Разработка урока по теме "Производство электроэнергии"11 класс

Всеобщее и все возрастающее внимание у нас в стране и во всем мире к проблемам экологии не случайно. Оно вызвано обостряющимися Энергетика: проблемы и надежды. Урок­семинар по физике. (11­й класс). 1 проблемами глобального масштаба, острота которых в полной мере еще не осознана человечеством. Воспитание человека, способного жить в гармонии с природой, ­ важнейшая задача школы. Учащиеся должны осознать мысль о том, что законы природы познаются не только с целью их применения на благо людей, но и для того, чтобы человек не нарушал гармонии окружающего его мира. Одним из основных законов природы является закон сохранения энергии. На протяжении всего курса физики учащиеся изучают вопросы, связанные с подтверждением универсальности этого закона, его проявлением в различных природных процессах. Уровень производства и потребления энергии – один из важнейших показателей развития производительных сил общества. Ведущая роль принадлежит электроэнергии. Это диктуется её преимуществами перед другими видами энергии. Так, электроэнергию можно получать за счет других разнообразных видов энергии (воды, ветра, пара, Солнца, внутриядерной и т.д.); легко превращать в другие виды энергии, без   больших потерь   передавать   на   большие   расстояния;   достаточно   просто   и   с   высоким   КПД     преобразовывать,   дробить   на   порции   любой   величины. Электроэнергия не наносит вреда окружающей среде.  Это та самая энергия, без которой не было бы современного общества, привычных удобств, развлечений, современной цивилизации. Жалок был бы человек, не имеющий в своем распоряжении всевозможных энергетических источников, помогающих   ему   жить.   Главный   вопрос   –   сколько   энергии   нужно   человечеству?   Сколько   энергии   нужно   произвести,   чтобы   жить   в   теплых квартирах, чтобы создавать необходимые человеку изделия, пользоваться транспортом, чтобы развлекаться? Каким будет облик энергетики XXI века? Однако не менее важными вопросами являются те, в ответах на которые мы узнаём о способах её получения, о  проблемах и перспективах, возникающих при строительстве и эксплуатации электростанций различного типа. Экологические проблемы производства электроэнергии носят глобальный характер.  В содержании  курса физики есть ряд тем, на базе которых можно наиболее  эффективно  провести уроки, интегрирующие под знаком экологического образования и воспитания знания по предметам естественнонаучного цикла. Такие уроки позволяют сформировать у учащихся целостное представление о взаимосвязи и взаимозависимости природы и человека, необходимости при разработке любого направления научно – технического прогресса,  предусматривать все возможные экологические последствия, выработать ответственное отношение к окружающей среде. Они позволяют по­новому взглянуть на повседневные и обыденные явления и процессы, увидеть необычное в столь знакомом и привычном. Вместе с тем   они   дают   возможность   учесть   интересы   каждого   ученика   и   его   наклонности,   что   способствует   максимальному   развитию   инициативы   и творчества ребят, повышают мотивацию на образование через успешность и привлекательность деятельности, как в урочное, так и во внеурочное время. Готовясь к интегрированному уроку, ученик получает возможность проявить свои способности не только по физике, но и по другим предметам, использует интересный, нетрадиционный материал, а так же получает возможность приобрести     учебно­исследовательские умения, необходимые для адаптации к среднему и высшему профессиональному образованию. Форма проведения таких уроков (семинар, диспут, конференция) наиболее соответствует особенностям юношеского возраста, способствует осуществлению условий в образовательном процессе для формирования у старшеклассников коммуникативных умений  (вести диалог, дискуссию, публично выступать по теме). Интегрированные   уроки   экологической   направленности   я   использую   при   обобщении   следующих   тем:   «Тепловые   двигатели   и   охрана окружающей среды» (Ф­10), «Электричество и человек» (Ф­10), «Атомная энергетика: магистральный путь или дорога в ад?» (Ф­11), «Влияние электромагнитного излучения на живые организмы» (Ф­11), «Энергетика: проблемы и надежды» (Ф­11) и др. 2 В качестве примера рассмотрим урок­семинар для учащихся 11 класса «Энергетика: проблемы и надежды». Цели урока: ­ Актуализировать и углубить знания учащихся о физических основах производства электроэнергии на различных видах электростанций, а так же их преимущества и недостатки в экологическом отношении; ­ С помощью опережающего задания активизировать поисково­познавательную деятельность учащихся в работе с учебными, оригинальными текстами; ­   Формирование   у   старшеклассников   коммуникативных   умений   (публично   выступать   по   теме,   вести   диалог,   участвовать   в   дискуссии, активно слушать). Тип урока: Урок обобщения по теме «Производство, передача и использование электроэнергии». Форма урока: Урок – семинар. Оборудование: Таблицы, схемы, картины с видами электростанций разных видов, географическая карта, на которой с помощью флажков различных цветов показано размещение электростанций на территории России. Структура урока и методика его проведения. За 3 недели до начала урока класс разбивается на 8 групп (по 3 человека), состав которых определяется по желанию учащихся. Участники 7 групп получают одинаковое задание – изучить физические основы и особенности производства электроэнергии на электростанциях различного вида. Результаты исследований должны быть представлены за неделю до урока в виде таблицы­отчета по единой схеме: Первичный источник энергии  Схема преобразования энергии КПД Размещение на территории России Достоинства Недостатки Электростанция ГЭС (гидро­) ТЭС (тепловая) АЭС (атомная) ВЭС (ветряная) СЭС (солнечная) ПЭС (приливная) ГеоТЭС  (геотермальная) 3 Группа №8 является экспертной группой, которая изучает эти вопросы параллельно другим, но задача этой группы состоит в том, чтобы отслеживать и оценивать работу всех других групп, как в подготовительный период, так и во время проведения урока, а так же следить за регламентом работы. Временная диаграмма урока: урок проводится в течение 2 часов (80 минут). № этапа Содержание этапа урока Время (мин.) Актуализация проблемы урока учителем Выбор типа электростанции и подготовка группы к работе. Защита проекта группой и дополнения по её выступлению Заключительное слово учителя Выступление экспертной группы Оценка качества и объективности работы экспертной группы Рефлексия урока 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Ход урока. Перед началом урока ребята рассаживаются в классе за парты по группам. Урок начинает учитель, который в очень кратком вступлении актуализирует проблему, рассматриваемую на уроке. Далее в процессе жеребьевки руководители групп определяют вид электростанции, которую их   группе   придется   представлять   на   уроке,   и   определяют   выступающего.   Затем   группы   начинают   защиту   своих   проектов,   используя подготовленный ими материал и наглядность, отвечают на вопросы экспертов или представителей других групп, Учащиеся класса могут сделать дополнения и уточнения по отдельным структурным элементам таблицы. Эксперты оценивают выступления группы по своей теме и учитывают их активность в обсуждении других вопросов. В процессе выступления групп учащиеся дополняют свои таблицы «Производство электроэнергии». После завершения обсуждения всех выступлений, учитель подводит итог по проблеме урока. У каждого учащего по итогам урока должна остаться таблица примерно следующего содержания. КПД 3 5 55 5 5 5 2 Размещение на Электрост Первичн Преобразован Достоинства Недостатки анция      ГЭС  (гидро­) ый источник энергии Вода (Ангара, Волга, Иртыш, Енисей) ие энергии территории России Епводы –   Екводы ­  Ектурбины  ­ Wэ 99% Волжская ГЭС  (5­6 МкВт) Красноярская   ГЭС (2­3 МкВт) ­ 20 % всей энергии; ­ ВИЭ, малая себестоимость электроэнергии; ­ не загрязняет воздух ядовитыми отходами ­   способствует   развитию   судоходства, водоснабжения городов, орошению пахотных ­ крупные водохранилища   и плотины приводят   к  затоплению  огромных площадей  земли,  нарушению  условий жизни ценных видов рыб (осетр, белуга,  изменению  природы   рек севрюга); земель ­ маневренна (снятие пиковых нагрузок) ­ экономия жидкого и твердого топлива ­   требуют   меньшего   обслуживающего персонала ­   хорошо   поддаются   автоматизации   и телеуправлению ­ территориально­производственного комплекса   основа   развития   разностороннего        ТЭС  (тепловая) Органиче ское топливо (уголь, мазут, газ) Uтоплива ­  Uпара ­  Екпара ­  Ектурбины  ­ Wэ Рефтинская   ТЭС (3,8МкВт) Костромская   ТЭС (2,5МкВт) ­ 40 % всей энергии; ­ огромные запасы топлива ­ централизованное отопление жилых зданий (80%) ­   малые   капитальные   вложения   при строительстве 40% (для ТЭС) 60% (для ТЭЦ)       235U 239Pu      АЭС  (атомная) Wурана ­  Uпара ­  Екпара ­  Ектурбины  ­ Wэ 30% Курская   АЭС   (4М кВт) Белоярская   АЭС (650 МВт) ­ 10% всей энергии ­ огромные запасы топлива; ­ независимость расположения от источников топлива; ­ компактность топлива и продолжительность его использования ­ практически не загрязняет атмосферу ­ (экономичность экономичные       4       водообмен себестоимость    обрушение  и (слабый самоочищаемость); и отступление   берегов   приводит   к «цветению» застойного мелководья ­   изменение   уровня   грунтовых   вод (заболачивание, непригодность в с/х) ­ изменяются  условия  плавания   судов (шлюзование,   возникновение   волн, штормовых явлений (6­7 баллов)) ­   возникает   проблема   наводнений   в период половодий  ­ высокая электроэнергии; ­   неравномерность   распределения запасов   топлива   (27%   на   европейской части и 73% на востоке); ­ отчуждение благородных земель под добычу   топлива,   водохранилища,   сеть ж/д, угольные карьеры, терриконики из отходов (шлак, зола); ­   зависимость   от   крупных   водных источников и нанесение им ущерба; ­   загрязнение   атмосферы   вредными выбросами и тепловыми отходами,  их пагубное   воздействие   на   флору   и фауну, проблемы парникового эффекта; ­   слабая   маневренность   основного оборудования.  ­ гибель шахтеров при добыче угля. ­ дорогое строительство ­ зависимость от водных источников и нанесение   им   ущерба   (сброс   теплой воды, нагревание водоемов – изменение   увеличение   влажности климата, воздуха,   снижение   концентрации кислорода   в   воде,   гибель   рыбы, эвтрофизация воды; порождение пропорциональна мощности) ­   наиболее   чистый   способ   получения электроэнергии ­ ВИЭ ­ огромные запасы  (1013 кВт в год) ­ экологически чистая ­   установки   компактны,   несложные   в обращении; ­   установки   малой   мощности   (до   15   кВт) используются для подъема и перекачки воды, подзарядки   электроаккумуляторов,   более мощные ­ для получения электроэнергии на отдаленных с/х фермах, поселках, приисках, полярных экспедициях; ­   аккумулирование   энергии   в   процессе электролиза воды, ­ ВИЭ ­ экологически чистая ­ огромные запасы (2*1018 кВт в год)       ВЭС  (ветряная) Екветра ­  Ектурбины  ­ Wэ Ветер (движени е воздушны х масс) V=5­10 м/с 20% Антарктида, Кольский полуостров, Сибирь, (80­100 кВт)   Сахалин         СЭС  (солнечная) Энергия Солнца Wсолнца ­  Uпара –  Екпара ­  18% 5   жидких               (уродливое воздействие захоронения ­ радиоактивного излучения   на   живые   организмы: лучевая   болезнь,   злокачественные опухоли,   влияние   на   генетический аппарат   потомство, мутация); ­   проблема   безопасного   хранения   и утилизации отходов, образующихся   в   процессе   добычи урана, твердых радиоактивных   отходов,   утилизации самой АЭС после срока эксплуатации; ­   аварийные   ситуации   на   ядерных объектах и АЭС; ­   высокие   требования   к   уровню образования сотрудников АЭС ­ загрязнение окружающей   среды   в   результате добычи и переработки урана, хранения и   регенерации   топлива,   загрязнение всех   грунтовых   вод   тритием, загрязнение биосферы плутонием. ­ рассеянность энергии ветра; ­   непостоянство   скорости   ветра (среднегодовая скорость ветра должна быть не менее 6­8 м/с); ­ дорогое строительство; ­   строительство   производится   по берегам морей и океанов, в просторных степях, в тундре, горах. радиоактивное   ­   большая   рассеянность   солнечной энергии на Земле; ­   неравномерность   поступающей   на Ектурбины  ­ Wэ Екволны ­  Ектурбины  ­ Wэ 20% Кислогубская   ПЭС (800 кВт) Wземли ­  Uпара ­  Екпара ­  Ектурбины  ­ Wэ 20% Паужетская геоТЭС (11МВт), Мутновская геоТЭС (200МВт)        ПЭС  (приливная)     ГеоТЭС  (геотермаль ная) Морские приливы (отливы). Энергия волн Мировог о океана Тепло глубинны х   слоев Земли (подземн ая горячая вода   и пар, нагретые сухие породы) ­ ВИЭ ­ экологически чистая ­ огромные запасы энергии (3 109 кВт в год) ­ ритмичность работы ­   используется   как   для   малой   энергетики (освещение   бакенов,   морских   причалов, волноломов), так и для большой (потребности отдаленных   поселков   с   численностью населения до 1000 человек); ­   аккумулирование   энергии   в   процессе электролиза воды. ­ ВИЭ ­ огромные запасы (4 1019 кВт в год) ­ не нуждается в органическом топливе ­ экологически чистая ­   использование   горячей   воды   гейзеров   и горячих   источников   для   отопления   теплиц, жилых и других помещений, в бальнеологии ­ лечение   и   профилактика   заболеваний минеральными   водами,   промышленные технологии, основанные на применении тепла и пара; ­   просты   в   монтаже,   конструкции   и эксплуатации, дают дешевую энергию. ­ не нужны котельные для сжигания топлива, паутина подъездных путей, склады; ­ работа не подвержена сезонным колебаниям, ритмична; 6   земную   поверхность солнечной радиации в течение суток и в течение года; ­   высокая   стоимость   сооружения гелиоустановки; ­ зависимость строительства от наличия водных источников и  только в районах с хорошей солнечной радиацией; ­ отчуждение огромных площадей для гелиоустановок; ­   зависимость   строительства   от рельефа   местности   Земли   (высота берега,   высота   приливной   волны   – Охотское   море   (Пенжинская   губа   на Камчатке)­ до 13 м и в Белом море – 10 м); ­ высокая стоимость ­   износ   оборудования   (воздействие ударов волн и морской воды);     строительство   в   вулканизма     районах с геологическим ­ современного благоприятным строением и наличием запасов воды; ­ при строительстве приходится вести глубокое бурение  (2­2,5 км) в горных породах (геотермальные месторождения   образуются   при формировании магматических пород из остывающей в земной коре магмы); ­ требуется специальное износоустойчивое оборудование (пароводяные смеси содержат примеси: ядовитый   сероводород,   пылевидные твердые   частицы,   что   приводит   к коррозии,   образованию   трещин, уменьшает   прочность   основных   узлов ­ применение компьютерного моделирования позволяет повысить продуктивность прогноза производительности скважин. 7     труднодоступность установок); ­ районов строительства   (высокогорье   (высота 800­900   м   над   уровнем   моря), отсутствие дорог, зимой – снега, ветер, мороз,   удаленность   от   населенных пунктов) ­ требуют конструирования и выпуска оборудования геоТЭС, работающего   на   сравнительно   малом давлении и температуре; ­ температура пара и воды постепенно снижается, т.к. отбор тепла происходит гораздо быстрее, чем его естественный приток из недр Земли; для     Оценка работы. Работа каждого ученика оценивается баллами от 3 до 5. Оценку проводит экспертная группа, при выставлении отметки учитывается общая (единая для группы) отметка, полученная группой за составленную ими таблицу в ходе подготовки к уроку и активность учащегося в ходе урока. Качество  и объективность работы экспертной группы оценивается учащимися класса, они тоже получают отметку за урок. Рефлексия урока. Обратная связь по итогам урока осуществляется с помощью сигнальных карточек. Электрост анция      ГЭС  (гидро­) Первичн ый источник энергии Вода (Ангара, Волга, Иртыш, Енисей) Преобразован ие энергии КПД Размещение на территории России Епводы –   Екводы ­  Ектурбины  ­ Wэ 99% Волжская ГЭС  (5­6 МкВт) Красноярская   ГЭС (2­3 МкВт) Достоинства Недостатки ­ 20 % всей энергии; ­ ВИЭ, малая себестоимость электроэнергии; ­ не загрязняет воздух ядовитыми отходами ­   способствует   развитию   судоходства, водоснабжения городов, орошению пахотных земель ­ маневренна (снятие пиковых нагрузок) ­ экономия жидкого и твердого топлива ­   требуют   меньшего   обслуживающего персонала ­   хорошо   поддаются   автоматизации   и ­ крупные водохранилища   и плотины приводят   к  затоплению  огромных площадей  земли,  нарушению  условий жизни ценных видов рыб (осетр, белуга,  изменению  природы   рек севрюга); (слабый и самоочищаемость); и отступление   берегов   приводит   к «цветению» застойного мелководья ­   изменение   уровня   грунтовых   вод (заболачивание, непригодность в с/х)    обрушение  водообмен 8   основа   развития   разностороннего телеуправлению ­ территориально­производственного комплекса        ТЭС  (тепловая) Органиче ское топливо (уголь, мазут, газ) Uтоплива ­  Uпара ­  Екпара ­  Ектурбины  ­ Wэ Рефтинская   ТЭС (3,8МкВт) Костромская   ТЭС (2,5МкВт) ­ 40 % всей энергии; ­ огромные запасы топлива ­ централизованное отопление жилых зданий (80%) ­   малые   капитальные   вложения   при строительстве 40% (для ТЭС) 60% (для ТЭЦ)       235U 239Pu      АЭС  (атомная) Wурана ­  Uпара ­  Екпара ­  Ектурбины  ­ Wэ 30% Курская   АЭС   (4М кВт) Белоярская   АЭС (650 МВт) ­ 10% всей энергии ­ огромные запасы топлива; ­ независимость расположения от источников топлива; ­ компактность топлива и продолжительность его использования ­ практически не загрязняет атмосферу ­ пропорциональна мощности) ­   наиболее   чистый   способ   получения электроэнергии (экономичность экономичные         себестоимость ­ изменяются  условия  плавания   судов (шлюзование,   возникновение   волн, штормовых явлений (6­7 баллов)) ­   возникает   проблема   наводнений   в период половодий  высокая ­ электроэнергии; ­   неравномерность   распределения запасов   топлива   (27%   на   европейской части и 73% на востоке); ­ отчуждение благородных земель под добычу   топлива,   водохранилища,   сеть ж/д, угольные карьеры, терриконики из отходов (шлак, зола); ­   зависимость   от   крупных   водных источников и нанесение им ущерба; ­   загрязнение   атмосферы   вредными выбросами и тепловыми отходами,  их пагубное   воздействие   на   флору   и фауну, проблемы парникового эффекта; ­   слабая   маневренность   основного оборудования.  ­ гибель шахтеров при добыче угля. ­ дорогое строительство ­ зависимость от водных источников и нанесение   им   ущерба   (сброс   теплой воды, нагревание водоемов – изменение климата,   увеличение   влажности воздуха,   снижение   концентрации кислорода   в   воде,   гибель   рыбы, эвтрофизация воды; ­ радиоактивного излучения   на   живые   организмы: лучевая   болезнь,   злокачественные опухоли,   влияние   на   генетический аппарат   потомство, мутация); воздействие порождение   (уродливое ВЭС  (ветряная) Екветра ­  Ектурбины  ­ Wэ Ветер (движени е воздушны х масс) V=5­10 м/с 20% Антарктида, Кольский полуостров, Сибирь, (80­100 кВт)   Сахалин         СЭС  (солнечная) Энергия Солнца 18% Wсолнца ­  Uпара –  Екпара ­  Ектурбины  ­ Wэ ­ ВИЭ ­ огромные запасы  (1013 кВт в год) ­ экологически чистая ­   установки   компактны,   несложные   в обращении; ­   установки   малой   мощности   (до   15   кВт) используются для подъема и перекачки воды, подзарядки   электроаккумуляторов,   более мощные ­ для получения электроэнергии на отдаленных с/х фермах, поселках, приисках, полярных экспедициях; ­   аккумулирование   энергии   в   процессе электролиза воды, ­ ВИЭ ­ экологически чистая ­ огромные запасы (2*1018 кВт в год) 9             жидких захоронения радиоактивное ­   проблема   безопасного   хранения   и утилизации отходов, образующихся   в   процессе   добычи урана, твердых радиоактивных   отходов,   утилизации самой АЭС после срока эксплуатации; ­   аварийные   ситуации   на   ядерных объектах и АЭС; ­   высокие   требования   к   уровню образования сотрудников АЭС ­ загрязнение окружающей   среды   в   результате добычи и переработки урана, хранения и   регенерации   топлива,   загрязнение всех   грунтовых   вод   тритием, загрязнение биосферы плутонием. ­ рассеянность энергии ветра; ­   непостоянство   скорости   ветра (среднегодовая скорость ветра должна быть не менее 6­8 м/с); ­ дорогое строительство; ­   строительство   производится   по берегам морей и океанов, в просторных степях, в тундре, горах. ­   большая   рассеянность   солнечной энергии на Земле; ­   неравномерность   поступающей   на земную   поверхность солнечной радиации в течение суток и в течение года; ­   высокая   стоимость   сооружения гелиоустановки; ­ зависимость строительства от наличия Екволны ­  Ектурбины  ­ Wэ 20% Кислогубская   ПЭС (800 кВт) Wземли ­  Uпара ­  Екпара ­  Ектурбины  ­ Wэ 20% Паужетская геоТЭС (11МВт), Мутновская геоТЭС (200МВт)        ПЭС  (приливная)     ГеоТЭС  (геотермаль ная) Морские приливы (отливы). Энергия волн Мировог о океана Тепло глубинны х   слоев Земли (подземн ая горячая вода   и пар, нагретые сухие породы) ­ ВИЭ ­ экологически чистая ­ огромные запасы энергии (3 109 кВт в год) ­ ритмичность работы ­   используется   как   для   малой   энергетики (освещение   бакенов,   морских   причалов, волноломов), так и для большой (потребности отдаленных   поселков   с   численностью населения до 1000 человек); ­   аккумулирование   энергии   в   процессе электролиза воды. ­ ВИЭ ­ огромные запасы (4 1019 кВт в год) ­ не нуждается в органическом топливе ­ экологически чистая ­   использование   горячей   воды   гейзеров   и горячих   источников   для   отопления   теплиц, жилых и других помещений, в бальнеологии ­ лечение   и   профилактика   заболеваний минеральными   водами,   промышленные технологии, основанные на применении тепла и пара; ­   просты   в   монтаже,   конструкции   и эксплуатации, дают дешевую энергию. ­ не нужны котельные для сжигания топлива, паутина подъездных путей, склады; ­ работа не подвержена сезонным колебаниям, ритмична; ­ применение компьютерного моделирования позволяет повысить продуктивность прогноза производительности скважин. 10 водных источников и  только в районах с хорошей солнечной радиацией; ­ отчуждение огромных площадей для гелиоустановок; ­   зависимость   строительства   от рельефа   местности   Земли   (высота берега,   высота   приливной   волны   – Охотское   море   (Пенжинская   губа   на Камчатке)­ до 13 м и в Белом море – 10 м); ­ высокая стоимость ­   износ   оборудования   (воздействие ударов волн и морской воды);         строительство   в вулканизма     районах с геологическим ­ современного благоприятным строением и наличием запасов воды; ­ при строительстве приходится вести глубокое бурение  (2­2,5 км) в горных породах (геотермальные месторождения   образуются   при формировании магматических пород из остывающей в земной коре магмы); специальное ­ требуется износоустойчивое оборудование (пароводяные смеси содержат примеси: ядовитый   сероводород,   пылевидные твердые   частицы,   что   приводит   к коррозии,   образованию   трещин, уменьшает   прочность   основных   узлов установок); ­ районов строительства   (высокогорье   (высота 800­900   м   над   уровнем   моря), отсутствие дорог, зимой – снега, ветер, труднодоступность 11     для мороз,   удаленность   от   населенных пунктов) ­ требуют конструирования и выпуска оборудования геоТЭС, работающего   на   сравнительно   малом давлении и температуре; ­ температура пара и воды постепенно снижается, т.к. отбор тепла происходит гораздо быстрее, чем его естественный приток из недр Земли;