探秘新能源 实现碳中和

倪志强

(浙江省杭州市临平职业高级中学，浙江 杭州 311100)

“魅力物理，魔幻实验”是杭州市精品知识拓展类选修课程，由一系列物理实验组成，在我校“中本一体”班实施。自2018年来，我校数控专业创办直升本科的“中本一体”班，学生素质较好，由于升学应试的压力小，学生动手能力逐渐增强。为更好地提升学生核心素养，高校要求开设普高物理必修课程，我校对该班教学进行了改革探索，开设“探秘新能源”选修课，通过一系列科学实验来激发学生的兴趣，促使其主动参与学习，深度理解概念、掌握规律，完善学科结构，领悟科学方法，了解学科前沿，提升核心素养，为进入本科院校后的数控专业学习打好扎实基础。

1 发电的奥秘

“探秘新能源”选自物理课程的“电磁感应现象”，是中学物理的主干内容。发电的奥秘立足主题拓展，补充知识应用。通过该课题的学习，学生经历类似科学家发现电磁感应的过程，寻得产生感应电流的条件，拓展对自感和互感、涡流和反电动势的理解，为大学物理学习打基础。

1.1 神奇的发光

(1)在讲台上放一台用布遮掩着的电磁炉。

(2)让学生将带有发光二极管的线圈靠近电磁炉台面。当线圈靠近时，教师给电磁炉通电，时间不能太早，以防电磁炉空载保护。

现象：发光二极管发光。

说明：学生没有注意到电磁炉通电，也不清楚“感应”，对实验现象深感意外。

(3)逐渐增大线圈与电磁炉之间的距离。

现象：发光二极管逐渐变暗。

问题：产生上述现象的原因是什么？

猜测：发光二极管的亮度受穿过线圈磁通量变化率的影响。

1.2 发电的奥秘

(1)摇动用布包着的手摇电筒(图1)。

图1

现象：灯不断闪烁。

(2)展示内部结构，提出问题。

内部结构：线圈和磁铁。

电能来源：磁铁的机械能转化为电能。

发电原理：电磁感应。

怎样使发光二极管更亮？

学生回答：使磁铁运动更快、磁铁磁性更强、线圈匝数更多。

1.3 探究发电原理

挑战：让连接线圈的灯泡发光。

器材：学生电源、可拆变压器等。

要求：不能直接把灯泡接到学生电源上，通过实验解决问题。

(1)将与灯泡连接的线圈套在如图2所示的铁芯上。

图2

(2)给可拆变压器线圈通以直流电。

现象：小灯泡不发光。

(3)给可拆变压器线圈通以交流电。

现象：小灯泡发光。

原因：当线圈中磁通量发生变化时小灯泡发光。

(4)逐渐调高交流电的电压。

现象：调高电压时小灯泡变亮，调低电压时小灯泡变暗。

原因：交流电电压越高，流过可拆变压器线圈的电流越大，通过与小灯泡相连线圈的磁通量变化率越大，小灯泡就越亮。

(5)接上可拆变压器上匝数较多的线圈。

现象：小灯泡变暗了。

学生对此很疑惑，讨论后找到了原因。

造成学生产生疑惑的原因是：不能明确研究对象，因果关系模糊。在变压器原、副线圈中，原线圈电压由输入电源决定，电源和原线圈匝数等影响着磁通量变化率，它与副线圈的匝数共同决定了副线圈上产生的感应电动势。

1.4 设计意图

神奇的发光：实验器材选用生活中熟悉的电磁炉，使学生感觉物理就在身边，出乎意料的现象激发了学生强烈的好奇心和自主探索的兴趣。

发电的奥秘：(1)用手电筒回顾电磁感应现象的主干内容，加深对电源的理解；(2)用可拆变压器深入探究电磁感应现象，但因学生能力不足，会产生许多疑惑，从而培养学生的质疑精神和严谨的科学态度，提升他们的核心素养。

2 探秘新能源

新材料、新能源技术推动了人类社会的发展变化，学生应了解科学与技术的发展，具备可持续发展意识，培养科学服务于人类的社会责任感。

碳中和是全球努力的目标，我国政府对此十分重视。开发新能源与技术创新能有效缓解能源危机，努力探索绿色环保的发电方式，提高能源利用效率。

2.1 风力发电

教师利用电动机和风扇使发光二极管发光(图3)，引导学生观察现象、分析原因。

图3

知识链接：风力发电就是把风的动能转变成风轮的动能，再由发电机转化为电能。装置由风轮(含尾舵)、铁塔和发电机三部分组成。风力发电是一种可再生、永不枯竭、潜力很大的新能源。我国有极为丰富的风力资源，甘肃酒泉被称为“风电三峡”，江苏的黄海被称为“海上风电三峡”。风力发电技术成熟，在可再生能源中成本相对较低，边远地区生产、生活用电广泛选用了小型风电机组。

2.2 光伏发电

(1)按图4连接实验电路，将太阳光照射太阳能电池板，发现小电风扇转动起来。

图4

(2)让太阳光隔着窗户和车窗玻璃等照射太阳能电池板，发现小电风扇仍然转动。

(3)用白炽灯、节能灯和日光灯管的光分别照射太阳能电池板，发现小电风扇不转动。

知识链接：光伏发电装置主要由太阳电池板、控制器和逆变器三大部分组成。太阳电池板是利用半导体(主要有硅、硫化镉、砷化镓)界面的光电效应将光能直接转换成电能的电池。太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有清洁、安全、广泛、经济、资源充足等优点。但太阳能电池板的生产却存在高污染、高能耗等问题。

2.3 温差发电

如图5所示，取两段相同的铜丝和一段铁丝，将两根铜丝的一端分别接在灵敏电流计正负接线柱上，另一端分别与铁丝的一端绞结在一起。用烛焰加热铜丝与铁丝的绞结端M，发现电流计的指针发生偏转。

图5

学生通过讨论，指出其原因是：高温绞结处的自由电子向低温绞结处做定向移动，从而产生电流。教师再提出问题：增大回路中电流的措施有哪些？

知识链接：塞贝克效应是在两种不同导电材料组成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势差使内能转变为电能的现象。1821年，德国科学家塞贝克发现：对由两种不同金属构成的闭合回路某接点加热时，在回路附近的指南针发生了偏转，他认为使指南针偏转的磁场是温度梯度磁化了金属导线而产生。但电路切断后温度梯度依然存在，而指南针偏转的现象却消失，可见导线周围磁场随着消失，说明不是热磁效应。后人研究发现塞贝克效应是热电效应造成的。

2.4 记忆合金

(1)将拉伸变形的记忆金属弹簧放入热水中后就恢复原状。

(2)记忆合金发动机采用记忆合金金属丝链接两个轮子(图6)，取一杯温度为60 ℃的热水，将小轮的三分之一放入热水中，发现它开始运转，从水中取出，依然可以运转一段时间。

图6

学生通过讨论，指出其原理是：① 魔力发动机是利用温差驱动记忆合金丝产生动能。② 形状记忆合金是由两种以上金属材料所构成，通过热弹性马氏体相变及其逆变，具有形状记忆功能。③ 在外力作用下变形了的记忆合金会在一定的温度条件下恢复原状。

(3)引导学生尝试用记忆金属弹簧设计一个电机。

2.5 设计意图

(1)利用实验室器材，了解风力发电、光伏发电、温差发电、记忆合金发电等，体会科学的神奇。科学实验并不会一帆风顺，如会出现铜与铁接触不良、铁丝燃烧氧化或断裂等，让学生体会科学探索的艰辛，培养学生勇于克服困难的精神。

(2)利用网购器材，了解温差发电的基本原理。

(3)利用记忆合金，增加实验的趣味性，了解新材料、新技术的发展。

3 实验探究

教师布置挑战任务，学生自主选择实验器材，小组讨论实验方案设计，学生亲历合作探究过程，观察物理现象，探求其本质特征。

实验器材为：水果(橙子、苹果)、锌片、铜片、发光二极管、开关、灵敏电流计、滑动变阻器、电流传感器、电压传感器等。

3.1 挑战任务

(1)合理选择器材，制作一个水果电池；

(2)用多种方法判断出电源的正负极；

(3)猜测影响水果电池的电动势、内阻大小的因素；

(4)利用DIS设计测量电动势和内阻实验；

(5)探究影响电动势、内阻大小的因素。

3.2 自主实验

(1)将铜片与锌片插入水果中，该装置就是水果电池，将灵敏电流计接入水果电池电路中(图7)。发现电流计指针发生偏转，铜片为电源正极，锌片为电源负极。

图7

(2)将发光二极管接入水果电池电路中，其正极与铜片相连。发光二极管不能发光，其原因是水果电池的电动势太小，学生提出解决方案：串联几个苹果(或橙子)电池。

(3)学生提出猜想：影响水果电池的电动势、内阻大小的因素为水果种类和酸甜度、电极的材料、插入深度、两极间距离等。

(4)实验原理为：E=U+Ir，学生选用电压传感器、电流传感器，采用伏安法设计电路，填写数据记录表，利用Excel绘图、拟合，得到电动势与内阻的数值。

表1

3.3 设计意图

基于学生所学物理知识和初步掌握的科学探究方法，在探究中学会用已有的知识分析与解释实验现象，学习使用传感器、Excel拟合等信息技术手段，掌握实验探究的方法，形成物理观念，以发散性的思维去解决实际问题。

4 教学建议

(1)合理选题：基于学生的物理基础与能力，精选与课程相关的实验，选择器材，设计恰当的课题。

(2)基于实验：物理学是以实验为基础的自然科学，实验可激发学生探索兴趣，培养创新精神，掌握科学方法，培养协作能力，提高核心素养。

(3)个性拓展：拓展学生视野，引入新科技，开展科技实践，开拓学生眼界，满足学生个性需求，实现学生的可持续发展。

(4)学生探究：学生容易被陌生、新奇的器材吸引而产生兴趣，这为自主探究、积极尝试、努力解决问题创设了条件，可以根据自身需求，设计实验方案、探索自己感兴趣的问题。

“探秘新能源”选修课程的开设，以学生形成“物理观念”、发展“科学思维”、经历“实验探究”、养成“科学态度与责任”为课程目标，力求通过课外学习实践，提高学生的核心素养。一年来，由学生从盲目服从、被动接受，变为欣喜悦纳、主动参与，取得可喜成果。