淺談能源有效利用問題

柯 霞

（北京市京源學校，北京 100040）

能源危機是制約現代社會發展的嚴重問題，一切能量來自能源，對能源的有效開發和利用是人類征服自然的見證，是學生學習了解現代科技知識的一個極好素材.近期因地震引發的日本福島核電站核泄漏問題備受人們關注，在強調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？

高中物理課程標準提出：“課程應體現物理學自身及其與文化、經濟和社會互動發展的時代性要求，肩負起提高學生科學素養、促進學生全面發展的重任.”引導學生關注物理學技術應用所帶來的社會熱點問題，不僅有很好的時效性，對提高學生解決實際問題能力也是一個很好的切入點.在實現課內知識與課外知識融合的過程中.也培養了學生的社會參與意識和對社會負責任的態度.

但學生對能源的認識往往是“看上去很美”，卻很難揭開其美的面紗，究其原因，主要表現在不熟悉能源的具體表達式，缺乏分析能源轉化途徑及實踐應用的方法.在教學中圍繞“能源的有效利用”的主題，如何幫助學生發現并解決自身的問題，可以從以下幾個切入點入手進行突破.

1 幫助學生熟悉常見的能源類型

1.1 太陽能輻射特點

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 風能的計算公式

風能是一種環保型能源.風力發電是將風的動能轉化為電能.設空氣的密度為ρ，水平風速為v，風力發電機每個葉片長為L，設通過葉片旋轉所圍成的圓面內的所有風能轉化為電能的效率為η，那么該風力發電機發出的電功率P是多大？

分析：葉片旋轉所形成的圓的面積為S＝πL2，t秒內流過該面積的空氣的質量為m＝ρSvt，動能為，發出的電功率為

1.3 水力發電

水力發電是將水的重力勢能轉化為電能，水的重力勢能表達式為EP＝MgΔh，M表示水的質量.

2 幫助學生分析能源的轉化途徑

能源的利用，必然會在不同的研究對象間發生能量傳輸.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化途徑.

例1.（2007年北京理綜卷）環保汽車將為2008年奧運會場館服務.某輛以蓄電池為驅動能源的環保汽車，總質量m＝3×103kg.當它在水平路面上以v＝36km／h的速度勻速行駛時，驅動電機的輸入電流I＝50A，電壓U＝300V.在此行駛狀態下，

（1）求驅動電機的輸入功率P電；

（2）若驅動電機能夠將輸入功率的90%轉化為用于牽引汽車前進的機械功率P機，求汽車所受阻力與車重的比值（g取10m／s2）；

（3）設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.結合計算結果，簡述你對該設想的思考.

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化效率約為15%.

太陽能轉化途徑見圖1.

圖1

能量轉化為：太陽能——電能——機械能.

解析：（1）驅動電機的輸入功率P電＝IU＝1.5×103W.

（2）在勻速行駛時 P機＝0.9P電＝Fv＝fv，

（3）當陽光垂直電磁板入射式，所需板面積最小，設其為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

設太陽能電池板實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建議：現在還不能達到設計要求，要進一步提高太陽能電池轉化率，減小車的質量，提高電動機效率.

例2.（2010年海淀二模題）題風能是一種環保型的可再生能源.據勘測，我國利用風力資源至少有2.53×105MW，所以風能是很有開發前途的能源.風力發電是將風的動能通過風力發電機轉化為電能的過程.某風力發電機將空氣的動能轉化為電能的效率η＝20%，空氣密度ρ＝1.3kg／m3，其有效受風面積S＝20m2.此風力發電機輸出U＝250V穩定的直流電壓，用它給如圖2所示的皮帶傳送裝置的電動機（電動機未畫出）供電，輸電線電阻不計.已知皮帶傳送裝置的電動機的額定電壓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，在該電動機消耗電功率達到最大值的情況下，電動機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械功率之比為1∶5.重力加速度g取10m／s2.

（1）求此風力發電機在風速v1＝10m／s時輸出的電功率；

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

（3）已知傳送帶兩端A、B之間距離s＝10m，高度差h＝4.0m.現將一貨箱（可視為質點）無初速地放到傳送帶上A處，經t＝1.0s后貨箱與傳送帶保持相對靜止，當貨箱被運送至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，總保持傳送帶上有一個（也只有一個）貨箱.在運送貨箱的過程中，傳送帶的運行速度始終保持v2＝1.0m／s不變.若要保證皮帶傳送裝置的電動機所消耗電功率始終不超過P電m＝500W，貨箱的質量應滿足怎樣的條件.

風能轉化途徑見圖3.

圖2

圖3

能量轉化為：風能——電能——機械能.

在風速和葉片數確定的情況下，要提高風輪機單位時間接受的風能，簡述可采取的措施.

采取措施合理，如增加風輪機葉片長度，安裝調向裝置保持風輪機正面迎風等.

解析：（1）1s內吹到風力發電機有效面積上空氣的體積V＝Sv1，這些空氣所具有的動能風力發電機輸出的電功率為

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

（3）設貨箱在恒力作用下做勻加速直線運動的位移為sx，上升的高度為hx.

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

設貨箱質量為m，貨箱被加速的過程中其機械能增加量為E，由于貨箱與傳送帶的摩擦產生的熱量為Q.則

設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，根據動能定理有

在貨箱加速運動過程中，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，根據功能關系Q＝f·Δs.聯立解得

為使電動機工作過程中不超過允許的最大值，應有Ep＋Ek＋Q小于等于P機械t，即

3 能源有效利用的現實意義

能源的認知過程貫穿了整個高中物理教材，能量是物理學的一重要概念，機械能、內能、電能、光能、核能…形形色色的能可以相互轉化，但總能量保持不變，這就是能的轉化與守恒定律，這一規律像一根紅線貫穿整個高中物理.“能源有效利用”的教學內容應充分體現知識體系的動態性，使其隨時間不斷地發展、變化，以實現教學內容與學科發展的同步性.

如2010年5月1日精彩開幕的上海世博會，各場館新穎的環保設計、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資源.

以科學的態度來辨別社會現象的真偽，更能讓學生體會到知識的力量，樹立主人翁意識.如有網友把2011年3·11日本本州島海域地震等災難和“超級月亮”扯到了一起，我們可以設計下列問題幫助學生辨別真偽：

例3.潮汐發電就是利用潮水漲落產生的水位差來發電.由于太陽和月球對海水的作用力（引潮力）與它們的質量成正比，與它們到地球的距離的三次方成反比，已知太陽的質量 M1＝2.00×1030kg，月球的質量 M2＝7.36×1022kg，地日距離 R1＝1.50×1011m，地月距離 R2＝3.84×108m，則太陽與月球對海水的引潮力大小之比為F1∶F2＝________.

即月球的引潮力比太陽大.

地月距離不停地發生著變化，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動所引起的.因此，從目前掌握的科學理論和相關事實來看，地月距離與地震沒有任何關聯.

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，據英國《每日郵報》報道，2011年3月19日，月球將到達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.有網友把2011年3·11日本本州島海域地震等災難和“超級月亮”扯到了一起，天文學家則稱超級月亮影響日本地震海嘯之說等猜測毫無科學依據.

建構主義學習理論認為：“知識既不是客觀的東西，也不是主觀的東西，而是個體在與環境交互作用的過程中逐漸建構的過程.”因此，關注新聞時事，充分利用網絡技術，多角度拓展學習渠道，建構以“學生”為中心的學習方式，培養學生自主學習意識，自我建構能源認知、能源開發、能源利用新知識的能力，是幫助學生解決能源問題的有效途徑；而充分發揮教師和學生復合而成的統一體的作用，是師生共同參與、相互磨合、創造性實現教學目標的過程.