探秘新能源 實現(xiàn)碳中和

倪志強

(浙江省杭州市臨平職業(yè)高級中學，浙江 杭州 311100)

“魅力物理，魔幻實驗”是杭州市精品知識拓展類選修課程，由一系列物理實驗組成，在我?！爸斜疽惑w”班實施。自2018年來，我校數(shù)控專業(yè)創(chuàng)辦直升本科的“中本一體”班，學生素質(zhì)較好，由于升學應試的壓力小，學生動手能力逐漸增強。為更好地提升學生核心素養(yǎng)，高校要求開設普高物理必修課程，我校對該班教學進行了改革探索，開設“探秘新能源”選修課，通過一系列科學實驗來激發(fā)學生的興趣，促使其主動參與學習，深度理解概念、掌握規(guī)律，完善學科結(jié)構(gòu)，領(lǐng)悟科學方法，了解學科前沿，提升核心素養(yǎng)，為進入本科院校后的數(shù)控專業(yè)學習打好扎實基礎(chǔ)。

1 發(fā)電的奧秘

“探秘新能源”選自物理課程的“電磁感應現(xiàn)象”，是中學物理的主干內(nèi)容。發(fā)電的奧秘立足主題拓展，補充知識應用。通過該課題的學習，學生經(jīng)歷類似科學家發(fā)現(xiàn)電磁感應的過程，尋得產(chǎn)生感應電流的條件，拓展對自感和互感、渦流和反電動勢的理解，為大學物理學習打基礎(chǔ)。

1.1 神奇的發(fā)光

(1)在講臺上放一臺用布遮掩著的電磁爐。

(2)讓學生將帶有發(fā)光二極管的線圈靠近電磁爐臺面。當線圈靠近時，教師給電磁爐通電，時間不能太早，以防電磁爐空載保護。

現(xiàn)象：發(fā)光二極管發(fā)光。

說明：學生沒有注意到電磁爐通電，也不清楚“感應”，對實驗現(xiàn)象深感意外。

(3)逐漸增大線圈與電磁爐之間的距離。

現(xiàn)象：發(fā)光二極管逐漸變暗。

問題：產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是什么？

猜測：發(fā)光二極管的亮度受穿過線圈磁通量變化率的影響。

1.2 發(fā)電的奧秘

(1)搖動用布包著的手搖電筒(圖1)。

圖1

現(xiàn)象：燈不斷閃爍。

(2)展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提出問題。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)：線圈和磁鐵。

電能來源：磁鐵的機械能轉(zhuǎn)化為電能。

發(fā)電原理：電磁感應。

怎樣使發(fā)光二極管更亮？

學生回答：使磁鐵運動更快、磁鐵磁性更強、線圈匝數(shù)更多。

1.3 探究發(fā)電原理

挑戰(zhàn)：讓連接線圈的燈泡發(fā)光。

器材：學生電源、可拆變壓器等。

要求：不能直接把燈泡接到學生電源上，通過實驗解決問題。

(1)將與燈泡連接的線圈套在如圖2所示的鐵芯上。

圖2

(2)給可拆變壓器線圈通以直流電。

現(xiàn)象：小燈泡不發(fā)光。

(3)給可拆變壓器線圈通以交流電。

現(xiàn)象：小燈泡發(fā)光。

原因：當線圈中磁通量發(fā)生變化時小燈泡發(fā)光。

(4)逐漸調(diào)高交流電的電壓。

現(xiàn)象：調(diào)高電壓時小燈泡變亮，調(diào)低電壓時小燈泡變暗。

原因：交流電電壓越高，流過可拆變壓器線圈的電流越大，通過與小燈泡相連線圈的磁通量變化率越大，小燈泡就越亮。

(5)接上可拆變壓器上匝數(shù)較多的線圈。

現(xiàn)象：小燈泡變暗了。

學生對此很疑惑，討論后找到了原因。

造成學生產(chǎn)生疑惑的原因是：不能明確研究對象，因果關(guān)系模糊。在變壓器原、副線圈中，原線圈電壓由輸入電源決定，電源和原線圈匝數(shù)等影響著磁通量變化率，它與副線圈的匝數(shù)共同決定了副線圈上產(chǎn)生的感應電動勢。

1.4 設計意圖

神奇的發(fā)光：實驗器材選用生活中熟悉的電磁爐，使學生感覺物理就在身邊，出乎意料的現(xiàn)象激發(fā)了學生強烈的好奇心和自主探索的興趣。

發(fā)電的奧秘：(1)用手電筒回顧電磁感應現(xiàn)象的主干內(nèi)容，加深對電源的理解；(2)用可拆變壓器深入探究電磁感應現(xiàn)象，但因?qū)W生能力不足，會產(chǎn)生許多疑惑，從而培養(yǎng)學生的質(zhì)疑精神和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，提升他們的核心素養(yǎng)。

2 探秘新能源

新材料、新能源技術(shù)推動了人類社會的發(fā)展變化，學生應了解科學與技術(shù)的發(fā)展，具備可持續(xù)發(fā)展意識，培養(yǎng)科學服務于人類的社會責任感。

碳中和是全球努力的目標，我國政府對此十分重視。開發(fā)新能源與技術(shù)創(chuàng)新能有效緩解能源危機，努力探索綠色環(huán)保的發(fā)電方式，提高能源利用效率。

2.1 風力發(fā)電

教師利用電動機和風扇使發(fā)光二極管發(fā)光(圖3)，引導學生觀察現(xiàn)象、分析原因。

圖3

知識鏈接：風力發(fā)電就是把風的動能轉(zhuǎn)變成風輪的動能，再由發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。裝置由風輪(含尾舵)、鐵塔和發(fā)電機三部分組成。風力發(fā)電是一種可再生、永不枯竭、潛力很大的新能源。我國有極為豐富的風力資源，甘肅酒泉被稱為“風電三峽”，江蘇的黃海被稱為“海上風電三峽”。風力發(fā)電技術(shù)成熟，在可再生能源中成本相對較低，邊遠地區(qū)生產(chǎn)、生活用電廣泛選用了小型風電機組。

2.2 光伏發(fā)電

(1)按圖4連接實驗電路，將太陽光照射太陽能電池板，發(fā)現(xiàn)小電風扇轉(zhuǎn)動起來。

圖4

(2)讓太陽光隔著窗戶和車窗玻璃等照射太陽能電池板，發(fā)現(xiàn)小電風扇仍然轉(zhuǎn)動。

(3)用白熾燈、節(jié)能燈和日光燈管的光分別照射太陽能電池板，發(fā)現(xiàn)小電風扇不轉(zhuǎn)動。

知識鏈接：光伏發(fā)電裝置主要由太陽電池板、控制器和逆變器三大部分組成。太陽電池板是利用半導體(主要有硅、硫化鎘、砷化鎵)界面的光電效應將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的電池。太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源，具有清潔、安全、廣泛、經(jīng)濟、資源充足等優(yōu)點。但太陽能電池板的生產(chǎn)卻存在高污染、高能耗等問題。

2.3 溫差發(fā)電

如圖5所示，取兩段相同的銅絲和一段鐵絲，將兩根銅絲的一端分別接在靈敏電流計正負接線柱上，另一端分別與鐵絲的一端絞結(jié)在一起。用燭焰加熱銅絲與鐵絲的絞結(jié)端M，發(fā)現(xiàn)電流計的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖5

學生通過討論，指出其原因是：高溫絞結(jié)處的自由電子向低溫絞結(jié)處做定向移動，從而產(chǎn)生電流。教師再提出問題：增大回路中電流的措施有哪些？

知識鏈接：塞貝克效應是在兩種不同導電材料組成的閉合回路中，當兩個接點溫度不同時，回路中產(chǎn)生的電勢差使內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象。1821年，德國科學家塞貝克發(fā)現(xiàn)：對由兩種不同金屬構(gòu)成的閉合回路某接點加熱時，在回路附近的指南針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，他認為使指南針偏轉(zhuǎn)的磁場是溫度梯度磁化了金屬導線而產(chǎn)生。但電路切斷后溫度梯度依然存在，而指南針偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象卻消失，可見導線周圍磁場隨著消失，說明不是熱磁效應。后人研究發(fā)現(xiàn)塞貝克效應是熱電效應造成的。

2.4 記憶合金

(1)將拉伸變形的記憶金屬彈簧放入熱水中后就恢復原狀。

(2)記憶合金發(fā)動機采用記憶合金金屬絲鏈接兩個輪子(圖6)，取一杯溫度為60 ℃的熱水，將小輪的三分之一放入熱水中，發(fā)現(xiàn)它開始運轉(zhuǎn)，從水中取出，依然可以運轉(zhuǎn)一段時間。

圖6

學生通過討論，指出其原理是：① 魔力發(fā)動機是利用溫差驅(qū)動記憶合金絲產(chǎn)生動能。② 形狀記憶合金是由兩種以上金屬材料所構(gòu)成，通過熱彈性馬氏體相變及其逆變，具有形狀記憶功能。③ 在外力作用下變形了的記憶合金會在一定的溫度條件下恢復原狀。

(3)引導學生嘗試用記憶金屬彈簧設計一個電機。

2.5 設計意圖

(1)利用實驗室器材，了解風力發(fā)電、光伏發(fā)電、溫差發(fā)電、記憶合金發(fā)電等，體會科學的神奇?？茖W實驗并不會一帆風順，如會出現(xiàn)銅與鐵接觸不良、鐵絲燃燒氧化或斷裂等，讓學生體會科學探索的艱辛，培養(yǎng)學生勇于克服困難的精神。

(2)利用網(wǎng)購器材，了解溫差發(fā)電的基本原理。

(3)利用記憶合金，增加實驗的趣味性，了解新材料、新技術(shù)的發(fā)展。

3 實驗探究

教師布置挑戰(zhàn)任務，學生自主選擇實驗器材，小組討論實驗方案設計，學生親歷合作探究過程，觀察物理現(xiàn)象，探求其本質(zhì)特征。

實驗器材為：水果(橙子、蘋果)、鋅片、銅片、發(fā)光二極管、開關(guān)、靈敏電流計、滑動變阻器、電流傳感器、電壓傳感器等。

3.1 挑戰(zhàn)任務

(1)合理選擇器材，制作一個水果電池；

(2)用多種方法判斷出電源的正負極；

(3)猜測影響水果電池的電動勢、內(nèi)阻大小的因素；

(4)利用DIS設計測量電動勢和內(nèi)阻實驗；

(5)探究影響電動勢、內(nèi)阻大小的因素。

3.2 自主實驗

(1)將銅片與鋅片插入水果中，該裝置就是水果電池，將靈敏電流計接入水果電池電路中(圖7)。發(fā)現(xiàn)電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，銅片為電源正極，鋅片為電源負極。

圖7

(2)將發(fā)光二極管接入水果電池電路中，其正極與銅片相連。發(fā)光二極管不能發(fā)光，其原因是水果電池的電動勢太小，學生提出解決方案：串聯(lián)幾個蘋果(或橙子)電池。

(3)學生提出猜想：影響水果電池的電動勢、內(nèi)阻大小的因素為水果種類和酸甜度、電極的材料、插入深度、兩極間距離等。

(4)實驗原理為：E=U+Ir，學生選用電壓傳感器、電流傳感器，采用伏安法設計電路，填寫數(shù)據(jù)記錄表，利用Excel繪圖、擬合，得到電動勢與內(nèi)阻的數(shù)值。

表1

3.3 設計意圖

基于學生所學物理知識和初步掌握的科學探究方法，在探究中學會用已有的知識分析與解釋實驗現(xiàn)象，學習使用傳感器、Excel擬合等信息技術(shù)手段，掌握實驗探究的方法，形成物理觀念，以發(fā)散性的思維去解決實際問題。

4 教學建議

(1)合理選題：基于學生的物理基礎(chǔ)與能力，精選與課程相關(guān)的實驗，選擇器材，設計恰當?shù)恼n題。

(2)基于實驗：物理學是以實驗為基礎(chǔ)的自然科學，實驗可激發(fā)學生探索興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，掌握科學方法，培養(yǎng)協(xié)作能力，提高核心素養(yǎng)。

(3)個性拓展：拓展學生視野，引入新科技，開展科技實踐，開拓學生眼界，滿足學生個性需求，實現(xiàn)學生的可持續(xù)發(fā)展。

(4)學生探究：學生容易被陌生、新奇的器材吸引而產(chǎn)生興趣，這為自主探究、積極嘗試、努力解決問題創(chuàng)設了條件，可以根據(jù)自身需求，設計實驗方案、探索自己感興趣的問題。

“探秘新能源”選修課程的開設，以學生形成“物理觀念”、發(fā)展“科學思維”、經(jīng)歷“實驗探究”、養(yǎng)成“科學態(tài)度與責任”為課程目標，力求通過課外學習實踐，提高學生的核心素養(yǎng)。一年來，由學生從盲目服從、被動接受，變?yōu)樾老矏偧{、主動參與，取得可喜成果。