上海地區(qū)優(yōu)秀高一物理 第七章 D 學習包――太陽能的利用教案 滬科版（通用）

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1、 高考資源網(wǎng)第七章 D 學習包——太陽能的利用 一、教學任務分析 學習包－《太陽能的利用》是能量守恒定律一章在實際中的一個應用。太陽能不僅具有巨大的經(jīng)濟、社會效益，還能緩解能源緊缺，美化生活環(huán)境，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、資源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此，在中學物理課程中引入此內(nèi)容的學習，既富有時代性，又具有非常重要的現(xiàn)實意義。本節(jié)內(nèi)高考資源網(wǎng)容重點放在科學探究過程的實踐、科學方法的運用和相關(guān)知識的靈活應用上，對改變學生學習方式來說具有重要的意義。 學習本節(jié)內(nèi)容所需準備的知識和技能主要有：（1）能的轉(zhuǎn)化與守恒；（2）能源的開發(fā)與利用；（3）DIS溫度傳感器的使用。 將“太陽能的利用”內(nèi)容

2、分成若干個子課題，學生分組，并認領(lǐng)探究的課題。 通過子課題1，簡要介紹太陽能的相關(guān)知識，引出太陽能資源的含義、優(yōu)缺點、利用途徑；通過子課題2，重點探究太陽能的熱利用；通過子課題3，重點探究太陽能發(fā)電。 通過實例分析，聯(lián)系太陽能的來源進行相關(guān)的計算、引入“物理模型”、“等效替代”等物理學中常用的思想方法。 本節(jié)內(nèi)容采用學習包的形式編寫，目的在于改變傳統(tǒng)的教與學的方式，在教師指導下，學生通過自主活動，做到“資料自己找，實驗自己做，問題自己答，小結(jié)自己寫，效果自己評”，在探究活動中體驗合作探究的學習過程、認識研究性學習的特點，感悟科學方法的應用和科學態(tài)度對探究的成功的重要作用，為今后的持續(xù)發(fā)展

3、奠定基礎(chǔ)。 二、教學目標 1、知識與技能 （1）知道太陽能資源的含義、優(yōu)缺點、利用途徑、基本技術(shù)以及人們利用與開發(fā)太陽能的歷史和現(xiàn)狀。 （2）理解太陽輻射和太陽常數(shù)。 （3）學會用DIS溫度傳感器，探究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率的因素、上海地區(qū)太陽輻射的特點以及測試悶曬式太陽能集熱箱效率和性能。 （4）學會使用一些基本的太陽能系列產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上進行小制作、小改造或小發(fā)明。 （5）初步學會完成對各種實驗表格的設(shè)計與填寫，并能完成課題報告的撰寫。 2、過程與方法 （1）在研究 “太陽能利用”課題的過程中，通過小組成員間分工合作，獲取、搜集、處理、表達信息的過程，感受科學探究的一

4、般過程和方法。 （2）通過查閱有關(guān)太陽能能源的資料，認識太陽能能源的基本知識以及利用與開發(fā)的歷史和現(xiàn)狀。 （3）通過DIS實驗，感受信息技術(shù)對探究活動的支撐作用。 （4）通過搜集有關(guān)利用太陽能開發(fā)的產(chǎn)品及該產(chǎn)品的圖片和工作原理，掌握家用太陽能裝置和一些基本的太陽能系列產(chǎn)品的使用方法，并運用所學知識進行小制作、小改造和小發(fā)明。 （5）通過經(jīng)歷太陽能開發(fā)利用的學習與實踐過程，認識調(diào)查法、實驗法，控制變量法，物理模型，等效替代等科學研究方法和物理思想。 3、情感、態(tài)度與價值觀 （1）根據(jù)子課題研究內(nèi)容，通過小組成員間明確各自擔任的角色和任務，在探究的過程，體驗具體分工、合作的愉悅和經(jīng)驗，

5、增強責任感，樂于與人合作，并善于與人合作。 （2）在動腦、動手實踐中，?通過使用、改造或設(shè)計太陽能利用的器具，激發(fā)利用與開發(fā)太陽能的興趣，提高動手實踐與大膽創(chuàng)新的能力。 （3）通過學習與實踐過程，體驗探究學習的樂趣，懂得合理、科學使用太陽能的方法以及重要意義，增強保護環(huán)境、節(jié)能的使命感。 （4）通過多角度、多層次、多方式對問題展開思考和剖析，在解決問題的過程中，體驗成功的愉悅感和成就感。 三、教學重點和難點 重點：（1）太陽能利用的相關(guān)知識。 （2）探究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率的因素、上海地區(qū)太陽輻射的特點以及測試悶曬式太陽能集熱箱效率和性能。 難點：（1）運用利用太陽能的有關(guān)知

6、識進行小制作、小改造和小發(fā)明。 （2）理解太陽輻射和太陽常數(shù)。 四、教學資源 1、器材： （1）研究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率因素的實驗器材：小包裝純凈水（250ml左右）空瓶四個，30cm×40cm聚乙烯透明塑料袋三個，20cm×20cm黑紙一張，光亮、平整鋁箔包裝紙若干，高40cm的支架4個，DIS（溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器，計算機等）或溫度計等。 （2）研究上海地區(qū)太陽輻射特點的實驗器材：小包裝純凈水（250ml左右）空瓶若干，橡皮塞（鉆孔），DIS（溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器，計算機等）或溫度計，支架等。 （3）研究悶曬式太陽能集熱箱效率和性能的實驗器材：聚苯乙烯泡沫塑料，松軟物體

7、（棉花，羽絨等）、蓋板玻璃等；各種顏色的材料（紙張、布匹等），DIS（溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集器，計算機等）或溫度計等。 （4）研究太陽能發(fā)電的實驗器材：太陽能電池板，太陽能小車、太陽能風車等制作材料。 （5）其他所需器材。 2、Internet網(wǎng)絡(luò)、圖書資料等。 3、課件：自制課件、Flash動畫等。 4、錄像：太陽能利用的視頻資料。 五、教學設(shè)計思路 本設(shè)計的內(nèi)容主要包括四個方面：一是太陽能利用的相關(guān)知識簡介；二是太陽能的熱利用；三是太陽能發(fā)電；四是建立“太陽輻射物理模型”及對“太陽常量”的理解。 本設(shè)計的基本思路是：學生組成小組，在教師的指導下根據(jù)總課題“太陽能的利用”提出系

8、列性問題或子課題，然后通過學生自主學習、查找資料、交流討論、探究實驗解決問題，最后進行小結(jié)、交流和評價。 本設(shè)計要突出的重點是：太陽能利用的相關(guān)知識以及探究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率的因素、上海地區(qū)太陽輻射的特點以及測試悶曬式太陽能集熱箱效率和性能。方法是：通過子課題1的研究，搜集有關(guān)太陽能的含義，太陽輻射與太陽常數(shù)，太陽能的優(yōu)缺點，太陽能的利用途徑，太陽能利用基本技術(shù)及發(fā)展史等資料，了解太陽能利用的相關(guān)知識；通過子課題2和子課題3的研究，運用DIS溫度傳感器探究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率的因素、上海地區(qū)太陽輻射的特點以及測試自制悶曬式太陽能集熱箱效率和性能。 本設(shè)計要突破的難點是：運用太陽能

9、利用的有關(guān)知識進行小制作、小改造和小發(fā)明。方法是：通過搜集有關(guān)利用太陽能開發(fā)的產(chǎn)品及該產(chǎn)品的圖片和工作原理，掌握家用太陽能裝置和一些基本的太陽能系列產(chǎn)品的使用方法，并運用所學知識進行小制作、小改造和小發(fā)明。理解太陽輻射和太陽常數(shù)。方法是通過實例分析，引入物理模型、等效替代等物理思想，理解太陽輻射和“太陽常量”的概念。 本設(shè)計重視培養(yǎng)學生獲取、搜集、處理、表達信息的能力以及實驗探究，創(chuàng)造發(fā)明的能力。 完成本設(shè)計的教學任務需2～3課時。 六、教學流程 拓展延伸 關(guān)注科技發(fā)展 課內(nèi) 匯報成果，交流心得，師生點評 交流小結(jié) 成果匯報交流 課外 反思，小結(jié)，完成思考

10、與練習 探索研究 進行實驗探究 課外 完成實驗報告，回答相關(guān)問題 課內(nèi) 聽介紹，看表演，提問題 課外 學生分組，搜集資料，設(shè)計實驗方案 課內(nèi) 交流實驗設(shè)計方案，實驗探究 問題探討 提出研究內(nèi)容 1、教學流程圖 2、流程圖說明 問題探討 提出研究內(nèi)容 課內(nèi)通過錄像、課件、演示實驗創(chuàng)設(shè)情景，指出太陽能不僅具有巨大的經(jīng)濟、社會效益，還能緩解能源緊缺，美化生活環(huán)境，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟、資源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展有重要的現(xiàn)實意義，激發(fā)學生的興趣和探究欲望。 課外通過對學生進行分組

11、、確定子課題及研究內(nèi)容、明確角色和任務分工。利用網(wǎng)絡(luò)資源和書籍資料，設(shè)計實驗方案，制定課題計劃書和進度表。 探索研究 進行實驗探究 課內(nèi)通過小組內(nèi)部交流設(shè)計方案，實驗探究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率的因素、上海地區(qū)太陽輻射的特點以及測試悶曬式太陽能集熱箱效率和性能。 課外繼續(xù)實驗探究并完成實驗報告，并將搜集到的資料匯總、分析、整合，初步做成ppt、網(wǎng)頁、作品等形式，并回答相關(guān)問題。 交流小結(jié) 成果匯報交流 課內(nèi)通過學生分組展示和交流研究成果，由教師和學生組成的課題評審團可以用投票的方式對各組成果進行評議，根據(jù)成果交流情況評出各獎項，進行表彰和鼓勵，點評并提出改進意見。然后，教師通過實

12、例的分析，進一步理解太陽輻射和太陽常數(shù)的概念。最后教師總結(jié)課題研究的方法例如實驗法，調(diào)查法，以及物理思想和科學方法例如等效替代，控制變量法和物理模型等。 課外，讓學生反思學習學習包的過程，做好小結(jié)，完成思考與練習。 拓展延伸 關(guān)注科技發(fā)展 介紹幾個主要的國內(nèi)外太陽能網(wǎng)站的地址，激發(fā)學生利用與開發(fā)太陽能的興趣，增強保護環(huán)境、節(jié)能的使命感。 3、教學主要環(huán)節(jié) 本設(shè)計可以分為三個主要教學環(huán)節(jié)： 第一環(huán)節(jié)，通過太陽能利用的問題探討，了解太陽能資源的相關(guān)知識，包括太陽能的含義，太陽輻射和太陽常數(shù)，太陽能的優(yōu)缺點、利用途徑以及太陽能利用的基本技術(shù)，人們利用與開發(fā)太陽能的歷史和現(xiàn)狀。 第二環(huán)

13、節(jié)，通過DIS實驗，探究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率的因素、上海地區(qū)太陽輻射的特點以及測試悶曬式太陽能集熱箱效率和性能，完成相關(guān)實驗報告。 第三環(huán)節(jié)，學生對制作的作品與研究的成果進行展示、匯報和交流，教師總結(jié)評價，實例分析，并作適當?shù)耐卣寡由?。學生課后完成課題研究結(jié)題報告，小結(jié)學習包的學習情況。 七、教學案例 （一）問題探討 1、學生方面所做的準備 l 學生分組：以自愿結(jié)合為原則，每4～6人分為一組。 l 角色和任務分工：根據(jù)自身的特點，學生自主選擇和承擔對應子課題的各項任務。每組可設(shè)資料搜集員，整理員、展示員，實驗員、制作發(fā)明員、組長（兼）等。 l 課題選題：包括教師指定選題和學生

14、自主選題。教師可根據(jù)學生的知識水平和研究能力，可以提供一系列可操作的課題供學生選擇，也可以由學生自主選擇有興趣、能操作的課題，然后填寫選題意向表。其他課題：需由指導老師主持開題評審會對學生課題研究方案進行評審。 2、教師方面所做的準備 l 創(chuàng)設(shè)學習的情境：從本節(jié)課的生活背景出發(fā)，激發(fā)學生學習“太陽能利用”的興趣。 l 編寫課前導學：學生自主學習應考慮時間的合理性，高中生課后作業(yè)較多，為了讓學生有寬裕的課前自主時間，開展研究性學習。教師應根據(jù)具體要求，編寫了“課前導學”，在“課前導學”中為學生提供了學法指導，針對所學內(nèi)容，提供一些相關(guān)的學習方法讓學生參考，重在引導學生圍繞重點、難點展開思考

15、，發(fā)現(xiàn)疑點，提高學習效率。 l 教師搜集選題意向表：按照學生的意向分組，最后宣布分組名單。 l 評價方式：成立課題評審團。由每個課題組的一名代表和指導老師組成評審團，一方面對學生開題報告進行評審，另一方面以投票方式對各組交流展示的成果進行評議。根據(jù)成果交流情況評出各獎項，進行表彰和鼓勵，點評并提出改進意見。 （二）實踐探究 l 各課題組制定研究方案，自主開展研究活動。學生可以到閱覽室、圖書館或通過上網(wǎng)查閱太陽能能源的相關(guān)資料，了解太陽能這一新型能源的開發(fā)和利用情況。也可以實驗探究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能效率的因素、上海地區(qū)太陽輻射的特點以及測試悶曬式太陽能集熱箱效率和性能。還可以利用太陽能

16、的相關(guān)知識，進行小制作，小改造和小發(fā)明。作品可以是制作模型，也可以繪制設(shè)計圖，講解設(shè)計思路和科學原理等。 l 以課題組為單位，歸納整理收集到的信息資料，將研究結(jié)果以word，Powerpoint、flash、網(wǎng)頁、作品等形式加以總結(jié)，便于小結(jié)交流。 （三）交流小結(jié) 1、學生分組交流各自課題的研究結(jié)果（以下課題供參考，詳見附錄） l 子課題1：太陽能利用的相關(guān)知識 包括：1）太陽能的含義 2）太陽輻射與太陽常數(shù) 3）太陽能的優(yōu)缺點 4）太陽能的利用途徑 5）太陽能利用所涉及的技術(shù)問題 6）太陽能利用的發(fā)展史等。 l 子課題2：太陽能的熱利用 1）太陽能熱利用在生活中的應用

17、 搜集并展示有關(guān)太陽能熱利用的產(chǎn)品或圖片，讓學生充分認識到太陽能熱利用就在生活中。例如：太陽灶，太陽能干燥器，太陽能溫室，太陽房等。 2）實驗探究 2 研究影響太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的效率因素（見課本P112頁），填寫《探究太陽能利用效率活動任務單》，完成探究任務。 2 研究上海地區(qū)太陽輻射的特點（見課本P114），設(shè)計并填寫《研究上海地區(qū)太陽輻射特性活動任務單》，完成探究任務。 3）小制作、小發(fā)明參考 2 簡易悶曬式太陽能集熱箱的制作參考：研究不同顏色的材料對太陽輻射吸收的狀況，思考如何合理利用太陽能（見課本P115）。用DIS溫度傳感器測試自制的悶曬式太陽能集熱箱的效率和性能，與其他

18、小組的作品比一比誰的集熱箱的性能更好。 2 簡易太陽灶的制作參考 2 簡易太陽能熱水器的制作參考：思考采取哪些措施可以提高熱水器的熱水溫度和出水量。 2 太陽能熱水瓶的制作參考。 4）調(diào)查研究 向家長或安裝太陽能系列產(chǎn)品的家庭或單位進行調(diào)查訪問活動，比較太陽能熱水器、電熱水器、燃氣熱水器在使用中的優(yōu)缺點。 l 子課題3：太陽能發(fā)電 1）太陽能發(fā)電在生活中的應用 搜集并展示有關(guān)太陽能發(fā)電的產(chǎn)品或圖片，讓學生充分認識到太陽能發(fā)電就在生活中。例如：太陽能計算器、太陽能燈系列（草坪燈、觀景燈、路燈、交通燈）、太陽能時鐘、太陽能汽車、太陽能自行車太陽能發(fā)電廠、太陽能空調(diào)器、太陽能電視機、

19、太陽能換氣扇、太陽能收音機、太陽能電話機、太陽能照像機等。 2）太陽能電池介紹 包括太陽能電池的種類，原理、太陽能電池的應用和發(fā)展，國內(nèi)、國外對太陽能電池的研究等，詳見附錄。 3）小制作、小發(fā)明參考 自己設(shè)計幾個用太陽能電池供電的電路，畫出電路原理圖，尋找材料并動手制作。如太陽能小車，太陽能涼帽、太陽能風車、太陽能石英鐘。也可以創(chuàng)作廣告，畫，歌曲、詩詞、小品（但一定要和主題相關(guān)）。 2 太陽能涼帽的制作參考。 2 太陽能石英鐘的制作參考。 2 太陽花的制作參考。 2 太陽能模型賽車的制作參考。 2 風能、光能兩用發(fā)電機組的制作參考。 4）調(diào)查研究 通過搜集資料，比較太陽能

20、發(fā)電，與水力發(fā)電、火力發(fā)電的優(yōu)缺點。 2、師生評價 由師生組成的評審團以投票方式對各組成果進行評議，根據(jù)成果交流情況評出各獎項，進行表彰和鼓勵，點評并提出改進意見。 3、理解太陽輻射與太陽常數(shù) 通過實例分析，引入物理模型、等效替代等物理思想，理解太陽輻射和“太陽常量”的概念。 例題：太陽內(nèi)部不停地進行著熱核反應（氘核和氚核結(jié)合成氦核），同時釋放出巨大的能量。地球平均每平方米所接受的太陽能的功率P0=1.353*103W/m2（即所謂的“太陽常量” ），若將這一功率視為在地球上垂直于太陽光線方向射到地球表面上的能量，已知太陽到地球的距離d=1.5*1011m,地球的半徑R＝6.4*

21、106m，求： 1）太陽在一年時間內(nèi)向外輻射能量約為多少？ 2）地球平均每年接受的太陽的能量是多少？ 解：1）建立太陽的輻射物理模型 太陽在一年內(nèi)向外輻射的能量E 2）理解“太陽常量”的概念: 將地球接受太陽能量的面積等效替代為一個半徑為地球半徑的截面的面積。 4、拓展延伸 介紹幾個主要的國內(nèi)外太陽能網(wǎng)站的地址，激發(fā)學生利用與開發(fā)太陽能的興趣，增強保護環(huán)境、節(jié)能的使命感。 附錄 附1：子課題資料參考 子課題1：太陽能利用的相關(guān)知識 一、太陽能的含義 太陽內(nèi)部進行著由氫聚變成氦的原子核反應，不停地釋放出巨大的能量，不斷地向宇宙空間輻射能量，這就是太

22、陽能。太陽內(nèi)部的這種核聚變反應可以維持很長時間，據(jù)估計約有幾十億至幾百億年，相對于人類的有限生存時間而言，太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的。 太陽能是最重要的基本能源，不僅包括直接投射到地球表面上的太陽輻射能，而且包括像所有礦物燃料能、水能、風能、海洋能、潮汐能等間接的太陽能資源，還應包括通過綠色植物的光合作用所固定下來的能量即生物質(zhì)能。 現(xiàn)在廣泛開采并使用的煤炭、石油、天然氣等等，也都是古老的太陽能資源的產(chǎn)物，即由千百萬年前動、植物本體所吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)換而成的。水能是由水位的高差所產(chǎn)生的，由于受到太陽輻射的結(jié)果，地球表面上（包括海洋）的水份被加熱而蒸發(fā)，形成雨云在高山地區(qū)降水后，即

23、形成水能的主要來源。風能是由于受到太陽輻射的強弱程度不同，在大氣中形成溫差和壓差，從而造成空氣的流動所產(chǎn)生的。海洋能主要包括波浪能和海水溫差能，后者可以利用一般海水表面的“高溫”（與大氣溫度基本相同）和海水表面以下數(shù)十米處的“低溫”（一般在7～10℃）之間的溫差，用低溫差發(fā)電機發(fā)電。潮汐能則是由于太陽和月亮對于地球上海水的萬有引力作用的結(jié)果。 總之，嚴格地說來，除了地熱能和原子核能以外，地球上的所有其他能源全部來自太陽能。這也稱為“廣義太陽能”，以便與僅指太陽輻射能的“狹義太陽能”相區(qū)別。　 二、太陽輻射與太陽常數(shù) 1）太陽輻射能和到達地球的太陽能 整個太陽每秒鐘釋放出來的能量是無比巨

24、大的，高達37.3×106兆焦，相當于每秒鐘燃燒1.28億噸標準煤所放出的能量。 太陽輻射到達地球陸地表面的能量，大約為17萬億千瓦，僅占到達地球大氣外層表面總輻射量的10%。即使這樣，它也相當目前全世界一年內(nèi)能源總消耗量的3.5萬倍。 2）太陽常數(shù) 太陽常數(shù)是指在太陽地球間平均距離外，在地球大氣層以上垂直于太陽光線的平面上，單位面積，單位時間內(nèi)的太陽輻射能的數(shù)值，該數(shù)值是個常數(shù)，一般取1367瓦/米2。 由于通過地球外大氣層吸收反射，太陽光到達地面的輻射強度大大降低。 三、太陽能的特點 1、太陽能資源的優(yōu)點：與常規(guī)能源相比較，太陽能資源的優(yōu)點很多，并且都是一般的常規(guī)能源所無法比擬的

25、。概括起來，可以歸納為以下四個方面： 1）數(shù)量巨大：每年到達地球表面的太陽輻射能約為130萬億噸標準煤或3600Q，即約為目前全世界所消費的各種能量總和的1×104倍。 2）時間長久：根據(jù)天文學的研究結(jié)果，可知太陽系已存在大約50億年左右。太陽能的根源是在太陽內(nèi)部的高溫（～2×107K）和高壓（～3×1016Pa）條件下進行的由四個氫原子核聚變成一個氦原子核的熱核反應。根據(jù)目前太陽輻射的總功率以及太陽上氫的總含量進行估算，尚可繼續(xù)維持1011年之久。對于人類存在的年代來說，確實可以認為是“取之不盡，用之不竭”的。 3）普照大地：太陽輻射能“送貨上門”，既不需要開采和挖掘，也不需要運輸。普

26、天之下，無論大陸或海洋，無論高山或島嶼，都“一視同仁”。既無“專利”可言，也不可能進行壟斷，開發(fā)和利用都極為方便。 4）清潔安全：太陽能素有“干凈能源”和“安全能源”之稱。它不僅毫無污染，遠比常規(guī)能源清潔；也毫無危險，遠比原子核能安全。 2 太陽能資源的缺點 太陽能資源雖然具有上述幾方面常規(guī)能源所無法比擬的優(yōu)點，但也存在著相當嚴重的缺點和問題，主要有以下三個方面： 1）分散性：到達地球表面的太陽輻射能的總量盡管很大，但是能流密度卻很低。平均說來，北回歸線附近夏季晴天中午的太陽輻照度最大，約為l.1～1.2kW·m-2，即投射到地球表面1m2面積上的太陽能功率僅為1kW左右；冬季大致只有

27、一半，而陰天則往往只有1／5左右。因此，想要得到一定的輻射功率，就只有兩種可行的辦法：或者使采光面積增大，或者使采光面的集光比增大（即提高聚焦程度）。但是前者將需占用較大的地面，而后者則會使成本大大提高。 2）間斷性和不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及晴陰云雨等隨機因素的影響，太陽輻射既是間斷的又是不穩(wěn)定的。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的獨立能源，就必須很好地解決貯能問題，即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯存起來以供夜間或陰雨天使用。但就目前而論，貯能恰好是太陽能利用中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。 3）效率低和成本高：就太陽能利用的

28、目前發(fā)展水平來說，有些方面雖然在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的，但是因為效率普遍較低，成本普遍較高，所以經(jīng)濟性較差，還不能（至少不容易）與常規(guī)能源相競爭。在今后相當長的一段時期內(nèi)，太陽能利用的進一步發(fā)展，或是大規(guī)模的推廣使用，主要受到經(jīng)濟性的制約。因此，當前的研究重點之一，就是盡可能地提高效率和降低成本，加強經(jīng)濟上的競爭力。　 四、太陽能的利用途徑 太陽輻射能的直接利用，基本上有四種方式。 1、光－熱轉(zhuǎn)換 光熱轉(zhuǎn)換的基本原理是將太陽輻射能收集起來，利用溫室效應來加熱物體而獲得熱能。這是目前技術(shù)最為成熟、成本最為低廉、因而應用最為廣泛的形式。例如地膜、大棚、溫室等。目前使用較多的太陽能

29、收集裝置有兩種：一種是平板型集熱器，例如太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器以及箱式太陽灶等；另一種是聚焦型集熱器，例如太陽能開水器、太陽能理療器以及反射式太陽灶、高溫太陽爐等。 2、光－電轉(zhuǎn)換 光電轉(zhuǎn)換即將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。目前，太陽能發(fā)電有兩種方式： 光一熱一電轉(zhuǎn)換方式：利用太陽輻射熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將吸收熱后產(chǎn)生的蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電，其中后一過程與火力發(fā)電一樣。太陽能熱發(fā)電的缺點是效率低而成本高，其成本至少比普通火電站高5~10倍。 光一電直接轉(zhuǎn)換方式：其基本原理是利用光生伏打效應，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。光一電轉(zhuǎn)換的主要裝置就是太陽能電池，它適用于電子儀表

30、、光電信號器件、無人中繼站、高山氣象站、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等，尤其可以分散在邊遠山區(qū)、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省一些造價很高的輸電線路。 3、光－化學轉(zhuǎn)換 利用太陽輻射能直接分解水制氫，是一種很有前途的光—化學轉(zhuǎn)換方式。另外，利用太陽能中的紫外線處理不能降解的“白色污染”－塑料包裝，大大降低了治理費用。 4、光—生物質(zhì)轉(zhuǎn)換 主要是通過地球上眾多植物的光合作用，將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能。其中大面積培植速生薪柴林，平均每年可以增高1m以上，不僅可以大大改善陸地綠化狀況，減少大氣污染，而且還可供給廣大農(nóng)村和偏遠地區(qū)的炊事和生活用能。特別是，利用秸稈的氣化燃燒，還可以用來進行小規(guī)模發(fā)電，滿

31、足家庭用電需要。此外，在海洋上大面積繁殖藻類，更可以解決全球日益增長的食品需要，尤其是補充蛋白質(zhì)的不足，都將對于保證人類社會能夠健康、平穩(wěn)地可持續(xù)發(fā)展作出巨大的貢獻。 五、太陽能利用所涉及的技術(shù)問題 根據(jù)太陽能的特點，必須解決以下四個基本技術(shù)問題，才能有效地加以利用。 1、 太陽能采集 2、太陽能轉(zhuǎn)換 3、太陽能貯存 4、太陽能輸運 太陽能開發(fā)利用是當今國際上一大熱點，經(jīng)過最近20多年的努力，太陽能技術(shù)有了長足進步，太陽能利用領(lǐng)域已由生活熱水，建筑采暖等擴展到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)許多部門，人們已經(jīng)強烈意識到，一個廣泛利用太陽能和可再生能源的新時代——太陽能時代即將來到。 六、太陽能利用的發(fā)展

32、 略 子課題2：太陽能的熱利用 小制作、小發(fā)明參考 簡易悶曬式太陽能集熱箱 1、 制作簡單的太陽能集熱箱，研究不同顏色的材料對太陽輻射吸收的狀況，思考如何合理利用太陽能。（見課本P115） 2、 用DIS的溫度傳感器測試自制的悶曬式太陽能集熱箱的效率和性能，與其他小組的作品比一比誰的集熱箱的性能更好。 3、 將自制的太陽能集熱箱改造成簡易太陽能熱水器，思考采取哪些措施可以提高熱水器的熱水溫度和出水量。 簡易太陽灶 取一只大號的湯碗，將香煙錫箔紙展開貼在湯碗內(nèi)，用金屬湯勺的勺背把錫箔紙的皺折壓平。在碗底正中,挖去一塊錫紙，將掛衣帽的塑料吸盤衣帽鉤的吸盤放在該處，壓出氣

33、體把碗底牢牢吸住，再用夾鉗把金屬鉤扳直。 實驗時，把這只貼滿錫箔紙的湯碗正對太陽，陽光反射后會聚一點，用小紙片沿碗的半球面的軸線方向移動，光斑最小處就是焦點。在扳直的衣鉤上戳一塊土豆，使其正在焦點上，不久就烤熟。若取一根火柴，把火柴頭放在焦點，不一會兒即見冒煙自燃。 若用大鐵鍋來取代碗效果更好。 簡易太陽能熱水器 結(jié)構(gòu)如圖所示。小容器B套在大容器A里，它們之間隔有空氣，有條件時，最好將其中的空氣抽掉或墊上石棉等保溫材料，效果更好?！?”是墊在水底的黑絨布，“4”是在玻璃內(nèi)表面貼上的一層金箔紙（可取自香煙盒）。 太陽光透過玻璃“1”、“2”，射到水中及黑絨布“3”上，黑絨布吸熱使底

34、部的水溫升高，周圍金箔紙反射光和熱，隨著時間延長，通過對流作用，B內(nèi)的整箱水都變?yōu)闊崴? 　 圖中B內(nèi)的水比玻璃蓋“2”略高，是為了防止“2”上生水珠，影響光線進入，蓋上玻璃蓋“1”是為了防止外界空氣流動帶走熱量，B下以支架支撐，是為了防止熱量通過容器A傳導出去。進水口處使用活動浮塞，既能使水自動流入B內(nèi)，又能將管口封住，防止熱量的損失。 太陽能熱水瓶的制作 這個實驗器初看像個開了膛的保溫瓶，但仔細看，它跟保溫瓶的結(jié)構(gòu)大不相同，功能也完全不同，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。 器具外殼的內(nèi)壁上覆有反射涂層，其心臟部分是一個真空集熱管。真空集熱管有點像保溫瓶膽，從外面看是透明的，太陽光可以

35、射入，但內(nèi)層玻璃的外表面涂有特殊的能量吸收層，照射在上面的太陽能基本上都被吸收，而且集熱管像保溫瓶膽一樣被抽成真空，所以能有效吸收太陽能。 在該器具的集熱管內(nèi)可以燒水和煮熟各種食物等。 子課題 太陽能發(fā)電 小制作、小發(fā)明參考 自己設(shè)計幾個用太陽能電池供電的電路、尋找材料并動手制作，如太陽能小車，太陽能涼帽、太陽能風車、太陽能石英鐘并介紹電路原理圖、實物、制作與使用過程中的體會?；蛴H手創(chuàng)作廣告，畫，歌曲、詩詞、小品（但一定要和主題相關(guān)）。 太陽能涼帽的制作 器材：太陽能電池一組、多用電表一只、導線若干；太陽能涼帽套件(包括涼帽、太陽能電池、電動機、風扇葉片、導線、螺釘?shù)?；電烙鐵

36、(包括松香和焊錫)、鑷子、螺釘旋具、射燈(或電燈)若干等。 操作： ①仔細觀看實物，看看太陽能電池組由幾塊太陽能電池板組合而成，它的正負極在哪里?思考為什么將太陽能電池板和風扇放置在這些位置? ②參照實物畫出太陽能涼帽的電路圖。 ③動手制作并思考太陽能涼帽在制作和使用過程中存在的缺點，考慮應怎樣改進。 太陽能石英鐘的制作 器材：太陽能電池一組、石英鐘一只、導線若干；電烙鐵(包括松香和焊錫)等。 ①參照實物畫出太陽能石英鐘的電路圖。 ②動手制作并思考太陽能石英鐘在制作和使用過程中存在的缺點，考慮應怎樣改進。 太陽花的制作 把太陽能電池與電子鐘的機芯和玫瑰花、仿真蝴蝶等

37、巧妙地結(jié)合起來，將此裝置放在窗臺上，只要有很弱的陽光照射，就能驅(qū)動機芯旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)周期約為1min，蝴蝶就會在花的周圍翩翩起舞，栩栩如生，賞心悅目。 太陽能模型賽車 將太陽能電池、電動機、車輪、傳動機構(gòu)組裝成一輛模型賽車，在陽光充足的室外場地進行的直線行走、走曲線撞物的賽車比賽，也可在室內(nèi)仿日光條件下進行比賽。 比賽規(guī)則：車的結(jié)構(gòu)大小不限，但不能使用普通電池和蓄電池，只靠一片太陽能電池利用太陽光產(chǎn)生的電流獲得動力。 思考：你制作的太陽能模型賽車在比賽時表現(xiàn)如何?怎樣改進? 風能、光能兩用發(fā)電機組的制作 如圖所示，將太陽能電池和風力發(fā)電機巧妙地結(jié)合在一起，有陽光，沒有風

38、時它能發(fā)電；有風，沒有陽光時它也能發(fā)電。當然兩者都具備時更能發(fā)電。還可以通過變換，利用太陽能帶動葉輪轉(zhuǎn)動，成為一臺太陽能電扇，這時“發(fā)電機”成了電動機。 附2：太陽能電池的介紹 (1)太陽能電池的原理。 太陽能電池是由半導體材料制成的，它利用材料內(nèi)部的光生伏打效應產(chǎn)生電勢差，構(gòu)成電源。 半導體材料硅是+4價元素，有4個價電子。當摻入少量雜質(zhì)元素磷后，若干個硅原子中會有一個被+5價的磷原子所替代(圖1)，這時它就多余一個價電子，成為自由電子，這種有多余自由電子的半導體叫做N型半導體。 半導體硅中摻有+3價雜質(zhì)元素硼之后，同樣會出現(xiàn)一個硅原子被硼原子替代的情況(圖2)。由

39、于硼是三價的，這時它就缺少一個價電子，即多余一個空穴，這種半導體導電時呈空穴遷移的形式，即一個別處的電子進入一個空穴時，相當于一個帶正電的空穴遷移到別處，這種半導體叫做P型半導體。 圖1 N型半導體 圖2 P型半導體 當一塊硅片一面制成N型半導體，另一面制成P型半導體時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層(圖3)，界面的P型一側(cè)帶負電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層，這個薄層

40、叫做空間電荷區(qū)。 太陽能電池就跟半導體的這種結(jié)構(gòu)有關(guān)。 如圖4所示，當能量大于某一值的入射光子進入P-N結(jié)時，材料吸收光子后產(chǎn)生一組一組的電子—空穴對，自由電子被內(nèi)電場加速后進入N區(qū)；同理，N區(qū)的空穴也被內(nèi)電場加速后進入P區(qū)，于是所產(chǎn)生的電子和空穴被分離到兩邊形成電荷累積。P型一側(cè)帶正電，N型一側(cè)帶負電，從而形成電勢差。對外相當于一個電源，一旦外電路接上負載電阻，就能形成電流。 圖3 圖4 (2)太陽能電池的種類。 目前，太陽能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，可達20％以上，但價格也最昂貴；非晶態(tài)硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最低，但價格最便宜。 容易折疊的柔性太陽能電池 (3)太陽能電池的發(fā)展。 目前，效率最高的太陽能電池，能將36％的入射太陽能轉(zhuǎn)變成電能。與此相比，現(xiàn)有的大多數(shù)太陽能電池的效率只有10％－15％。 科學家還采用有機材料和無機材料的混合物來制作太陽能電池，研制成功了利用無機納米棒制作的太陽能電池，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換率。它可用在“智能衣服”上，使人們在散步或曬日光浴時就能對隨身聽、單放機、掌上電器甚至手機等進行充電。