資源簡介

學習任務單
課程基本信息
學科 物理 年級 九年級 學期 秋季
課題 太陽能
學習目標
1.知道太陽能的由來及其特點。 2.了解利用太陽能的方式及其新進展；通過對太陽能及其轉化情況的討論，能用能量轉化觀 點分析問題。 3.通過自制太陽能集熱器的實驗，經歷科學探究的過程，會用科學方法解決問題。 4.對于能源的開發與利用有可持續發展的意識。
課前學習任務
1.預習本課教材內容。 2.收集生活中利用太陽能的例子。
課上學習任務
【學習任務一】 觀看科普紀錄片片段《宇宙與人》中有關太陽的介紹，閱讀課本中的內容，回答問題。 1、太陽的結構是怎樣的？ 2、地球距離太陽有多遠？ 3、太陽有多大？ 4、太陽有多熱？ 5、太陽的能量來源是什么？ 6、太陽的年齡是多少？它還能燃燒多少年？
【學習任務二】 請解釋地球上的能量是怎樣轉化和守恒的？為什么我們現在開采的煤、石油等化石能源實際 上都是來源于上億年前太陽上的核能？ 【學習任務三】 人類直接利用太陽能的兩種方式？ 自制太陽能集熱器，探究黑色和白色對太陽能的吸收有什么不同？ 數據記錄及實驗結論。 顏色初始水溫 T1/℃最終水溫 T1/℃黑白
【學習任務四】 課堂小結，記錄筆記。 (
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) 1、 人造太陽 “ 國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃 ”是一個能產生大規模核聚變反應的工程計劃，其 主要實驗裝置俗稱“人造太陽 ”。 核聚變研究是當今世界科技界為解決人類未來能源問題而開展的重大國際合作內容。與 不可再生能源和常規清潔能源不同，聚變能具有資源無限、不污染環境、不產生高放射性核 廢料等優點，是人類未來能源的主導形式之一。開發利用聚變能，是目前人類認知到的可以 最終解決人類社會能源問題和環境問題、推動人類社會可持續發展的重要途徑之一。ITER 計 劃集成了當今國際受控磁約束熱核聚變研究的主要科學和技術成果，擁有可靠的科學依據并 具備堅實的技術基礎。
中國新一代“人造太陽 ”實驗裝置 EAST 是由中國科 學家獨立設計、 自主建造的。2006 年 9 月 28 日，EAST 首次成功完成放電實驗，獲得大小為 200kA、持續時間接 近 3s 的電流，成為世界上第一個建成并真正運行的全超 導非圓截面核聚變實驗裝置。 2、太陽能的利用 太陽是離地球最近的一顆恒星，是個不斷進行核聚變反應的巨大的熾熱的球狀氣團。由 于其內部深處的極高溫度（約 2×107 ℃) 和極高壓力（約 2×1016 Pa，相當于標準大氣壓 2000 億倍），使原子的熱核反應得以不斷進行，從而通過太陽表面以光的形式向宇宙空間輻射出巨 大的能量，這就是太陽能。據粗略估計，太陽向地球表面輻射功率為 1.7×1014kW。我國幅員 遼闊， 日照充足，一年可獲得的太陽能約為 1016kW·h，相當于 1.2x1012t 標準煤釋放的能量。 隨著生產和技術的發展，人們已開始將太陽能轉化為其他能量形式加以利用。例如，將 太陽能轉化為化學能、 內能、電能等。這種能量的轉化過程分別叫作光化轉化、光熱轉化、 光電轉化。其中光化轉化最常見的是通過植物的光合作用進行的。例如“燃料栽培 ”法就是 利用太陽能催長草木和藻類，然后將草木進行高溫分解，制得木炭、燃氣等燃料；將藻類進 行發酵，制得沼氣和氫氣。這樣“栽培 ”出來的燃料減少了污染，用完了還可再生。不過自 然界中植物通過光合作用將太陽能轉化成自身的化學能的效率是很低的，只有千分之幾。 在光熱轉化中，我們把實現這種轉化的裝置稱為太陽能集熱器。用它來把太陽輻射能轉 化為內能，再把水或其他介質加熱，或轉化為其他形式的能量加以利用。簡單的平板型集熱 器， 由一塊金屬板（銅、鋁、鋼板等）構成。如圖所示。朝太陽的一面處理成吸收系數大的 黑色表面，以充分吸收太陽的輻射能。當水流過金屬板背面時，金屬板吸收的太陽能就把水 加熱。為了充分把收集的太陽熱量傳給介質，金屬板朝太陽的一面裝上一層或多層玻璃或塑 料板，背面和四周加保溫設備以減少熱量損失，保持一定的加熱溫度。平板型集熱器可用于 加熱水、咸水淡化、房屋采暖、干燥以及制冰等。除平板型集熱器外，還有聚光式集熱器。 聚光式集熱器常用透鏡、拋物面反射鏡或多塊平面反射聚 光鏡，作為獲得能量密度較高的收集器，可以獲得上千度 的高溫。 把太陽能轉化成電能有兩種基本的途徑：一種是光電
轉化，即通過光電器件將太陽能直接轉化為電能，這叫光發電。另一種是光——熱—— 電轉 化，即先把太陽能轉化為內能，然后直接或間接地轉化成電能，這叫熱發電。太陽能電池就 是利用光電效應制成的一種發電器件（光電池）。 所謂光電效應，是金屬在光的照射下釋放出電子的現象。太陽能電池一般由具有擴散結 類型的半導體制成，是一種物理電池，只起能量的轉化作用，不發生化學變化。這種電池， 目前已用于人造地球衛星，地面上可作為太陽能航標燈、打火機、手表等的電源。太陽能作 為一種能源，具有來源豐富，不需要運輸，不會對環境造成污染等優點。但由于能量比較分 散且受季節、氣候和晝夜變化的影響很大，又給大規模利用太陽能帶來一些新的技術課題。 3、太陽能電池 在太陽能發電方面， 目前比較成功的是利用太陽能電池發電。太陽能電池是利用光電效 應制成的一種發電器件（光電池）。不過，用金屬制成的光電池，效率極低，只有應用了半導 體，才使光電池跨入了實用階段。 普通的太陽能電池，大多是由兩種不同導電類型（電子型和空穴型）的半導體構成的， 如圖所示。所謂電子型半導體是以電子導電為主的半導體，也叫 N 型半導體。它的制備是在 一塊純凈的半導體（如硅、鍺）中摻入某類雜質（如磷、砷、銻等）而成。它們能夠提供導 電的電子。所謂空穴型半導體是以空穴導電為主的半導體，也叫 P 型半導體。它的制備是在 一塊純凈的半導體中摻入某種提供導電 的空穴的雜質，如在硅中摻入硼。當 P 型 半導體和 N 型半導體接觸時，便在交界面 處即 P-N 結附近建立了內電場（或稱勢壘 電場）。由于此處的電阻特別高，所以也 稱為阻擋層。 當太陽光照射在器件上時，半導體內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）在內電場作用下移向器件的一端，使這一端呈現負極性。在器件的另一端， 由于 缺少了電子，呈現出正極性。這樣就在器件內形成一個與內電場方向相反的電場即光生電場。 由于在 P 區和 N 區之間產生了光生電動勢。如果把器件的這兩端用導線連接起來，導線中便 有電流產生。這就是太陽能電池的基本原理。若把幾個、幾十個這樣的電池元件串聯、并聯 起來，組成太陽能電池群（或稱太陽能電池板），在陽光照射下就能產生相當可觀的電流。
現在制成的太陽能電池有硅電池、砷化鎵電池、硫化鎘電池、碲化鎘電池、磷化銦電池 等多種，而以硅電池發展得最為成熟。硅太陽能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構，尺寸有：2cm×2cm、2cm ×4cm、2cm×6cm 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。硅太陽能電池能把太陽能直接轉變成直流電。大量生產的硅電池，其光電轉化效率一 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的發電功 率是 10mW。 目前，硅太陽能電池是人造衛星、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地區，硅太 陽能電池和蓄電池組作為小功率獨立電源，可以發揮很大的作用。例如可為無人燈塔、海上 航標燈、山地無人氣象站、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 備供電，也可以作為半導體收音機、鐘表、打火機、家用照明燈、鐵路信號燈等的電源。 太陽能電池對開發利用太陽能意義重大，在許多高技術領域，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點，很適于在電影機、雷達、照相機、火災報 警器、光電跟蹤器等儀器中應用。但目前太陽能電池的制造工藝還很復雜，成本很高，這就 影響了它在地面上的推廣應用。另外， 日照條件、晝夜的更迭和氣候的變化都影響它的工作 效率。太陽能電池的壽命雖然從原理上講是很長的，然而實際卻是有限的，太陽能電池的壽 命會受到雨水、熱、紫外線以及臟物、灰塵等的影響。對這些問題科學家正在尋找解決的方 案。

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