоинства  и  недостатки    АЭС.

                                Достоинства:

небольшая  площадь  под  АЭС;

при  отсутствии  утечек  -  никакого  загрязнения  окружающей  среды;

относительная  независимость  от  месторасположения  сырья.

                              Недостатки:    образуются  радиоактивные  отходы  (глобальная  проблема);

дороговизна  строительства  (ещё  дороже   демонтаж   отслуживших    АЭС  );

проблема  дезактивации  и  захоронения  радиоактивных  отходов.

В  марте  1979  года  в  США   произошла  самая  тяжёлая    (до   Чернобыля)  авария.  После  этого  случая   американцы  не  ввели  в  строй  ни  одного  реактора.  В  Швеции  принято  решение  о  постепенном  закрытии   АЭС.

Тем  не  менее  доля  электроэнергии   АЭС    в  США  -  20 %,

                        в  Германии  -  35 %;

                        в  Швеции  45 %;

                        во  Франции  -  75 ;,

                        в  России  -  10 %;

                        В  мире  -16 %.  (В  будущем  эта  цифра  достигнет  25 %).

                        Сейчас  при  возведении   АЭС  используются  современные  технологии,  которые  позволят  в  будущем  избежать  аварий.

Сырьём  для  АЭС  служат  в  основном  уран  и  торий  -  их  в  земной  коре  достаточно  много.

Большое  внимание  уделяется  обезвреживанию  радиоактивных  отходов.  Это   ставит   следующие  задачи:

1.  Совершенствование  технологий  с  целью  уменьшения  отходов  при  работе  реактора.
2. Переработка   отходов  для  уменьшения  их  распространения  в  окружающую   среду.
3. Надёжная  изоляция  могильников  для  захоронения  радиоактивных  отходов  различного  типа.

Учитель:  Мы  с  вами  рассмотрели  основные   типы  электростанций.  Как  видите,  каждый  из  этих  типов  содержит  и  достоинства,  и  недостатки.

Различные  общества  в  защиту  экологии  предъявляют  справедливые   претензии  к  строителям  и  проектировщикам  электростанций.  Тем  не  менее  человечество  привыкло  к  тому  комфорту  и  к  тем  удобствам,  которые  обеспечивает  нам  электричество.

К  тому  же  неизбежная  нехватка  природных  ресурсов  приведёт  к  постепенному  росту  цен  на  энергоносители.

Именно  поэтому  в  последнее  время  человечество   всё  острее  ощущает  энергетический  дефицит  и  потребность  в  альтернативных    источниках  энергии.

Другими  словами,  существуют  нетрадиционные  источники  энергии.  Доля  энергии,  вырабатываемая  на  них  в  настоящее  время  незначительна.   И  всё  -  таки  энергетика,  основанная  на  возобновляемых  и  экологически  чистых  источниках  энергии,  есть  энергетика  будущего.

Тема  следующего  проекта  -  «Альтернативные  источники  энергии».

Ученик:  

1.   солнечная  энергетика,  или  гелиоэнергетика.

Солнце  -  источник  всех  остальных  видов  энергии  на  нашей  планете.  Не  вся  энергия  проходит  через  земную  атмосферу  (около  50 %).  И  даже  это  количество  грандиозно  и  превышает  все  другие  виды  энергии.  Солнечная  энергетика  имеет  большой  потенциал,  но  пока  не  реализованный  на  практике  в  полной  мере.  Дело  в  том,  что  использование  фотоэлектрических  систем  требует  вложения  значительных  средств,  а  срок  окупаемости  сильно  зависит  от  погодных  условий.  Однако  для   отдалённых  объектов  солнечная  альтернативная  энергетика  может  стать  решением  проблемы.  Наибольшим  потенциалом  для  солнечной  энергетики  обладают  Краснодарский,    Ставропольский  края,  Магаданская  область  и  Якутия.  Без  централизованного  электроснабжения  сегодня  в  России  проживает  около  10  млн.  человек,  это  заставляет  задуматься  о  необходимости  развития  этой  отрасли.  Определенные  наработки  в  этом  направлении  уже  есть:  в  России  появились  предприятия,  владеющие  технологией  производства  фотоэлектрических  систем  и  их  монтажа  с  целью  получения  электроэнергии.  Примером  использования  энергии  солнца  является  солнечная  электростанция  мощностью  0,1 МВт,  расположенная  в  Белгородской  области  (Яковлевский  район).

                         Достоинства  таких  электростанций:

не  загрязняют  окружающую  среду;

солнечные  киловатты  практически  бесплатны.

                       Недостатки:

циклический  характер  поступления  солнечной  энергии;

под  солнечные  батареи  используются  большие  площади;

низкий  КПД  солнечных  установок;

невысокая  плотность  солнечной  энергии.

2.   Приливные  станции.

Энергия  морских  приливов  огромна.  Однако  её  практическое  использование  затруднено,  поэтому  моря  и  океаны  могут  удовлетворить  лишь  1 %  мировой  энергопотребности.  Специалисты  полагают,  что  приливные  электростанции  имеет  смысл  строить  там,  где  разница  уровней  моря  во  время  прилива  и  отлива  составляет  минимум  4  метра.  Важно  также  учитывать  мощность  и  объём  приливного  бассейна.  Производительность  приливной  электростанции  зависит  от  количества  гидротурбин  в  плотине.  Пример  приливной  станции  в  России  -  Кислогубская  ПЭС:  это  абсолютно  экологически  безопасная  система.    Развитие  этого  направления  может  дать   до  5 %  общего  объёма  всей  электроэнергии,  производимой  в  России.

                 Достоинства:

минимум  поверхности  на  суше;

не  загрязняется  атмосфера;

бесплатный  источник.

             Недостатки:  

в  море  занимает  очень  большое  пространство,  что  очень        опасно  для  судоходства.

                    Геотермальная  энергетика.

Геотермальная  энергия  -  это  энергия,  которая  генерируется  внутри  Земли  в  источники  огромной  силы.  Она  может  основываться  на  использовании  тепловой  энергии  земных  недр:  такая  возможность  есть  лишь  у  нескольких  стран.  Запасы  геотермальной  энергии  нашей  страны  в  10  раз  превышают  запасы   угля.  Эти  богатства  лежат,  в  буквальном  смысле,  на  поверхности:  геотермальные  источники  Камчатки  с  температурой  до  200  градусов  на  глубине  всего  лишь  3,5 км  могут  обеспечить  работу  не  одной  мини  электростанции.

 Геотермальная  энергетика   России  начала  своё  развитие  в  1966  году:  именно  тогда  была  построена  первая  такая  электростанция.  Сегодня  с  помощью  камчатских  источников  можно  вырабатывать  до  300  МВт  электроэнергии,  но  реально  используется  лишь  25%.  Геотермальные  воды  Курильской  гряды  обладают  потенциалом  в  200 МВт:  этого  достаточно  для  полного  обеспечения  электроэнергией  всего  региона.  Но  не  только  Дальний  Восток  привлекателен  для  развития  геотермальной   энергетики:  большим  потенциалом  обладают  Ставропольский  и  Краснодарский  края,  Кавказ.  Температура  подземных  вод  достигает  здесь  125  градусов.  Недавно  геотермальное  месторождение  было  обнаружено  в  Калининградской  области.

На  Камчатке,  в  120 км  от  города  Петропавловск – Камчатский,  действует  Мутоновская    электростанция  мощностью  50  МВт,    построенная   на  высоте  1 км  над  уровнем  моря,  у  подножия  вулкана.

Неподалеку   расположена  Верхне – Мутоновская    мощностью  12  МВт.

В  настоящее  время  геотермальные  источники  энергии  обеспечивают  на  Камчатке  до  25 %     всей  потребляемой  энергии,  что  значительно  помогает  ослабить  зависимость  полуострова  от  дорогостоящего  привозного  мазута.

       Достоинства  геотермальной  энергетики:

практическая  неиссякаемость  и  полная  независимость    от  условий  окружающей  среды,  времени  года,  суток.

                          Недостатки:

необходимость  обратной   закачки  отработанной  воды,  т.  к.  в  геотермальных  водах  содержится  много  токсичных  веществ,   что  исключает  сброс  этих  вод  в  природные  водоёмы,  расположенные  на  поверхности.

                              Ветроэнергетика.

Попытки  использовать  силу  ветра  своими  корнями  уходят  в  далёкие  времена.  Развитие  ветроэнергетики  в  России  существенно  отстаёт  от  уровня  развитых  стран,  которые  обеспечивают  таким  способом  до  трети  своих  нужд  в  электричестве.  Уровень   капиталовложений  в  строительство  «ветряков»  сравнительно  низкий:  это  должно  привлечь  инвесторов.   В  России  сегодня  используются  ветрогенераторы   давней  постройки.  Наиболее  крупным  является  ветропарк  «Куликово»,  расположенный   под  Калининградом.  Его  мощность  составляет  5 МВт,  но    в  ближайшее  время  планируется  увеличить  её    в  4  раза.    Кроме  того,  энергию  ветра  используют  ВЭС  Тюпгильды  (Башкортостан),  Марпосадская  ( в  Чувашии),  Калмыцкая,  Анадырская,  Заполярная,  Никольская  и  др.  Небольшие  ветроустановки  сегодня  устанавливают  для  обеспечения  коттеджных  посёлков  и  небольших  промышленных  предприятий.

                            Достоинства  ВЭС:  

используется  бесплатная  энергия;

экологически  чисты,  не  влияют  на  тепловой  баланс  атмосферы.

                             Недостатки:

низкая  интенсивность;

работа  ветровых  установок  неблагоприятно  влияет  на  работу  телевизионной  сети;

источник  шума  (этот  район  покидают  животные  и  птицы);

если  наступает  затишье,  энергия  не  вырабатывается.

Учитель:  Учёные  достаточно  оптимистично    смотрят  на  проблемы  развития  нетрадиционных  источников  электрической  энергии  и  считают ,  что  именно за  ними   энергетика  будущего.

Ученик:  Главный  потребитель  электроэнергии    -    промышленность  (около  70%).  Крупным  потребителем  является  транспорт.  Большая  часть  используемой  энергии  превращается  в  механическую.  Почти  все  механизмы  в  промышленности  приводятся  в  движение  электродвигателями.

Около  трети  электроэнергии,  потребляемой  промышленностью,  используется  для  технологических  целей  (электросварка,  электролиз)  

Потребность  в  электроэнергии  постоянно  увеличивается.  Удовлетворить  её  можно  двумя  способами.  С  одной  стороны  можно  увеличить  число  электростанций.  Однако  их  строительство  требует  времени  и  затрат.  Кроме  того,  на  ТЭС  возрастает  потребление  невозобновляемых    природных  ресурсов:  угля,  газа  и  т. д.   Одновременно  эти  станции  наносят  большой  ущерб  экологическому  равновесию  на  Земле.

Передовые  технологии  позволяют  удовлетворить  потребности  в  электроэнергии  другим  способом.  Приоритет  должен  быть  отдан  увеличению  эффективности  использования  электроэнергии.  Возможности  для  этого  есть.  Одна  из  них  связана  с  освещением,  на  которое  тратится  25 %  всей  производимой  энергии.  Сейчас  разработаны  энергосберегающие  лампы,  которые  потребляют  на  80 %  меньше  энергии,  чем  лампы  накаливания.

Учитель:  Передача  электроэнергии  также  связана  с  заметными  потерями.  Чем  это  вызвано?

Ученик:  Потери  при  передаче  электроэнергии  вызваны  нагреванием  проводов  (в  соответствии  с   законом    Джоуля – Ленца).  Уменьшить  сопротивление  линии  достаточно  сложно.  Чем  длиннее  линия  электропередач  (ЛЭП),  тем  выгоднее  использовать  более  высокое  напряжение.  Так,  в  высоковольтной  ЛЭП  Волжская  ГЭС  -  Москва  используют  напряжение  500 киловольт.    Генераторы  же  на  электростанциях  рассчитаны  на  напряжение   16 – 20  киловольт,  так  как  большее  напряжение   потребует  дополнительных  мер  для  изоляции  обмоток  и  других  частей  генератора.  Для  повышения  напряжения  используются   повышающие  трансформаторы.  При  использовании  энергии  потребителями  напряжение  на  концах  линии  понижают.

Для  более  эффективного  использования  электроэнергии   электростанции  некоторых  районов  страны  объединены  высоковольтными  линиями  электропередач  (ЛЭП),  которые  образуют  единую  энергетическую  систему,  позволяющую  сгладить  «пиковые»  нагрузки  потребления  энергии  в  утренние  и  вечерние  часы.  

Вывод:  потребление  энергии  на  Земле  должно  быть  экономично.

Подведение  итогов  урока.  Рефлексия.

Выставление  оценок.