（特品安典家保人文物雅）业电您与地电$七外第七讲物理学与能源人文物理2013年10月Humanistic Physics主讲：孙晓冬sxdfu@163.com源医疗武汉理工大学精品贵源兴亭部人文物理），导品资服典家课《人文物服》中品安证业享品人大的迎七价物道歌与提平七价物调考瓶理物理学与能源本节主要内容：能源是指人类能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源，是人民生活和经济发展·能源及其分类；的主要基础。·全球能源危机；人类社会的进步离不开能源科学·新能源；的发展，包括如何·音像资料。向大自然索取能源、先进能源技术的使用以及新能源的不断开发。特品安组物享人大物》第七价台电学国花器特品安领共家单 《人女物理》学七价物#尔与道物理学在能源利用和开发过程中的作用物理学是能源科学的基础。正是物理能源利用史的三次革命物理学的贡献学的发展为能源科学的发展和能源的利用提供了理论基础和实验基础，为新能源的改普热机性能，提高热机效蒸汽机的发明和使用开发、利用提供新的途径和方法，如核电率，促进了热力学的发展。（18世纪初）站的发展、太阳能、地热能、海洋能、风能的利用以及可控热核聚变的研究等等。建立完整的电磁理论，制造了发电能的使用电机、电动机、电灯、无线电通（19世纪初）18世纪以来能源利用的几次重大发展信等，改变了人类生活面貌。都与物理学密切相关：原子能的利用建立原子核裂变和核聚变的理（20世纪下半叶）论，建成核电站，解决能源危机
精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 1 精品资源共享课——《人文物理》 武汉理工大学 人文物理 Humanistic Physics 主讲：孙晓冬 sxdfu@163.com 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 2 第七讲 物理学与能源 2013年10月 军事 能源 医疗 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 3 本节主要内容： • 能源及其分类； • 全球能源危机； • 新能源； • 音像资料。 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 4 4 物理学与能源 能源是指人类能够直接或经过转换而获取 某种能量的自然资源，是人民生活和经济发展 的主要基础。 人类社会的进 步离不开能源科学 的发展，包括如何 向大自然索取能源、 先进能源技术的使 用以及新能源的不 断开发。 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 5 物理学是能源科学的基础。正是物理 学的发展为能源科学的发展和能源的利用 提供了理论基础和实验基础，为新能源的 开发、利用提供新的途径和方法，如核电 站的发展、太阳能、地热能、海洋能、风 能的利用以及可控热核聚变的研究等等。 18世纪以来能源利用的几次重大发展 都与物理学密切相关： 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 6 物理学在能源利用和开发过程中的作用 能源利用史的三次革命 物理学的贡献 蒸汽机的发明和使用 （18世纪初） 电能的使用 （19世纪初） 原子能的利用 （20世纪下半叶） 改善热机性能，提高热机效 率，促进了热力学的发展。 建立完整的电磁理论，制造了发 电机、电动机、电灯、无线电通 信等，改变了人类生活面貌。 建立原子核裂变和核聚变的理 论，建成核电站，解决能源危机
，的品发验典家做亿人文物理》，特品安共家保人文验验）七$七饼能源的分类能源的分类1、按能量的来源可以分为2、按照能源的形成可以分为：来自地球外天体的能量：太阳辐射能一次能源：天然能源（原煤、原油、天然气等）地球本身蕴藏的能量：地热能、核能二次能源：人工能源（汽油、煤气、电能等）地球与天体之间的相互作用产生的能量：潮汐能次能源二次能源地球太阳或其它晟球星球引力养品安服美家保忆人大理》车七饼 物#手与范摄导品发服典家保人大物》平七价物城#瓶能源的分类能源与环境二、13、按能源的使用方法可以分为：人类生活依赖能源，能源的使用造成环境污染，危害人类生活。比如，燃料燃燃料能源（不可再生能源）；烧时产生大量的污染物，使大气和水质产非燃料能源（可再生能源）生污染，严重危害人体和动植物的生长。4、按照能源的使用情况可以分为：大气污染所造常规能源：已经被广泛使用的能源成的危害有：酸雨（煤炭、石油、水力）问题，温室效应和新能源：未被大规模利用的能源臭氧层破坏等。（核能、太阳能、海洋能）+，特品安典家领人大的惠》，韩品安课美家课优人文物理》掌七价仙理养与范您本七外 台电学国花品能源造成的大气污染三、能源危机(S0,)人口的增长造成能源的大量消耗；二成化碗春淳报物粉尘等烟客非再生能源面临枯竭。氨载化物(NOX化毒(00)d65年46年汽车排放的废气世弄人口过60亿比19世记来增加2煤、石油等化石能源消耗增加工业生产（加各燃料的燃烧种化工厂、炼焦厂等）过程中产天然气石油公源消耗不断增加生的度气
精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 7 一、能源的分类 1、按能量的来源可以分为： 来自地球外天体的能量：太阳辐射能 地球本身蕴藏的能量：地热能、核能 地球与天体之间的相互作用产生的能量：潮汐能 太阳或其它星球 地球 星球引力 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 8 一、能源的分类 2、按照能源的形成可以分为： 一次能源：天然能源（原煤、原油、天然气等） 二次能源：人工能源（汽油、煤气、电能等） 热 柴油 电能 汽油 地热 风能 天然气 原煤 水力 原油 太阳能 一次能源 二次能源 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 9 4、按照能源的使用情况可以分为： 常规能源：已经被广泛使用的能源 （煤炭、石油、水力） 新能源：未被大规模利用的能源 （核能、太阳能、海洋能） 3、按能源的使用方法可以分为： 燃料能源（不可再生能源）； 非燃料能源（可再生能源）。 一、能源的分类 煤 天然气 石油 太阳能 核能 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 10 二、能源与环境 人类生活依赖能源，能源的使用造成 环境污染，危害人类生活。比如，燃料燃 烧时产生大量的污染物，使大气和水质产 生污染，严重危害人体和动植物的生长。 大气污染所造 成的危害有：酸雨 问题，温室效应和 臭氧层破坏等。 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 能源造成的大气污染 煤、石油等化石 燃料的燃烧 汽车排放的废气 工业生产（如各 种化工厂、炼焦 厂等）过程中产 生的废气 • 二氧化硫（SO2） • 悬浮颗粒物（烟雾、粉尘等） • 氮氧化物（NOx） • 一氧化碳（CO） 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 12 三、能源危机 人口的增长造成能源的大量消耗； 非再生能源面临枯竭。 世界人口过60亿， 比19世纪末增加2倍 多，能源消耗增加 16倍多
，的品发验典家做亿人文物理》映品发小再生能源三、能源危机能源革命的两大重点是开发新能源能利用的不足，不足、不足！和提高能源的利用率。重点开发太阳能、核能、风能、地热能、海洋能等。海洋能地热带规模受到环境、季太阳能现在的开发节、地理位量等条技术不足件的限制品安证业享品人大的迎开七价物国活摄品资源典家据人文物照七物通的电范品号加拿大皮克灵核电厂核能一一无穷的能源核电站核裂变能如全部利用，杜矿能供使用2400～2800年40亿万吨2千多亿吨海（海水）:美核套站如实现可控核聚变，能供使用上千亿年特品安组物家人大物》龙七外 台电学国花量《特品安课美事媒人大的照七快品零与美馆日本美滨核电站中国山核电站(浙江海盐）电站
精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 海洋能 风 能 地热能 13 能源革命的两大重点是开发新能源 和提高能源的利用率。 重点开发太阳能、核能、风能、地 热能、海洋能等。 三、能源危机 太阳能 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 再生能源 水力 风能 潮汐能 规模受到环境、季 节、地理位置等条 件的限制 现在的开发 技术不足 太阳能 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 核能－－无穷的能源 海洋 核裂变能 核聚变能 铀、钍矿石 如全部利用， 能供使用2400 ～2800年 如全部利用， 能供使用2400 ～2800年 氘（来自海水）、锂 40亿万吨 2千多亿吨 如实现可控核聚变，能 供使用上千亿年 如实现可控核聚变，能 供使用上千亿年 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 加拿大皮克灵核电厂 核电站 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 日本美滨核电站 核电站 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 中国秦山核电站（浙江海盐） 核电站
（）特品发部）人文物明特品安服典中园大亚湾核电站（广东深圳）核能核能，又称原子能，它的发现是20世纪最伟大的科学成就之一。从此，人类又获得了一个重要的新能源。核能的利用与原子核物理的发展密切相关。中品安证业享品人大的迎七价物国带电活售(9-核能微观世的里理身四、原子核物理的发展历史与摄管相关的伟大发现1905年爱因斯坦提出质能关系式，奠定了原子核能利用的理论基础。物理学在探索原子和原子核结构方面经过40多年的努力，核物理才开始被应用。可以说，40多年里经过众多科学家几代人艰苦卓绝的努力，才为人类社会迎来了原子能时代。K特品安#共家各人大物题常七价台电学国花量，韩品安课美家课最人大物理》美七价与放射性的发现卢福提出了原子的核式模型1909年，英国物理学家卢慈福在他的学生盖原子核物理学起源于放射性的研究。放射性的发现是人类第一次接触到核现象，因为放射性是来革和马斯登的协助下，发现α粒子轰击原子时，源于原子核衰变。大约每八千个α粒子中有一个发生大角度散射。汤姆逊模型无法对该实验结果做出解释。对天然放射线进一步的研究表明，如果一种元素具有放射性，那么它不论以单质形式存在，还是卢慧福原子模型以某种化合物的形式存在其放射性都不受影响，也卢意福根据实验结果于1911年提出了就是说放射性与元素的化学状态无关。我们知道，元素的化学性质决定于原子核外的电子，因此可以原子的“核式结构模原子桃断定，射线来源于原子核，即原子核是有内部结构型”（也被称为“卢意的。实际上人们认识原子核的结构就是从天然放射福行星模型"）性开始的。23
精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 中国大亚湾核电站（广东深圳） 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 20 核 能 核能，又称原子能，它的发现是20世纪最 伟大的科学成就之一。从此，人类又获得了一 个重要的新能源。 核能的利用与原子核物理的发展密切相关。 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 21 四、原子核物理的发展历史 1905年爱因斯坦提出质能关系式，奠 定了原子核能利用的理论基础。物理学在 探索原子和原子核结构方面经过40多年的 努力，核物理才开始被应用。可以说，40 多年里经过众多科学家几代人艰苦卓绝的 努力，才为人类社会迎来了原子能时代。 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 图1-27 费米 与核能相关的伟大发现 贝克勒耳 居里夫人 约里奥.居里夫妇 费米 查德威克 哈恩 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 23 放射性的发现 原子核物理学起源于放射性的研究。放射性的 发现是人类第一次接触到核现象，因为放射性是来 源于原子核衰变。 对天然放射线进一步的研究表明，如果一种元 素具有放射性，那么它不论以单质形式存在，还是 以某种化合物的形式存在其放射性都不受影响，也 就是说放射性与元素的化学状态无关。我们知道， 元素的化学性质决定于原子核外的电子，因此可以 断定，射线来源于原子核，即原子核是有内部结构 的。实际上人们认识原子核的结构就是从天然放射 性开始的。 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 24 1909年，英国物理学家卢瑟福在他的学生盖 年，英国物理学家卢瑟福在他的学生盖 革和马斯登的协助下，发现 α 粒子轰击原子时， 大约每八千个 α 粒子中有一个发生大角度散射。 汤姆逊模型无法对该实验结果做出解释。 卢瑟福根据实验 结果于1911年提出了 原子的“核式结构模 型”（也被称为“卢瑟 福行星模型”） 卢瑟福提出了原子的核式模型 原子核 电子 卢瑟福原子模型
群优人大物成（，特品安典家保《人文验啦》特品光票了+α粒子散射显微镜原子核的发现深远意义硫化锌的闪烁屏使人们对原子结构有了正确的认识，为原子物理的发展奠定了基础；同时，也开始了人类对原子核研究的历史，在人们探索微观世界的道路上又树立了一个新的里程碑。另外，卢慈福散射的方法为材料分析提供了重要的实验手段。α粒子束射向金箔：1/8000被反射，大部分透过。226家课忆人大物理》正七价物温业活量得人文物暖换物摄器狐卢慈福简介卢悉福1871年8月13日出生在新西兰，1894年大学毕业，1895年到英国剑桥大学学习，成为J.J.汤姆孙的研究生。1908年卢意福荣获诺贝尔化学奖，同卢雙福，E.年在曼切斯特大学任教，卢瑟福不仅是一位伟大的科学家，而且是一继续指导他的学生进行α粒位受学者尊敬的导师，在他的学生中有十几位获得了现代科学界最高荣誉一诺贝尔奖，其中包-子散射的实验研究。卢慧福括玻尔、查德威克等。代，特品安#典家课亿人大物理》邓七价台电拳国花量，韩品安课美家课就人文物理》学七静 你服学与美首次人工核反应与质子的发现首次人工核反应与质子的发现卢瑟福在实验中实现了下述核反应：1919年，卢瑟福继承了他的老师汤姆逊的剑桥大学卡文迪许实验室主任的职务。同年他采用如下He+"N-",O+H装置利用212Po放出的α粒子去轰击N原子，实现了历史上第一个人工核反应。卢福发现用硼、氟、钠、铝、磷等做实验，也能打出氢核，因此认为所有元素的原子核中都存在这种带正电的粒子，并于1920年将其命名为"质子（proton），符号为p"。α+'N→O+ p这是人类首次有意识地完成的核反应，使一种元素转变成了另一种元素，标志着核物理时代的开始a0
精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 25 θ + - α 粒子散射 α粒子束射向金箔： 1 / 8000被反射，大部分透过。 硫化锌的闪烁屏 显微镜 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 26 使人们对原子结构有了正确的认识， 为原子物理的发展奠定了基础；同时，也 开始了人类对原子核研究的历史，在人们 探索微观世界的道路上又树立了一个新的 里程碑。另外，卢瑟福散射的方法为材料 分析提供了重要的实验手段。 原子核的发现深远意义 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 27 卢瑟福简介 卢瑟福1871年8月13日 出生在新西兰，1894年大 学毕业，1895年到英国剑 桥大学学习，成为J.J.汤姆 孙的研究生。1908年卢瑟 福荣获诺贝尔化学奖，同 年在曼切斯特大学任教， 继续指导他的学生进行α粒 子散射的实验研究。 卢瑟福 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 28 卢瑟福不仅是一位伟大的科学家，而且是一 位受学者尊敬的导师，在他的学生中有十几位获 得了现代科学界最高荣誉――诺贝尔奖，其中包 括玻尔、查德威克等。 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 29 1919年，卢瑟福继承了他的老师汤姆逊的剑桥 大学卡文迪许实验室主任的职务。同年他采用如下 装置利用 212Po 放出的 α 粒子去轰击N原子，实现 了历史上第一个人工核反应。 首次人工核反应与质子的发现 精品资源共享课《人文物理》 第七讲 物理学与能源 30 卢瑟福发现用硼、氟、钠、铝、磷等做实 验，也能打出氢核，因此认为所有元素的原子核 中都存在这种带正电的粒子，并于1920年将其命 名为“质子（proton），符号为 p”。 + N→ O + p 17 8 14 α 7 卢瑟福在实验中实现了下述核反应： He N O H 1 1 17 8 14 7 4 2 + → + 这是人类首次有意识地完成的核反应，使一种元 素转变成了另一种元素，标志着核物理时代的开始。 首次人工核反应与质子的发现