第十四章　机械能

全章概述和课时要求

1．能用实例说明物体的动能和势能以及它们的转化。能用实例说明机械能和其他形式的能的转化。

2．通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以互相转化。

3．结合实例认识功的概念，知道做功的过程就是能量转化或转移的过程。

4.知道机械功的概念和功率的概念。能用生活、生产中的实例解释机械功的含义。

5．理解机械效率。

6.了解机械使用的历史发展过程。认识机械的使用对社会发展的作用。

全意概述

从本章到第十六章，教材讲述能的初步知识。本章讲述的机械能是最常见的一种形式的能，是学习各种不同形式能的起点。本章的主要内容有：动能、势能及其相互转化，机械功和机械效率。

通过这一章的学习，应使学生进一步了解能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以互相转化，知道做功的过程就是能量转化或转移的过程。

本章内容安排与现行九年义务教育物理教材的编写思路有较大的变化。与电能一样，本章教材围绕“机械能”的概念展开，重视学生生活经验的作用，而把“功”的概念放在相对次要的位置。因此，在备课和教学时要认真分析其特点，注意培养学生的概括归纳能力和分析解决实际问题的能力。

课时建议

本章共分四节，建议7课时。

第一节　　动能和势能　　2课时

第二节　　机械能及其转化　　1课时

第三节　　功和功率　　2课时

第四节　　机械效率　　1课时

复习和总结　　1课时

 

一、动能和势能

目　标

1．知识与技能

理解动能、势能的概念。

2．过程与方法

通过探究，了解动能、重力势能的大小各与什么因素有关并能解释简单的现象。

说明与建议

初中只要求学生对能量的概念有初步的认识，教材首先在学生学过的电能知识的基础上，直接引入了动能的概念，不追求严密性。建议用飞鸟撞坏飞机这样的故事引入动能。有条件的学校，可安排几个简单的演示实验，比如风车实验，水流冲动水轮机模型，玩具手枪射出的子弹推动泡沫塑料块的实验等。这些实验说明流动的空气、水流、运动的子弹都具有能量。然后引导学生思考：在这些实验中，空气、水、子弹为什么具有能量？它们有没有共同点？引导学生概括出结论：因为它们都在运动。然后给出动能的初步定义。

探究　动能大小与什么因素有关

与欧姆定律类似，这个探究涉及到动能的变化受两个因素（质量、速度）的影响，完全让学生自己去做可能有些困难，老师要注意引导，渗透研究方法方面的教育，但不要包办。比如提醒学生注意，当一个物理量（如动能）的变化受两个以上的因素影响时，科学的研究方法是先保持其中一个因素不变（如质量不变），单独研究另一个因素对它的影响；然后，再保持第二个因素不变（如速度不变），单独研究第一个因素对它的影响，最后将各个结论综合起来，即可得出一般性结论。

“……越大……越大”这种说法，是一种粗略的定性比较，不是成正比的变化。对于基础较好的学校，可引导学生注意到钢球在推动木块做功的过程中，它自己的动能有什么变化，使学生对能量转移有初步的印象，这对学生下一步的学习是很有好处的。

想想议议

可引导学生从能量的角度展开讨论，能说出其他道理更应该鼓励。物体的速度越大，动能也就越大，越不容易刹车，所以要对车辆的速度加以限制，以免发生交通事故。质量越大，动能也越大，所以大型客车的限制速度比小型客车更小。

势能

势能的概念可用滑梯、打夯的实例引入，说明物体被举高就具有重力势能。重力势能的例子很多，老师可让学生多举出一些物体具有重力势能例子，比如住在高楼的居民往窗户外面扔东西，这是非常危险的，因为高处的物体具有重力势能，等等。

弹性势能也是通过弓箭、网球拍等实例引入。也可做图14-1的演示，把绳烧断，让压缩的弹簧放松，弹簧能把上面的砝码举起，说明压缩的弹簧具有能量，这就是弹性势能。

探究

通过动能的探究，学生应该知道两个变量的控制方法。这里可放手让学生自己去探究，判断重力势能大小的方法也让学生自己去解决。这个探究的重点放在“猜想与假设”和设计实验上。老师可在最后给出结论：物体的质量越大，举得越高，它具有的重力势能就越大。

动手动脑学物理

1．馒头下落时，与火车具有相同的速度，具有一定动能，所以馒头能把人砸伤。

2．从小资料可以看出：行走的牛等，尽管质量很大，但速度较慢，动能并不大；飞行的子弹等，尽管质量不大，但速度很大，动能也很大。看起来速度对动能的影响比质量对动能的影响要大。

3．不能。因为势能的大小不仅与高度有关，还与质量有关，这里没有给出质量，所以不能这样简单地得出结论。

4．人把夯举高使夯具有重力势能，下落时夯的速度越来越大，势能转化为动能，落地时动能又转化成内能等其他形式的能。

5．略。

 

二、机械能及其转化

目　标

1．知识与技能

理解动能和势能的相互转化。

能解释一些有关动能、重力势能、弹性势能之间相互转化的简单物理现象。

2．过程与方法

通过观察和实验认识动能和势能的转化过程。

说明与建议

引入新课前，建议先复习一下动能、势能的大小与哪些因素有关，怎样判断一个物体动能、势能的变化。比如，让学生思考，汽车由静止起动逐渐加速的过程中，动能如何变化？汽车行驶中司机关油门踩刹车，逐渐减速停止的过程中，汽车的动能又如何变化？还可以向上抛一个小球，请学生观察小球在上升和下落过程中高度、速度变化的情况，讨论其动能、势能的变化情况。

想想做做

如果实验室滚摆数量不够，可让学生自制。做实验前，应让学生明确要观察的物理现象，着重点放在能量的转化过程。做实验时，要让学生观察清楚：滚摆下降时，位置越来越低，速度越来越大；滚摆上升时，位置越来越高，速度越来越小。再引导学生认识势能向动能转化，动能向势能转化的过程。由于有阻力，滚摆上升的最大高度将逐渐减小。对此，教学时不要明确指出，以免影响学生对动能和势能相互转化的理解。

课本图14．2－2表示的是动能和势能的转化过程，可让学生自己去分析，有条件的话还可动手做一做。同时还可让学生列举出一些日常生活中常见的能量转换过程（如机械钟表、单摆的等），广泛联系实际，加深学生对动能、势能相互转化的印象。

机械能

课本中对机械能的定义不是很严格，这样定义是为方便学生对机械能守恒的理解。

一个物体既可以有动能，也可以有势能。如果只有动能和势能的相互转化，机械能是守恒的。

想想做做

这个实验很简单，可让每个学生都试一试，并回答课本中提出的问题。

科学世界　人造地球卫星

可让学生朗读这段课文，并在课堂上讨论课本提出的问题。卫星运行时动能和势能的转化，学生较难理解，可放在本课最后讨论。教学时主要是介绍其能量转化，而不要对为什么是椭圆轨道进行深究。分析时，向学生说明远地点离地面高些，近地点离地面低些，以帮助学生理解远地点势能大，近地点势能小。教学中可结合我国航天事业的发展，对学生进行爱国主义教育。还可对学生指出，很多高科技成果都和人造卫星一样，包含着丰富的基础物理知识，以激发学生的求知欲。

动手动脑学物理

1．撑杆跳高运动员起跳时，先把人的动能转化为杆的弹性势能，随后杆的弹性势能转化为人的重力势能，使人升高。

2．略。

3．用力向下抛出乒乓球，使球抛出时具有一定的动能，根据机械能守恒，球弹跳到最高点时的势能等于球抛出时的动能与势能之和，这样就能使球弹跳到高于抛出时的位置。

4．可用滚摆和汽车刹车等例子加以说明。

5．这个小制作很有趣，可让学生课后都做一做，并解释观察到的现象。

 

三、功和功率

目　标

1．知识与技能

知道做功是能量转化或转移的过程。

理解功的概念，知道使用任何机械都不能省功。

理解功率的概念。

2．过程与方法

通过观察和实验了解功的物理意义。

3．情感、态度与价值观

具有对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理，有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。

说明与建议

功

学生已经学过了电功、机械能，知道了一些能量的知识，“功”的讲解应从能量转化的角度入手。课本图14．3－1中的三幅图表示在力的作用下，物体的动能或势能发生了变化，说明力对物体做了功。课本图14．3－2中，物体虽然受力，但是它的动能或势能都没有变化，就不能说力作了功。让学生理解做功是能量转化的过程。

在第十二章“力和机械”的学习中，学生知道了使用简单机械可以省力或者可以省距离，可先复习一下有关简单机械的知识。

用手直接把物体举高与使用简单机械把物体举高相同的距离，物体的势能的增加是一样的，而物体势能的增加是通过力来完成的。通过对定滑轮做功的演示、分析，得出力跟物体在力的方向上通过的距离的乘积是一个不变量，给出功的定义。这里还可进一步用杠杆做演示，表明使用机械时，人们所做的功，都等于不用机械而直接用手所做的功。

教师也可尝试用探究的方式来教学，向学生说明，使用任何机械都不能省功。

由于做功的多少表示能量转换的多少，所以功的单位与能的单位是一样的，都是焦耳。把一个普通大小的苹果举高1m，做的功大约是1J，让学生对焦耳的大小有大致的概念。

想想议议

这个讨论主要是要使学生认识功是由“力”和“在力的方向上移动的距离”两个因素决定的。如果力没有“在力的方向上”移动距离，力就没有做功。在课本图14．3－2动中，人提着桶虽然很费力，但是人的拉力没有在拉力方向（竖直方向）上移动距离，所以人的拉力没有做功。

功率

这里可先复习一下电功率的概念，学生已经学过了“电功率”，知道电功率表示消耗电能的快慢，也就是电流做功（电能转换成其他能量）的快慢。课本用与速度类比的方法引入功率及其计算公式，使学生理解功率的物理意义，懂得它是一个表示做功快慢的物理量。

这里要强调刚才学的“功”和“功率”，与以前学过的“电功”和“电功率”的含义、单位、符号都是一样的。

课本上介绍了一些功率值，意在加深学生对功率的物理意义的理解，使学生对人和一些事物的功率数值有个具体的概念，懂得功率大或小的意思是什么。

想想议议

这个讨论意在让学生了解比值的方法是物理学中一种常用的方法，在其他方面也有许多应用。在物理学中，振动次数与时间之比表示振动的快慢、熔化温度与时间之比表示熔化快慢等；在生活中，从媒体中经常可以听到的经济增长率、人口增长率都表示物理量变化的快慢。

课本列举了一个计算功率的例题，意在练习功和功率公式的应用，使学生加深认识功──力和在力的方向上移动的距离的乘积，功率──单位时间内所做的功。

动手动脑学物理

1．25kW×4h＝0．4kW×t，t＝250h。

2．不能。甲先到达山顶表明甲用的时间较短，但是甲和乙哪个做的功多并不知道，而功率是由功和时间两个因素决定的，所以不能判定哪个人的功率大。

3．3．6kw。

4．略。

5．从表中可以看出，洗衣机的额定洗涤输入功率是350W，额定脱水输入功率是220W。实际洗涤输出功率、脱水输出功率是多少等。

　

 

四、机械效率

目 标 

1．知识与技能 

了解什么是有用功、额外功和总功。 

理解什么是机械效率。 

2．过程与方法 

通过参与探究斜面机械效率的活动，学习拟订简单的科学探究计划和实验方案。 

说明与建议 

有用功和总功 

首先让学生看课本图14.4-1，弄明白三幅画的意思，然后讨论用图中三种不同方法，把100N重的沙子运上三楼，哪种办法最好。学生可能对第二、三两种方法的区别不太理解，可引导学生注意桶的重量与口袋重量的不同。然后引导学生分析每种情况需要做的功，引出有用功、额外功、总功的概念。 

想想议议 

这里意在使学生加深了解有用功、额外功的概念。实际使用机械时，人们总是希望额外功少些。杠杆、起重机、电梯等所有机械都有一些是有用功，一些是额外功。通过讨论，让学生明白什么是有用功，什么是额外功。 

机械效率 

为了使学生明白为什么要引入机械效率这一概念，懂得机械效率的意义，在讲述有用功和额外功之后，应强调指出，使用机械做功，为了工作需要以及不可避免地存在摩擦等原因，额外功是不可避免的。例如用水桶从井里提水，目的是把水提上来，所以提水的功是有用功，提桶的功是额外功，而为了把水提上来，水桶是不可缺少的。额外功是我们不需要的，它白白浪费能量，因此应尽量减小它。使用不同的机械来提起物体，我们希望做的额外功越少越好，或者说，有用功与总功越接近越好。不同机器这方面的差别，通常用有用功在总功中占的百分比来表示，叫做机械效率，给出机械效率的公式。一台机器所做的有用功与总功越接近，这台机器的机械效率就越高。 

课本列举了一个计算机械效率的例题，意在练习机械效率公式的应用，使学生加深认识有用功和总功的概念。 

最后指出，提高机械效率有重要的经济意义，可以减少能耗，降低生产成本，应对这个问题重视。还可以让学生议议：除了用机械做功有个效率问题外，干别的事情有没有效率问题，在更广阔的背景下对效率问题有个初步观念。 

探究 斜面的机械效率 

这个探究的目的是让学生学习测量斜面的机械效率，通过探究加深对机械效率的理解，摩擦是影响机械效率的重要因素之一，同时让学生进一步认识利用斜面也可以省力。 

教师在引导学生提出问题后，要让学生独立完成探究过程。同时还可用粗糙程度不同的斜面，进一步探究摩擦对机械效率的影响。 

动手动脑学物理 

1．有用功是14400J，总功是24000J，机械效率是60％，起重机提升装货物用的容器所做的功、各部件之间的摩擦做功等都是额外功。 

2．略。 

3．提高机械效率的主要办法是：改进机械的结构，例如提水时用容积较大而重量较轻的水桶等；按规程进行保养、合理使用以减小摩擦。 

 

参考资料

瓦特 

瓦特（1736一1819）是苏格兰发明家。1736年l月19日生于苏格兰格林诺克。童年时代的瓦特曾在文法学校念过书，然而没有受过系统教育。瓦特在他父亲做工的工厂里学到许多机械制造知识，以后他到伦敦的一家钟表店当学徒。 

我们可能听到过童年时代的瓦特和茶壶的故事。一天晚上，瓦特和一个小女孩在家里喝茶，瓦特不停地摆弄茶壶盖，一会打开，一会盖上，当它把茶壶嘴堵住时，蒸汽顶开了壶盖。在旁的外祖母对瓦特的这种“无聊动作”极为不满，加以训斥，瓦特并不介意，他一心想着蒸汽的力量。 

这段故事即使是真的也不能说蒸汽机是瓦特发明的。历史事实说明瓦特只是对蒸汽机作了重大的改革。 

1763年瓦特到格拉斯哥大学工作，修理教学仪器。在大学里，他经常和教授讨论理论和技术问题。有一次，一台纽可门蒸汽机损坏，要瓦特修复。纽可门蒸汽机是靠蒸汽进入汽缸推动活塞上升的，然后再喷射冷水，汽缸的温度降低，供蒸汽凝结，汽缸内部形成部分真空，大气压将活塞推回。瓦特在修理这种蒸汽机时，清楚了全部工作原理，找到了它消耗大量燃料的症结。 

1765年他动手设计一个与汽缸分离的冷凝器，汽缸外装上绝热套子，使它一直保持高温，新的蒸汽机的效率大大提高。瓦特并不满足于已经取得的成就，1781年他又制造了从汽缸两边推动活塞的双动作蒸汽机，并采用曲柄机构，使往复的直线运动转变为旋转运动。瓦特还设计了离心节速器，利用反馈原理控制蒸汽机的转速。经过一系列的改革，蒸汽机迅速被各工业部门采用，为产业革命铺平了道路。 

由于瓦特对蒸汽机的改进所作的重大贡献，1785年他被选为皇家学会会员。 

1819年8月25日瓦特在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。 

? 

葛洲坝水电站简介 

葛洲坝水电站是目前我国最大的水电站，共装机21台，总容量为271．5万千瓦，年发电量138亿千瓦时，相当于解放初期全国发电总量的三倍多。 

葛洲坝水电站里装有我国目前最大的水轮发电机，这种发电机单台容量是17万千瓦，总高29m，最大外径20m，总质量为4千多吨。它的水轮机是一种轴流式水轮机，叶轮的最大外径是11．3/m，质量为468t。 

长江流出三峡，江面突然由二三百米展宽到两千多米，出南津关（湖北宜昌附近）三千米的地方，被葛洲坝和西坝两个小岛将江面一分为三，分别叫做大江、二江、三江。被称作“万里长江第一坝”的葛洲坝水利枢纽工程就建在这里，大坝全长256lm，高70m。为了保证长江航运，在大江和三江上共建了三座船闸，大江一号船闸和三江二号船闸，闸室长280m，宽34m，可通过万吨级轮船和大型船队，三江三号船闸，闸室长120m，宽18m，主要用于通过300t以下的客货轮。 

? 

游乐场上的翻滚过山车 

游乐场上的翻滚过山车是一种惊险有趣的游戏。过山车在凌空架起的环形轨道上滑行（如图14－2所示），所以也叫单环滑车。轨道最高处距地面32m，最低处几乎贴地。圆环直径15m。整个滑车由6节小滑车组成，每节小滑车可乘坐4人，每个坐位上配有安全带。从滑车起动到停止仅lmin，就在这短暂的lmin内使人体验到宇宙飞行的乐趣。 

这项游戏是根据力学中的机械能守恒以及圆周运动的知识设计的。人们坐上滑车后，由操纵台控制，首先沿缓坡轨道牵引到32m高处，随后牵引钩和滑车自动脱离，这时滑车就沿轨道从32m高处滑下。当滑车到达圆环顶部时，人会头朝下，看上去相当危险，担心车会不会掉下来呀？下面我们用圆周运动和机械能守恒的知识来分析这种游戏的物理原理。 

首先我们分析一下当滑车运动到环底和环顶时车中的人的受力情况（如图14-3所示）。图中mg为人所受的重力；N下和N上分别为滑车在底部和顶部时对人的支持力（为使问题简化，可不考虑摩擦及空气阻力）。我们知道，滑车沿圆环滑动，人也在做圆周运动。这时人做圆周运动所需的向心力由mg和N提供。用V下表示人在圆环底部的速度，V上表示人在圆环顶部的速度，R表示环的半径，则 

在底部
 

在顶部
 

因为不考虑摩擦及空气阻力的作用，所以滑车在轨道上各点的机械能守恒。用h表示从高处到环底的高度，根据机械能守恒定律，对底部和顶部而言存在下列关系： 

把h＝32m，R＝7．5m代人（3）、（4）式得：v下＝25．3m／s；v上＝182m／s（实际上由于摩擦及空气阻力的影响，底部和顶部的车速要略小于理论上的计算值）。 

由（1）式可知： 

就是说，在环的底部时，滑车对人的支持力比人的体重增大了
，这时人对滑车坐位的压力自然也比体重大
，好像人的体重增加了
。由于底部的速度较大，所以人的体重要增加好多倍。使人紧压在椅子上不能动弹。 

由（2）式可知，在环的顶部，当重力mg等于向心力
时，就可以使人沿圆环作圆周运动，不掉下来。由
并可得S。这就是说，滑车要安全通过顶点，有8．7m／s的速度就足够了。而从前面的计算知道，滑车通过顶点时的速度是v上＝18．2m／s，比8．7m／s大得多，所以滑车和人一定能安全地通过顶点。绝对安全，不必担心。 

 

第十五章　热和能

全章概述和课时要求

1、通过观察和实验，初步了解分子动理论的基本观点，并能用其解释某些热现象。 

2、了解内能的概念。能简单描述温度和内能的关系。 

3、从能量转化的角度认识燃料的热值。 

4、了解内能的利用在人类社会发展史上的重要意义。 

5、了解热量的概念。 

6、通过实验，了解比热容的的概念，尝试用比热容解释简单的自然现象。 

7、通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以相互转化。知道做功的过程就是能量转移的过程。 

8、知道能量守恒定律。能举出日常生活中能量守恒的实例。有用能量转化与守恒的观点分析物理现象的意识。 

9、通过能量的转化和转移，认识效率。 

全章概述 

本章在学习了机械能的基础上，把对能量的研究拓展到内能。先介绍分子运动论，开始用物质微观结构的知识来解释宏观现象，为从分子结构观点理解物体内能的本质打下基础。接着讲述内能的概念和内能的改变。然后从内能的改变引入热量、比热容的概念。并在此基础上讲内能的利用，介绍内燃机的基本工作原理。最后给出能量守恒定律，使全章知识组成一个有机的整体。 

第一节“分子热运动”。首先介绍了有关物质是由分子组成的知识，并对分子的大小进行讨论，使学生对分子的体积小、数量大留下深刻印象。然后，通过演示扩散现象，使学生从宏观现象出发，通过推理来感知一切物质的分子都在不停地做无规则运动。通过冷水和热水中一滴墨水扩散快慢的比较，让学生讨论出温度越高，热运动越剧烈。最后通过演示实验和类比的方法，让学生了解分子之间存在相互作用力。 

第二节“内能”。本节在分子运动论知识的基础上，具体说明内能是物体内部的能量。教材首先通过生活中内能做功的事例引出内能的概念。通过两幅漫画使学生联想分子由于热运动具有动能，由于相互作用具有势能。教材从炽热的铁水和冰冷的冰块都有内能，说明了内能的普遍性。由于教材把宏观量（温度）和微观机理（分子无规则运动的激烈程度）联系起来了，使学生对内能有一个初步的认识。通过探究活动及演示实验让学生归纳出热传递和做功都可以改变物体的内能，并提出热量的概念。 

第三节“比热容”。教材先从日常生活常识出发，讨论出物体在温度升高时吸收的热量与它的质量及温度升高的度数的关系。然后通过探究活动，引导学生设计实验，观察、对比、分析，为引出比热容的概念做铺垫。为加深学生对比热容是物质的一种特性的理解和对常见物质的比热容大小有一个具体的印象，教材列出了常见物质的比热容表。通过学生讨论用水来加热和散热来理解人们对水的比热容大这种特性的应用。教材通过“想想议议”用算术法计算出物体温度升高时，吸收的热量。进而引导学生归纳出物体受热时吸收热量的公式。并用同样的道理，让学生得出了物体散热时放出热量的公式。 

第四节“热机”。教材通过演示实验展示通过做功把内能转化为机械能的过程，从而表现出热机中能量转化的基本过程。教材通过介绍了四冲程汽油机的基本工作过程，展示热机是如何持续做功的。通过学生讨论引出热值的概念，并分析了热机效率不高的原因。最后通过STS介绍了热机的发展及其对人类社会发展的作用。 

第五节“能量守恒定律”，是对本章及以前所学物理知识从能量观点进行的一次综合。教材首先通过学生自己动手做小实验，反映各种不同现象的联系，向学生初步揭示出能量概念的物理实质。接着通过学生讨论，分析了能量不能凭空消失，只能相互转化，并给出能量守恒定律，阐述了定律的普遍性和重要性。 

课时建议 

本章共分五节，建议8课时。 

第一节 分子热运动 1课时 

第二节 内能 2课时 

第三节 比热容 2课时 

第四节 热机 2课时 

第五节 能量的转化和守恒 1课时 

 

一、分子热运动

目 标 

1.知识与技能 

知道物质是由分子组成的，一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。 

能识别扩散现象，并能用分子热运动的观点进行解释。 

知道分子热运动的快慢与温度的关系。 

知道分子之间存在相互作用力。 

2.过程与方法 

通过演示实验说明一切物质的分子都在不停地做无规则的运动。 

通过演示实验使学生推测出物体温度越高，热运动越剧烈。 

通过演示实验以及与弹簧的弹力类比使学生了解分子之间既存在斥力又存在引力。 

3.情感、态度与价值观 

用演示实验激发学生的学习兴趣，并使学生通过直接感知的现象，推测无法直接感知的事实。 

说明与建议 

扩散现象 

本章开始先让学生复习物质是由分子组成的知识。在讲分子运动之前，教师可以提问“能否直接用肉眼看到分子运动？”，然后再让学生想想为什么打开一瓶香水，很快就会闻到香味，是什么跑到鼻子里了。学生可能会认为是“气味”，教师可以解释那是一些带有香味的分子，从香水瓶中挥发出来，进入空气中，向各个方向散布开来，当它们到达你的鼻子里时，你就会闻到香味。 

演示 

做二氧化氮气体扩散实验时，气体扩散演示中所用的二氧化氮，可用化学方法临时制取，收集在广口瓶中。二氧化氮是红棕色、有强烈刺激性气味的气体。演示前，要注意用玻璃片把瓶口盖好；演示时两个广口瓶的口径必须相同，以避免二氧化氮泄漏到教室中。要注意把装有二氧化氮气体的瓶子放在空瓶子下面，由于二氧化氮气体密度大，这样可以排开重力的干扰。 

硫酸铜溶液与清水之间的扩散实验进行的的很慢，教师可以在课堂上出示提前二天、四天、六天做的实验样本，这些实验可以向学生表明，静放的时间越长，硫酸铜溶液与清水之间的界面越模糊不清。也可以为缩短演示时间，先按课本上介绍的方法，在一只大试管中配制好硫酸铜溶液和水的分层液体。演示时，将试管浸入开水中，使试管内的整个液柱都在开水的水面以下（如果液柱只有一部分在开水中，则液柱下部的硫酸铜溶液会因对流进入上部水中，不能说明扩散现象）。用这种方法来演示，既能说明扩散现象又能表现扩散随温度升高而加快的现象。 

演示 

当学生了解了什么是扩散现象后，教师可以向学生提出“对同样的一个扩散实验，能否改变一个因素，从而改变扩散进行的快慢呢？”。在比较两杯墨水的扩散实验时，要使两杯水的温差大些，这样效果更明显。要让学生明确观察的是两杯水呈现均匀蓝色的过程，哪杯水先变得均匀，说明哪杯水扩散得快。这个实验很容易做，可以让学生自己动手做一做。 

想想议议 

以上的演示实验背后隐藏着哪些物理规律呢？在做实验的过程中，教师就要启发学生去思考。 

这些扩散实验说明分子是在不停地运动着的。 

比较冷水和热水中的墨水扩散实验显示扩散的快慢跟温度有关。在此实验中扩散进行得快，说明分子运动得快，所以说分子运动快慢跟温度有关。 

3．在实验中热水温度高扩散进行得快，说明温度高分子运动得快；冷水温度低扩散进行得慢，说明温度低分子运动得慢。 

教材上图15.1-4形象地展示了两种物质是如何扩散的。蓝色小球代表一种分子，粉色小球代表另外一种分子。分子都在不停地做无规则的热运动。温度越高，分子运动得越快，扩散进行得也越快。 

分子间的作用力 

教师可以拿一个铅块问学生，我们知道它是由铅分子组成的，组成它的分子是在不停地运动着，那么为什么铅块没有飞散开？是什么原因使他们聚合在一起呢？教师应鼓励学生大胆猜测。 

演示 

分子之间有引力的实验效果决定于铅柱端面的平滑和清洁程度。如果端面沾染了杂质或油污，或由于长久放置而氧化，演示前可用细的挫刀挫平，或用布擦拭，以保证实验顺利进行。演示时可先使铅柱的刮纹一致，然后从边缘开始接触并使两铅柱相向平移而且紧压，如图15－1所示。这样易于排除两端面间的空气，使铅柱间铅分子更加贴近，以增强实验效果。 

用两个铅块做的分子引力实验，有的学生会认为是由于大气压的作用。这可以通过计算，得出下边挂的铅块重远大于大气压力，从而说明存在分子引力。教师应说明平时我们很少看到两块物体很容易粘到一起，是因为分子间的引力作用距离很小，在分子间离得很近时才能明显地显示出来。 

动手动脑学物理 

1、略 

2、热水更甜。因为热水温度高，糖溶化扩散得快。 

这个小实验可以鼓励学生课后动手做一下。可以用万能胶或504胶把细线与玻璃片的四角粘上。 

3、弹簧测力计的读数变大。这是因为玻璃板与水的接触面之间存在分子引力的作用，使测力计向下的拉力增大。 

4、略 

 

二、内能

目 标 

1.知识与技能 

了解内能的概念，能简单描述温度和内能的关系。 

知道热传递过程中，物体吸收（放出）热量，温度升高（降低），内能改变。 

了解热量的概念，热量的单位是焦耳。 

知道做功可以使物体内能增加和减少的一些事例。 

2.过程与方法 

通过探究找到改变物体内能的多种方法。 

通过演示实验说明做功可以使物体内能增加和减少。 

通过学生查找资料，了解地球的“温室效应”。 

3.情感、态度与价值观 

通过探究，使学生体验探究的过程，激发学生主动学习的兴趣。 

通过演示实验培养学生的观察能力，并使学生通过实验理解做功与内能变化的关系。 

鼓励学生自己查找资料，培养学生自学的能力。 

说明与建议 

想想议议 

内能是一个比较抽象的概念，通过装着开水的暖瓶有时会把瓶盖弹起来这一生活中常见现象，引导学生思考推动瓶盖的能量是什么。暖瓶没有运动，所以不是机械能，暖瓶也没有接电源，也不是电能。那么，这一能量来自哪里呢？ 

内能 

教师可以通过课本图15.2-1展示的运动的足球具有动能,让同学联想运动的分子是否也具有动能。同样通过课本图15.2-2弹簧形变时具有势能，让学生联想相互吸引或推斥的分子是否也具有势能。在初步给出分子的动能和势能的基础上，定义物体内部所有分子做无规则运动的动能和势能的总和，叫做物体的内能。 

教学中还要提醒学生注意内能和机械能的区别。内能是大量分子做无规则运动的能的总和，这种无规则运动是分子在物体内部自身不停的摲肿釉硕瘮，而不是随着物体整体一起所做的运动。而机械能与整个物体的机械运动有关。例如，抛到空中的球，离开地面，具有重力势能；它在空中飞行，具有动能；球内部的分子做无规则热运动，而且分子之间有相互作用，因此球还具有内能。 

结合课本图15.2-3,说明在任何温度下的物体的分子都在不停地做无规则运动,它们都有内能,以防止学生认为低温物体没有内能的错误看法。对同一个物体，人们可以从温度的变化去了解内能的变化，物体温度升高，表明它的内能增大，温度降低表明它的内能减少。 

想想议议 

要改变物体的内能可以通过改变物体的温度来实现，因为对同一个物体温度越高内能越大，温度越低内能越小。要鼓励学生根据生活经验和小学自然所学的改变物体温度的方法来想办法。比如，通过热传递改变物体的温度，通过“摩擦生热”改变物体的温度，从而实现改变物体的内能。 

探究 

使粗铁丝温度升高有很多办法，大致分两类，一是通过热传递，另一是通过做功。教师先不要进行分类，先鼓励学生想办法。比如，来回弯折铁丝；把铁丝放到粗糙的物体表面来回摩擦；直接加热铁丝；放在太阳下晒；放在热水中烫。 

物体内能的改变 

通过前面的探究，对物体内能的改变，学生有了一定的感性认识。热传递改变物体的内能，学生比较容易理解，热传递的实质就是内能从高温物体转移到低温物体。要使学生了解热量的概念，通过热传递的方式来改变内能，内能改变的多少不能用功来量度，而要用热量来量度，并介绍热量的国际单位也是焦耳。 

演示 

压缩空气点火的的实验如课本15.2-5甲所示。用新生产的仪器，只要按照课本写法做（注意棉花只要少量），实验即可成功。但用旧式或自制仪器，演示前，先要在活塞上涂上凡上林。演示时，先抽出活塞，向玻璃管内投入绿豆大小、浸有乙醚的棉球，再插入活塞，用力迅速下压，乙醚即能燃烧起来。如压下活塞后乙醚不燃烧，可拉起活塞重做一次。压活塞一定要迅速有力。在第一次燃烧后，可用接有细长乳胶管的打气筒，向玻璃管底部打入新鲜空气，又可重做一次。一般一个浸过乙醚的棉球可做二三次演示。已醚的用量不能多，否则演示反而不易成功。 

气体膨胀做功内能减少的实验装置如课本上的图15.2-5乙。广口瓶的容积以500mL左右为宜，用容积200mL的烧瓶效果也很好。瓶壁要透明洁静，注入的水量不要太多，大致为烧瓶容积的1／5即可。塞紧瓶塞前，应先用吸水纸把瓶壁擦干静。塞紧瓶塞后，用实验室的两用气筒打几次气，就能使瓶塞跳起，同时在瓶塞跳起的瞬间瓶内出现水雾。 

瓶内原有的水蒸气是无色透明的，看不见；瓶内出现白雾，说明水蒸气液化，变成了小水滴。这是由于空气推动塞子做功，内能减小。温度降低造成的。 

STS 地球的温室效应 

地球大气层中的温室气体如二氧化碳不影响太阳对地球表面的短波辐射，却能阻碍由地面反射回高空的红外长波辐射，这就像给地球罩上了一层保温膜，使地球表面气温增高。就如同一个“温室”。如果没有大气层，地球将象表面冻结的火星一样，无生命存在。 

近几十年来，由于人类消耗的能源急剧增加，森林遭到破坏，大气中二氧化碳的浓度不断上升。人类活动增强了温室效应。但是人类对气候变化原因和各种因素影响程度等的认识还存在不确定性，因而对未来全球气候的总趋势，目前还不能做出肯定的推断。但是有一点可以肯定,即大气污染对气候的影响已明显表露出来,它对全球气候的影响是人类必需要解决的复杂课题。为了保护人类赖以生存的地球,提倡节约能源、植树造林，加强学生的环保意识。 

教师可以布置学生查找地球的温室效应这方面的资料，让学生自己讲一讲这方面的体会。 

动手动脑学物理 

1．它们的内能不同。一大桶水的内能大。因为在相同温度下，每个分子的平均动能和势能一样，一大桶水比一小杯水所含的分子数多，所以总能量大。 

2．同一物体，温度越高，分子运动得越快，它的动能越大，所以内能就越大。 

3．略。 

4．“摩擦生热”和“钻木取火”都是外力克服摩擦力作功，机械能转变成内能，物体内能增加，温度升高。 

5．学生自己做一下，会对“摩擦生热”有一个感性的认识。摩擦后的图钉变热，是因为通过克服摩擦力做功，机械能转变成了内能。 

 

三、比热容

目 标 

1.知识与技能 

了解比热容的概念，知道比热容是物质的一种属性。 

尝试用比热容解释简单的自然现象。 

能根据比热容进行简单的热量计算。 

2.过程与方法 

通过探究，比较不同物质的吸热能力。 

通过阅读“STS气候与热污染”了解利用比热容解释海边与沙漠昼夜温差问题，并了解一下“热岛效应”。 

3.情感、态度与价值观 

利用探究性学习活动培养学生自己动脑筋想办法解决问题的能力。 

说明与建议 

想想议议 

让学生根据生活中烧水的经验，来讨论水吸收的热量与水的质量，与水温升高的多少的关系，学生比较容易得出结论：水的质量越大，温度升高的度数越多，吸收的热量越多。并进而推广到其他的物质也是这样。 

探究 比较不同物质的吸热能力 

进行探究活动前，要使学生明确实验要研究的是不同的物质在质量相等、温度升高的度数也相等时，吸收的热量是否相同。要引导学生思考如何得到质量相同的水和砂子，让学生自己考虑用什么实验器材，比如天平。学生根据两个杯子里的水和砂子的质量是相等的，两个酒精灯是相同的，可以想到用加热时间的长短去反映吸收热量的多少。实验时，当学生观察到砂子的温度升高得较快时，要引导学生思考这一现象说明了什么。使学生自己得出结论：质量相等的砂子和水在吸收了相等的热量时，升高的温度是不同的。而要使水和砂子升高相同的温度，则必须停止对砂子加热而继续给水加热，并使学生得出结论：质量相等的水和砂子升高相同的温度吸收的热量不相等。在此基础上可以推广到其他物质，得出“质量相同的不同物质，升高相同的温度，吸收的热量不相等”这个一般性的结论。 

比热容 

根据探究活动的结果，教师向学生提出；怎样比较物质的这种性质呢？引导学生要在相同条件下比较，即必须让质量相同，温度升高也相同，而质量都取单位质量（1kg），温度都取升高1℃，比较起来最为方便（还可以对比密度的定义方式），这样，就顺理成章地引出了比热容的定义。 

比热容的单位是由质量、温度、热量的单位组合而成的复合单位，是初中阶段最为复杂的一个单位。为避免死记硬背，就要注意引导学生从比热容的物理意义上来掌握复合单位的组成。可以类比密度、速度的单位组成，组合出比热容的单位。 

比热容是物质的属性之一，为了加深学生对这个问题的认识，可以提一些问题让学生思考，例如：（1）一滴水和一盆水的比热谁大？（2）把一根铁丝截为长短不同的两段，哪段铁丝的比热容大些？每段和整根铁丝相比，其比热容有无变化？ 

在介绍比热容表时，可以任选一种物质（比如干泥土），让学生在表中查出它的比热容，并说明表中数据所表明的物理意义。另外注意到水的比热容较大而泥、石、金属的比热都较小。可根据水和冰的比热容不同，向学生说明同种物质在不同状态时比热容不同。 

想想议议 

通过讨论使学生了解水的比热容较大这一特性在生产和日常生活中的广泛应用。由于一定质量的水升高（或降低）一定温度吸热（或放热）很大，有利于用水作冷却剂或取暖。比如北方楼房取暖用的“暖气”，就是用水做介质。有一些机器在工作时要发热，如发电机，这些机器可以用循环流动的水来冷却。 

热量的计算 

根据比热容的概念教师通过提出如果质量不是lkg，温度升高（或降低）不是1℃，能不能算出吸收（或放出）的热量是多少？来引出课题。 

想想议议 

用算术法计算出铝温度升高时吸收的热量,学生比较容易理解。 

2kg的铝块温度升高1℃时吸收的热量是 

0．88×103J×2=1.76×103J 

2kg的铝块温度升高100℃－30℃=70℃时,吸收的热量是 

1.76×103J×70=1.23×105J 

上述计算可以写成一个算式: 

铝块吸收的热量=0．88×103J/(kg·℃)×2kg×(100℃－30℃)=1.23×105J 

教师引导学生归纳出物体受热时吸收热量的公式。 

Q吸=cm(t-t0) 

用同样的道理教师可以和学生一起讨论出物体散热时放出热量的公式： 

Q放=cm(t-t0) 

STS 气候与热污染 

可以先让学生自己阅读这部分内容，然后请学生来讲一下如何用比热容的知识来解释海边与沙漠昼夜温差问题。最后请学生讨论如何减少热污染。 

动手动脑学物理 

1．正确的是B。因为铜比铝的比热容小，相同质量，吸收相同热量的情况下，比热容小的物体温度上升得高。 

2．正确的是D。 

3．由于沙子的比热容比水的比热容小，在吸收相同的热量时，与水同样质量的沙子温度上升得更高，所以在烈日当空的海边，沙子比海水热得多。 

要放出538.2J的热量。 

 

四、热机

目 标 

1.知识与技能 

了解四冲程汽油机的基本工作原理。 

从能量转化的角度认识燃料的热值。 

了解内能的利用在人类发展史上的重要意义。 

通过能量的转化和转移，认识效率。 

2.过程与方法 

通过演示实验使学生了解可以利用内能来做功。 

利用挂图或模型讲解四冲程汽油机的基本结构和工作原理。 

通过阅读“科学世界现代汽车”了解汽车的一些常识。 

通过学生讨论和教师讲解了解燃料的热值和热机的效率。 

3.情感、态度与价值观 

通过演示实验培养学生观察和分析问题的能力。 

通过阅读“科学世界现代汽车”扩展学生的知识面。 

说明与建议 

演示 

通过课本图15.4-1所示的实验,引导学生思考分析它所包含的物理内容:酒精燃烧放出热量(化学能转化为内能),通过热传递将一部分内能转移给水,水的内能增加使其温度逐渐升高直至沸腾,产生大量水蒸汽，水蒸气越来越多,对软木塞的压力越来越大，最后将软木塞推出试管口，这就是水蒸气膨胀对软木塞做功。 

在做这一演示实验时应注意：软木塞不要塞的太紧，免得试管炸裂伤人。 

这个实验虽然简单，它却能启发学生：可以利用内能来做功。热机就是把内能转化为机械能的装置。 

内燃机 

汽车是学生常见的交通工具，教师可以从汽车的动力来自于内燃机引入课题。应介绍内燃机的主要特点是：燃料直接在汽缸内燃烧，因而省掉了笨重的锅炉。 

汽油机的基本结构可结合模型、挂图和课本图15.4-3来讲解,课本中未提出的构造不必补充。 

想想议议 

1．在四个冲程中，做功冲程发生了能量转化。燃料燃烧，化学能转变成内能，产生高温高压气体，推动活塞运动，内能再转化为机械能。 

2．做功冲程使汽车获得动力 

3．排气冲程排出了汽车的尾气。 

科学世界 现代汽车 

很多学生对汽车感兴趣，课前可以安排学生带一些自己喜欢的汽车模型，阅读这篇文章后，让学生谈论一些汽车方面的问题。 

燃料的热值 

燃烧是生活中常见的一种现象，人们利用燃料燃烧来取暖、煮饭，热机也是利用燃料燃烧来获得动力的。首先使学生知道燃料燃烧的本质是化学变化，在燃烧过程中燃料的化学能转化为内能。 

想想议议 

鼓励学生积极参与讨论，引导学生从实际经验中发现问题，通过讨论使学生懂得相同质量的不同燃料燃烧时放出热量是不同的，从而引出热值的概念。讲热值的时候，要说明完全燃烧的含义。然后让学生看热值表，对常用燃料的热值一定的了解。 

有效利用燃料是节能的重要措施，可让学生结合实际来讨论，然后得出结论。对于锅炉供暖一是要让燃烧尽可能充分，二是要减少热量的散失。 

根据课本图15.4-6让学生讨论，内燃机中的燃料燃烧放出的能量是否都能用来做功。在内燃机中，由于燃烧不完全而损失的能量很小。排出的废气温度较高，要带走很大一部分能量。一部分能量消耗在散热上，还有一部分能量消耗在克服摩擦做功上（如活塞和汽缸间的摩擦、各部件连接处的摩擦等）。所以只有一部分能量能够用来做功。从而引出热机效率问题。教学中，可启发学生从热机的能量损失去寻找提高燃料利用率的途径，如利用蒸汽轮机的废气来供热。教师可以鼓励学生根据当地的实际情况提出提高燃料利用率的好办法。 

STS 从火车到火箭 

可以先让学生阅读这篇文章，然后让学生说一说，他知道有哪些热机，这些热机的发明给人类社会带来了哪些变化。 

动手动脑学物理 

1．比较两种燃料的热值，要找学生容易得到的材料，不一定完全跟课本上一样。设计实验时要注意，如何确定两种燃料的质量是相同的，如何确定每一种燃料完全燃料时放出的热量（比如用加热水来计算）。 

2．略 

3．通过这个小制作，锻炼学生的动手能力，并使他们从简易的小小蒸汽轮机体会大型蒸汽轮机的工作过程；大型锅炉产生高温高压的水蒸气直接喷射到气轮机的叶片上，使蒸汽轮机转动，可以带动大型发电机发电。 

 

五、能量的转化和守恒

目 标 

1、知识与技能 

知道能量守恒定律。 

能举出日常生活中能量守恒的实例。 

有用能量守恒的观点分析物理现象的意识。 

2、过程与方法 

通过学生自己做小实验，发现各种现象的内在联系，体会各种形式能量之间的相互转化。 

通过学生讨论体会能量不会凭空消失，只会从一种形式转化为其他形式，或从一个物体转移到另一个物体。 

3、情感、态度与价值观 

通过学生自己做小实验，激发学生的学习兴趣，对物理规律有一个感性的认识。 

通过学生讨论锻炼学生分析问题的能力。 

说明与建议 

能的转化 

本节课文主要讲述两个内容：第一，通过完成一组小实验来讨论自然界各种现象的内在联系，体会能量之间的相互转化；第二，介绍能量守恒定律。 

想想做做 

课前就要布置学生带上小实验所需的材料。这些实验较容易完成，教师要引导学生思考、讨论在四个小实验中发生了哪些能量转化？ 

1．来回迅速摩擦双手，手会感觉到热，机械能转化为内能。 

2．黑塑料袋内盛水，插入温度计后系好，放在阳光下，过一会儿，可观察到温度升高，光能转化为内能。 

3．将连在小电扇上的太阳能电池对着阳光，小电扇会转动起来，光能转化为电能再转化为机械能。 

4．用钢笔杆在头发或毛衣上摩擦后再靠近细小的纸片，小纸片会被吸到笔杆上，笔杆会发热，机械能转化为电能及内能。 

课本举了五个学生学过的相互有联系的现象。教学时可重点分析摩擦生热，说明摩擦是机械运动现象，生热是热现象，摩擦能够生热，说明机械运动现象和热现象有联系。其他几个实例可引导学生自己分析。在此基础上，说明长期的探索，发现各种现象间常常存在着能量的转化，能量可以反映这种联系。 

课本图15.5-1是转化过程示意图，要让学生充分讨论后填写，不要强调答案统一，只要学生认真思考，合理就行。主要通过此图对能量转化有一个具体的理解。例如摩擦可以使机械能转化为内；电动机可以使电能转化为机械能；火力发电站可以使内能转化为电能；太阳能电池可以把光能转化为电能；植物的光合作用可以把光能转化为化学能；炽热的铁水可以使部分内能转化为光能；蓄电池在充电时可以把电能转化为化学能。 

想想议议 

通过讨论秋千和小球的运动，提示学生思考机械能减少了，是不是能量就丢失了？实际上是通过摩擦把机械能转化成了内能。从而引出能量守恒定律 

能量守恒定律 

讲能量守恒定律的内容时，要突出定律的物理意义，即突出“转化”和“守恒”。教学时要向学生强调定律的普遍性和重要性。比如，向学生介绍这个定律与发现细胞、进化论一起被恩格斯誉为19世纪自然科学的三大发现，以引起学生对这个定律的重视。要在课本图15.5-1的有关事实的基础上，进一步展开说明人的一切活动，包括生活和生产活动，都含有能的转化问题，自然界的任何实际变化，也都含有能的转化问题。因此有关能在转化中守恒的规律，就成为最重要的自然科学规律了。 

科学世界 向地球要热 

学生可通过阅读自学这部分内容,了解地热这种新能源,以及利用地热供暖、发电，给人们的生活带来方便。 

动手动脑学物理 

1．能量守恒定律是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。通过这道题可以锻炼学生应用能量守恒定律解释人自身的能量转化和守恒的问题。食物储藏的能量转化为内能，使人们保持体温；转化为机械能，使人们能够进行日常活动，能够走、跑、跳，能够说话、唱歌；另外维持呼吸、心跳、血液流动，等一切生理活动也需要能量。没有食物提供的能量，人们就无法生存。 

2．通过讨论“永动机”的问题，加深学生对能量守恒定律的理解。课本图15.5-5所示的“永动机”是这样的：距地面一定高度上架设一个水槽，槽底有个水管，当水从槽底的水管流出时，冲击水轮机。在水轮机的轴上安装着抽水机和砂轮。这台机器的设计者认为，抽水机把地面水槽里的水抽上去，水就循环不已，机器就可以不停地转动，人们就可以永久地利用砂轮磨制工件做功了。 

这种构思不能实现，因为要想使机器持续不断地做功，就要消耗能量把流到低处的水抽回到高处。显然，这种“永动机”是违反能量守恒定律的。 

 

参考资料

内燃机 

内燃机是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的内能直接转换为机械能的动力机械。内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。 

活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的内能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械能输出，驱动从动机械工作。往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。 

内燃机的工作循环由吸气、压缩、燃烧和膨胀做功、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。 

四冲程是指在吸气、压缩、膨胀做功和排气四个冲程内完成一个工作循环，此间曲轴旋转两圈。吸气冲程时，进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气，或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩冲程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀做功冲程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。 

二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环，此期间曲轴旋转一圈。首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜气体由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内气体开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动活塞下行作功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出，活塞继续下行至下止点，即完成一个工作循环。 

自从内燃机被广泛使用，人们就一直致力于提高机械效率。为使内燃机在最佳工况下运转，可采用微处理机控制内燃机。同时为了减少排气中有害成分，减轻对环境的污染，人们又开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源。 

? 

永动机 

人们在长期的生活和生产中认识到，人类的生存和发展离不开能源。人们是多么渴望生产一种不需要耗用任何能量而能永远不停工作的机器--永动机。十三世纪一个叫亨内考的法国人提出过一个著名的永动机设计方案，如图所示：轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装着12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿着箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动，但并未实现不停息的转动。仔细分析一下就会发现，虽然右边每个球产生的力矩大，但是球的个数少，左边每个球产生的力矩虽小，但是球的个数多。于是，轮子不会持续转动下去而对外做功，只会摆动几下，便停在右图中所画的位置上。 

17世纪至18世纪，永动机最为流行，人们曾提出各种永动机设计方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用轮子的惯性、水的浮力或毛细作用的，也有利用同性磁极之间排斥作用的。18世纪末，不少科学家开始怀疑制造永动机的可能性。1775年，法国科学院决议不再受理永动机的设计方案。这些事实，使人们逐渐悟出一个道理：永动机不可能实现是由于某一普遍定律的限制，而这条定律至今还未被发现。因此，它启示人们不再为设计永动机而煞费苦心，转而致力于这一未发现定律的挖掘工作。 

17世纪～18世纪,经典力学中已蕴含着机械能的转化和守恒的初步思想。伦福德等人对摩擦生热的研究，否定了热质说，揭示了机械能与物体内能变化的关系；1800年发明了电池，不久又发现了电流的热效应、磁效应、化学效应及电磁感应等，科学家们进一步展示出了自然界不同现象的相互联系、相互转化的图景。在其他方面，如生物学发现了动物的体温和进行机械活动的能量跟它摄取的食物的化学能有关。这一切，都为能量守恒定律的发现作了必要的准备。19世纪40年代，不同国家的十几位科学家以不同的方式，各自独立地提出了能量守恒定律。人们认识到：能量既不会凭空消灭，也不会凭空产生，能量有各种不同的形式，可从一种形式转化为另一种形式，从一个物体转移到另一个物体，在转化和转移的过程中能量的总量保持不变。能量守恒定律使永动机幻梦被彻底地打破。 

在制造上面所说的第一类永动机的一切尝试失败之后，一些人又梦想着制造另一种永动机，希望它不违反能量守恒定律，而且既经济又方便。比如，这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功。由于海洋和大气的能量是取之不尽的，因而这种热机可永不停息地运转做功，也是一种永动机。 

然而，在大量实践经验的基础上，英国物理学家开尔文于1851年提出了一条新的普遍原理：物质不可能从单一的热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响。看来永动机只是人们的美好愿望，永远也不可能实现了。 

? 

温度、内能、和热量 

温度：是用来表示物体冷热程度的物理量。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。 

内能：广义来说，内能指物体内部所包含的总能量，包括分子无规则热运动动能，分子间的相互作用能，分子、原子内的能量，原子核内的能量等。在热学中，由于在热运动中后几项不发生变化，所以内能一般指前两项。由于分子的动能跟温度有关，分子间的相互作用能跟分子间的距离有关，所以物体的内能跟温度、体积都有关系。 

热量：指热传递过程中内能的改变量。因此热量是一个过程量，与内能是一个状态量不同。在热传递过程中物体内能的变化不能用功来量度，只能用热量来量度。 

做功也是一个过程量，也可以改变内能，因此也是内能变化的量度。做功和热传递对于改变物体的内能是等效的，但两者是有区别的：做功（机械功）改变内能是物体有规则运动的能量转化为分子无规则运动的能量；热传递则是分子无规则运动的能量在物体间的转移。 

? 

分子的扩散运动和扩散现象 

气体分子热运动的速率很大，分子间极为频繁地互相碰撞，每个分子的运动轨迹都是无规则的杂乱折线。温度越高，分子运动就越激烈。在0℃时空气分子的平均速率约为400m／s，但是，由于极为频繁的碰撞，分子速度的大小和方向时刻都在改变，气体分子沿一定方向迁移的速率就相当慢，所以气体分于扩散的速率比气体分子运动的速率要慢得多。 

固体分子间的作用力很大，绝大多数分子只能在各自的平衡位置附近振动，这是固体分子热运动的基本形式。但是，在一定温度下，固体里也总有一些分子的速度较大，具有足够的能量脱离平衡位置。这些分子不仅能从一处移到另一处，而且有的还能进入相邻物体，这就是固体发生扩散的原因。固体的扩散在金属的表面处理和半导体材料生产上很有用处，例如，钢件的表面渗碳法（提高钢件的硬度）、渗铝法（提高钢件的耐热性），都利用了扩散现象；在半导体工艺中也利用扩散法渗入微量的杂质，以达到控制半导体性能的目的。 

液体分子的热运动情况跟固体相似，其主要形式也是振动。但除振动外，还会发生移动，这使得液体有一定体积而无一定形状，具有流动性，同时，其扩散速度也大于固体。 

? 

分子间的相互作用力 

分子是由原子组成的，原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的。分子力就是分子间这些带电微粒的相互作用引起的，因此分子力的本质是电磁相互作用。 

分子间作用力的规律比较复杂，一般采用简化的模型处理。常用的模型是假设分子间的相互作用力具有球对称性，近似地用下列半经验公式来表示： 

式中的λ和μ是大于零的恒量，r为两个分子中心间的距离，s和t都是正数。式中第一项是正的，代表分子间的斥力；第二项是负的，代表分子间的引力。图15－2中的两条虚线分别表示引力和斥力随距离而变化的情况，实线表示合力随距离而变化的情况。 

当
时，分子间的引力和斥力大小相等，合力为零。这一位置称为平衡位置。当r＜r0时，引力和斥力虽然都随着距离的减小而增大，但斥力增大得更快，因而分子间的作用力表现为斥力；当r＞r。时，引力和斥力虽然都随着距离的增大而减小，但斥力减小得更快，因而分子间的作用力表现为引力。这个合力（引力）随着距离的增大而迅速减小，当r的数量级大于10－9米时，已经变得十分微弱，可以忽略不计了（图2－2）。 

 

第十六章　能源与可持续发展

全章概述和课时要求

1．通过实例了解能量及其存在的不同形式。能简单描述各种各样的能量和我们生活的关系。 

2．通过实例认识能量可以从一个物体转移到另一个物体，不同形式的能量可以互相转化。 

3．能通过具体事例，说出能源与人类生存和社会发展的关系。 

4．能结合实例，说出不可再生能源和可再生能源的特点。 

5．了解核能的优点和可能带来的问题。 

6．了解世界和我国的能源状况。对于能源的开发利用有可持续发展的意识。 

全章概述 

能量概念是物理学中一个非常重要的概念。在《全日制义务教育物理课程标准》中，“能量”是内容标准的主题之一，“能量”作为主线之一，也贯穿在整套教材当中。本章在前面学过的各种能的知识的基础上，对能源知识作了常识性的介绍，对能量概念进行了简单的回顾和总结。 

本章从“能源家族”入手，介绍了日常生活中常用的各种能源，着重介绍了“核能”和“太阳能”，并简要介绍了人类历史不断进行着的“能源革命”，以及能源的大量使用给人类带来的环境问题。 

能源问题是当今世界的热点问题。本章教学应充分联系生产和生活实际，开展丰富多彩的社会活动，引导学生关注社会、关注人类的未来。 

课时建议 

本章共分五节，建议7课时。 

第一节 能源家族 0.5课时 

第二节 核能 0.5课时 

第三节 太阳能 1课时 

第四节 能源革命 0．5课时 

第五节 能源与可持续发展0.5课时 

复习和总结 1课时

 

一、能源家族

目 标 

1．知识与技能 

常识性了解什么是能源，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．过程与方法 

通过社会调查，了解当地的能源使用状况。 

说明与建议 

人类生活的一切活动都需要能量。凡是能为人类提供能量的物质资源，都可以叫做能源。能源的广泛使用，给人类文明带来了巨大进步。学生已经认识了各种形式的能，可以先让学生回顾一下学过的能的各种形式，并向学生提出问题：我们生活中利用的这些能源是从哪里来的？ 

想想议议 

让学生做小组讨论，结合当地生活和生产上能源使用情况，在老师指导下，让学生自己对能源进行分类。 

能源家族成员种类繁多，而且新成员不断加入。只要能为人类利用以获取有用能量的各种来源都可以加入到能源家族中来。 

能源家族从不同的角度可以划分不同的成员，从其产生的方式可分为一次能源和二次能源。一次能源是指可以从自然界直接获取的能源。其中煤炭、石油和天然气是千百万年前理在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，又称为化石能源，它们是当今世界中一次能源的三大支柱，构成了全球能源家族结构的基本框架。一次能源中还包括水能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能以及核能等。二次能源是指无法从自然界直接获取，必须经过一次能源的消耗才能得到的能源。电能是最主要的二次能源。这里要让学生了解一次能源和二次能源的概念，电能是从其它形式的一次能源转化而来的。 

木材、草类、肉类等由生命物质提供的能量称为生物质能。生物质能也是日常生活中最常用的能源之一，人类和动物从植物或其他动物获取生物质能以维持生命。 

从能源是否可再利用的角度可分为可再生能源和不可再生能源。 

STS 石油危机和能与科学 

这部分内容可以让学生自己阅读，不必占用课上时间。让学生了解能源在现代生活中的作用。 

动手动脑学物理 

1．略。 

2．让学生根据已经学过的地理知识，通过查找资料，在图16．1－1中标出我国化石能源的主要分布区域。 

3．略。 

 

二、核能

目 标 

1．知识与技能 

常识性了解核能、裂变和聚变。 

2．情感、态度与价值观 

初步认识科学及相关技术对于人类生活的影响。 

说明与建议 

本节教学应以讲授为主。由于核能、裂变、聚变、链式反应等概念均涉及到核反应知识，而学生头脑里，这部分知识是一个空白。因此，讲授过程中要贯彻通俗性原则，不宜过深，尽可能采取恰当的比喻来帮助学生理解这些知识。 

原子、原子核 

这里可先复习课本第十一章第一节的知识。让学生认识原子核是由质子和中子组成的，原子核内部储藏了巨大的能量。 

核能 

质子、中子依靠强大的核力紧密结合在一起，一旦使原子核分裂或聚合，就能释放出巨大的能量，这就是核能。核能是能源家族的新成员，它包括核裂变能和核聚变能两种主要形式。 

裂变 

核物理中把重核分裂成质量较小的核，释放出核能的反应称为裂变。裂变能是重金属元素的原子核通过裂变而释放的巨大能量，目前已经实现商业化。因为裂变需要的钢等重金属元素在地球上含量稀少，而且常现裂变反应堆会产生长寿命放射性较强的核废料，这些因素限制了裂变能的发展。 

演示 

这个演示的目的是让学生理解核裂变的原理。演示时，要想办法使火柴充分燃烧而不熄灭。也可以让学生自己去做，但要注意防火。 

聚变 

另一种核能形式是目前尚未实现商业化的核聚变能。核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核，并释放出能量的过程。自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素氘与氚的聚变，这种反应在太阳上已经持续了50亿年，氘在地球的海水中藏量非常丰富。因此，聚变能是一种无限的、清洁的、安全的新能源。这就是为什么世界各国，尤其是发达国家不遗余力，竞相研究、开发聚变能的原因所在。 

裂变知识学生很难理解。这里建议用浓硫酸与水结合释放热量的例子来比喻，可能会收到较好的效果。 

STS 核电站和核废料处理 

这部分内容可以让学生自己阅读，不必占用课上时间。让学生了解科技给人类带来便利的同时，也会给人类带来灾难。 

动手动脑学物理 

略。 

 

三、太阳能

1．知识与技能 

初步认识太阳的结构，知道太阳能是人类能源的宝库。 

大致了解太阳能的利用方式。 

2．情感、态度与价值观 

能保持对大自然的好奇，初步领略自然现象的美妙与和谐，对大自然有亲近、热爱、和谐相处的情感。 

具有对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理，有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。 

说明与建议 

太阳……巨大的“核能火炉” 

可先让学生朗读这段课文，教师简要介绍一下太阳的内部结构，同时复习上一节所讲的核聚变的内容，指出太阳内部进行着剧烈的由氢聚变成氦的核反应，并不断向宇宙空间辐射出巨大能量。 

太阳能是人类能源的宝库 

太阳内部的热核反应足以维持50多亿年，相对于人类历史的有限年代而言，可以说是“取之不尽、用之不竭”的能源。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属太阳能资源丰富地区；除四川盆地、贵州资源稍差外，东部、南部及东北等其他地区为资源较丰富区。 

地球上的化石能源（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，按课本图16.3－2和163－3简单介绍一下煤、石油、天然气的形成地过程 

想想议议 

在课堂上展开讨论，在地球表面太阳能是如何转化为其他形式的能？让学生们充分发表各自的见解，老师最后做总结归纳。 

地球上的风能、水能、生物质能等都是来源于太阳。地球上任何地方都在吸收太阳的热能量，但是由于地面每个部位受热的不均匀性，空气的冷暖程度就不一样，于是，暖空气膨胀变轻后上升；冷空气冷却变重后下降，这样冷暖空气便产生流动，形成了风。地球表面的一部分水吸收太阳的能量经过蒸发形成水蒸气，暖湿气流从地面升起，因绝热达到过饱和而凝结成云，遇到冷空气就形成雨。植物通过光合作用从太阳获取能量，以化学能的形式存储在植物体内，人类和动物从植物或其他动物获取生物质能以维持生命。 

太阳能的利用 

广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。 

想想做做 

这个实验很简单，最好每个同学都能做一做。也可以在黑色和透明塑料袋中注入相同重量（体积）的水，把袋口扎紧放在太阳底下暴晒，过一段时间后分别测量两个袋中的水温，将会发现黑色塑料袋中的水温比透明塑料袋中的水温高。这是由于黑色物体更容易吸收太阳光的能量，这也是利用太阳能的最简单、常用的方式。 

太阳能利用的形式很多，最普遍的用途是把水加热用于供暖（课本图16．3-5）。人们更关注的是把太阳能用于工业和其他产业部门，利用太阳能发电则是最理想的办法，最常用的利用太阳能发电的方式是用太阳能电池供电（课本图16．3－6、16．3－7、16．3－8）。这里还可以让学生想象还有没有利用太阳能的其他方式（太空发电）。 

太阳能电池有很多优点，没有活动部件、使用寿命长、保养费用极低、不需燃料，但缺点是效率低，制造太阳能电池所需的半导体较昂贵。不过在某些情况下，由于太阳能电池使用方便，即使造价贵也划算，所以几乎所有的太空飞行器都用太阳能电池。有些灯塔、人造卫星等不适合装载燃料或连接电源的设备，太阳能电池是最佳选择。 

动手动脑学物理 

这几个问题都比较难，应在老师的指导下，尽可能让学生去做。 

 

四、能源革命

1．知识与技能 

常识性了解能量转化技术为人类带来的便利。 

初步了解能量转移和能量转化的方向性。 

2．情感、态度与价值观 

初步认识科学及其相关技术对人类社会发展的影响，有将科学服务于人类的意识。 

说明与建议 

人类进步的阶梯 

可先让学生阅读课文，讨论人类历史上不断进行着的能源革命，使学生进一步认识到科技给人类带来的便利。 

课本图16．4-1表示的是远古人类利用太阳能的方式，这种方式今天仍然在广泛使用。草通过光合作用吸收太阳能，兔子吃草吸收草的能量，人或其他动物吃兔子吸收兔子的能量，猎人通过吸收食物的能量才能进行各种运动。 

想想议议 

先让学生标出课本图16．4－7中植物的生长过程，问学生相反顺序的情况会不会发生，答案显然是否定的。然后向学生说明自然界的实际过程是有方向的。能量转移和能量转化的方向性 

这里要向学生强调能量的转化、转移是有方向的，比如冰箱里的热量不会自动转移到外部，而必须消耗其他的能量（电能）才能把热量转移出来使冰箱内部变冷。学生对这个问题有初步认识就可以了，不要深究。 

STS 灾害……失控的能量释放 

这段内容可让学生自己阅读。老师介绍一下如果能量释放失去控制就会引起灾害，例如火给人类生活带来方便和舒适，但失去控制就会引起火灾；水电站中的水能释放给人类带来电力，但失去控制也会引起水灾。适当介绍一些防火知识，使学生具有防火意识。 

动手动脑学物理 

1．汽车发动机使燃料内能的一部分转化成机械能驱动汽车，另一部分则以热的形式散发到空中白白损失掉了，提高效率的方法一是改进发动机使尽可能多的内能转化成机械能；另一方法是把散发的热量收集起来加以利用。 

2．略。 

3．略。 

 

五、能源与可持续发展

1．知识与技能 

认识能源消耗对环境的影响。 

2．过程与方法 

通过社会调查，了解当地能源使用对环境的影响。 

3．情感、态度与价值观 

通过了解大量消耗能源对环境造成的破坏，初步认识科技给人类带来的负面效应，具有节能意识、环保意识。 

初步认识科学及其相关技术对于社会发展、自然环境及人类生活的影响。有可持续发展意识，能在个人所能及的范围内对社会的可持续发展有所贡献。 

有将科学服务于人类的意识，有理想，有抱负，热爱祖国，有振兴中华的使命感和责任感。 

说明与建议 

21世纪的能源趋势 

随着世界人口的增加和经济的不断发展，能源的消耗持续增长。能量是守恒的，但是，根据上一节课学过的能量转移和转化的方向性，能源却不是取之不尽，用之不绝的物质。化石能源、核能等是不可再生的能源，我们现在开采得越多，留给子孙后代的就越少。人类自1973年以来，共向地球索取了5000亿桶（约合800亿吨）石油，剩下的石油按现有生产水平计算，还可保证开采44年。天然气也只能持续开采56年，一些国家的煤炭资源已采掘殆尽。为了人类的未来，我们必须要节约能源。能源消耗对环境的影响这一节的教学可采用问题讨论的方式进行。 

想想议议 

学生通过各种媒体，可能对能源消耗对环境的影响有一些初步的认识。可先让学生列举出能源消耗会对环境造成哪些影响，在老师的指导下，把课本图16－2表中的空格填上，使学生认识到过量使用能源会对环境造成严重的破坏。 

未来的理想能源 

化石能源的大量使用，不仅留给子孙后代的越来越少，而且造成严重的环境问题。根据学过的有关能源的知识，以及课本上提出的条件，在老师的指导下，让学生说一说哪些是未来的理想能源，并说明其道理，同时在课堂上展开讨论。 

动手动脑学物理 

略。 

 

参考资料

 

大气污染 

根据国际标准化组织做出的定义，大气污染“通常系指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了人体健康、舒适感和环境”。 

由地表至1000km左右的高空的大气层，一般可认为是由干燥、清洁的空气、水蒸气和各种杂质三部分组成的。干燥、清洁的空气的组成是基本不变的，水蒸气的含量因时因地变化，各种杂质（如粉尘、烟、有害气体等）则因自然因素或人类活动的影响，无论其种类还是含量，变动都很大，甚至导致大气污染。 

导致大气污染的自然因素包括火山活动、森林火灾、海啸、土壤和岩石的风化以及大气圈中空气运动等自然现象。一般说来，由于自然环境的自净机能，各种自然现象一般多能自动协调生态系统的动平衡关系。 

人类活动包括生活活动和生产活动，而防止大气污染的主要对象，首先是生产活动。人类活动所造成的空气污染主要来自三个方面：1．燃料的燃烧过程；2．工业生产过程；3．交通运输等。其中燃料燃烧（包括煤、汽油、柴油、天然气等）产生的空气污染物约占全部污染物的70％；工业生产产生的空气污染物约占20％；机动车产生的空气污染物约占10％。 

这些空气污染物按其存在状态可分为气溶胶态污染物和气态污染物。气溶胶系指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或液体粒子在空气介质中的悬浮体，如粉尘、烟、飞灰、液滴、轻雾、黑烟、雾等。气态污染物大体有五个方面，以二氧化硫为主的含硫化合物；以氧化氮和二氧化氮为主的含氮化合物；碳的氧化物；碳氢化合物及卤素化合物等。 

这些空气污染物主要通过呼吸道吸入、消化道吞入和皮肤接触三条途径侵入人体。其中以呼吸道吸入为最多，最危险。 

空气污染物对人体健康的危害大多表现为呼吸道疾病。在高浓度污染物的突然作用下可造成急性中毒，甚至在短时间内死亡。例如，1952年英国伦敦发生的震惊世界的“烟雾”事件，四天内就死了四千多人。长期接触低浓度污染物，会引起慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿等，甚至会引起肺癌。除此之外，空气污染物对植物、动物、农作物、器物（建筑物、器具等）、气候等都会产生有害的影响。 

? 

核电站 

核电站是利用原子能发电的设施，目前世界上很多国家都把原子能发电当作解决能源危机的重要措施。到1988年底，世界上已有26个国家和地区建立了核电站，414台核电机组并网发电，占世界总发电量的17％。核电站是把原子核裂变释放出来的能量转化为高温蒸汽的内能，然后推动蒸汽轮机发电。核电站的中心部分是进行核反应的反应堆，图16-3是核反应堆的示意图。反应堆用的燃料是浓缩铀（含U2352～4％）。U235很容易俘获中子产生裂变，裂变时同时放出2～3个中子，这些中子又去轰击其他铀核，于是裂变反应得以连续进行，称作链式反应。裂变时释放出大量的原子能。原子弹的链式反应进行得非常迅速，在极短时间内释放出大量的射线和能量，破坏性很大。而用于核电站中的核反应堆，则需要链式反应进行的缓慢，以保证稳定地向外输出能量。 

反应堆内的燃料做成直径大约1cm，高1．5cm左右的圆柱形，然后堆成大约高3m左右的铀棒，用薄的错合金圆管包装。大约200根铀棒组成一束燃料棒，180根左右的燃料棒堆成反应堆。铀律插在用于减速中子的石墨中。为了控制中子数量以调节反应速度，在反应堆中还插入了吸收中子较强的镉控制棒。调节控制棒插入的深度，就可以保证核反应速度的正常，使核反应堆有稳定的输出功率。 

压水堆是目前比较广泛采用的核反应堆。其特征是水在堆芯内不沸腾，因此水必须保持在高压状态。图16-4是压水堆核电站的流程示意图。燃料用的是二氧化铀陶瓷块，这样的铀芯块本身就起防止放射性物质外逸的作用，即构成了第一道安全屏障。把这些小的铀块重叠在高3m，外径9．5mm，厚0．57mm的铝合金管内封闭，即成为燃料元件棒，即铀棒。铝合金管也能防止放射性物质逸出，故构成第二道安全屏障。每200多根铀棒，排列成横17排，纵17排的燃料元件。如果堆内有100多个这样的燃料元件，即可成为90万千瓦的压水堆核电站。整个堆芯放在内径为4m，高为13m，厚为0．2m的压力壳内，壳内压强为155个大气压。可把水加热到330℃以上。温度升高了的水进入蒸汽发生器内，器内有很多细管，细管中的水接收热量变成蒸汽进入蒸汽轮机发电。 

从图中可以看出，从反应堆出来的水是跟细管中的水分开的，即使堆中的水有少量放射性物质，也不会传递到细管中的水中。从反应堆出来的水在蒸汽发生器中温度降低后，经一回路的循环泵驱动，又回到压力壳的堆芯继续加热，完成第一回路的循环。一回路和压力壳组成第三道安全屏障。蒸汽发生器内的蒸汽进入蒸汽轮机做功后，再进入冷凝器冷却成水，经二回路循环泵驱动，再回到蒸汽发生器继续使用，这就是第二回路循环。冷凝器中用三回路循环泵抽来的江河水作冷却剂，冷却后又排回到江河中，组成第三回路循环。 

我国是核能资源丰富的国家，从20世纪50年代中期开始建设核工业，现在已具备了建造核电站的物质和技术基础。我国政府对建立核工业非常重视，成立了核领导小组和核工业部，积极引入国际上已成熟的核技术，根据我国的实际情况，着重发展压水堆核电站。已在浙江和广东建设核电站。浙江秦山核电站自1985年开始动土，于1991年并网发电。1989年4月已接受国际原子能机构运行检查组进行“运行前安全评审”。他们对秦山核电站工程是肯定的，认为是高标准的，生产准备工作是细致和超前的。国务院对核电站的安全问题非常重视，成立了专门负责安全监督的核安全局，以保证和监督核能的生产和安全应用。 

对于建立核电站，人们总担心它的放射性污染和安全问题，其实，由于核电站采取了严格的安全措施，放射性物质很难逸出堆外。前面我们已经讲过核反应堆的第一道安全屏障铀块，第二道安全屏障铝合金管，第三道安全屏障压力壳，最后还有第四道安全屏障，即整个反应堆封闭在混凝土建筑物中，它基本上保证了核反应堆的绝对安全。在核电站建造历史上，1979年美国三里岛核电站发生了由于人为操作上的错误，可以说出现了特大事故。但在这个事故中无一人死亡，只有在现场的三名工作人员受到了略高于所允许的放射性照射，个别居民受到相当于进行两次X光体检的照射。至于1986年发生在原苏联切尔诺贝利核电站的事故，则是由于设计和技术上的问题造成的。当然，这些事故也引起核专家们的高度重视，从教训中更加注意安全措施。 

? 

太阳能电池 

在太阳能发电方面，目前比较成功的是利用太阳电池发电。太阳电池是利用光电效应制成的一种发电器件（光电池）。不过，用金属制成的光电池，效率极低，只有应用了半导体，才使光电池跨入了实用阶段。 

普通的太阳电池，大多是由两种不同导电类型（电子型和空穴型）的半导体构成的，如图16-2所示。所谓电子型半导体是以电子导电为主的半导体，也叫N型半导体。它的制备是在一块纯净的半导体（如硅、锗）中掺入某类杂质（如磷、砷、锑等）而成。它们能够提供导电的电子。所谓空穴型半导体是以空穴导电为主的半导体，也叫P型半导体。它的制备是在一块纯净的半导体中掺入某种提供导电的空穴的杂质，如在硅中掺入硼。当P型半导体和N型半导体接触时，便在交界面处即P－N结附近建立了内电场（或称势垒电场）。由于此处的电阻特别高，所以也称为阻挡层。 

当太阳光照射在器件上时，半导体内的原子由于获得了光能而释放了电子，这些电子（称为光电子）在内电场作用下移向器件的一端，使这一端呈现负极性。在器件的另一端，由于缺少了电子，呈现出正极性。这样就在器件内形成一个与内电场方向相反的电场即光生电场。由于在P区和N区之间产生了光生电动势。如果把器件的这两端用导线连接起来，导线中便有电流产生。这就是太阳电池的基本原理。若把几个、几十个这样的电池元件串联、并联起来，组成太阳电池群（或称太阳电池板），在阳光照射下就能产生相当可观的电流。 

现在制成的太阳电池有硅电池、砷化镓电池、硫化镉电池、碲化镉电池、硅-碲化镉电池、磷化铟电池等多种，而以硅电池发展得最为成熟。硅太阳电池是用地球上富有的元素硅制造的，其工艺比一般晶体管的制造工艺简单。单体硅电池呈平直的片状结构，尺寸有：2×2cm2、2×4cm2、2×6cm2等多种，也有制成圆形、半月形、月牙形、多角形的，以充分利用硅单晶材料。硅太阳电池能把太阳能直接转变成直流电。大量生产的硅电池，其光一电转化效率一般为9～12％，也就是在地面阳光强度为1kw／m2的条件下，每平方厘米的硅电池，能发出10毫瓦的电能。 

目前，硅太阳电池是人造卫星、宇宙飞船上的主要能源装置，在地面上则与蓄电池配合，作为特殊电源使用。白天有光照时，硅电池一方面给仪器或设备供电，同时将剩余的电能贮存在蓄电池里，到夜晚或阴雨天再由蓄电池供电。在一些无电或少电的边远地区，硅太阳电池——蓄电池组作为小功率独立电源，可以发挥很大的作用。例如可为无人灯塔、海上航标灯、山地无人气象站、地震观测站、无线电中继站、沙漠里的抽水机等固定的永久性设备供电，也可以作为半导体收音机、钟表、打火机、家用照明灯、铁路信号灯等的电源。 

太阳电池对开发利用太阳能意义重大，在许多高技术领域它是一种清洁的、方便的能源装置，它作为光电检测元件具有独特的优点，很适于在电影机、雷达、照相机、火灾报警器、光电跟踪器等仪器中应用。但目前太阳电池的制造工艺还很复杂，成本很高，这就影响了它在地面上的推广应用。另外，它受日照条件的影响，昼夜的更迭和气候的变化都影响它的工作效率。太阳电池的寿命虽然从原理上讲是很长的，然而实际却有限，太阳电池的组件由于受到雨水、热和紫外线的辐射而恶化。此外脏物、灰尘等都影响着它的使用寿命。对这些问题科学家正在寻找解决的方案。 

热电站 

利用煤、石油和天然气等燃料发电的电厂叫火力发电厂，又发电又供热的火力发电厂叫做热电厂（也叫热电站）。热电厂能较充分地利用发电厂释放的废热，使燃料得到充分利用。 

以燃用煤粉的发电厂为例，火力发电厂的生产过程是：把煤粉送到锅炉中燃烧，放出热量，加热锅炉中的水，产生具有一定温度和压强的蒸汽。这个过程是把燃料的化学能转化成蒸汽的内能。再将具有一定温度和压强的蒸汽送入汽轮机内，带动汽轮机转子旋转。这个过程是把蒸汽的内能转化成汽轮机的机械能。汽轮机带动同一轴上的发电机旋转而发出电来。这一过程是把机械能转化为电能。根据火力发电厂的生产过程，其生产系统主要包括汽水系统、燃烧系统及电气系统。在火力发电厂的生产过程中，进入汽轮机中的高压热蒸汽不断膨胀，流速增大，冲动汽轮机转子带动发电机发电。在膨胀过程中，蒸汽的压强和温度不断降低，最后排入冷凝器中。在冷凝器中，汽轮机排出的蒸汽被冷却水冷却，成为凝结水，凝结水经水泵升压后，重新打回锅炉中，构成一个闭合的热力循环系统。但其循环的热效率很低，一般很少超过40％，这就说明燃料所发出的热量中有60％损失掉了，而其中绝大部分是蒸汽在冷凝器中传递给冷却水的热量。一般冷却水吸热后温度要升高10℃左右，凝结1kg蒸汽，需要通过冷凝器的冷却水质量差不多是蒸汽质量的40～50倍。大量的冷却水，带走了大量的热量。但是由于水量庞大，水温较低，这部分热量很难利用，经常是把带走大量热量的冷却水送到河流或冷却水池中去，热量白白损失在大气中了。例如国产的中压2.5万千瓦机组，进入冷凝器的蒸汽量为86t/h，冷却水带走的热量约为1．9×108J／h，相当于消耗标准煤6．4t／h。 

如果能把这部分热量利用起来，就可以提高燃料利用率，发电厂的经济效益就能提高。我们知道某些工业需要利用低压蒸汽，如化工、印染、造纸、棉纺等工厂，而这些工厂常是自备锅炉供给蒸汽；又如厂矿、机关、学校等单位和家属区的供暖和生活用水也都要自备锅炉供给蒸汽和热水。如果利用电厂的蒸汽来解决它们的供热需要，就可以节省许多低压锅炉，无需添置设备和消耗燃料。节省大量的人力、物力。热电厂就是这样一种既供电又供热的发电厂。排汽压超过105Pa（1大气压），排汽全部供给热用户使用的汽轮机叫做背压式汽轮机。以用背压式汽轮机供热的热电厂为例，它的供热过程是，由锅炉产生的蒸汽，进入汽轮机做功，排汽不经过冷凝器直接送到热用户使用，回收的凝结水经给水泵再送至锅炉。由于这种供热方式的热电厂不需冷凝汽及其附属设备，使得设备简单投资少