淺談能源有效利用問題

柯 霞

（北京市京源學(xué)校，北京 100040）

能源危機(jī)是制約現(xiàn)代社會發(fā)展的嚴(yán)重問題，一切能量來自能源，對能源的有效開發(fā)和利用是人類征服自然的見證，是學(xué)生學(xué)習(xí)了解現(xiàn)代科技知識的一個極好素材.近期因地震引發(fā)的日本福島核電站核泄漏問題備受人們關(guān)注，在強(qiáng)調(diào)對核能安全使用的同時，人們也在思考未來安全可靠的能源是什么？如何充分有效利用能源？

高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出：“課程應(yīng)體現(xiàn)物理學(xué)自身及其與文化、經(jīng)濟(jì)和社會互動發(fā)展的時代性要求，肩負(fù)起提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展的重任.”引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理學(xué)技術(shù)應(yīng)用所帶來的社會熱點(diǎn)問題，不僅有很好的時效性，對提高學(xué)生解決實(shí)際問題能力也是一個很好的切入點(diǎn).在實(shí)現(xiàn)課內(nèi)知識與課外知識融合的過程中.也培養(yǎng)了學(xué)生的社會參與意識和對社會負(fù)責(zé)任的態(tài)度.

但學(xué)生對能源的認(rèn)識往往是“看上去很美”，卻很難揭開其美的面紗，究其原因，主要表現(xiàn)在不熟悉能源的具體表達(dá)式，缺乏分析能源轉(zhuǎn)化途徑及實(shí)踐應(yīng)用的方法.在教學(xué)中圍繞“能源的有效利用”的主題，如何幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)并解決自身的問題，可以從以下幾個切入點(diǎn)入手進(jìn)行突破.

1 幫助學(xué)生熟悉常見的能源類型

1.1 太陽能輻射特點(diǎn)

已知太陽輻射的總功率P，太陽到地球的距離r，太陽光大約有η的能量被傳播到達(dá)地面，則地面面積為S0的太陽能電池板接收到的太陽能功率是多少？

1.2 風(fēng)能的計(jì)算公式

風(fēng)能是一種環(huán)保型能源.風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為電能.設(shè)空氣的密度為ρ，水平風(fēng)速為v，風(fēng)力發(fā)電機(jī)每個葉片長為L，設(shè)通過葉片旋轉(zhuǎn)所圍成的圓面內(nèi)的所有風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率為η，那么該風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電功率P是多大？

分析：葉片旋轉(zhuǎn)所形成的圓的面積為S＝πL2，t秒內(nèi)流過該面積的空氣的質(zhì)量為m＝ρSvt，動能為，發(fā)出的電功率為

1.3 水力發(fā)電

水力發(fā)電是將水的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，水的重力勢能表達(dá)式為EP＝MgΔh，M表示水的質(zhì)量.

2 幫助學(xué)生分析能源的轉(zhuǎn)化途徑

能源的利用，必然會在不同的研究對象間發(fā)生能量傳輸.因此明確研究對象，熟悉各研究對象的輸入和輸出情況，才能掌握能量在不同研究對象間的轉(zhuǎn)化途徑.

例1.（2007年北京理綜卷）環(huán)保汽車將為2008年奧運(yùn)會場館服務(wù).某輛以蓄電池為驅(qū)動能源的環(huán)保汽車，總質(zhì)量m＝3×103kg.當(dāng)它在水平路面上以v＝36km／h的速度勻速行駛時，驅(qū)動電機(jī)的輸入電流I＝50A，電壓U＝300V.在此行駛狀態(tài)下，

（1）求驅(qū)動電機(jī)的輸入功率P電；

（2）若驅(qū)動電機(jī)能夠?qū)⑤斎牍β实?0%轉(zhuǎn)化為用于牽引汽車前進(jìn)的機(jī)械功率P機(jī)，求汽車所受阻力與車重的比值（g取10m／s2）；

（3）設(shè)想改用太陽能電池給該車供電，其他條件不變，求所需的太陽能電池板的最小面積.結(jié)合計(jì)算結(jié)果，簡述你對該設(shè)想的思考.

已知太陽輻射的總功率P0＝4×1026W，太陽到地球的距離r＝1.5×1011m，太陽光傳播到達(dá)地面的過程中大約有30%的能量損耗，該車所用太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率約為15%.

太陽能轉(zhuǎn)化途徑見圖1.

圖1

能量轉(zhuǎn)化為：太陽能——電能——機(jī)械能.

解析：（1）驅(qū)動電機(jī)的輸入功率P電＝IU＝1.5×103W.

（2）在勻速行駛時 P機(jī)＝0.9P電＝Fv＝fv，

（3）當(dāng)陽光垂直電磁板入射式，所需板面積最小，設(shè)其為S，距太陽中心為r的球面面積S0＝4πr2.

若沒有能量的損耗，太陽能電池板接受到的太陽能功率為P′，則

設(shè)太陽能電池板實(shí)際接收到的太陽能功率為P，

由于P電＝15%P，所以電池板的最小面積為

分析可行性并提出合理的改進(jìn)建議：現(xiàn)在還不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，要進(jìn)一步提高太陽能電池轉(zhuǎn)化率，減小車的質(zhì)量，提高電動機(jī)效率.

例2.（2010年海淀二模題）題風(fēng)能是一種環(huán)保型的可再生能源.據(jù)勘測，我國利用風(fēng)力資源至少有2.53×105MW，所以風(fēng)能是很有開發(fā)前途的能源.風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)的動能通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能的過程.某風(fēng)力發(fā)電機(jī)將空氣的動能轉(zhuǎn)化為電能的效率η＝20%，空氣密度ρ＝1.3kg／m3，其有效受風(fēng)面積S＝20m2.此風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出U＝250V穩(wěn)定的直流電壓，用它給如圖2所示的皮帶傳送裝置的電動機(jī)（電動機(jī)未畫出）供電，輸電線電阻不計(jì).已知皮帶傳送裝置的電動機(jī)的額定電壓U額＝250V，允許消耗電功率的最大值P電m＝500W，線圈電阻R＝5.0Ω，在該電動機(jī)消耗電功率達(dá)到最大值的情況下，電動機(jī)及皮帶傳送裝置各部分由于摩擦而損耗的功率與皮帶傳送裝置輸出的機(jī)械功率之比為1∶5.重力加速度g取10m／s2.

（1）求此風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速v1＝10m／s時輸出的電功率；

（2）求皮帶傳送裝置的電動機(jī)消耗電功率達(dá)到最大值時，皮帶傳送裝置輸出的機(jī)械功率；

（3）已知傳送帶兩端A、B之間距離s＝10m，高度差h＝4.0m.現(xiàn)將一貨箱（可視為質(zhì)點(diǎn)）無初速地放到傳送帶上A處，經(jīng)t＝1.0s后貨箱與傳送帶保持相對靜止，當(dāng)貨箱被運(yùn)送至B處離開傳送帶時再將另一個相同的貨箱以相同的方式放到A處，如此反復(fù)，總保持傳送帶上有一個（也只有一個）貨箱.在運(yùn)送貨箱的過程中，傳送帶的運(yùn)行速度始終保持v2＝1.0m／s不變.若要保證皮帶傳送裝置的電動機(jī)所消耗電功率始終不超過P電m＝500W，貨箱的質(zhì)量應(yīng)滿足怎樣的條件.

風(fēng)能轉(zhuǎn)化途徑見圖3.

圖2

圖3

能量轉(zhuǎn)化為：風(fēng)能——電能——機(jī)械能.

在風(fēng)速和葉片數(shù)確定的情況下，要提高風(fēng)輪機(jī)單位時間接受的風(fēng)能，簡述可采取的措施.

采取措施合理，如增加風(fēng)輪機(jī)葉片長度，安裝調(diào)向裝置保持風(fēng)輪機(jī)正面迎風(fēng)等.

解析：（1）1s內(nèi)吹到風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效面積上空氣的體積V＝Sv1，這些空氣所具有的動能風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電功率為

（2）設(shè)帶動傳送帶的電動機(jī)消耗電功率最大時通過它的電流為I，此時電動機(jī)輸出功率為P輸出，皮帶傳送裝置輸出的機(jī)械功率為P機(jī)械.則

（3）設(shè)貨箱在恒力作用下做勻加速直線運(yùn)動的位移為sx，上升的高度為hx.

貨箱在傳送帶上加速運(yùn)動時，帶動傳送帶運(yùn)行的電動機(jī)需要消耗較大的電功率，所以在貨箱加速過程中電動機(jī)如果不超過其允許消耗的最大功率，勻速運(yùn)行過程中就不會超過其允許消耗的最大電功率.

設(shè)貨箱質(zhì)量為m，貨箱被加速的過程中其機(jī)械能增加量為E，由于貨箱與傳送帶的摩擦產(chǎn)生的熱量為Q.則

設(shè)貨箱與傳送帶之間的摩擦力為f，對于貨箱在傳送帶上被加速的過程，根據(jù)動能定理有

在貨箱加速運(yùn)動過程中，傳送帶的位移s帶＝v2t＝1.0m，所以貨箱與傳送帶之間的相對位移Δs＝s帶－sx＝0.50m，根據(jù)功能關(guān)系Q＝f·Δs.聯(lián)立解得

為使電動機(jī)工作過程中不超過允許的最大值，應(yīng)有Ep＋Ek＋Q小于等于P機(jī)械t，即

3 能源有效利用的現(xiàn)實(shí)意義

能源的認(rèn)知過程貫穿了整個高中物理教材，能量是物理學(xué)的一重要概念，機(jī)械能、內(nèi)能、電能、光能、核能…形形色色的能可以相互轉(zhuǎn)化，但總能量保持不變，這就是能的轉(zhuǎn)化與守恒定律，這一規(guī)律像一根紅線貫穿整個高中物理.“能源有效利用”的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)充分體現(xiàn)知識體系的動態(tài)性，使其隨時間不斷地發(fā)展、變化，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)科發(fā)展的同步性.

如2010年5月1日精彩開幕的上海世博會，各場館新穎的環(huán)保設(shè)計(jì)、新能源汽車的閃亮登場、太陽能的廣泛利用……令人耳目一新，這些都是很好的教學(xué)資源.

以科學(xué)的態(tài)度來辨別社會現(xiàn)象的真?zhèn)危茏寣W(xué)生體會到知識的力量，樹立主人翁意識.如有網(wǎng)友把2011年3·11日本本州島海域地震等災(zāi)難和“超級月亮”扯到了一起，我們可以設(shè)計(jì)下列問題幫助學(xué)生辨別真?zhèn)危?/p>

例3.潮汐發(fā)電就是利用潮水漲落產(chǎn)生的水位差來發(fā)電.由于太陽和月球?qū)Ｋ淖饔昧Γㄒ绷Γ┡c它們的質(zhì)量成正比，與它們到地球的距離的三次方成反比，已知太陽的質(zhì)量 M1＝2.00×1030kg，月球的質(zhì)量 M2＝7.36×1022kg，地日距離 R1＝1.50×1011m，地月距離 R2＝3.84×108m，則太陽與月球?qū)Ｋ囊绷Υ笮≈葹镕1∶F2＝________.

即月球的引潮力比太陽大.

地月距離不停地發(fā)生著變化，由于萬有引力的作用，它對地球上潮汐有一定影響.距離近時潮汐力就會大一些，反之，潮汐力就會小一些.而地震主要是由地球板塊運(yùn)動所引起的.因此，從目前掌握的科學(xué)理論和相關(guān)事實(shí)來看，地月距離與地震沒有任何關(guān)聯(lián).

何謂“超級月亮（Supermoon）”？“超級月亮（Supermoon）”是指月亮距離地球近距離的狀態(tài)，據(jù)英國《每日郵報》報道，2011年3月19日，月球?qū)⒌竭_(dá)19年來距離地球最近位置，屆時它與地球的距離將僅有35萬多公里，看起來會異常巨大.有網(wǎng)友把2011年3·11日本本州島海域地震等災(zāi)難和“超級月亮”扯到了一起，天文學(xué)家則稱超級月亮影響日本地震海嘯之說等猜測毫無科學(xué)依據(jù).

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：“知識既不是客觀的東西，也不是主觀的東西，而是個體在與環(huán)境交互作用的過程中逐漸建構(gòu)的過程.”因此，關(guān)注新聞時事，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，多角度拓展學(xué)習(xí)渠道，建構(gòu)以“學(xué)生”為中心的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識，自我建構(gòu)能源認(rèn)知、能源開發(fā)、能源利用新知識的能力，是幫助學(xué)生解決能源問題的有效途徑；而充分發(fā)揮教師和學(xué)生復(fù)合而成的統(tǒng)一體的作用，是師生共同參與、相互磨合、創(chuàng)造性實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的過程.