高一物理文本素材 2.4 能源與可持續(xù)發(fā)展 1（魯科版2）

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精2。4《能源與可持續(xù)發(fā)展》素材一、新課標(biāo)本節(jié)知識與大綱教材的對比變化1。增加了“能舉出日常生活中能量守恒的實(shí)例，有用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象的意識”。分析:教學(xué)大綱對能的轉(zhuǎn)化和守恒定律的教學(xué)要求是“知道各種形式的能可以相互轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中能量守恒”,可以看出教學(xué)目標(biāo)主要是從知識的角度來提出的。由于能量守恒定律是自然界中最普遍、最基本的定律之一，它是人類認(rèn)識自然、改造自然的有力武器,所以課程標(biāo)準(zhǔn)對這部分內(nèi)容提出了更高的要求，增加了“能舉出日常生活中能量守恒的實(shí)例，有用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象的意識”。第一點(diǎn)要求屬于“了解”水平，要求學(xué)生能從宏觀的角度大致說明日常生活中有關(guān)能量守恒的實(shí)例即可.第二點(diǎn)要求屬于“理解”水平，目的是進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn)分析物理現(xiàn)象的意識.增加的這兩點(diǎn)要求充分體現(xiàn)了STS的觀點(diǎn)和強(qiáng)調(diào)與其他學(xué)科相聯(lián)系的新課程理念.新教材在編寫這部分內(nèi)容時，首先讓學(xué)生利用身邊的器材完成一組小實(shí)驗(yàn)來討論自然界各種現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系,體會能量之間的相互轉(zhuǎn)化，然后介紹能量守恒定律。同時專門安排了科學(xué)世界欄目：向地球要熱。讓學(xué)生了解地?zé)徇@種新能源以及人們?nèi)绾卫玫責(zé)峁┡l(fā)電，給人們的生活帶來方便等.針對這部分內(nèi)容的增加，新教材也增加了相應(yīng)的創(chuàng)新性的練習(xí)和習(xí)題。2.增加了“通過能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，認(rèn)識效率，初步了解在現(xiàn)實(shí)生活中能量的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移有一定的方向性”。分析:這部分知識在教學(xué)大綱里沒有作要求，原教材也沒有編寫這部分內(nèi)容.但由于這部分知識與我們生活和社會聯(lián)系非常緊密,課程標(biāo)準(zhǔn)對這部分知識提出了兩點(diǎn)要求：第一點(diǎn)要求“通過能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移,認(rèn)識效率”屬于“認(rèn)識"水平層次，要求能通過生產(chǎn)生活中的一些常見實(shí)例，分析能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中,有能量損耗，從而進(jìn)一步從更廣義的范圍認(rèn)識效率的概念；第二點(diǎn)要求“初步了解在現(xiàn)實(shí)生活中能量的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移有一定的方向性”屬于“初步了解”水平層次,強(qiáng)調(diào)在分析能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移時，同時還要考慮方向性,說明分析物理現(xiàn)象時都是有規(guī)律可循的道理。新教材在處理這部分內(nèi)容時，一是結(jié)合燃料的熱值讓學(xué)生討論怎樣提高各種熱機(jī)及爐子的效率;二是讓學(xué)生閱讀、討論人類歷史上不斷進(jìn)行著的能源革命,使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識到科技給人類帶來的便利；三是通過具體實(shí)例讓學(xué)生初步認(rèn)識到能量的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移是有方向性的.3.將“常識性了解幾種主要能源、節(jié)能的重要性、能源的開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)”變?yōu)椤澳芡ㄟ^具體事例，說出能源與人類生存和社會發(fā)展的關(guān)系”、“能結(jié)合實(shí)例，說出不可再生能源和可再生能源的特點(diǎn)”。分析：這部分內(nèi)容在教學(xué)大綱里是作為選學(xué)內(nèi)容的，教學(xué)大綱的要求也是作為常識性了解，在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生只是作為課外閱讀材料,教師不作任何說明和解釋。隨著能源問題在社會生活中越來越突出,課程標(biāo)準(zhǔn)提出了明確的要求。第一點(diǎn)屬于“了解"水平層次，要求能通過具體事例，了解自然界有哪些能源，能說出人類開發(fā)和利用能源的歷程與人類生活和社會發(fā)展的關(guān)系，體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)和社會的緊密聯(lián)系.第二點(diǎn)屬于“理解”水平層次,要求通過不可再生能源和可再生能源的理解，了解人類所面臨的能源危機(jī)，使學(xué)生有一種緊迫感、責(zé)任感,注重了學(xué)生情感態(tài)度與價值觀的培養(yǎng)。新教材在處理這部分內(nèi)容時，從“能源家庭”入手,介紹了日常生活中常用的各種能源，著重介紹了核能和太陽能。分析:這部分內(nèi)容在大綱里沒有作要求,原教材里也沒有列出來。課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出了兩點(diǎn)要求：第一是要求“了解世界和我國的能源狀況”,屬于“了解"水平層次,要求學(xué)生通過具體的資料和事實(shí)，來了解我國和世界的能源狀況，我國發(fā)展能源的方針和對策；第二是要求“對于能源的開發(fā)利用有可持續(xù)發(fā)展的意識”,屬于體驗(yàn)性目標(biāo)的“領(lǐng)悟"水平層次，要求學(xué)生要關(guān)心科學(xué)發(fā)展前沿，具有可持續(xù)發(fā)展的意識，樹立科學(xué)的世界觀，有將科學(xué)服務(wù)于人類的使命感與責(zé)任感,充分體現(xiàn)了從物理走向社會的基本課程理念。新教材在編寫這部分內(nèi)容時，一是介紹了21世紀(jì)的能源趨勢;二是結(jié)合實(shí)例讓學(xué)生分析說明能源消耗對環(huán)境的影響;三是讓學(xué)生討論怎樣探索和使用未來的理想能源。課后的練習(xí)和習(xí)題也安排了一些創(chuàng)新性的題目.二、潮汐能的產(chǎn)生及利用到過海邊的人都知道，海水有漲潮和落潮現(xiàn)象。漲潮時,海水上漲,波浪滾滾，景色十分壯觀；退潮時，海水悄然退去,露出一片海灘。我國古書上說:“大海之水,朝生為潮，夕生為汐?！蹦敲矗毕窃鯓赢a(chǎn)生的？古時候，很多賢者都探討過這個問題，提出過一些假想.古希臘哲學(xué)家柏拉圖認(rèn)為地球和人一樣，也要呼吸,潮汐就是地球的呼吸。他猜想這是由于地下巖穴中的振動造成的，就像人的心臟跳動一樣.隨著人們對潮汐現(xiàn)象的不斷觀察，對潮汐現(xiàn)象的真正原因逐漸有了認(rèn)識。我國古代余道安在《海潮圖序》一書中說:“潮之漲落，海非增減，蓋月之所臨，則之往從之。”漢代思想家王充在《論衡》中寫到：“濤之起也，隨月盛衰?！彼麄兌贾赋隽顺毕c月球有關(guān)系.到了17世紀(jì)80年代，英國科學(xué)家牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律以后，提出了潮汐是由于月球和太陽對海水的吸引力引起的假設(shè),從而科學(xué)地解釋了潮汐產(chǎn)生的原因.原來，海水隨著地球自轉(zhuǎn)也在旋轉(zhuǎn),而旋轉(zhuǎn)的物體都具有離開旋轉(zhuǎn)中心的傾向，這就好像旋轉(zhuǎn)張開的雨傘,雨傘上水珠將要被甩出去一樣.同時海水還受到月球、太陽和其他天體的吸引力，因?yàn)樵虑螂x地球最近，所以月球的吸引力較大.這樣海水在這兩個力的共同作用下形成了引潮力.由于地球、月球在不斷運(yùn)動，地球、月球與太陽的相對位置在發(fā)生周期性變化，因此引潮力也在周期性變化，這就使潮汐現(xiàn)象周期性地發(fā)生.大海的脈搏,每天都在不停地運(yùn)動，漲潮時它把海水向岸邊沖去，落潮時又把海水退回海中。潮汐這樣往復(fù)不停地而又有規(guī)律地運(yùn)送海水,就攜帶了巨大的能量.條條江河歸大海,在每條大河出海的河口處，往往會出現(xiàn)洶涌澎湃的潮汐現(xiàn)象,如英國的塞汶河，法國的塞納河,印度的恒河，巴西的亞馬孫河等等著名的河口.最為壯觀的是我國錢塘江的潮涌,早就聞名于世。每年農(nóng)歷八月十八日，我國錢塘江都出現(xiàn)一種奇特的潮涌現(xiàn)象.放眼遠(yuǎn)望，碧海茫茫,天水相連，瞬間洶涌的潮水,前呼后擁，推波助瀾，從遠(yuǎn)到近,由天邊滾滾而來.潮聲震天動地，其勢如萬馬奔騰,平靜的海面上很快地形成十多米高的潮浪，又掀起七米多高的水花，一派“滔天濁浪排空來，翻江倒海山為摧"的壯麗景色。幾千年來,錢塘江潮汐總是滾滾而來，默默而去，只作為供人欣賞的自然美景，一直沒有開發(fā)利用.對于這個得天獨(dú)厚的自然資源，中國科學(xué)家將發(fā)揮自己的聰明才智，在二十一世紀(jì)時，錢塘江口不光有震天動地的潮汐為游人欣賞，而且有一座座潮汐發(fā)電站點(diǎn)綴其間。發(fā)電站的水輪機(jī)在洶涌澎湃的潮水推動下飛快地運(yùn)轉(zhuǎn)，把巨大的水能轉(zhuǎn)變成現(xiàn)代化生活中必不可少的電能.潮水緩緩?fù)巳r,被錢塘江外大壩上的無數(shù)個大閘鎖住，水位提高，造成一個個水位的落差,再一次利用其巨大的能量為人類服務(wù).據(jù)估計,世界上約有十億千瓦的潮汐能.我國大陸海岸線長達(dá)一萬八千多公里，潮汐資源的蘊(yùn)藏量在二億千瓦以上.潮汐能潛力是無限的，條條河流都可開發(fā)利用，而且對環(huán)境無污染,無影響,確實(shí)值得人們?nèi)ヌ角蟆⑺伎?，為人類所用。三、燃料電池簡?839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點(diǎn)亮了倫敦講演廳的照明燈.1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機(jī)和電極過程動力學(xué)的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀(jì)50年代才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，英國劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實(shí)用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應(yīng)用于阿波羅（Appollo）登月飛船。從60年代開始,氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領(lǐng)域中得到應(yīng)用.燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電.依據(jù)電解質(zhì)的不同,燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC）等。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高,潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。大型電站，火力發(fā)電由于機(jī)組的規(guī)模足夠大才能獲得令人滿意的效率，但裝有巨型機(jī)組的發(fā)電廠又受各種條件的限制不能貼近用戶，因此只好集中發(fā)電由電網(wǎng)輸送給用戶。但是機(jī)組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應(yīng)戶戶的需要,電網(wǎng)隨用戶的用電負(fù)荷變化有時呈現(xiàn)為高峰，有時則呈現(xiàn)為低谷.為了適應(yīng)用電負(fù)荷的變化只好備用一部分機(jī)組或修建抽水蓄能電站來應(yīng)急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價的。傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時還會排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒,沒有轉(zhuǎn)動部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100％,裝置無論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40％～60％，可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒有輸電輸熱損失,綜合能源效率可達(dá)80％，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)供電、大到和目前的火力發(fā)電廠相比，非常靈活。燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同.其單體電池是由正負(fù)兩個電極(負(fù)極即燃料電極,正極即氧化劑電極）以及電解質(zhì)組成。不同的是一般電池