資源簡介

人教版9年級教學(xué)建議和教學(xué)參考（下）
第十四章　機械能
全章概述和課時要求
1．能用實例說明物體的動能和勢能以及它們的轉(zhuǎn)化。能用實例說明機械能和其他形式的能的轉(zhuǎn)化。
2．通過實例認(rèn)識能量可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，不同形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化。
3．結(jié)合實例認(rèn)識功的概念，知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。
4.知道機械功的概念和功率的概念。能用生活、生產(chǎn)中的實例解釋機械功的含義。
5．理解機械效率。
6.了解機械使用的歷史發(fā)展過程。認(rèn)識機械的使用對社會發(fā)展的作用。
全意概述
從本章到第十六章，教材講述能的初步知識。本章講述的機械能是最常見的一種形式的能，是學(xué)習(xí)各種不同形式能的起點。本章的主要內(nèi)容有：動能、勢能及其相互轉(zhuǎn)化，機械功和機械效率。
通過這一章的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生進(jìn)一步了解能量可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，不同形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化，知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。
本章內(nèi)容安排與現(xiàn)行九年義務(wù)教育物理教材的編寫思路有較大的變化。與電能一樣，本章教材圍繞“機械能”的概念展開，重視學(xué)生生活經(jīng)驗的作用，而把“功”的概念放在相對次要的位置。因此，在備課和教學(xué)時要認(rèn)真分析其特點，注意培養(yǎng)學(xué)生的概括歸納能力和分析解決實際問題的能力。
課時建議
本章共分四節(jié)，建議7課時。
第一節(jié)　　動能和勢能　　2課時
第二節(jié)　　機械能及其轉(zhuǎn)化　　1課時
第三節(jié)　　功和功率　　2課時
第四節(jié)　　機械效率　　1課時
復(fù)習(xí)和總結(jié)　　1課時
一、動能和勢能
目　標(biāo)
1．知識與技能
理解動能、勢能的概念。
2．過程與方法
通過探究，了解動能、重力勢能的大小各與什么因素有關(guān)并能解釋簡單的現(xiàn)象。
說明與建議
初中只要求學(xué)生對能量的概念有初步的認(rèn)識，教材首先在學(xué)生學(xué)過的電能知識的基礎(chǔ)上，直接引入了動能的概念，不追求嚴(yán)密性。建議用飛鳥撞壞飛機這樣的故事引入動能。有條件的學(xué)校，可安排幾個簡單的演示實驗，比如風(fēng)車實驗，水流沖動水輪機模型，玩具手槍射出的子彈推動泡沫塑料塊的實驗等。這些實驗說明流動的空氣、水流、運動的子彈都具有能量。然后引導(dǎo)學(xué)生思考：在這些實驗中，空氣、水、子彈為什么具有能量？它們有沒有共同點？引導(dǎo)學(xué)生概括出結(jié)論：因為它們都在運動。然后給出動能的初步定義。
探究　動能大小與什么因素有關(guān)
與歐姆定律類似，這個探究涉及到動能的變化受兩個因素（質(zhì)量、速度）的影響，完全讓學(xué)生自己去做可能有些困難，老師要注意引導(dǎo)，滲透研究方法方面的教育，但不要包辦。比如提醒學(xué)生注意，當(dāng)一個物理量（如動能）的變化受兩個以上的因素影響時，科學(xué)的研究方法是先保持其中一個因素不變（如質(zhì)量不變），單獨研究另一個因素對它的影響；然后，再保持第二個因素不變（如速度不變），單獨研究第一個因素對它的影響，最后將各個結(jié)論綜合起來，即可得出一般性結(jié)論。
“……越大……越大”這種說法，是一種粗略的定性比較，不是成正比的變化。對于基礎(chǔ)較好的學(xué)校，可引導(dǎo)學(xué)生注意到鋼球在推動木塊做功的過程中，它自己的動能有什么變化，使學(xué)生對能量轉(zhuǎn)移有初步的印象，這對學(xué)生下一步的學(xué)習(xí)是很有好處的。
想想議議
可引導(dǎo)學(xué)生從能量的角度展開討論，能說出其他道理更應(yīng)該鼓勵。物體的速度越大，動能也就越大，越不容易剎車，所以要對車輛的速度加以限制，以免發(fā)生交通事故。質(zhì)量越大，動能也越大，所以大型客車的限制速度比小型客車更小。
勢能
勢能的概念可用滑梯、打夯的實例引入，說明物體被舉高就具有重力勢能。重力勢能的例子很多，老師可讓學(xué)生多舉出一些物體具有重力勢能例子，比如住在高樓的居民往窗戶外面扔?xùn)|西，這是非常危險的，因為高處的物體具有重力勢能，等等。
彈性勢能也是通過弓箭、網(wǎng)球拍等實例引入。也可做圖14-1的演示，把繩燒斷，讓壓縮的彈簧放松，彈簧能把上面的砝碼舉起，說明壓縮的彈簧具有能量，這就是彈性勢能。
探究
通過動能的探究，學(xué)生應(yīng)該知道兩個變量的控制方法。這里可放手讓學(xué)生自己去探究，判斷重力勢能大小的方法也讓學(xué)生自己去解決。這個探究的重點放在“猜想與假設(shè)”和設(shè)計實驗上。老師可在最后給出結(jié)論：物體的質(zhì)量越大，舉得越高，它具有的重力勢能就越大。
動手動腦學(xué)物理
1．饅頭下落時，與火車具有相同的速度，具有一定動能，所以饅頭能把人砸傷。
2．從小資料可以看出：行走的牛等，盡管質(zhì)量很大，但速度較慢，動能并不大；飛行的子彈等，盡管質(zhì)量不大，但速度很大，動能也很大。看起來速度對動能的影響比質(zhì)量對動能的影響要大。
3．不能。因為勢能的大小不僅與高度有關(guān)，還與質(zhì)量有關(guān)，這里沒有給出質(zhì)量，所以不能這樣簡單地得出結(jié)論。
4．人把夯舉高使夯具有重力勢能，下落時夯的速度越來越大，勢能轉(zhuǎn)化為動能，落地時動能又轉(zhuǎn)化成內(nèi)能等其他形式的能。
5．略。
二、機械能及其轉(zhuǎn)化
目　標(biāo)
1．知識與技能
理解動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化。
能解釋一些有關(guān)動能、重力勢能、彈性勢能之間相互轉(zhuǎn)化的簡單物理現(xiàn)象。
2．過程與方法
通過觀察和實驗認(rèn)識動能和勢能的轉(zhuǎn)化過程。
說明與建議
引入新課前，建議先復(fù)習(xí)一下動能、勢能的大小與哪些因素有關(guān)，怎樣判斷一個物體動能、勢能的變化。比如，讓學(xué)生思考，汽車由靜止起動逐漸加速的過程中，動能如何變化？汽車行駛中司機關(guān)油門踩剎車，逐漸減速停止的過程中，汽車的動能又如何變化？還可以向上拋一個小球，請學(xué)生觀察小球在上升和下落過程中高度、速度變化的情況，討論其動能、勢能的變化情況。
想想做做
如果實驗室滾擺數(shù)量不夠，可讓學(xué)生自制。做實驗前，應(yīng)讓學(xué)生明確要觀察的物理現(xiàn)象，著重點放在能量的轉(zhuǎn)化過程。做實驗時，要讓學(xué)生觀察清楚：滾擺下降時，位置越來越低，速度越來越大；滾擺上升時，位置越來越高，速度越來越小。再引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識勢能向動能轉(zhuǎn)化，動能向勢能轉(zhuǎn)化的過程。由于有阻力，滾擺上升的最大高度將逐漸減小。對此，教學(xué)時不要明確指出，以免影響學(xué)生對動能和勢能相互轉(zhuǎn)化的理解。
課本圖14．2－2表示的是動能和勢能的轉(zhuǎn)化過程，可讓學(xué)生自己去分析，有條件的話還可動手做一做。同時還可讓學(xué)生列舉出一些日常生活中常見的能量轉(zhuǎn)換過程（如機械鐘表、單擺的等），廣泛聯(lián)系實際，加深學(xué)生對動能、勢能相互轉(zhuǎn)化的印象。
機械能
課本中對機械能的定義不是很嚴(yán)格，這樣定義是為方便學(xué)生對機械能守恒的理解。
一個物體既可以有動能，也可以有勢能。如果只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，機械能是守恒的。
想想做做
這個實驗很簡單，可讓每個學(xué)生都試一試，并回答課本中提出的問題。
科學(xué)世界　人造地球衛(wèi)星
可讓學(xué)生朗讀這段課文，并在課堂上討論課本提出的問題。衛(wèi)星運行時動能和勢能的轉(zhuǎn)化，學(xué)生較難理解，可放在本課最后討論。教學(xué)時主要是介紹其能量轉(zhuǎn)化，而不要對為什么是橢圓軌道進(jìn)行深究。分析時，向?qū)W生說明遠(yuǎn)地點離地面高些，近地點離地面低些，以幫助學(xué)生理解遠(yuǎn)地點勢能大，近地點勢能小。教學(xué)中可結(jié)合我國航天事業(yè)的發(fā)展，對學(xué)生進(jìn)行愛國主義教育。還可對學(xué)生指出，很多高科技成果都和人造衛(wèi)星一樣，包含著豐富的基礎(chǔ)物理知識，以激發(fā)學(xué)生的求知欲。
動手動腦學(xué)物理
1．撐桿跳高運動員起跳時，先把人的動能轉(zhuǎn)化為桿的彈性勢能，隨后桿的彈性勢能轉(zhuǎn)化為人的重力勢能，使人升高。
2．略。
3．用力向下拋出乒乓球，使球拋出時具有一定的動能，根據(jù)機械能守恒，球彈跳到最高點時的勢能等于球拋出時的動能與勢能之和，這樣就能使球彈跳到高于拋出時的位置。
4．可用滾擺和汽車剎車等例子加以說明。
5．這個小制作很有趣，可讓學(xué)生課后都做一做，并解釋觀察到的現(xiàn)象。
三、功和功率
目　標(biāo)
1．知識與技能
知道做功是能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程。
理解功的概念，知道使用任何機械都不能省功。
理解功率的概念。
2．過程與方法
通過觀察和實驗了解功的物理意義。
3．情感、態(tài)度與價值觀
具有對科學(xué)的求知欲，樂于探索自然現(xiàn)象和日常生活中的物理學(xué)道理，有將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于日常生活、社會實踐的意識。
說明與建議
功
學(xué)生已經(jīng)學(xué)過了電功、機械能，知道了一些能量的知識，“功”的講解應(yīng)從能量轉(zhuǎn)化的角度入手。課本圖14．3－1中的三幅圖表示在力的作用下，物體的動能或勢能發(fā)生了變化，說明力對物體做了功。課本圖14．3－2中，物體雖然受力，但是它的動能或勢能都沒有變化，就不能說力作了功。讓學(xué)生理解做功是能量轉(zhuǎn)化的過程。
在第十二章“力和機械”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生知道了使用簡單機械可以省力或者可以省距離，可先復(fù)習(xí)一下有關(guān)簡單機械的知識。
用手直接把物體舉高與使用簡單機械把物體舉高相同的距離，物體的勢能的增加是一樣的，而物體勢能的增加是通過力來完成的。通過對定滑輪做功的演示、分析，得出力跟物體在力的方向上通過的距離的乘積是一個不變量，給出功的定義。這里還可進(jìn)一步用杠桿做演示，表明使用機械時，人們所做的功，都等于不用機械而直接用手所做的功。
教師也可嘗試用探究的方式來教學(xué)，向?qū)W生說明，使用任何機械都不能省功。
由于做功的多少表示能量轉(zhuǎn)換的多少，所以功的單位與能的單位是一樣的，都是焦耳。把一個普通大小的蘋果舉高1m，做的功大約是1J，讓學(xué)生對焦耳的大小有大致的概念。
想想議議
這個討論主要是要使學(xué)生認(rèn)識功是由“力”和“在力的方向上移動的距離”兩個因素決定的。如果力沒有“在力的方向上”移動距離，力就沒有做功。在課本圖14．3－2動中，人提著桶雖然很費力，但是人的拉力沒有在拉力方向（豎直方向）上移動距離，所以人的拉力沒有做功。
功率
這里可先復(fù)習(xí)一下電功率的概念，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過了“電功率”，知道電功率表示消耗電能的快慢，也就是電流做功（電能轉(zhuǎn)換成其他能量）的快慢。課本用與速度類比的方法引入功率及其計算公式，使學(xué)生理解功率的物理意義，懂得它是一個表示做功快慢的物理量。
這里要強調(diào)剛才學(xué)的“功”和“功率”，與以前學(xué)過的“電功”和“電功率”的含義、單位、符號都是一樣的。
課本上介紹了一些功率值，意在加深學(xué)生對功率的物理意義的理解，使學(xué)生對人和一些事物的功率數(shù)值有個具體的概念，懂得功率大或小的意思是什么。
想想議議
這個討論意在讓學(xué)生了解比值的方法是物理學(xué)中一種常用的方法，在其他方面也有許多應(yīng)用。在物理學(xué)中，振動次數(shù)與時間之比表示振動的快慢、熔化溫度與時間之比表示熔化快慢等；在生活中，從媒體中經(jīng)常可以聽到的經(jīng)濟增長率、人口增長率都表示物理量變化的快慢。
課本列舉了一個計算功率的例題，意在練習(xí)功和功率公式的應(yīng)用，使學(xué)生加深認(rèn)識功──力和在力的方向上移動的距離的乘積，功率──單位時間內(nèi)所做的功。
動手動腦學(xué)物理
1．25kW×4h＝0．4kW×t，t＝250h。
2．不能。甲先到達(dá)山頂表明甲用的時間較短，但是甲和乙哪個做的功多并不知道，而功率是由功和時間兩個因素決定的，所以不能判定哪個人的功率大。
3．3．6kw。
4．略。
5．從表中可以看出，洗衣機的額定洗滌輸入功率是350W，額定脫水輸入功率是220W。實際洗滌輸出功率、脫水輸出功率是多少等。
　
四、機械效率
目 標(biāo)
1．知識與技能
了解什么是有用功、額外功和總功。
理解什么是機械效率。
2．過程與方法
通過參與探究斜面機械效率的活動，學(xué)習(xí)擬訂簡單的科學(xué)探究計劃和實驗方案。
說明與建議
有用功和總功
首先讓學(xué)生看課本圖14.4-1，弄明白三幅畫的意思，然后討論用圖中三種不同方法，把100N重的沙子運上三樓，哪種辦法最好。學(xué)生可能對第二、三兩種方法的區(qū)別不太理解，可引導(dǎo)學(xué)生注意桶的重量與口袋重量的不同。然后引導(dǎo)學(xué)生分析每種情況需要做的功，引出有用功、額外功、總功的概念。
想想議議
這里意在使學(xué)生加深了解有用功、額外功的概念。實際使用機械時，人們總是希望額外功少些。杠桿、起重機、電梯等所有機械都有一些是有用功，一些是額外功。通過討論，讓學(xué)生明白什么是有用功，什么是額外功。
機械效率
為了使學(xué)生明白為什么要引入機械效率這一概念，懂得機械效率的意義，在講述有用功和額外功之后，應(yīng)強調(diào)指出，使用機械做功，為了工作需要以及不可避免地存在摩擦等原因，額外功是不可避免的。例如用水桶從井里提水，目的是把水提上來，所以提水的功是有用功，提桶的功是額外功，而為了把水提上來，水桶是不可缺少的。額外功是我們不需要的，它白白浪費能量，因此應(yīng)盡量減小它。使用不同的機械來提起物體，我們希望做的額外功越少越好，或者說，有用功與總功越接近越好。不同機器這方面的差別，通常用有用功在總功中占的百分比來表示，叫做機械效率，給出機械效率的公式。一臺機器所做的有用功與總功越接近，這臺機器的機械效率就越高。
課本列舉了一個計算機械效率的例題，意在練習(xí)機械效率公式的應(yīng)用，使學(xué)生加深認(rèn)識有用功和總功的概念。
最后指出，提高機械效率有重要的經(jīng)濟意義，可以減少能耗，降低生產(chǎn)成本，應(yīng)對這個問題重視。還可以讓學(xué)生議議：除了用機械做功有個效率問題外，干別的事情有沒有效率問題，在更廣闊的背景下對效率問題有個初步觀念。
探究 斜面的機械效率
這個探究的目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)測量斜面的機械效率，通過探究加深對機械效率的理解，摩擦是影響機械效率的重要因素之一，同時讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識利用斜面也可以省力。
教師在引導(dǎo)學(xué)生提出問題后，要讓學(xué)生獨立完成探究過程。同時還可用粗糙程度不同的斜面，進(jìn)一步探究摩擦對機械效率的影響。
動手動腦學(xué)物理
1．有用功是14400J，總功是24000J，機械效率是60％，起重機提升裝貨物用的容器所做的功、各部件之間的摩擦做功等都是額外功。
2．略。
3．提高機械效率的主要辦法是：改進(jìn)機械的結(jié)構(gòu)，例如提水時用容積較大而重量較輕的水桶等；按規(guī)程進(jìn)行保養(yǎng)、合理使用以減小摩擦。
參考資料
瓦特
瓦特（1736一1819）是蘇格蘭發(fā)明家。1736年l月19日生于蘇格蘭格林諾克。童年時代的瓦特曾在文法學(xué)校念過書，然而沒有受過系統(tǒng)教育。瓦特在他父親做工的工廠里學(xué)到許多機械制造知識，以后他到倫敦的一家鐘表店當(dāng)學(xué)徒。
我們可能聽到過童年時代的瓦特和茶壺的故事。一天晚上，瓦特和一個小女孩在家里喝茶，瓦特不停地擺弄茶壺蓋，一會打開，一會蓋上，當(dāng)它把茶壺嘴堵住時，蒸汽頂開了壺蓋。在旁的外祖母對瓦特的這種“無聊動作”極為不滿，加以訓(xùn)斥，瓦特并不介意，他一心想著蒸汽的力量。
這段故事即使是真的也不能說蒸汽機是瓦特發(fā)明的。歷史事實說明瓦特只是對蒸汽機作了重大的改革。
1763年瓦特到格拉斯哥大學(xué)工作，修理教學(xué)儀器。在大學(xué)里，他經(jīng)常和教授討論理論和技術(shù)問題。有一次，一臺紐可門蒸汽機損壞，要瓦特修復(fù)。紐可門蒸汽機是靠蒸汽進(jìn)入汽缸推動活塞上升的，然后再噴射冷水，汽缸的溫度降低，供蒸汽凝結(jié)，汽缸內(nèi)部形成部分真空，大氣壓將活塞推回。瓦特在修理這種蒸汽機時，清楚了全部工作原理，找到了它消耗大量燃料的癥結(jié)。
1765年他動手設(shè)計一個與汽缸分離的冷凝器，汽缸外裝上絕熱套子，使它一直保持高溫，新的蒸汽機的效率大大提高。瓦特并不滿足于已經(jīng)取得的成就，1781年他又制造了從汽缸兩邊推動活塞的雙動作蒸汽機，并采用曲柄機構(gòu)，使往復(fù)的直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。瓦特還設(shè)計了離心節(jié)速器，利用反饋原理控制蒸汽機的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過一系列的改革，蒸汽機迅速被各工業(yè)部門采用，為產(chǎn)業(yè)革命鋪平了道路。
由于瓦特對蒸汽機的改進(jìn)所作的重大貢獻(xiàn)，1785年他被選為皇家學(xué)會會員。
1819年8月25日瓦特在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。
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葛洲壩水電站簡介
葛洲壩水電站是目前我國最大的水電站，共裝機21臺，總?cè)萘繛?71．5萬千瓦，年發(fā)電量138億千瓦時，相當(dāng)于解放初期全國發(fā)電總量的三倍多。
葛洲壩水電站里裝有我國目前最大的水輪發(fā)電機，這種發(fā)電機單臺容量是17萬千瓦，總高29m，最大外徑20m，總質(zhì)量為4千多噸。它的水輪機是一種軸流式水輪機，葉輪的最大外徑是11．3/m，質(zhì)量為468t。
長江流出三峽，江面突然由二三百米展寬到兩千多米，出南津關(guān)（湖北宜昌附近）三千米的地方，被葛洲壩和西壩兩個小島將江面一分為三，分別叫做大江、二江、三江。被稱作“萬里長江第一壩”的葛洲壩水利樞紐工程就建在這里，大壩全長256lm，高70m。為了保證長江航運，在大江和三江上共建了三座船閘，大江一號船閘和三江二號船閘，閘室長280m，寬34m，可通過萬噸級輪船和大型船隊，三江三號船閘，閘室長120m，寬18m，主要用于通過300t以下的客貨輪。
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游樂場上的翻滾過山車
游樂場上的翻滾過山車是一種驚險有趣的游戲。過山車在凌空架起的環(huán)形軌道上滑行（如圖14－2所示），所以也叫單環(huán)滑車。軌道最高處距地面32m，最低處幾乎貼地。圓環(huán)直徑15m。整個滑車由6節(jié)小滑車組成，每節(jié)小滑車可乘坐4人，每個坐位上配有安全帶。從滑車起動到停止僅lmin，就在這短暫的lmin內(nèi)使人體驗到宇宙飛行的樂趣。
這項游戲是根據(jù)力學(xué)中的機械能守恒以及圓周運動的知識設(shè)計的。人們坐上滑車后，由操縱臺控制，首先沿緩坡軌道牽引到32m高處，隨后牽引鉤和滑車自動脫離，這時滑車就沿軌道從32m高處滑下。當(dāng)滑車到達(dá)圓環(huán)頂部時，人會頭朝下，看上去相當(dāng)危險，擔(dān)心車會不會掉下來呀？下面我們用圓周運動和機械能守恒的知識來分析這種游戲的物理原理。
首先我們分析一下當(dāng)滑車運動到環(huán)底和環(huán)頂時車中的人的受力情況（如圖14-3所示）。圖中mg為人所受的重力；N下和N上分別為滑車在底部和頂部時對人的支持力（為使問題簡化，可不考慮摩擦及空氣阻力）。我們知道，滑車沿圓環(huán)滑動，人也在做圓周運動。這時人做圓周運動所需的向心力由mg和N提供。用V下表示人在圓環(huán)底部的速度，V上表示人在圓環(huán)頂部的速度，R表示環(huán)的半徑，則
在底部
在頂部
因為不考慮摩擦及空氣阻力的作用，所以滑車在軌道上各點的機械能守恒。用h表示從高處到環(huán)底的高度，根據(jù)機械能守恒定律，對底部和頂部而言存在下列關(guān)系：
把h＝32m，R＝7．5m代人（3）、（4）式得：v下＝25．3m／s；v上＝182m／s（實際上由于摩擦及空氣阻力的影響，底部和頂部的車速要略小于理論上的計算值）。
由（1）式可知：
就是說，在環(huán)的底部時，滑車對人的支持力比人的體重增大了，這時人對滑車坐位的壓力自然也比體重大，好像人的體重增加了。由于底部的速度較大，所以人的體重要增加好多倍。使人緊壓在椅子上不能動彈。
由（2）式可知，在環(huán)的頂部，當(dāng)重力mg等于向心力時，就可以使人沿圓環(huán)作圓周運動，不掉下來。由并可得S。這就是說，滑車要安全通過頂點，有8．7m／s的速度就足夠了。而從前面的計算知道，滑車通過頂點時的速度是v上＝18．2m／s，比8．7m／s大得多，所以滑車和人一定能安全地通過頂點。絕對安全，不必?fù)?dān)心。
第十五章　熱和能
全章概述和課時要求
1、通過觀察和實驗，初步了解分子動理論的基本觀點，并能用其解釋某些熱現(xiàn)象。
2、了解內(nèi)能的概念。能簡單描述溫度和內(nèi)能的關(guān)系。
3、從能量轉(zhuǎn)化的角度認(rèn)識燃料的熱值。
4、了解內(nèi)能的利用在人類社會發(fā)展史上的重要意義。
5、了解熱量的概念。
6、通過實驗，了解比熱容的的概念，嘗試用比熱容解釋簡單的自然現(xiàn)象。
7、通過實例認(rèn)識能量可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化。知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)移的過程。
8、知道能量守恒定律。能舉出日常生活中能量守恒的實例。有用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點分析物理現(xiàn)象的意識。
9、通過能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，認(rèn)識效率。
全章概述
本章在學(xué)習(xí)了機械能的基礎(chǔ)上，把對能量的研究拓展到內(nèi)能。先介紹分子運動論，開始用物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的知識來解釋宏觀現(xiàn)象，為從分子結(jié)構(gòu)觀點理解物體內(nèi)能的本質(zhì)打下基礎(chǔ)。接著講述內(nèi)能的概念和內(nèi)能的改變。然后從內(nèi)能的改變引入熱量、比熱容的概念。并在此基礎(chǔ)上講內(nèi)能的利用，介紹內(nèi)燃機的基本工作原理。最后給出能量守恒定律，使全章知識組成一個有機的整體。
第一節(jié)“分子熱運動”。首先介紹了有關(guān)物質(zhì)是由分子組成的知識，并對分子的大小進(jìn)行討論，使學(xué)生對分子的體積小、數(shù)量大留下深刻印象。然后，通過演示擴散現(xiàn)象，使學(xué)生從宏觀現(xiàn)象出發(fā)，通過推理來感知一切物質(zhì)的分子都在不停地做無規(guī)則運動。通過冷水和熱水中一滴墨水?dāng)U散快慢的比較，讓學(xué)生討論出溫度越高，熱運動越劇烈。最后通過演示實驗和類比的方法，讓學(xué)生了解分子之間存在相互作用力。
第二節(jié)“內(nèi)能”。本節(jié)在分子運動論知識的基礎(chǔ)上，具體說明內(nèi)能是物體內(nèi)部的能量。教材首先通過生活中內(nèi)能做功的事例引出內(nèi)能的概念。通過兩幅漫畫使學(xué)生聯(lián)想分子由于熱運動具有動能，由于相互作用具有勢能。教材從熾熱的鐵水和冰冷的冰塊都有內(nèi)能，說明了內(nèi)能的普遍性。由于教材把宏觀量（溫度）和微觀機理（分子無規(guī)則運動的激烈程度）聯(lián)系起來了，使學(xué)生對內(nèi)能有一個初步的認(rèn)識。通過探究活動及演示實驗讓學(xué)生歸納出熱傳遞和做功都可以改變物體的內(nèi)能，并提出熱量的概念。
第三節(jié)“比熱容”。教材先從日常生活常識出發(fā)，討論出物體在溫度升高時吸收的熱量與它的質(zhì)量及溫度升高的度數(shù)的關(guān)系。然后通過探究活動，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，觀察、對比、分析，為引出比熱容的概念做鋪墊。為加深學(xué)生對比熱容是物質(zhì)的一種特性的理解和對常見物質(zhì)的比熱容大小有一個具體的印象，教材列出了常見物質(zhì)的比熱容表。通過學(xué)生討論用水來加熱和散熱來理解人們對水的比熱容大這種特性的應(yīng)用。教材通過“想想議議”用算術(shù)法計算出物體溫度升高時，吸收的熱量。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生歸納出物體受熱時吸收熱量的公式。并用同樣的道理，讓學(xué)生得出了物體散熱時放出熱量的公式。
第四節(jié)“熱機”。教材通過演示實驗展示通過做功把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的過程，從而表現(xiàn)出熱機中能量轉(zhuǎn)化的基本過程。教材通過介紹了四沖程汽油機的基本工作過程，展示熱機是如何持續(xù)做功的。通過學(xué)生討論引出熱值的概念，并分析了熱機效率不高的原因。最后通過STS介紹了熱機的發(fā)展及其對人類社會發(fā)展的作用。
第五節(jié)“能量守恒定律”，是對本章及以前所學(xué)物理知識從能量觀點進(jìn)行的一次綜合。教材首先通過學(xué)生自己動手做小實驗，反映各種不同現(xiàn)象的聯(lián)系，向?qū)W生初步揭示出能量概念的物理實質(zhì)。接著通過學(xué)生討論，分析了能量不能憑空消失，只能相互轉(zhuǎn)化，并給出能量守恒定律，闡述了定律的普遍性和重要性。
課時建議
本章共分五節(jié)，建議8課時。
第一節(jié) 分子熱運動 1課時
第二節(jié) 內(nèi)能 2課時
第三節(jié) 比熱容 2課時
第四節(jié) 熱機 2課時
第五節(jié) 能量的轉(zhuǎn)化和守恒 1課時
一、分子熱運動
目 標(biāo)
1.知識與技能
知道物質(zhì)是由分子組成的，一切物質(zhì)的分子都在不停地做無規(guī)則的運動。
能識別擴散現(xiàn)象，并能用分子熱運動的觀點進(jìn)行解釋。
知道分子熱運動的快慢與溫度的關(guān)系。
知道分子之間存在相互作用力。
2.過程與方法
通過演示實驗說明一切物質(zhì)的分子都在不停地做無規(guī)則的運動。
通過演示實驗使學(xué)生推測出物體溫度越高，熱運動越劇烈。
通過演示實驗以及與彈簧的彈力類比使學(xué)生了解分子之間既存在斥力又存在引力。
3.情感、態(tài)度與價值觀
用演示實驗激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并使學(xué)生通過直接感知的現(xiàn)象，推測無法直接感知的事實。
說明與建議
擴散現(xiàn)象
本章開始先讓學(xué)生復(fù)習(xí)物質(zhì)是由分子組成的知識。在講分子運動之前，教師可以提問“能否直接用肉眼看到分子運動？”，然后再讓學(xué)生想想為什么打開一瓶香水，很快就會聞到香味，是什么跑到鼻子里了。學(xué)生可能會認(rèn)為是“氣味”，教師可以解釋那是一些帶有香味的分子，從香水瓶中揮發(fā)出來，進(jìn)入空氣中，向各個方向散布開來，當(dāng)它們到達(dá)你的鼻子里時，你就會聞到香味。
演示
做二氧化氮氣體擴散實驗時，氣體擴散演示中所用的二氧化氮，可用化學(xué)方法臨時制取，收集在廣口瓶中。二氧化氮是紅棕色、有強烈刺激性氣味的氣體。演示前，要注意用玻璃片把瓶口蓋好；演示時兩個廣口瓶的口徑必須相同，以避免二氧化氮泄漏到教室中。要注意把裝有二氧化氮氣體的瓶子放在空瓶子下面，由于二氧化氮氣體密度大，這樣可以排開重力的干擾。
硫酸銅溶液與清水之間的擴散實驗進(jìn)行的的很慢，教師可以在課堂上出示提前二天、四天、六天做的實驗樣本，這些實驗可以向?qū)W生表明，靜放的時間越長，硫酸銅溶液與清水之間的界面越模糊不清。也可以為縮短演示時間，先按課本上介紹的方法，在一只大試管中配制好硫酸銅溶液和水的分層液體。演示時，將試管浸入開水中，使試管內(nèi)的整個液柱都在開水的水面以下（如果液柱只有一部分在開水中，則液柱下部的硫酸銅溶液會因?qū)α鬟M(jìn)入上部水中，不能說明擴散現(xiàn)象）。用這種方法來演示，既能說明擴散現(xiàn)象又能表現(xiàn)擴散隨溫度升高而加快的現(xiàn)象。
演示
當(dāng)學(xué)生了解了什么是擴散現(xiàn)象后，教師可以向?qū)W生提出“對同樣的一個擴散實驗，能否改變一個因素，從而改變擴散進(jìn)行的快慢呢？”。在比較兩杯墨水的擴散實驗時，要使兩杯水的溫差大些，這樣效果更明顯。要讓學(xué)生明確觀察的是兩杯水呈現(xiàn)均勻藍(lán)色的過程，哪杯水先變得均勻，說明哪杯水?dāng)U散得快。這個實驗很容易做，可以讓學(xué)生自己動手做一做。
想想議議
以上的演示實驗背后隱藏著哪些物理規(guī)律呢？在做實驗的過程中，教師就要啟發(fā)學(xué)生去思考。
這些擴散實驗說明分子是在不停地運動著的。
比較冷水和熱水中的墨水?dāng)U散實驗顯示擴散的快慢跟溫度有關(guān)。在此實驗中擴散進(jìn)行得快，說明分子運動得快，所以說分子運動快慢跟溫度有關(guān)。
3．在實驗中熱水溫度高擴散進(jìn)行得快，說明溫度高分子運動得快；冷水溫度低擴散進(jìn)行得慢，說明溫度低分子運動得慢。
教材上圖15.1-4形象地展示了兩種物質(zhì)是如何擴散的。藍(lán)色小球代表一種分子，粉色小球代表另外一種分子。分子都在不停地做無規(guī)則的熱運動。溫度越高，分子運動得越快，擴散進(jìn)行得也越快。
分子間的作用力
教師可以拿一個鉛塊問學(xué)生，我們知道它是由鉛分子組成的，組成它的分子是在不停地運動著，那么為什么鉛塊沒有飛散開？是什么原因使他們聚合在一起呢？教師應(yīng)鼓勵學(xué)生大膽猜測。
演示
分子之間有引力的實驗效果決定于鉛柱端面的平滑和清潔程度。如果端面沾染了雜質(zhì)或油污，或由于長久放置而氧化，演示前可用細(xì)的挫刀挫平，或用布擦拭，以保證實驗順利進(jìn)行。演示時可先使鉛柱的刮紋一致，然后從邊緣開始接觸并使兩鉛柱相向平移而且緊壓，如圖15－1所示。這樣易于排除兩端面間的空氣，使鉛柱間鉛分子更加貼近，以增強實驗效果。
用兩個鉛塊做的分子引力實驗，有的學(xué)生會認(rèn)為是由于大氣壓的作用。這可以通過計算，得出下邊掛的鉛塊重遠(yuǎn)大于大氣壓力，從而說明存在分子引力。教師應(yīng)說明平時我們很少看到兩塊物體很容易粘到一起，是因為分子間的引力作用距離很小，在分子間離得很近時才能明顯地顯示出來。
動手動腦學(xué)物理
1、略
2、熱水更甜。因為熱水溫度高，糖溶化擴散得快。
這個小實驗可以鼓勵學(xué)生課后動手做一下。可以用萬能膠或504膠把細(xì)線與玻璃片的四角粘上。
3、彈簧測力計的讀數(shù)變大。這是因為玻璃板與水的接觸面之間存在分子引力的作用，使測力計向下的拉力增大。
4、略
二、內(nèi)能
目 標(biāo)
1.知識與技能
了解內(nèi)能的概念，能簡單描述溫度和內(nèi)能的關(guān)系。
知道熱傳遞過程中，物體吸收（放出）熱量，溫度升高（降低），內(nèi)能改變。
了解熱量的概念，熱量的單位是焦耳。
知道做功可以使物體內(nèi)能增加和減少的一些事例。
2.過程與方法
通過探究找到改變物體內(nèi)能的多種方法。
通過演示實驗說明做功可以使物體內(nèi)能增加和減少。
通過學(xué)生查找資料，了解地球的“溫室效應(yīng)”。
3.情感、態(tài)度與價值觀
通過探究，使學(xué)生體驗探究的過程，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。
通過演示實驗培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，并使學(xué)生通過實驗理解做功與內(nèi)能變化的關(guān)系。
鼓勵學(xué)生自己查找資料，培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)的能力。
說明與建議
想想議議
內(nèi)能是一個比較抽象的概念，通過裝著開水的暖瓶有時會把瓶蓋彈起來這一生活中常見現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考推動瓶蓋的能量是什么。暖瓶沒有運動，所以不是機械能，暖瓶也沒有接電源，也不是電能。那么，這一能量來自哪里呢？
內(nèi)能
教師可以通過課本圖15.2-1展示的運動的足球具有動能,讓同學(xué)聯(lián)想運動的分子是否也具有動能。同樣通過課本圖15.2-2彈簧形變時具有勢能，讓學(xué)生聯(lián)想相互吸引或推斥的分子是否也具有勢能。在初步給出分子的動能和勢能的基礎(chǔ)上，定義物體內(nèi)部所有分子做無規(guī)則運動的動能和勢能的總和，叫做物體的內(nèi)能。
教學(xué)中還要提醒學(xué)生注意內(nèi)能和機械能的區(qū)別。內(nèi)能是大量分子做無規(guī)則運動的能的總和，這種無規(guī)則運動是分子在物體內(nèi)部自身不停的摲腫釉碩瘮，而不是隨著物體整體一起所做的運動。而機械能與整個物體的機械運動有關(guān)。例如，拋到空中的球，離開地面，具有重力勢能；它在空中飛行，具有動能；球內(nèi)部的分子做無規(guī)則熱運動，而且分子之間有相互作用，因此球還具有內(nèi)能。
結(jié)合課本圖15.2-3,說明在任何溫度下的物體的分子都在不停地做無規(guī)則運動,它們都有內(nèi)能,以防止學(xué)生認(rèn)為低溫物體沒有內(nèi)能的錯誤看法。對同一個物體，人們可以從溫度的變化去了解內(nèi)能的變化，物體溫度升高，表明它的內(nèi)能增大，溫度降低表明它的內(nèi)能減少。
想想議議
要改變物體的內(nèi)能可以通過改變物體的溫度來實現(xiàn)，因為對同一個物體溫度越高內(nèi)能越大，溫度越低內(nèi)能越小。要鼓勵學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗和小學(xué)自然所學(xué)的改變物體溫度的方法來想辦法。比如，通過熱傳遞改變物體的溫度，通過“摩擦生熱”改變物體的溫度，從而實現(xiàn)改變物體的內(nèi)能。
探究
使粗鐵絲溫度升高有很多辦法，大致分兩類，一是通過熱傳遞，另一是通過做功。教師先不要進(jìn)行分類，先鼓勵學(xué)生想辦法。比如，來回彎折鐵絲；把鐵絲放到粗糙的物體表面來回摩擦；直接加熱鐵絲；放在太陽下曬；放在熱水中燙。
物體內(nèi)能的改變
通過前面的探究，對物體內(nèi)能的改變，學(xué)生有了一定的感性認(rèn)識。熱傳遞改變物體的內(nèi)能，學(xué)生比較容易理解，熱傳遞的實質(zhì)就是內(nèi)能從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體。要使學(xué)生了解熱量的概念，通過熱傳遞的方式來改變內(nèi)能，內(nèi)能改變的多少不能用功來量度，而要用熱量來量度，并介紹熱量的國際單位也是焦耳。
演示
壓縮空氣點火的的實驗如課本15.2-5甲所示。用新生產(chǎn)的儀器，只要按照課本寫法做（注意棉花只要少量），實驗即可成功。但用舊式或自制儀器，演示前，先要在活塞上涂上凡上林。演示時，先抽出活塞，向玻璃管內(nèi)投入綠豆大小、浸有乙醚的棉球，再插入活塞，用力迅速下壓，乙醚即能燃燒起來。如壓下活塞后乙醚不燃燒，可拉起活塞重做一次。壓活塞一定要迅速有力。在第一次燃燒后，可用接有細(xì)長乳膠管的打氣筒，向玻璃管底部打入新鮮空氣，又可重做一次。一般一個浸過乙醚的棉球可做二三次演示。已醚的用量不能多，否則演示反而不易成功。
氣體膨脹做功內(nèi)能減少的實驗裝置如課本上的圖15.2-5乙。廣口瓶的容積以500mL左右為宜，用容積200mL的燒瓶效果也很好。瓶壁要透明潔靜，注入的水量不要太多，大致為燒瓶容積的1／5即可。塞緊瓶塞前，應(yīng)先用吸水紙把瓶壁擦干靜。塞緊瓶塞后，用實驗室的兩用氣筒打幾次氣，就能使瓶塞跳起，同時在瓶塞跳起的瞬間瓶內(nèi)出現(xiàn)水霧。
瓶內(nèi)原有的水蒸氣是無色透明的，看不見；瓶內(nèi)出現(xiàn)白霧，說明水蒸氣液化，變成了小水滴。這是由于空氣推動塞子做功，內(nèi)能減小。溫度降低造成的。
STS 地球的溫室效應(yīng)
地球大氣層中的溫室氣體如二氧化碳不影響太陽對地球表面的短波輻射，卻能阻礙由地面反射回高空的紅外長波輻射，這就像給地球罩上了一層保溫膜，使地球表面氣溫增高。就如同一個“溫室”。如果沒有大氣層，地球?qū)⑾蟊砻鎯鼋Y(jié)的火星一樣，無生命存在。
近幾十年來，由于人類消耗的能源急劇增加，森林遭到破壞，大氣中二氧化碳的濃度不斷上升。人類活動增強了溫室效應(yīng)。但是人類對氣候變化原因和各種因素影響程度等的認(rèn)識還存在不確定性，因而對未來全球氣候的總趨勢，目前還不能做出肯定的推斷。但是有一點可以肯定,即大氣污染對氣候的影響已明顯表露出來,它對全球氣候的影響是人類必需要解決的復(fù)雜課題。為了保護(hù)人類賴以生存的地球,提倡節(jié)約能源、植樹造林，加強學(xué)生的環(huán)保意識。
教師可以布置學(xué)生查找地球的溫室效應(yīng)這方面的資料，讓學(xué)生自己講一講這方面的體會。
動手動腦學(xué)物理
1．它們的內(nèi)能不同。一大桶水的內(nèi)能大。因為在相同溫度下，每個分子的平均動能和勢能一樣，一大桶水比一小杯水所含的分子數(shù)多，所以總能量大。
2．同一物體，溫度越高，分子運動得越快，它的動能越大，所以內(nèi)能就越大。
3．略。
4．“摩擦生熱”和“鉆木取火”都是外力克服摩擦力作功，機械能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能，物體內(nèi)能增加，溫度升高。
5．學(xué)生自己做一下，會對“摩擦生熱”有一個感性的認(rèn)識。摩擦后的圖釘變熱，是因為通過克服摩擦力做功，機械能轉(zhuǎn)變成了內(nèi)能。
三、比熱容
目 標(biāo)
1.知識與技能
了解比熱容的概念，知道比熱容是物質(zhì)的一種屬性。
嘗試用比熱容解釋簡單的自然現(xiàn)象。
能根據(jù)比熱容進(jìn)行簡單的熱量計算。
2.過程與方法
通過探究，比較不同物質(zhì)的吸熱能力。
通過閱讀“STS氣候與熱污染”了解利用比熱容解釋海邊與沙漠晝夜溫差問題，并了解一下“熱島效應(yīng)”。
3.情感、態(tài)度與價值觀
利用探究性學(xué)習(xí)活動培養(yǎng)學(xué)生自己動腦筋想辦法解決問題的能力。
說明與建議
想想議議
讓學(xué)生根據(jù)生活中燒水的經(jīng)驗，來討論水吸收的熱量與水的質(zhì)量，與水溫升高的多少的關(guān)系，學(xué)生比較容易得出結(jié)論：水的質(zhì)量越大，溫度升高的度數(shù)越多，吸收的熱量越多。并進(jìn)而推廣到其他的物質(zhì)也是這樣。
探究 比較不同物質(zhì)的吸熱能力
進(jìn)行探究活動前，要使學(xué)生明確實驗要研究的是不同的物質(zhì)在質(zhì)量相等、溫度升高的度數(shù)也相等時，吸收的熱量是否相同。要引導(dǎo)學(xué)生思考如何得到質(zhì)量相同的水和砂子，讓學(xué)生自己考慮用什么實驗器材，比如天平。學(xué)生根據(jù)兩個杯子里的水和砂子的質(zhì)量是相等的，兩個酒精燈是相同的，可以想到用加熱時間的長短去反映吸收熱量的多少。實驗時，當(dāng)學(xué)生觀察到砂子的溫度升高得較快時，要引導(dǎo)學(xué)生思考這一現(xiàn)象說明了什么。使學(xué)生自己得出結(jié)論：質(zhì)量相等的砂子和水在吸收了相等的熱量時，升高的溫度是不同的。而要使水和砂子升高相同的溫度，則必須停止對砂子加熱而繼續(xù)給水加熱，并使學(xué)生得出結(jié)論：質(zhì)量相等的水和砂子升高相同的溫度吸收的熱量不相等。在此基礎(chǔ)上可以推廣到其他物質(zhì)，得出“質(zhì)量相同的不同物質(zhì)，升高相同的溫度，吸收的熱量不相等”這個一般性的結(jié)論。
比熱容
根據(jù)探究活動的結(jié)果，教師向?qū)W生提出；怎樣比較物質(zhì)的這種性質(zhì)呢？引導(dǎo)學(xué)生要在相同條件下比較，即必須讓質(zhì)量相同，溫度升高也相同，而質(zhì)量都取單位質(zhì)量（1kg），溫度都取升高1℃，比較起來最為方便（還可以對比密度的定義方式），這樣，就順理成章地引出了比熱容的定義。
比熱容的單位是由質(zhì)量、溫度、熱量的單位組合而成的復(fù)合單位，是初中階段最為復(fù)雜的一個單位。為避免死記硬背，就要注意引導(dǎo)學(xué)生從比熱容的物理意義上來掌握復(fù)合單位的組成。可以類比密度、速度的單位組成，組合出比熱容的單位。
比熱容是物質(zhì)的屬性之一，為了加深學(xué)生對這個問題的認(rèn)識，可以提一些問題讓學(xué)生思考，例如：（1）一滴水和一盆水的比熱誰大？（2）把一根鐵絲截為長短不同的兩段，哪段鐵絲的比熱容大些？每段和整根鐵絲相比，其比熱容有無變化？
在介紹比熱容表時，可以任選一種物質(zhì)（比如干泥土），讓學(xué)生在表中查出它的比熱容，并說明表中數(shù)據(jù)所表明的物理意義。另外注意到水的比熱容較大而泥、石、金屬的比熱都較小。可根據(jù)水和冰的比熱容不同，向?qū)W生說明同種物質(zhì)在不同狀態(tài)時比熱容不同。
想想議議
通過討論使學(xué)生了解水的比熱容較大這一特性在生產(chǎn)和日常生活中的廣泛應(yīng)用。由于一定質(zhì)量的水升高（或降低）一定溫度吸熱（或放熱）很大，有利于用水作冷卻劑或取暖。比如北方樓房取暖用的“暖氣”，就是用水做介質(zhì)。有一些機器在工作時要發(fā)熱，如發(fā)電機，這些機器可以用循環(huán)流動的水來冷卻。
熱量的計算
根據(jù)比熱容的概念教師通過提出如果質(zhì)量不是lkg，溫度升高（或降低）不是1℃，能不能算出吸收（或放出）的熱量是多少？來引出課題。
想想議議
用算術(shù)法計算出鋁溫度升高時吸收的熱量,學(xué)生比較容易理解。
2kg的鋁塊溫度升高1℃時吸收的熱量是
0．88×103J×2=1.76×103J
2kg的鋁塊溫度升高100℃－30℃=70℃時,吸收的熱量是
1.76×103J×70=1.23×105J
上述計算可以寫成一個算式:
鋁塊吸收的熱量=0．88×103J/(kg·℃)×2kg×(100℃－30℃)=1.23×105J
教師引導(dǎo)學(xué)生歸納出物體受熱時吸收熱量的公式。
Q吸=cm(t-t0)
用同樣的道理教師可以和學(xué)生一起討論出物體散熱時放出熱量的公式：
Q放=cm(t-t0)
STS 氣候與熱污染
可以先讓學(xué)生自己閱讀這部分內(nèi)容，然后請學(xué)生來講一下如何用比熱容的知識來解釋海邊與沙漠晝夜溫差問題。最后請學(xué)生討論如何減少熱污染。
動手動腦學(xué)物理
1．正確的是B。因為銅比鋁的比熱容小，相同質(zhì)量，吸收相同熱量的情況下，比熱容小的物體溫度上升得高。
2．正確的是D。
3．由于沙子的比熱容比水的比熱容小，在吸收相同的熱量時，與水同樣質(zhì)量的沙子溫度上升得更高，所以在烈日當(dāng)空的海邊，沙子比海水熱得多。
要放出538.2J的熱量。
四、熱機
目 標(biāo)
1.知識與技能
了解四沖程汽油機的基本工作原理。
從能量轉(zhuǎn)化的角度認(rèn)識燃料的熱值。
了解內(nèi)能的利用在人類發(fā)展史上的重要意義。
通過能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，認(rèn)識效率。
2.過程與方法
通過演示實驗使學(xué)生了解可以利用內(nèi)能來做功。
利用掛圖或模型講解四沖程汽油機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。
通過閱讀“科學(xué)世界現(xiàn)代汽車”了解汽車的一些常識。
通過學(xué)生討論和教師講解了解燃料的熱值和熱機的效率。
3.情感、態(tài)度與價值觀
通過演示實驗培養(yǎng)學(xué)生觀察和分析問題的能力。
通過閱讀“科學(xué)世界現(xiàn)代汽車”擴展學(xué)生的知識面。
說明與建議
演示
通過課本圖15.4-1所示的實驗,引導(dǎo)學(xué)生思考分析它所包含的物理內(nèi)容:酒精燃燒放出熱量(化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能),通過熱傳遞將一部分內(nèi)能轉(zhuǎn)移給水,水的內(nèi)能增加使其溫度逐漸升高直至沸騰,產(chǎn)生大量水蒸汽，水蒸氣越來越多,對軟木塞的壓力越來越大，最后將軟木塞推出試管口，這就是水蒸氣膨脹對軟木塞做功。
在做這一演示實驗時應(yīng)注意：軟木塞不要塞的太緊，免得試管炸裂傷人。
這個實驗雖然簡單，它卻能啟發(fā)學(xué)生：可以利用內(nèi)能來做功。熱機就是把內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置。
內(nèi)燃機
汽車是學(xué)生常見的交通工具，教師可以從汽車的動力來自于內(nèi)燃機引入課題。應(yīng)介紹內(nèi)燃機的主要特點是：燃料直接在汽缸內(nèi)燃燒，因而省掉了笨重的鍋爐。
汽油機的基本結(jié)構(gòu)可結(jié)合模型、掛圖和課本圖15.4-3來講解,課本中未提出的構(gòu)造不必補充。
想想議議
1．在四個沖程中，做功沖程發(fā)生了能量轉(zhuǎn)化。燃料燃燒，化學(xué)能轉(zhuǎn)變成內(nèi)能，產(chǎn)生高溫高壓氣體，推動活塞運動，內(nèi)能再轉(zhuǎn)化為機械能。
2．做功沖程使汽車獲得動力
3．排氣沖程排出了汽車的尾氣。
科學(xué)世界 現(xiàn)代汽車
很多學(xué)生對汽車感興趣，課前可以安排學(xué)生帶一些自己喜歡的汽車模型，閱讀這篇文章后，讓學(xué)生談?wù)撘恍┢嚪矫娴膯栴}。
燃料的熱值
燃燒是生活中常見的一種現(xiàn)象，人們利用燃料燃燒來取暖、煮飯，熱機也是利用燃料燃燒來獲得動力的。首先使學(xué)生知道燃料燃燒的本質(zhì)是化學(xué)變化，在燃燒過程中燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
想想議議
鼓勵學(xué)生積極參與討論，引導(dǎo)學(xué)生從實際經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)問題，通過討論使學(xué)生懂得相同質(zhì)量的不同燃料燃燒時放出熱量是不同的，從而引出熱值的概念。講熱值的時候，要說明完全燃燒的含義。然后讓學(xué)生看熱值表，對常用燃料的熱值一定的了解。
有效利用燃料是節(jié)能的重要措施，可讓學(xué)生結(jié)合實際來討論，然后得出結(jié)論。對于鍋爐供暖一是要讓燃燒盡可能充分，二是要減少熱量的散失。
根據(jù)課本圖15.4-6讓學(xué)生討論，內(nèi)燃機中的燃料燃燒放出的能量是否都能用來做功。在內(nèi)燃機中，由于燃燒不完全而損失的能量很小。排出的廢氣溫度較高，要帶走很大一部分能量。一部分能量消耗在散熱上，還有一部分能量消耗在克服摩擦做功上（如活塞和汽缸間的摩擦、各部件連接處的摩擦等）。所以只有一部分能量能夠用來做功。從而引出熱機效率問題。教學(xué)中，可啟發(fā)學(xué)生從熱機的能量損失去尋找提高燃料利用率的途徑，如利用蒸汽輪機的廢氣來供熱。教師可以鼓勵學(xué)生根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況提出提高燃料利用率的好辦法。
STS 從火車到火箭
可以先讓學(xué)生閱讀這篇文章，然后讓學(xué)生說一說，他知道有哪些熱機，這些熱機的發(fā)明給人類社會帶來了哪些變化。
動手動腦學(xué)物理
1．比較兩種燃料的熱值，要找學(xué)生容易得到的材料，不一定完全跟課本上一樣。設(shè)計實驗時要注意，如何確定兩種燃料的質(zhì)量是相同的，如何確定每一種燃料完全燃料時放出的熱量（比如用加熱水來計算）。
2．略
3．通過這個小制作，鍛煉學(xué)生的動手能力，并使他們從簡易的小小蒸汽輪機體會大型蒸汽輪機的工作過程；大型鍋爐產(chǎn)生高溫高壓的水蒸氣直接噴射到氣輪機的葉片上，使蒸汽輪機轉(zhuǎn)動，可以帶動大型發(fā)電機發(fā)電。
五、能量的轉(zhuǎn)化和守恒
目 標(biāo)
1、知識與技能
知道能量守恒定律。
能舉出日常生活中能量守恒的實例。
有用能量守恒的觀點分析物理現(xiàn)象的意識。
2、過程與方法
通過學(xué)生自己做小實驗，發(fā)現(xiàn)各種現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，體會各種形式能量之間的相互轉(zhuǎn)化。
通過學(xué)生討論體會能量不會憑空消失，只會從一種形式轉(zhuǎn)化為其他形式，或從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。
3、情感、態(tài)度與價值觀
通過學(xué)生自己做小實驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對物理規(guī)律有一個感性的認(rèn)識。
通過學(xué)生討論鍛煉學(xué)生分析問題的能力。
說明與建議
能的轉(zhuǎn)化
本節(jié)課文主要講述兩個內(nèi)容：第一，通過完成一組小實驗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；第二，介紹能量守恒定律。
想想做做
課前就要布置學(xué)生帶上小實驗所需的材料。這些實驗較容易完成，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考、討論在四個小實驗中發(fā)生了哪些能量轉(zhuǎn)化？
1．來回迅速摩擦雙手，手會感覺到熱，機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
2．黑塑料袋內(nèi)盛水，插入溫度計后系好，放在陽光下，過一會兒，可觀察到溫度升高，光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。
3．將連在小電扇上的太陽能電池對著陽光，小電扇會轉(zhuǎn)動起來，光能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為機械能。
4．用鋼筆桿在頭發(fā)或毛衣上摩擦后再靠近細(xì)小的紙片，小紙片會被吸到筆桿上，筆桿會發(fā)熱，機械能轉(zhuǎn)化為電能及內(nèi)能。
課本舉了五個學(xué)生學(xué)過的相互有聯(lián)系的現(xiàn)象。教學(xué)時可重點分析摩擦生熱，說明摩擦是機械運動現(xiàn)象，生熱是熱現(xiàn)象，摩擦能夠生熱，說明機械運動現(xiàn)象和熱現(xiàn)象有聯(lián)系。其他幾個實例可引導(dǎo)學(xué)生自己分析。在此基礎(chǔ)上，說明長期的探索，發(fā)現(xiàn)各種現(xiàn)象間常常存在著能量的轉(zhuǎn)化，能量可以反映這種聯(lián)系。
課本圖15.5-1是轉(zhuǎn)化過程示意圖，要讓學(xué)生充分討論后填寫，不要強調(diào)答案統(tǒng)一，只要學(xué)生認(rèn)真思考，合理就行。主要通過此圖對能量轉(zhuǎn)化有一個具體的理解。例如摩擦可以使機械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)；電動機可以使電能轉(zhuǎn)化為機械能；火力發(fā)電站可以使內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能；太陽能電池可以把光能轉(zhuǎn)化為電能；植物的光合作用可以把光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；熾熱的鐵水可以使部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為光能；蓄電池在充電時可以把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。
想想議議
通過討論秋千和小球的運動，提示學(xué)生思考機械能減少了，是不是能量就丟失了？實際上是通過摩擦把機械能轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能。從而引出能量守恒定律
能量守恒定律
講能量守恒定律的內(nèi)容時，要突出定律的物理意義，即突出“轉(zhuǎn)化”和“守恒”。教學(xué)時要向?qū)W生強調(diào)定律的普遍性和重要性。比如，向?qū)W生介紹這個定律與發(fā)現(xiàn)細(xì)胞、進(jìn)化論一起被恩格斯譽為19世紀(jì)自然科學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)，以引起學(xué)生對這個定律的重視。要在課本圖15.5-1的有關(guān)事實的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展開說明人的一切活動，包括生活和生產(chǎn)活動，都含有能的轉(zhuǎn)化問題，自然界的任何實際變化，也都含有能的轉(zhuǎn)化問題。因此有關(guān)能在轉(zhuǎn)化中守恒的規(guī)律，就成為最重要的自然科學(xué)規(guī)律了。
科學(xué)世界 向地球要熱
學(xué)生可通過閱讀自學(xué)這部分內(nèi)容,了解地?zé)徇@種新能源,以及利用地?zé)峁┡l(fā)電，給人們的生活帶來方便。
動手動腦學(xué)物理
1．能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。通過這道題可以鍛煉學(xué)生應(yīng)用能量守恒定律解釋人自身的能量轉(zhuǎn)化和守恒的問題。食物儲藏的能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使人們保持體溫；轉(zhuǎn)化為機械能，使人們能夠進(jìn)行日常活動，能夠走、跑、跳，能夠說話、唱歌；另外維持呼吸、心跳、血液流動，等一切生理活動也需要能量。沒有食物提供的能量，人們就無法生存。
2．通過討論“永動機”的問題，加深學(xué)生對能量守恒定律的理解。課本圖15.5-5所示的“永動機”是這樣的：距地面一定高度上架設(shè)一個水槽，槽底有個水管，當(dāng)水從槽底的水管流出時，沖擊水輪機。在水輪機的軸上安裝著抽水機和砂輪。這臺機器的設(shè)計者認(rèn)為，抽水機把地面水槽里的水抽上去，水就循環(huán)不已，機器就可以不停地轉(zhuǎn)動，人們就可以永久地利用砂輪磨制工件做功了。
這種構(gòu)思不能實現(xiàn)，因為要想使機器持續(xù)不斷地做功，就要消耗能量把流到低處的水抽回到高處。顯然，這種“永動機”是違反能量守恒定律的。
參考資料
內(nèi)燃機
內(nèi)燃機是通過使燃料在機器內(nèi)部燃燒，并將其放出的內(nèi)能直接轉(zhuǎn)換為機械能的動力機械。內(nèi)燃機不僅包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機和自由活塞式發(fā)動機，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃?xì)廨啓C、噴氣式發(fā)動機等，但通常所說的內(nèi)燃機是指活塞式內(nèi)燃機。
活塞式內(nèi)燃機以往復(fù)活塞式最為普遍。活塞式內(nèi)燃機將燃料和空氣混合，在其氣缸內(nèi)燃燒，釋放出的內(nèi)能使氣缸內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓的燃?xì)狻Ｈ細(xì)馀蛎浲苿踊钊鞴Γ偻ㄟ^曲柄連桿機構(gòu)或其他機構(gòu)將機械能輸出，驅(qū)動從動機械工作。往復(fù)活塞式內(nèi)燃機的組成部分主要有曲柄連桿機構(gòu)、機體和氣缸蓋、配氣機構(gòu)、供油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、起動裝置等。
內(nèi)燃機的工作循環(huán)由吸氣、壓縮、燃燒和膨脹做功、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對外作功的過程，其他過程都是為更好地實現(xiàn)作功過程而需要的過程。按實現(xiàn)一個工作循環(huán)的行程數(shù)，工作循環(huán)可分為四沖程和二沖程兩類。
四沖程是指在吸氣、壓縮、膨脹做功和排氣四個沖程內(nèi)完成一個工作循環(huán)，此間曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈。吸氣沖程時，進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉。流過空氣濾清器的空氣，或經(jīng)化油器與汽油混合形成的可燃混合氣，經(jīng)進(jìn)氣管道、進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸；壓縮沖程時，氣缸內(nèi)氣體受到壓縮，壓力增高，溫度上升；膨脹做功沖程是在壓縮上止點前噴油或點火，使混合氣燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓，推動活塞下行并作功；排氣行程時，活塞推擠氣缸內(nèi)廢氣經(jīng)排氣門排出。此后再由進(jìn)氣行程開始，進(jìn)行下一個工作循環(huán)。
二沖程是指在兩個行程內(nèi)完成一個工作循環(huán)，此期間曲軸旋轉(zhuǎn)一圈。首先，當(dāng)活塞在下止點時，進(jìn)、排氣口都開啟，新鮮氣體由進(jìn)氣口充入氣缸，并掃除氣缸內(nèi)的廢氣，使之從排氣口排出；隨后活塞上行，將進(jìn)、排氣口均關(guān)閉，氣缸內(nèi)氣體開始受到壓縮，直至活塞接近上止點時點火或噴油，使氣缸內(nèi)可燃混合氣燃燒；然后氣缸內(nèi)燃?xì)馀蛎洠苿踊钊滦凶鞴Γ划?dāng)活塞下行使排氣口開啟時，廢氣即由此排出，活塞繼續(xù)下行至下止點，即完成一個工作循環(huán)。
自從內(nèi)燃機被廣泛使用，人們就一直致力于提高機械效率。為使內(nèi)燃機在最佳工況下運轉(zhuǎn)，可采用微處理機控制內(nèi)燃機。同時為了減少排氣中有害成分，減輕對環(huán)境的污染，人們又開發(fā)和利用非石油制品燃料、擴大燃料資源。
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永動機
人們在長期的生活和生產(chǎn)中認(rèn)識到，人類的生存和發(fā)展離不開能源。人們是多么渴望生產(chǎn)一種不需要耗用任何能量而能永遠(yuǎn)不停工作的機器--永動機。十三世紀(jì)一個叫亨內(nèi)考的法國人提出過一個著名的永動機設(shè)計方案，如圖所示：輪子中央有一個轉(zhuǎn)動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設(shè)計者認(rèn)為，右邊的球比左邊的球離軸遠(yuǎn)些，因此，右邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩要比左邊的球產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉(zhuǎn)動下去，并且?guī)訖C器轉(zhuǎn)動，但并未實現(xiàn)不停息的轉(zhuǎn)動。仔細(xì)分析一下就會發(fā)現(xiàn)，雖然右邊每個球產(chǎn)生的力矩大，但是球的個數(shù)少，左邊每個球產(chǎn)生的力矩雖小，但是球的個數(shù)多。于是，輪子不會持續(xù)轉(zhuǎn)動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停在右圖中所畫的位置上。
17世紀(jì)至18世紀(jì)，永動機最為流行，人們曾提出各種永動機設(shè)計方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用輪子的慣性、水的浮力或毛細(xì)作用的，也有利用同性磁極之間排斥作用的。18世紀(jì)末，不少科學(xué)家開始懷疑制造永動機的可能性。1775年，法國科學(xué)院決議不再受理永動機的設(shè)計方案。這些事實，使人們逐漸悟出一個道理：永動機不可能實現(xiàn)是由于某一普遍定律的限制，而這條定律至今還未被發(fā)現(xiàn)。因此，它啟示人們不再為設(shè)計永動機而煞費苦心，轉(zhuǎn)而致力于這一未發(fā)現(xiàn)定律的挖掘工作。
17世紀(jì)～18世紀(jì),經(jīng)典力學(xué)中已蘊含著機械能的轉(zhuǎn)化和守恒的初步思想。倫福德等人對摩擦生熱的研究，否定了熱質(zhì)說，揭示了機械能與物體內(nèi)能變化的關(guān)系；1800年發(fā)明了電池，不久又發(fā)現(xiàn)了電流的熱效應(yīng)、磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)及電磁感應(yīng)等，科學(xué)家們進(jìn)一步展示出了自然界不同現(xiàn)象的相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化的圖景。在其他方面，如生物學(xué)發(fā)現(xiàn)了動物的體溫和進(jìn)行機械活動的能量跟它攝取的食物的化學(xué)能有關(guān)。這一切，都為能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)作了必要的準(zhǔn)備。19世紀(jì)40年代，不同國家的十幾位科學(xué)家以不同的方式，各自獨立地提出了能量守恒定律。人們認(rèn)識到：能量既不會憑空消滅，也不會憑空產(chǎn)生，能量有各種不同的形式，可從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量保持不變。能量守恒定律使永動機幻夢被徹底地打破。
在制造上面所說的第一類永動機的一切嘗試失敗之后，一些人又夢想著制造另一種永動機，希望它不違反能量守恒定律，而且既經(jīng)濟又方便。比如，這種熱機可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變?yōu)闄C械功。由于海洋和大氣的能量是取之不盡的，因而這種熱機可永不停息地運轉(zhuǎn)做功，也是一種永動機。
然而，在大量實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，英國物理學(xué)家開爾文于1851年提出了一條新的普遍原理：物質(zhì)不可能從單一的熱源吸取熱量，使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其它影響。看來永動機只是人們的美好愿望，永遠(yuǎn)也不可能實現(xiàn)了。
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溫度、內(nèi)能、和熱量
溫度：是用來表示物體冷熱程度的物理量。從分子運動論觀點看，溫度是物體分子平均平動動能的標(biāo)志。溫度是大量分子熱運動的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計意義。對于個別分子來說，溫度是沒有意義的。
內(nèi)能：廣義來說，內(nèi)能指物體內(nèi)部所包含的總能量，包括分子無規(guī)則熱運動動能，分子間的相互作用能，分子、原子內(nèi)的能量，原子核內(nèi)的能量等。在熱學(xué)中，由于在熱運動中后幾項不發(fā)生變化，所以內(nèi)能一般指前兩項。由于分子的動能跟溫度有關(guān)，分子間的相互作用能跟分子間的距離有關(guān)，所以物體的內(nèi)能跟溫度、體積都有關(guān)系。
熱量：指熱傳遞過程中內(nèi)能的改變量。因此熱量是一個過程量，與內(nèi)能是一個狀態(tài)量不同。在熱傳遞過程中物體內(nèi)能的變化不能用功來量度，只能用熱量來量度。
做功也是一個過程量，也可以改變內(nèi)能，因此也是內(nèi)能變化的量度。做功和熱傳遞對于改變物體的內(nèi)能是等效的，但兩者是有區(qū)別的：做功（機械功）改變內(nèi)能是物體有規(guī)則運動的能量轉(zhuǎn)化為分子無規(guī)則運動的能量；熱傳遞則是分子無規(guī)則運動的能量在物體間的轉(zhuǎn)移。
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分子的擴散運動和擴散現(xiàn)象
氣體分子熱運動的速率很大，分子間極為頻繁地互相碰撞，每個分子的運動軌跡都是無規(guī)則的雜亂折線。溫度越高，分子運動就越激烈。在0℃時空氣分子的平均速率約為400m／s，但是，由于極為頻繁的碰撞，分子速度的大小和方向時刻都在改變，氣體分子沿一定方向遷移的速率就相當(dāng)慢，所以氣體分于擴散的速率比氣體分子運動的速率要慢得多。
固體分子間的作用力很大，絕大多數(shù)分子只能在各自的平衡位置附近振動，這是固體分子熱運動的基本形式。但是，在一定溫度下，固體里也總有一些分子的速度較大，具有足夠的能量脫離平衡位置。這些分子不僅能從一處移到另一處，而且有的還能進(jìn)入相鄰物體，這就是固體發(fā)生擴散的原因。固體的擴散在金屬的表面處理和半導(dǎo)體材料生產(chǎn)上很有用處，例如，鋼件的表面滲碳法（提高鋼件的硬度）、滲鋁法（提高鋼件的耐熱性），都利用了擴散現(xiàn)象；在半導(dǎo)體工藝中也利用擴散法滲入微量的雜質(zhì)，以達(dá)到控制半導(dǎo)體性能的目的。
液體分子的熱運動情況跟固體相似，其主要形式也是振動。但除振動外，還會發(fā)生移動，這使得液體有一定體積而無一定形狀，具有流動性，同時，其擴散速度也大于固體。
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分子間的相互作用力
分子是由原子組成的，原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的。分子力就是分子間這些帶電微粒的相互作用引起的，因此分子力的本質(zhì)是電磁相互作用。
分子間作用力的規(guī)律比較復(fù)雜，一般采用簡化的模型處理。常用的模型是假設(shè)分子間的相互作用力具有球?qū)ΨQ性，近似地用下列半經(jīng)驗公式來表示：
式中的λ和μ是大于零的恒量，r為兩個分子中心間的距離，s和t都是正數(shù)。式中第一項是正的，代表分子間的斥力；第二項是負(fù)的，代表分子間的引力。圖15－2中的兩條虛線分別表示引力和斥力隨距離而變化的情況，實線表示合力隨距離而變化的情況。
當(dāng)時，分子間的引力和斥力大小相等，合力為零。這一位置稱為平衡位置。當(dāng)r＜r0時，引力和斥力雖然都隨著距離的減小而增大，但斥力增大得更快，因而分子間的作用力表現(xiàn)為斥力；當(dāng)r＞r。時，引力和斥力雖然都隨著距離的增大而減小，但斥力減小得更快，因而分子間的作用力表現(xiàn)為引力。這個合力（引力）隨著距離的增大而迅速減小，當(dāng)r的數(shù)量級大于10－9米時，已經(jīng)變得十分微弱，可以忽略不計了（圖2－2）。
第十六章　能源與可持續(xù)發(fā)展
全章概述和課時要求
1．通過實例了解能量及其存在的不同形式。能簡單描述各種各樣的能量和我們生活的關(guān)系。
2．通過實例認(rèn)識能量可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，不同形式的能量可以互相轉(zhuǎn)化。
3．能通過具體事例，說出能源與人類生存和社會發(fā)展的關(guān)系。
4．能結(jié)合實例，說出不可再生能源和可再生能源的特點。
5．了解核能的優(yōu)點和可能帶來的問題。
6．了解世界和我國的能源狀況。對于能源的開發(fā)利用有可持續(xù)發(fā)展的意識。
全章概述
能量概念是物理學(xué)中一個非常重要的概念。在《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中，“能量”是內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的主題之一，“能量”作為主線之一，也貫穿在整套教材當(dāng)中。本章在前面學(xué)過的各種能的知識的基礎(chǔ)上，對能源知識作了常識性的介紹，對能量概念進(jìn)行了簡單的回顧和總結(jié)。
本章從“能源家族”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”，并簡要介紹了人類歷史不斷進(jìn)行著的“能源革命”，以及能源的大量使用給人類帶來的環(huán)境問題。
能源問題是當(dāng)今世界的熱點問題。本章教學(xué)應(yīng)充分聯(lián)系生產(chǎn)和生活實際，開展豐富多彩的社會活動，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會、關(guān)注人類的未來。
課時建議
本章共分五節(jié)，建議7課時。
第一節(jié) 能源家族 0.5課時
第二節(jié) 核能 0.5課時
第三節(jié) 太陽能 1課時
第四節(jié) 能源革命 0．5課時
第五節(jié) 能源與可持續(xù)發(fā)展0.5課時
復(fù)習(xí)和總結(jié) 1課時
一、能源家族
目 標(biāo)
1．知識與技能
常識性了解什么是能源，什么是一次能源，什么是二次能源。什么是不可再生能源，什么是可再生能源。
2．過程與方法
通過社會調(diào)查，了解當(dāng)?shù)氐哪茉词褂脿顩r。
說明與建議
人類生活的一切活動都需要能量。凡是能為人類提供能量的物質(zhì)資源，都可以叫做能源。能源的廣泛使用，給人類文明帶來了巨大進(jìn)步。學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識了各種形式的能，可以先讓學(xué)生回顧一下學(xué)過的能的各種形式，并向?qū)W生提出問題：我們生活中利用的這些能源是從哪里來的？
想想議議
讓學(xué)生做小組討論，結(jié)合當(dāng)?shù)厣詈蜕a(chǎn)上能源使用情況，在老師指導(dǎo)下，讓學(xué)生自己對能源進(jìn)行分類。
能源家族成員種類繁多，而且新成員不斷加入。只要能為人類利用以獲取有用能量的各種來源都可以加入到能源家族中來。
能源家族從不同的角度可以劃分不同的成員，從其產(chǎn)生的方式可分為一次能源和二次能源。一次能源是指可以從自然界直接獲取的能源。其中煤炭、石油和天然氣是千百萬年前理在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的，又稱為化石能源，它們是當(dāng)今世界中一次能源的三大支柱，構(gòu)成了全球能源家族結(jié)構(gòu)的基本框架。一次能源中還包括水能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽堋⑸镔|(zhì)能以及核能等。二次能源是指無法從自然界直接獲取，必須經(jīng)過一次能源的消耗才能得到的能源。電能是最主要的二次能源。這里要讓學(xué)生了解一次能源和二次能源的概念，電能是從其它形式的一次能源轉(zhuǎn)化而來的。
木材、草類、肉類等由生命物質(zhì)提供的能量稱為生物質(zhì)能。生物質(zhì)能也是日常生活中最常用的能源之一，人類和動物從植物或其他動物獲取生物質(zhì)能以維持生命。
從能源是否可再利用的角度可分為可再生能源和不可再生能源。
STS 石油危機和能與科學(xué)
這部分內(nèi)容可以讓學(xué)生自己閱讀，不必占用課上時間。讓學(xué)生了解能源在現(xiàn)代生活中的作用。
動手動腦學(xué)物理
1．略。
2．讓學(xué)生根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的地理知識，通過查找資料，在圖16．1－1中標(biāo)出我國化石能源的主要分布區(qū)域。
3．略。
二、核能
目 標(biāo)
1．知識與技能
常識性了解核能、裂變和聚變。
2．情感、態(tài)度與價值觀
初步認(rèn)識科學(xué)及相關(guān)技術(shù)對于人類生活的影響。
說明與建議
本節(jié)教學(xué)應(yīng)以講授為主。由于核能、裂變、聚變、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等概念均涉及到核反應(yīng)知識，而學(xué)生頭腦里，這部分知識是一個空白。因此，講授過程中要貫徹通俗性原則，不宜過深，盡可能采取恰當(dāng)?shù)谋扔鱽韼椭鷮W(xué)生理解這些知識。
原子、原子核
這里可先復(fù)習(xí)課本第十一章第一節(jié)的知識。讓學(xué)生認(rèn)識原子核是由質(zhì)子和中子組成的，原子核內(nèi)部儲藏了巨大的能量。
核能
質(zhì)子、中子依靠強大的核力緊密結(jié)合在一起，一旦使原子核分裂或聚合，就能釋放出巨大的能量，這就是核能。核能是能源家族的新成員，它包括核裂變能和核聚變能兩種主要形式。
裂變
核物理中把重核分裂成質(zhì)量較小的核，釋放出核能的反應(yīng)稱為裂變。裂變能是重金屬元素的原子核通過裂變而釋放的巨大能量，目前已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化。因為裂變需要的鋼等重金屬元素在地球上含量稀少，而且常現(xiàn)裂變反應(yīng)堆會產(chǎn)生長壽命放射性較強的核廢料，這些因素限制了裂變能的發(fā)展。
演示
這個演示的目的是讓學(xué)生理解核裂變的原理。演示時，要想辦法使火柴充分燃燒而不熄滅。也可以讓學(xué)生自己去做，但要注意防火。
聚變
另一種核能形式是目前尚未實現(xiàn)商業(yè)化的核聚變能。核聚變是兩個較輕的原子核聚合為一個較重的原子核，并釋放出能量的過程。自然界中最容易實現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素氘與氚的聚變，這種反應(yīng)在太陽上已經(jīng)持續(xù)了50億年，氘在地球的海水中藏量非常豐富。因此，聚變能是一種無限的、清潔的、安全的新能源。這就是為什么世界各國，尤其是發(fā)達(dá)國家不遺余力，競相研究、開發(fā)聚變能的原因所在。
裂變知識學(xué)生很難理解。這里建議用濃硫酸與水結(jié)合釋放熱量的例子來比喻，可能會收到較好的效果。
STS 核電站和核廢料處理
這部分內(nèi)容可以讓學(xué)生自己閱讀，不必占用課上時間。讓學(xué)生了解科技給人類帶來便利的同時，也會給人類帶來災(zāi)難。
動手動腦學(xué)物理
略。
三、太陽能
1．知識與技能
初步認(rèn)識太陽的結(jié)構(gòu)，知道太陽能是人類能源的寶庫。
大致了解太陽能的利用方式。
2．情感、態(tài)度與價值觀
能保持對大自然的好奇，初步領(lǐng)略自然現(xiàn)象的美妙與和諧，對大自然有親近、熱愛、和諧相處的情感。
具有對科學(xué)的求知欲，樂于探索自然現(xiàn)象和日常生活中的物理學(xué)道理，有將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于日常生活、社會實踐的意識。
說明與建議
太陽……巨大的“核能火爐”
可先讓學(xué)生朗讀這段課文，教師簡要介紹一下太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時復(fù)習(xí)上一節(jié)所講的核聚變的內(nèi)容，指出太陽內(nèi)部進(jìn)行著劇烈的由氫聚變成氦的核反應(yīng)，并不斷向宇宙空間輻射出巨大能量。
太陽能是人類能源的寶庫
太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)足以維持50多億年，相對于人類歷史的有限年代而言，可以說是“取之不盡、用之不竭”的能源。我國西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古高原的總輻射量和日照時數(shù)均為全國最高，屬太陽能資源豐富地區(qū)；除四川盆地、貴州資源稍差外，東部、南部及東北等其他地區(qū)為資源較豐富區(qū)。
地球上的化石能源（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠(yuǎn)古以來貯存下來的太陽能，按課本圖16.3－2和163－3簡單介紹一下煤、石油、天然氣的形成地過程
想想議議
在課堂上展開討論，在地球表面太陽能是如何轉(zhuǎn)化為其他形式的能？讓學(xué)生們充分發(fā)表各自的見解，老師最后做總結(jié)歸納。
地球上的風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等都是來源于太陽。地球上任何地方都在吸收太陽的熱能量，但是由于地面每個部位受熱的不均勻性，空氣的冷暖程度就不一樣，于是，暖空氣膨脹變輕后上升；冷空氣冷卻變重后下降，這樣冷暖空氣便產(chǎn)生流動，形成了風(fēng)。地球表面的一部分水吸收太陽的能量經(jīng)過蒸發(fā)形成水蒸氣，暖濕氣流從地面升起，因絕熱達(dá)到過飽和而凝結(jié)成云，遇到冷空氣就形成雨。植物通過光合作用從太陽獲取能量，以化學(xué)能的形式存儲在植物體內(nèi)，人類和動物從植物或其他動物獲取生物質(zhì)能以維持生命。
太陽能的利用
廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。
想想做做
這個實驗很簡單，最好每個同學(xué)都能做一做。也可以在黑色和透明塑料袋中注入相同重量（體積）的水，把袋口扎緊放在太陽底下暴曬，過一段時間后分別測量兩個袋中的水溫，將會發(fā)現(xiàn)黑色塑料袋中的水溫比透明塑料袋中的水溫高。這是由于黑色物體更容易吸收太陽光的能量，這也是利用太陽能的最簡單、常用的方式。
太陽能利用的形式很多，最普遍的用途是把水加熱用于供暖（課本圖16．3-5）。人們更關(guān)注的是把太陽能用于工業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)部門，利用太陽能發(fā)電則是最理想的辦法，最常用的利用太陽能發(fā)電的方式是用太陽能電池供電（課本圖16．3－6、16．3－7、16．3－8）。這里還可以讓學(xué)生想象還有沒有利用太陽能的其他方式（太空發(fā)電）。
太陽能電池有很多優(yōu)點，沒有活動部件、使用壽命長、保養(yǎng)費用極低、不需燃料，但缺點是效率低，制造太陽能電池所需的半導(dǎo)體較昂貴。不過在某些情況下，由于太陽能電池使用方便，即使造價貴也劃算，所以幾乎所有的太空飛行器都用太陽能電池。有些燈塔、人造衛(wèi)星等不適合裝載燃料或連接電源的設(shè)備，太陽能電池是最佳選擇。
動手動腦學(xué)物理
這幾個問題都比較難，應(yīng)在老師的指導(dǎo)下，盡可能讓學(xué)生去做。
四、能源革命
1．知識與技能
常識性了解能量轉(zhuǎn)化技術(shù)為人類帶來的便利。
初步了解能量轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)化的方向性。
2．情感、態(tài)度與價值觀
初步認(rèn)識科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)對人類社會發(fā)展的影響，有將科學(xué)服務(wù)于人類的意識。
說明與建議
人類進(jìn)步的階梯
可先讓學(xué)生閱讀課文，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。
課本圖16．4-1表示的是遠(yuǎn)古人類利用太陽能的方式，這種方式今天仍然在廣泛使用。草通過光合作用吸收太陽能，兔子吃草吸收草的能量，人或其他動物吃兔子吸收兔子的能量，獵人通過吸收食物的能量才能進(jìn)行各種運動。
想想議議
先讓學(xué)生標(biāo)出課本圖16．4－7中植物的生長過程，問學(xué)生相反順序的情況會不會發(fā)生，答案顯然是否定的。然后向?qū)W生說明自然界的實際過程是有方向的。能量轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)化的方向性
這里要向?qū)W生強調(diào)能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移是有方向的，比如冰箱里的熱量不會自動轉(zhuǎn)移到外部，而必須消耗其他的能量（電能）才能把熱量轉(zhuǎn)移出來使冰箱內(nèi)部變冷。學(xué)生對這個問題有初步認(rèn)識就可以了，不要深究。
STS 災(zāi)害……失控的能量釋放
這段內(nèi)容可讓學(xué)生自己閱讀。老師介紹一下如果能量釋放失去控制就會引起災(zāi)害，例如火給人類生活帶來方便和舒適，但失去控制就會引起火災(zāi)；水電站中的水能釋放給人類帶來電力，但失去控制也會引起水災(zāi)。適當(dāng)介紹一些防火知識，使學(xué)生具有防火意識。
動手動腦學(xué)物理
1．汽車發(fā)動機使燃料內(nèi)能的一部分轉(zhuǎn)化成機械能驅(qū)動汽車，另一部分則以熱的形式散發(fā)到空中白白損失掉了，提高效率的方法一是改進(jìn)發(fā)動機使盡可能多的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機械能；另一方法是把散發(fā)的熱量收集起來加以利用。
2．略。
3．略。
五、能源與可持續(xù)發(fā)展
1．知識與技能
認(rèn)識能源消耗對環(huán)境的影響。
2．過程與方法
通過社會調(diào)查，了解當(dāng)?shù)啬茉词褂脤Νh(huán)境的影響。
3．情感、態(tài)度與價值觀
通過了解大量消耗能源對環(huán)境造成的破壞，初步認(rèn)識科技給人類帶來的負(fù)面效應(yīng)，具有節(jié)能意識、環(huán)保意識。
初步認(rèn)識科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)對于社會發(fā)展、自然環(huán)境及人類生活的影響。有可持續(xù)發(fā)展意識，能在個人所能及的范圍內(nèi)對社會的可持續(xù)發(fā)展有所貢獻(xiàn)。
有將科學(xué)服務(wù)于人類的意識，有理想，有抱負(fù)，熱愛祖國，有振興中華的使命感和責(zé)任感。
說明與建議
21世紀(jì)的能源趨勢
隨著世界人口的增加和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源的消耗持續(xù)增長。能量是守恒的，但是，根據(jù)上一節(jié)課學(xué)過的能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的方向性，能源卻不是取之不盡，用之不絕的物質(zhì)。化石能源、核能等是不可再生的能源，我們現(xiàn)在開采得越多，留給子孫后代的就越少。人類自1973年以來，共向地球索取了5000億桶（約合800億噸）石油，剩下的石油按現(xiàn)有生產(chǎn)水平計算，還可保證開采44年。天然氣也只能持續(xù)開采56年，一些國家的煤炭資源已采掘殆盡。為了人類的未來，我們必須要節(jié)約能源。能源消耗對環(huán)境的影響這一節(jié)的教學(xué)可采用問題討論的方式進(jìn)行。
想想議議
學(xué)生通過各種媒體，可能對能源消耗對環(huán)境的影響有一些初步的認(rèn)識。可先讓學(xué)生列舉出能源消耗會對環(huán)境造成哪些影響，在老師的指導(dǎo)下，把課本圖16－2表中的空格填上，使學(xué)生認(rèn)識到過量使用能源會對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。
未來的理想能源
化石能源的大量使用，不僅留給子孫后代的越來越少，而且造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。根據(jù)學(xué)過的有關(guān)能源的知識，以及課本上提出的條件，在老師的指導(dǎo)下，讓學(xué)生說一說哪些是未來的理想能源，并說明其道理，同時在課堂上展開討論。
動手動腦學(xué)物理
略。
參考資料
大氣污染
根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織做出的定義，大氣污染“通常系指由于人類活動和自然過程引起某種物質(zhì)進(jìn)入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度，達(dá)到足夠的時間，并因此而危害了人體健康、舒適感和環(huán)境”。
由地表至1000km左右的高空的大氣層，一般可認(rèn)為是由干燥、清潔的空氣、水蒸氣和各種雜質(zhì)三部分組成的。干燥、清潔的空氣的組成是基本不變的，水蒸氣的含量因時因地變化，各種雜質(zhì)（如粉塵、煙、有害氣體等）則因自然因素或人類活動的影響，無論其種類還是含量，變動都很大，甚至導(dǎo)致大氣污染。
導(dǎo)致大氣污染的自然因素包括火山活動、森林火災(zāi)、海嘯、土壤和巖石的風(fēng)化以及大氣圈中空氣運動等自然現(xiàn)象。一般說來，由于自然環(huán)境的自凈機能，各種自然現(xiàn)象一般多能自動協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)的動平衡關(guān)系。
人類活動包括生活活動和生產(chǎn)活動，而防止大氣污染的主要對象，首先是生產(chǎn)活動。人類活動所造成的空氣污染主要來自三個方面：1．燃料的燃燒過程；2．工業(yè)生產(chǎn)過程；3．交通運輸?shù)取Ｆ渲腥剂先紵ò骸⑵汀⒉裼汀⑻烊粴獾龋┊a(chǎn)生的空氣污染物約占全部污染物的70％；工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的空氣污染物約占20％；機動車產(chǎn)生的空氣污染物約占10％。
這些空氣污染物按其存在狀態(tài)可分為氣溶膠態(tài)污染物和氣態(tài)污染物。氣溶膠系指沉降速度可以忽略的固體粒子、液體粒子或液體粒子在空氣介質(zhì)中的懸浮體，如粉塵、煙、飛灰、液滴、輕霧、黑煙、霧等。氣態(tài)污染物大體有五個方面，以二氧化硫為主的含硫化合物；以氧化氮和二氧化氮為主的含氮化合物；碳的氧化物；碳?xì)浠衔锛胞u素化合物等。
這些空氣污染物主要通過呼吸道吸入、消化道吞入和皮膚接觸三條途徑侵入人體。其中以呼吸道吸入為最多，最危險。
空氣污染物對人體健康的危害大多表現(xiàn)為呼吸道疾病。在高濃度污染物的突然作用下可造成急性中毒，甚至在短時間內(nèi)死亡。例如，1952年英國倫敦發(fā)生的震驚世界的“煙霧”事件，四天內(nèi)就死了四千多人。長期接觸低濃度污染物，會引起慢性支氣管炎、支氣管哮喘、肺氣腫等，甚至?xí)鸱伟３酥猓諝馕廴疚飳χ参铩游铩⑥r(nóng)作物、器物（建筑物、器具等）、氣候等都會產(chǎn)生有害的影響。
?
核電站
核電站是利用原子能發(fā)電的設(shè)施，目前世界上很多國家都把原子能發(fā)電當(dāng)作解決能源危機的重要措施。到1988年底，世界上已有26個國家和地區(qū)建立了核電站，414臺核電機組并網(wǎng)發(fā)電，占世界總發(fā)電量的17％。核電站是把原子核裂變釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽的內(nèi)能，然后推動蒸汽輪機發(fā)電。核電站的中心部分是進(jìn)行核反應(yīng)的反應(yīng)堆，圖16-3是核反應(yīng)堆的示意圖。反應(yīng)堆用的燃料是濃縮鈾（含U2352～4％）。U235很容易俘獲中子產(chǎn)生裂變，裂變時同時放出2～3個中子，這些中子又去轟擊其他鈾核，于是裂變反應(yīng)得以連續(xù)進(jìn)行，稱作鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。裂變時釋放出大量的原子能。原子彈的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行得非常迅速，在極短時間內(nèi)釋放出大量的射線和能量，破壞性很大。而用于核電站中的核反應(yīng)堆，則需要鏈?zhǔn)椒磻?yīng)進(jìn)行的緩慢，以保證穩(wěn)定地向外輸出能量。
反應(yīng)堆內(nèi)的燃料做成直徑大約1cm，高1．5cm左右的圓柱形，然后堆成大約高3m左右的鈾棒，用薄的錯合金圓管包裝。大約200根鈾棒組成一束燃料棒，180根左右的燃料棒堆成反應(yīng)堆。鈾律插在用于減速中子的石墨中。為了控制中子數(shù)量以調(diào)節(jié)反應(yīng)速度，在反應(yīng)堆中還插入了吸收中子較強的鎘控制棒。調(diào)節(jié)控制棒插入的深度，就可以保證核反應(yīng)速度的正常，使核反應(yīng)堆有穩(wěn)定的輸出功率。
壓水堆是目前比較廣泛采用的核反應(yīng)堆。其特征是水在堆芯內(nèi)不沸騰，因此水必須保持在高壓狀態(tài)。圖16-4是壓水堆核電站的流程示意圖。燃料用的是二氧化鈾陶瓷塊，這樣的鈾芯塊本身就起防止放射性物質(zhì)外逸的作用，即構(gòu)成了第一道安全屏障。把這些小的鈾塊重疊在高3m，外徑9．5mm，厚0．57mm的鋁合金管內(nèi)封閉，即成為燃料元件棒，即鈾棒。鋁合金管也能防止放射性物質(zhì)逸出，故構(gòu)成第二道安全屏障。每200多根鈾棒，排列成橫17排，縱17排的燃料元件。如果堆內(nèi)有100多個這樣的燃料元件，即可成為90萬千瓦的壓水堆核電站。整個堆芯放在內(nèi)徑為4m，高為13m，厚為0．2m的壓力殼內(nèi)，殼內(nèi)壓強為155個大氣壓。可把水加熱到330℃以上。溫度升高了的水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器內(nèi)，器內(nèi)有很多細(xì)管，細(xì)管中的水接收熱量變成蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機發(fā)電。
從圖中可以看出，從反應(yīng)堆出來的水是跟細(xì)管中的水分開的，即使堆中的水有少量放射性物質(zhì)，也不會傳遞到細(xì)管中的水中。從反應(yīng)堆出來的水在蒸汽發(fā)生器中溫度降低后，經(jīng)一回路的循環(huán)泵驅(qū)動，又回到壓力殼的堆芯繼續(xù)加熱，完成第一回路的循環(huán)。一回路和壓力殼組成第三道安全屏障。蒸汽發(fā)生器內(nèi)的蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機做功后，再進(jìn)入冷凝器冷卻成水，經(jīng)二回路循環(huán)泵驅(qū)動，再回到蒸汽發(fā)生器繼續(xù)使用，這就是第二回路循環(huán)。冷凝器中用三回路循環(huán)泵抽來的江河水作冷卻劑，冷卻后又排回到江河中，組成第三回路循環(huán)。
我國是核能資源豐富的國家，從20世紀(jì)50年代中期開始建設(shè)核工業(yè)，現(xiàn)在已具備了建造核電站的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。我國政府對建立核工業(yè)非常重視，成立了核領(lǐng)導(dǎo)小組和核工業(yè)部，積極引入國際上已成熟的核技術(shù)，根據(jù)我國的實際情況，著重發(fā)展壓水堆核電站。已在浙江和廣東建設(shè)核電站。浙江秦山核電站自1985年開始動土，于1991年并網(wǎng)發(fā)電。1989年4月已接受國際原子能機構(gòu)運行檢查組進(jìn)行“運行前安全評審”。他們對秦山核電站工程是肯定的，認(rèn)為是高標(biāo)準(zhǔn)的，生產(chǎn)準(zhǔn)備工作是細(xì)致和超前的。國務(wù)院對核電站的安全問題非常重視，成立了專門負(fù)責(zé)安全監(jiān)督的核安全局，以保證和監(jiān)督核能的生產(chǎn)和安全應(yīng)用。
對于建立核電站，人們總擔(dān)心它的放射性污染和安全問題，其實，由于核電站采取了嚴(yán)格的安全措施，放射性物質(zhì)很難逸出堆外。前面我們已經(jīng)講過核反應(yīng)堆的第一道安全屏障鈾塊，第二道安全屏障鋁合金管，第三道安全屏障壓力殼，最后還有第四道安全屏障，即整個反應(yīng)堆封閉在混凝土建筑物中，它基本上保證了核反應(yīng)堆的絕對安全。在核電站建造歷史上，1979年美國三里島核電站發(fā)生了由于人為操作上的錯誤，可以說出現(xiàn)了特大事故。但在這個事故中無一人死亡，只有在現(xiàn)場的三名工作人員受到了略高于所允許的放射性照射，個別居民受到相當(dāng)于進(jìn)行兩次X光體檢的照射。至于1986年發(fā)生在原蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站的事故，則是由于設(shè)計和技術(shù)上的問題造成的。當(dāng)然，這些事故也引起核專家們的高度重視，從教訓(xùn)中更加注意安全措施。
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太陽能電池
在太陽能發(fā)電方面，目前比較成功的是利用太陽電池發(fā)電。太陽電池是利用光電效應(yīng)制成的一種發(fā)電器件（光電池）。不過，用金屬制成的光電池，效率極低，只有應(yīng)用了半導(dǎo)體，才使光電池跨入了實用階段。
普通的太陽電池，大多是由兩種不同導(dǎo)電類型（電子型和空穴型）的半導(dǎo)體構(gòu)成的，如圖16-2所示。所謂電子型半導(dǎo)體是以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，也叫N型半導(dǎo)體。它的制備是在一塊純凈的半導(dǎo)體（如硅、鍺）中摻入某類雜質(zhì)（如磷、砷、銻等）而成。它們能夠提供導(dǎo)電的電子。所謂空穴型半導(dǎo)體是以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體，也叫P型半導(dǎo)體。它的制備是在一塊純凈的半導(dǎo)體中摻入某種提供導(dǎo)電的空穴的雜質(zhì)，如在硅中摻入硼。當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體接觸時，便在交界面處即P－N結(jié)附近建立了內(nèi)電場（或稱勢壘電場）。由于此處的電阻特別高，所以也稱為阻擋層。
當(dāng)太陽光照射在器件上時，半導(dǎo)體內(nèi)的原子由于獲得了光能而釋放了電子，這些電子（稱為光電子）在內(nèi)電場作用下移向器件的一端，使這一端呈現(xiàn)負(fù)極性。在器件的另一端，由于缺少了電子，呈現(xiàn)出正極性。這樣就在器件內(nèi)形成一個與內(nèi)電場方向相反的電場即光生電場。由于在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生了光生電動勢。如果把器件的這兩端用導(dǎo)線連接起來，導(dǎo)線中便有電流產(chǎn)生。這就是太陽電池的基本原理。若把幾個、幾十個這樣的電池元件串聯(lián)、并聯(lián)起來，組成太陽電池群（或稱太陽電池板），在陽光照射下就能產(chǎn)生相當(dāng)可觀的電流。
現(xiàn)在制成的太陽電池有硅電池、砷化鎵電池、硫化鎘電池、碲化鎘電池、硅-碲化鎘電池、磷化銦電池等多種，而以硅電池發(fā)展得最為成熟。硅太陽電池是用地球上富有的元素硅制造的，其工藝比一般晶體管的制造工藝簡單。單體硅電池呈平直的片狀結(jié)構(gòu)，尺寸有：2×2cm2、2×4cm2、2×6cm2等多種，也有制成圓形、半月形、月牙形、多角形的，以充分利用硅單晶材料。硅太陽電池能把太陽能直接轉(zhuǎn)變成直流電。大量生產(chǎn)的硅電池，其光一電轉(zhuǎn)化效率一般為9～12％，也就是在地面陽光強度為1kw／m2的條件下，每平方厘米的硅電池，能發(fā)出10毫瓦的電能。
目前，硅太陽電池是人造衛(wèi)星、宇宙飛船上的主要能源裝置，在地面上則與蓄電池配合，作為特殊電源使用。白天有光照時，硅電池一方面給儀器或設(shè)備供電，同時將剩余的電能貯存在蓄電池里，到夜晚或陰雨天再由蓄電池供電。在一些無電或少電的邊遠(yuǎn)地區(qū)，硅太陽電池——蓄電池組作為小功率獨立電源，可以發(fā)揮很大的作用。例如可為無人燈塔、海上航標(biāo)燈、山地?zé)o人氣象站、地震觀測站、無線電中繼站、沙漠里的抽水機等固定的永久性設(shè)備供電，也可以作為半導(dǎo)體收音機、鐘表、打火機、家用照明燈、鐵路信號燈等的電源。
太陽電池對開發(fā)利用太陽能意義重大，在許多高技術(shù)領(lǐng)域它是一種清潔的、方便的能源裝置，它作為光電檢測元件具有獨特的優(yōu)點，很適于在電影機、雷達(dá)、照相機、火災(zāi)報警器、光電跟蹤器等儀器中應(yīng)用。但目前太陽電池的制造工藝還很復(fù)雜，成本很高，這就影響了它在地面上的推廣應(yīng)用。另外，它受日照條件的影響，晝夜的更迭和氣候的變化都影響它的工作效率。太陽電池的壽命雖然從原理上講是很長的，然而實際卻有限，太陽電池的組件由于受到雨水、熱和紫外線的輻射而惡化。此外臟物、灰塵等都影響著它的使用壽命。對這些問題科學(xué)家正在尋找解決的方案。
熱電站
利用煤、石油和天然氣等燃料發(fā)電的電廠叫火力發(fā)電廠，又發(fā)電又供熱的火力發(fā)電廠叫做熱電廠（也叫熱電站）。熱電廠能較充分地利用發(fā)電廠釋放的廢熱，使燃料得到充分利用。
以燃用煤粉的發(fā)電廠為例，火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程是：把煤粉送到鍋爐中燃燒，放出熱量，加熱鍋爐中的水，產(chǎn)生具有一定溫度和壓強的蒸汽。這個過程是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成蒸汽的內(nèi)能。再將具有一定溫度和壓強的蒸汽送入汽輪機內(nèi)，帶動汽輪機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這個過程是把蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成汽輪機的機械能。汽輪機帶動同一軸上的發(fā)電機旋轉(zhuǎn)而發(fā)出電來。這一過程是把機械能轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括汽水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)。在火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中，進(jìn)入汽輪機中的高壓熱蒸汽不斷膨脹，流速增大，沖動汽輪機轉(zhuǎn)子帶動發(fā)電機發(fā)電。在膨脹過程中，蒸汽的壓強和溫度不斷降低，最后排入冷凝器中。在冷凝器中，汽輪機排出的蒸汽被冷卻水冷卻，成為凝結(jié)水，凝結(jié)水經(jīng)水泵升壓后，重新打回鍋爐中，構(gòu)成一個閉合的熱力循環(huán)系統(tǒng)。但其循環(huán)的熱效率很低，一般很少超過40％，這就說明燃料所發(fā)出的熱量中有60％損失掉了，而其中絕大部分是蒸汽在冷凝器中傳遞給冷卻水的熱量。一般冷卻水吸熱后溫度要升高10℃左右，凝結(jié)1kg蒸汽，需要通過冷凝器的冷卻水質(zhì)量差不多是蒸汽質(zhì)量的40～50倍。大量的冷卻水，帶走了大量的熱量。但是由于水量龐大，水溫較低，這部分熱量很難利用，經(jīng)常是把帶走大量熱量的冷卻水送到河流或冷卻水池中去，熱量白白損失在大氣中了。例如國產(chǎn)的中壓2.5萬千瓦機組，進(jìn)入冷凝器的蒸汽量為86t/h，冷卻水帶走的熱量約為1．9×108J／h，相當(dāng)于消耗標(biāo)準(zhǔn)煤6．4t／h。
如果能把這部分熱量利用起來，就可以提高燃料利用率，發(fā)電廠的經(jīng)濟效益就能提高。我們知道某些工業(yè)需要利用低壓蒸汽，如化工、印染、造紙、棉紡等工廠，而這些工廠常是自備鍋爐供給蒸汽；又如廠礦、機關(guān)、學(xué)校等單位和家屬區(qū)的供暖和生活用水也都要自備鍋爐供給蒸汽和熱水。如果利用電廠的蒸汽來解決它們的供熱需要，就可以節(jié)省許多低壓鍋爐，無需添置設(shè)備和消耗燃料。節(jié)省大量的人力、物力。熱電廠就是這樣一種既供電又供熱的發(fā)電廠。排汽壓超過105Pa（1大氣壓），排汽全部供給熱用戶使用的汽輪機叫做背壓式汽輪機。以用背壓式汽輪機供熱的熱電廠為例，它的供熱過程是，由鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，進(jìn)入汽輪機做功，排汽不經(jīng)過冷凝器直接送到熱用戶使用，回收的凝結(jié)水經(jīng)給水泵再送至鍋爐。由于這種供熱方式的熱電廠不需冷凝汽及其附屬設(shè)備，使得設(shè)備簡單投資少

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