資源簡介

研究課題：潮 汐 現 象 研 究 報 告
單 位： 棗莊市第八中學南校
完 成 人： 李 光 耀 徐 子 涵
指導教師 ： 王 方
課 題
名 稱
潮 汐 現 象 研 究 報 告
課
題
成
員
李 光 耀
收集資料、整理資料、訪談
徐 子 涵
撰寫研究報告
一、課題提出的背景
高一學生經歷了第六章《萬有引力與航天》的學習，第七章《機械能守恒定律》初步入門，研究潮汐現象符合學生自身實際，能夠反映學生綜合運用所學知識解釋大自然中的美妙神奇現象。
同時，研究潮汐現象具有一定的現實意義：我國幅員遼闊，但能源資源并不豐富，且人均資源占有率低。伴隨著中國經濟的快速增長，中國的能源儲量與未來幾十年的發展需求之間的缺口將越來越大。按照專家的估算我國煤炭剩余可采量為1900億t，可供開采不足百年；石油剩余可采量為23億t，可供開采不足20年；天然氣剩余可采量為6310億3m，可供開采不足40年。在我國能源的品種構成中，優質能源比例很低。目前，煤炭消費量已經占我國一次能源消費總量的75%以上，相當于世界同類平均值3倍。煤煙型污染成為我國大氣污染的主要部分，燃煤電廠排放的二氧化硫和氮氧化物是造成酸雨的主要原因。2005年我國二氧化碳排放量占全球總量的18%，居全球第二，并呈增長趨勢。專家預測，不久以后我國二氧化碳排放量將超過美國居全球第一，成為全球最大的溫室氣體排放國。如何在經濟發展的同時，抑制住礦物能源消耗的急劇增長，對我國將是嚴峻的考驗。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》明確提出“十一五”期間單位國內生產總值能耗降低20%左右，主要染物排放總量減少10%的約束性指標。因此，在滿足用電需求的同時，降低石油等非再生資源的消耗，減少環境污染，開發新型環保電站迫在眉睫。
二、所要解決的主要問題：
1、初步解釋潮汐形成的原因。
2、除了每日發生的潮汐之外，每月還會出現兩次潮差最大(稱為大潮)和潮差最小(稱為小潮)的現象。嘗試說明在什么情況下會出現大潮或小潮。
3、潮汐發電包含了哪些能量轉化的過程？
4、要建造一個潮汐電站，需要具備哪些自然條件？我國哪些地區適合建造潮汐電站？如果潮汐能都被利用，電站可以產生多少電能？
三、研究目的：
(1)掌握研究性學習的一般程序，學習掌握收集、分析、整理信息，學會調查和撰寫研究報告等學習方法。
(2)培養多渠道獲取信息、處理信息的能力。
(3)培養的創新精神和社會實踐能力。
四、研究方法：
???訪談法、查閱資料法等。
五、研究步驟：
第一階段為準備階段(第1周)，主要是制訂計劃，落實活動人員。
第二階段為實施階段(第1—2周)，主要由訪談，查閱資料，整理與統計；
第三階段為課題成果交流、展示階段(第2周)。
六、研究過程和方法措施
第?1 周? 確定課題
??? 1、明確課題價值和研究目的。
2、制作計劃。
3、組建學生課題小組。
??? 4、說明選擇本課題的意圖和目的及構想。
?? ?5、小組討論后明確分工。
第?1-2 周 收集資料
???1、進行訪談專業教師。
? ? 2、到圖書館或網上查找資料。
???3、對所得資料進行匯總、歸類、篩選、整理，提出課題意向。
???4、撰寫課題開題報告。
第 2 周? 課題成果的交流、展示
??? 1、撰寫研究報告。
??? 2、展示課題研究成果。
七、研究結果、結論、感悟等
1、潮汐現象的成因
很久以前，人們就注意到大海有節律的潮漲潮落，“潮者，據朝來也；汐者，言夕至也”( 葛洪，公元281-361，東晉)，即一晝夜中兩次漲起、兩次跌落。通常將海水白天漲落叫“潮”，晚上漲落叫“汐”，合稱為“潮汐”，宛如大海在有節奏的進行“呼吸”，因此被法國文學稱之為“大海的呼吸”，同時，這種現象的產生令人遐想無限。古人云：“八月濤聲吼地來，頭高數丈觸山回。須臾卻入海門去，卷起沙堆似雪堆。”有一副著名對聯，“海水朝朝朝朝朝朝朝落，浮云長長長長長長長消”，它利用中國漢字一字多音多義的特點，描繪了這一變幻多姿的景色，讀后使人產生無限遐想。
中國公元前2世紀早期的文獻已記載月望(滿月)之日十分壯觀的海潮。東漢王充在論衡中寫道“濤之起也，隨月盛衰，大小、滿損不齊同”，指出潮汐與月球的依賴關系。封演的見聞記精確地記述了漲潮時間的逐日變化。其后更有余靖、張君房、燕肅、沈括、郭守敬等人對潮汐觀測的精確描述。李約瑟(1900-1995)曾說:“在近代以前,中國對潮汐現象的了解與興趣,總的來說多于歐洲”。近代潮汐的研究，是利用牛頓提出的萬有引力定律, 后又經伯努利、歐拉及拉普拉斯等人的工作而趨于完善。20世紀以來, 大型電子計算機的應用使潮汐的研究結合實際海陸分布、深海、淺海等不同因素，數據更加精確。根據牛頓的理論分析，潮汐現象是由于太陽、月球的引力在地球上分布的差異產生的。
地球在繞著太陽高速運動的同時，也繞著地球的軸在自轉，所以地球是一個非慣性系。在非慣性系中，存在一個慣性力。隨著地球的自轉而旋轉的海水，一方面受到慣性力的作用，同時也受到月球對海水的萬有引力的作用。月球對海水的萬有引力跟月球距海水的距離有關，致使月球對海水的引力不均勻，所以不同處海水受到的慣性力與月球對海水的萬有引力的合力就不同。具體來說就是，在正對著月球的地方，向心加速度較小，引力較大，海水被月球吸起；在背對著月球一端，向心加速度較大而引力較小，海水被向外甩出。一晝夜之間地球上的海水有一次面向月亮，一次背對月亮，所以海水每天有兩次漲落。同時海水還要受到月球、太陽及其他天體的吸引力，因為月球離地球最近，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。即我們把海水的慣性力與月球對海水的萬有引力的合力叫引潮力。由于地球、月球在不斷運動，地球、月球與太陽的相對位置在發生周期性變化，因此引潮力也在周期性變化，正是由于月球和太陽對海水的引潮力引起了海水的漲落，形成了潮汐現象。根據萬有引力定律，兩個物體之間的引力和它們之間距離的平方成反比。地面上各點與月球的距離不同，所受月球引力的大小就不同，朝向月球的半個地球上，所受到的引力大于地心和背向月球一面所受到的引力。離月球最近的點所受到的引力最大，在此點的海水相對于地心而言被月球“拉”了起來，朝向月球的半個地球上的海水都會趨向最近點，該點海水就會上漲，這就是我們常說的漲潮。離月球最遠的點受到月球的引力最小，相對于地心，該點的海水有后退的傾向，我們稱之為退潮。
2、大潮和小潮
海水漲落的潮汐現象是由地球和天體運動以及它們之間的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋轉，這種水位的上升以周期為12小時25分和振幅小于1m的深海波浪形式由東向西傳播。太陽引力的作用與此相似，但是作用力小些，其周期為12小時。當太陽、月球和地球在一條直線上時，如右圖所示，太陽和月亮的引潮力疊加，海水所受到的引潮力最大，以致海水高峰最大，就產生大潮（spring tides）。當太陽、地球和月亮的相對位置幾乎構成一個直角三角形，這時月亮的引潮力被太陽的引潮力抵消了一部分，海水所受到的引潮力最小，因而形成的海水峰最小，就產生小潮（neap tides）。每次潮汐的大小，還與月亮或地球在其軌道上位置有關。實際上月亮繞地球運動的軌道是橢圓，地球位于此橢圓的一個焦點上。因而在月亮運行的過程中，當月亮位于近地點時引潮力最大，稱為近地潮；當月亮位于遠地點時引潮力最小，稱為遠地潮，如上圖所示。
近日潮在一月初，遠日潮在七月初。潮汐現象的發生不僅和太陽，月球都有關系，也和我國傳統農歷對應，如右圖所示。在農歷每月的初一即朔點時刻處太陽和月球在地球的一側，所以就有了最大的引潮力，所以會引起“大潮”，在農歷每月的十五或十六附近，太陽和月亮在地球的兩側，太陽和月球的引潮力你推我拉也會引起“大潮”；在月相為上弦和下弦時，即農歷的初八和二十三時，太陽引潮力和月球引潮力互相抵消了一部分所以就發生了“小潮”，故農諺中有“初一十五漲大潮，初八二十三到處見海灘”之說。另外在第天也有漲潮發生，由于月球每天在天球上東移13度多，合計為50分鐘左右，即每天月亮上中天時刻（為1太陰日=24時50分）約推遲50分鐘左右，（下中天也會發生潮水每天一般都有兩次潮水）故每天漲潮的時刻也推遲50分鐘左右。但由于月球和太陽的運動的復雜性，大潮可能有時推遲一天或幾天，一太陰日間的高潮也往往落后于月球上中天或下中天時刻一小時或幾小時，有的地方一太陰日就發生一次潮汐。故每天的漲潮退潮時間都不一樣，間隔也不同。
3、潮汐發電
在滿足用電需求的同時，降低石油等非再生資源的消耗，減少環境污染，開發新型環保電站迫在眉睫，我國至今開發的潮汐能很少，潮汐能作為一種清潔可再生能源，開發潛力巨大。潮汐發電的工作原理與常規水力發電的原理類似，它是利用潮水的漲、落產生的水位差所具有的勢能來發電。通過出水庫，在漲潮時將海水儲存在水庫內，以勢能的形式保存，然后，在落潮時放出海水，利用高、低潮之間的落差，推動水輪機旋轉，帶動發電機發電。差別在于海水與河水不同，蓄積的海水落差不大，但流量較大，并且呈間歇性，從而潮汐發電的水輪機的結構要適合低水頭、大流量的特點。具體地說，就是在有條件的海灣或感潮河口建筑堤壩、閘門和廠房，將海灣(或河口)與外海隔開圍成水庫，并在閘壩內或發電站廠房內安裝水輪發電機組。海洋潮位周期性的漲落過程曲線類似于正弦波，如下圖所示。對水閘適當地進行啟閉調節，使水庫內水位的變化滯后于海面的變化，水庫水位與外海潮位就會形成一定的高度差(即工作水頭)，從而驅動水輪發電機組發電。從能量的角度來看，就是將海水的勢能和動能,通過水輪發電機組轉化為電能的過程。潮汐發電的優點是成本低，每度電的成本只相當火電站的八分之一。一般認為當海洋潮汐波沖擊大陸架和海岸線時，通過上升、收聚和共振等運動，使潮差增大。
潮汐能的能量與潮量和潮差成正比?；蛘哒f，與潮差的平方和水庫的面積成正比。和水力發電相比，潮汐能的能量密度很低，相當于微水頭發電的水平。世界上潮差的較大值約為13～15m，但一般說來，平均潮差在3m以上就有實際應用價值。由于潮水的流動方向是不斷改變的，因此就使得潮汐發電出現不同的類型， 即單庫單向型、單庫雙向型和雙庫單向型3種。我國在1958年以來陸續在廣東省的順德和東灣、山東省的乳山、上海市的崇明等地，建立了潮汐能發電站。
潮汐能是一種不會給未來地球人類帶來污染和災難的能源，在有條件利用潮汐能的沿海國家和地區，建設潮汐電站不失為緩解能源危機的一種有效方案。我國的海域遼闊、海岸線長，大陸海岸線長達18000km，加上6500多個海島的岸線，岸線長度在32000km以上。據對全國可開發裝機容量200kw以上的424 處港灣壩址的調查資料表明，我國的潮汐能蘊藏量為1.1億kw，其中浙江、福建兩省蘊藏量最大，約占全國的80.9％，但這都是理論估算值，實際可利用的遠小于上述數字。可開發總裝機容量為2179萬kw，年發電量624億hkw，容量在500kw以上的站點共191處，可開發總裝機容量為2158萬kw。20世紀90年代，在化石能源消耗殆盡、關切減緩溫室效應、減少環境危害影響的驅動下，各國都總結潮汐電站運行的經驗，論證其綜合效應及采用新技術，實行鼓勵新能源和綠色能源開發的政策以降低潮汐電站成本，于是又掀起了新一輪開發潮汐電站的熱潮?？梢哉f，潮汐發電前景廣闊。
4、分析
地表的海水又受到地球運動離心力的作用，月球引力和離心力的合力正是引起海水漲落的引潮力。除月球、太陽外，其他天體對地球同樣會產生引潮力。雖然太陽的質量比月球大得多，但太陽離地球的距離也比月球與地球之間的距離大得多，所以其引潮力還不到月球引潮力的一半。其他天體或因遠離地球，或因質量太小所產生的引潮力微不足道。根據平衡潮理論，如果地球完全由等深海水覆蓋，用萬有引力計算，月球所產生的最大引潮力可使海水面升高0.563m，太陽引潮力的作用為0.246m，夏威夷等大洋處觀測的潮差約1m，與平衡潮理論比較接近，近海實際的潮差卻比上述計算值大得多。
我國海洋能開發已有近幾十年的歷史，迄今已建成潮汐電站8座，但是現有潮汐電站整體規模和單位容量還很小，單位千瓦造價高于常規水電站。自1985年起，華東地區的浙江、福建對幾個萬千瓦級潮汐電站址進行了考察、勘測和規劃設計并做了可行性研究等大量的前期準備工作。由于技術水平方面的原因，目前我國現仍停留于小型潮汐電站水平上，尚不能制造新型5000kw以上適于潮汐發電的高效能機組，從而使潮汐發電的單千瓦造價仍略高于常規能源。目前存在的關鍵問題是：中型潮汐電站水輪發電機組技術問題沒有完全解決；水輪發電機組尚未定型標準化；海水工程建筑物的施工技術還比較落后。如果解決了這些問題，潮汐能將是一個重要補充能源。
5、結論
潮汐現象是一種自然現象，潮汐的分析、計算及預報對沿海農田水利、港務業、捕撈、鹽業等建設及潮汐能利用都有很重要的作用。隨著其它能源的減少，開發潮汐能已引起了人們的重視，巨大的潮汐能如太陽能一樣，正等待人們去開發。一方面電力供應不足是制約我國國民經濟發展的重要因素，尤其是在東部沿海地區。另一方面我國海岸線漫長曲折，蘊藏著豐富的潮汐能資源，至今開發的潮汐能不足可開發量的1‰。潮汐能發電具有可再生性、清潔性、可預報性等優點。經過多年來對潮汐電站建設的研究和試點，不僅在技術上日趨成熟，而且在降低成本，提高經濟效益方面也取得了很大進展。潮汐能發電技術前景廣闊，我國應全力發展潮汐發電。
6、提高高中生解決物理實際問題的能力
在大多數情況下，傳統物理教學及有關問題的訓練，往往直接給出簡化后的物理對象或物理圖景，因而在問題的處理上，學生缺乏對物理對象和物理場景做理想化處理的方法和能力。 如何在教學中有意識地培養學生解決實際問題的能力呢？除了一般教學過程的普遍要求之外，還應該重點做好以下幾項工作。
（1）．擴大學生的實際應用的知識面
注意擴大學生的實際應用的知識面，以構成較為完整、豐富并排列有序的原材料庫，便于學生在需要的時候有足夠的“原型”可供選擇、改造并使用。陳述性知識在解決實際問題中的各個階段都必不可少，在第一階段（即審題階段）尤為重要。我們在教學內容上應更強調實際應用知識的學習。這就要求學習的內容應在知識形成的環節上向兩端拓展。
（2）．培養學生收集和處理信息的能力
實際問題，提供信息“原始化”。不僅提供有用信息，也提供無用信息。要培養學生的選擇、判斷能力。培養學生判斷有用信息和無用信息的能力，選擇對解題有用的信息來解題。
（3）．加強科學方法教育
當我們解決實際問題時，物理的規律（包括定律、定理等）的正確使用是關鍵性的一步。由于物理規律具有較高的抽象性，而在實際問題中各種關系錯綜復雜，往往還需要借助科學方法才能將實際問題與物理規律聯系起來。在物理研究中，理想化方法、等效法、類比法、圖像法等是較常用的科學方法。
當然，高中學生解決實際問題的困難是多方面的。教學過程中，注意擴大學生的實際應用的知識面，培養學生收集和處理信息的能力，加強科學方法教育，加強應用性知識的教學，建立與實際生活的緊密聯系，不斷培養學生優良的物理思維品質，物理教學就會越來越生動，就一定會使更多的愛學物理，喜歡學物理，以至更會學物理。

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