【正文】 些可以從自然界直接獲取的能源，統(tǒng)稱(chēng)為一次能源．其中煤炭、石油和天然氣是當(dāng)今世界中一次能源的三大支柱，構(gòu)成了全球能源家族結(jié)構(gòu)的基本框架．我們使用的電能，無(wú)法從自然界直接 獲取，必須通過(guò)一次能源的消耗才能得到的能源叫二次能源．包括電力、煤氣、汽油、煤油、焦炭、潔凈煤、激光和沼氣等等． 人類(lèi)生活中，還廣泛利用食物等生命物質(zhì)中存儲(chǔ)的化學(xué)能．這類(lèi)由生命物質(zhì)提供的能量稱(chēng)為生物質(zhì)能．生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式．它直接或間接來(lái)源于植物的光合作用．地球上的植物進(jìn)行光合作用所消費(fèi)的能量，占太陽(yáng)照射到地球總輻射量的 %．這個(gè)比例雖不大，但絕對(duì)值很驚人，光合作用消費(fèi)的能量是目前人類(lèi)能源消費(fèi)總量的 40 倍．可見(jiàn)，生物質(zhì)能是一個(gè)巨大的能源．人類(lèi)和動(dòng)物從植物或其他動(dòng)物獲取 生物質(zhì)能以維持生命． 化石能源、核能會(huì)越用越少，不可能在短期內(nèi)從自然界得到補(bǔ)充，所以它們屬于不可再生能源．而水的動(dòng)能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能，可以在自然界里源源不斷地得到，所以它們屬于可再生資源． 實(shí)際上，自然界提供的能源我們還沒(méi)有充分利用．化石能源、水能、風(fēng)能都是來(lái)源于太陽(yáng)的輻射能即太陽(yáng)能（圖 16－ 1）．化石能源可以用完，但太陽(yáng)能可以說(shuō)是取之不盡的．自然界存在的潮汐能、地?zé)崮芤策€沒(méi)有充分利用．隨著人類(lèi)日益深入地認(rèn)識(shí)自然，上世紀(jì)還發(fā)現(xiàn)了核能． 開(kāi)發(fā)和利用新能源，特別是核能和太陽(yáng)能，是解決問(wèn)題的主要出路． 圖 16－ 1 太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化． 太陽(yáng)把地面和空氣曬熱，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．曬熱的空氣上升，空氣流動(dòng)形成風(fēng)，又轉(zhuǎn)化為風(fēng)能．太陽(yáng)把水面和地面曬熱，并使一部分水蒸發(fā)，蒸發(fā)的水汽升到空中形成云，以雨、雪的形式落下來(lái)，流入江河，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為水能．植物吸收太陽(yáng)能，發(fā)生光合作用，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為植物的化學(xué)能．植物作為食物被動(dòng)物吃掉，又轉(zhuǎn)化成動(dòng)物的化學(xué)能．古代的動(dòng)植物在地質(zhì)變遷中變?yōu)槊?、石油、天然氣，轉(zhuǎn)化為這些燃料的化學(xué)能． 【學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)】 近似處理思維法 這是在物理學(xué)中經(jīng)常運(yùn)用的 一種忽略不計(jì)的思維方法，即在各具體物理過(guò)程中，對(duì)各種制約物理變化的因素進(jìn)行分析比較，忽略次要因素，突出重點(diǎn)，抓住主要因素的思維方法． 例如在空氣中用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)重力時(shí)，空氣對(duì)物體的浮力忽略不計(jì)，但如果把物體放入水中，就不能忽略水的浮力了． 由此可見(jiàn)，進(jìn)行近似處理思維時(shí)，一要全面分析存在的各種因素；二要對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行正確的數(shù)量級(jí)的估算；最后綜合考慮，決定取舍，合理確認(rèn)那些可以忽略不計(jì)的量． 二、核能 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．了解核能、核裂變和核聚變； 2．了解核能的優(yōu)點(diǎn)，還要知道它可能帶來(lái)的問(wèn)題． 【基礎(chǔ)知識(shí) 精講】 1．放射現(xiàn)象 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)鈾、釙、鐳等元素能夠放出射線(xiàn)，這種射線(xiàn)能夠穿透黑紙，使照相底片感光，就像光線(xiàn)可以使照相底片感光一樣．那么，放出的射線(xiàn)究竟是什么呢？ 圖 16－ 3 人們讓射線(xiàn)通過(guò)很強(qiáng)的磁場(chǎng)，看看它有什么反應(yīng)，以此來(lái)考察它的性質(zhì)．如圖 16－ 3 所示，把一小塊放射性物質(zhì)放在鉛盒里，留有一個(gè)通道讓射線(xiàn)射出，外面加有強(qiáng)磁場(chǎng)．人們發(fā)現(xiàn)射線(xiàn)分成了三束．其中兩束向相反方向偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明這兩束射線(xiàn)由帶電粒子組成，而且?guī)в挟惙N電荷．另一束不偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明這束射線(xiàn)是中性的． 偏轉(zhuǎn)較小的那一束叫做 α 射線(xiàn)，由帶正電的 α 粒子組成， α 粒子所帶正電荷是電子電荷的兩倍， α 粒子的質(zhì)量大約等于氦原子的質(zhì)量．研究表明， α 粒子就是氦原子核． 偏轉(zhuǎn)較大的那一束叫做 β 射線(xiàn)，研究表明， β 射線(xiàn)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流． 不偏轉(zhuǎn)的那一束叫做 γ 射線(xiàn)，是一種波長(zhǎng)很短的電磁波． 這三種射線(xiàn)都有穿透物質(zhì)的本領(lǐng)，其中 γ 射線(xiàn)的穿透本領(lǐng)最強(qiáng)，甚至能穿透水泥墻和薄鋼板．由于穿透本領(lǐng)強(qiáng)，所以可利用 γ 射線(xiàn)來(lái)檢查金屬材料內(nèi)部有沒(méi)有砂眼和裂縫，用來(lái)檢查金屬板的厚度．還可利用射線(xiàn)照射種子，使農(nóng)作物增產(chǎn)． γ 射線(xiàn)還可用來(lái)檢查和醫(yī)治惡性 腫瘤 ． 過(guò)量的射線(xiàn)照射對(duì)人體有傷害作用．在利用放射線(xiàn)時(shí)，要注意射線(xiàn)的防護(hù)，用鉛玻璃板、鉛板等把放射性物質(zhì)與人體隔離開(kāi)．要防止放射性物 9 質(zhì)泄漏，以避免對(duì)水源、空氣和工作場(chǎng)所造成污染． 2．原子、原子核 一切物質(zhì)由分子組成，分子又由原子組成．有些物質(zhì)的分子就是一個(gè)原子．原子十分小，它的直徑不到一個(gè)納米．原子由質(zhì)子、中子、電子三種粒子組成．質(zhì)子帶正電荷，電子帶負(fù)電荷，中子不帶電．質(zhì)子和中子的質(zhì)量比電子大得多，擠在處于原子中心的構(gòu)成非常小的原子核中，就像幾顆豆粒擠在大廣場(chǎng)中央一小塊彈丸之地一樣． 3．核能 質(zhì)子、中子依靠 強(qiáng)大的核力緊密地結(jié)合在一起，因此原子核十分牢固，要使它們分裂或重新組合是極其困難的．但是，一旦使原子核分裂或聚合，就可能釋放出驚人的能量，這就是核能．核能是能源家族的新成員，它包括核裂變能和核聚變能兩種主要形式． 4．裂變 圖 16－ 4 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用中子轟擊鈾 235（質(zhì)量數(shù)為 235的鈾），鈾核會(huì)分裂成大小相差不很大的兩部分，這種現(xiàn)象叫做裂變（圖 16－ 4）．發(fā)生裂變時(shí)有核能釋放出來(lái)，這時(shí)裂變后的產(chǎn)物以很大速度向相反方向飛開(kāi)，與周?chē)姆肿优鲎?，使分子?dòng)能增加，轉(zhuǎn)化 為物體的內(nèi)能．裂變釋放的核能十分巨大，1 kg鈾 235 中的鈾核如果全部發(fā)生裂變，釋放出的能量相當(dāng)于 2500 t 標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒放出的能量． 圖 16－ 5 用中子轟擊鈾核，鈾核才能發(fā)生裂變，放出能量．這好比用火柴點(diǎn)燃木材，木材才能燃燒，放出能量一樣．假如外界的中子停止轟擊，裂變也就停止．然而實(shí)驗(yàn)表明，鈾核裂變時(shí)，還同時(shí)放出 2~3 個(gè)中子，放出的中子又可以轟擊其他鈾核，使它們也發(fā)生裂變．這樣，裂變將不斷地自行繼續(xù)下去（圖 16－ 5）．這種現(xiàn)象叫做鏈?zhǔn)椒磻?yīng)． 圖 16－ 6 如果對(duì)裂變的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不加控制，在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)釋放出巨大的核能，發(fā)生猛烈爆炸，原子彈就是根據(jù)這個(gè)原理制成的（圖 16－ 6）．如果控制鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度，使核能慢慢地平穩(wěn)地釋放出來(lái)，就便于和平利用了．能夠緩慢、平穩(wěn)地釋放核能的裝置，叫做核反應(yīng)堆． 5．聚變 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，較輕的核結(jié)合成較重的核，也能釋放能量，這種現(xiàn)象叫做聚變．例如一個(gè)氘核（質(zhì)量數(shù)為 2 的氫核）和一個(gè)氚核（質(zhì)量數(shù)為 3的氫核）結(jié)合時(shí)，就釋放出核能（圖 16－ 7）． 圖 16－ 7 氫彈就是利用輕核聚變制成的．氫彈是一種比原子彈威力更為巨大的核武器． 太陽(yáng)內(nèi)部進(jìn)行著大規(guī)模的聚變，釋放的核能以電磁波的形式從太陽(yáng)輻射出來(lái)，地球上的生物每天都享用著聚變釋放出的能量． 如何實(shí)現(xiàn)聚變，如何利用聚變釋放的核能，科學(xué)家正在積極地探索著．海水中蘊(yùn)藏著豐富的、可以實(shí)現(xiàn)聚變的氚核．科學(xué)家預(yù)言，通過(guò)可控制聚變來(lái)利用核能，有望徹底解決人類(lèi)能源問(wèn)題．愿同學(xué)們今后對(duì)此做出貢獻(xiàn)． 【學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)】 逆向思考法 在本節(jié)內(nèi)容中介紹了“核裂變”和“核聚變”．“裂變”和“聚變”是兩個(gè)相反的過(guò)程．在物 理學(xué)中我們經(jīng)常會(huì)遇到一些問(wèn)題，不但要知道它的“正”過(guò)程，而且要知道它的“反過(guò)程”．而且在科學(xué)探究的過(guò)程中，許多科學(xué)家正是抱著堅(jiān)定的信念，執(zhí)著而頑強(qiáng)地探索，終于得出了令人矚目的成果． 奧斯特在發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)以后，法拉第在思考中逐漸形成了一種想法：既然電會(huì)產(chǎn)生磁，那么磁能不能產(chǎn)生電呢？法拉第經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)，頑強(qiáng)地向認(rèn)定的目標(biāo)前進(jìn)，終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象． 在這個(gè)典型實(shí)例中，法拉第就是運(yùn)用了“逆向思考法”大膽地提出了猜想，然后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論． 同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)中，不但經(jīng)常要“正向”思考，而且也要“逆向” 思考，這樣才能舉一反三，把知識(shí)掌握好，運(yùn)用靈活． 三、太陽(yáng)能 【學(xué)習(xí)目標(biāo)】 1．初步認(rèn)識(shí)太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)，知道太陽(yáng)能是人類(lèi)能源的寶庫(kù)； 2．大致了解太陽(yáng)能的利用方式； 3．能保持對(duì)大自然的好奇，初步領(lǐng)略自然現(xiàn)象的美妙與和諧，對(duì)大自然有親近、熱愛(ài)、和諧相處的情感； 4．具有對(duì)科學(xué)的求知欲，樂(lè)于探索自然現(xiàn)象和日常生活中的物理學(xué)道理，有將科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于日常生活、社會(huì)實(shí)踐的意識(shí)． 【基礎(chǔ)知識(shí)精講】 1．太陽(yáng)是巨大的“核能火爐”． 你知道太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)嗎？太陽(yáng)由太陽(yáng)大氣、對(duì)流層、輻射層、太陽(yáng)核心組成． 我們知道原子核發(fā)生聚 變時(shí)，將釋放出更大的核能．太陽(yáng)核心的溫度高達(dá) 1500萬(wàn)攝氏度，氫原子核在超高溫下發(fā)生聚變，釋放出巨大的核能．因此，太陽(yáng)核心每時(shí)每刻都在發(fā)生氫彈爆炸，比原子彈爆炸的威力更大． 太陽(yáng)核心釋放的能量向外擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)數(shù)千年的時(shí)間傳送到太陽(yáng)表面．太陽(yáng)表面的溫度約 6000 ℃，就像一個(gè)高溫氣體組成的海洋．大部分太陽(yáng)能以熱和光的形式向四周輻射出去．太陽(yáng)這個(gè)巨大的“核能火爐”已經(jīng)穩(wěn)定地“燃燒”了 50 億年．目前，它正處于壯年，要再過(guò) 50 億年它才會(huì)燃盡自己的核燃料．那時(shí)，它可能膨脹成為一個(gè)巨大的紅色星體? 2．太陽(yáng)是人類(lèi)能源的寶 庫(kù)． 太陽(yáng)向外輻射的能量中，只有五億分之一傳遞到了地球，其中又只有不到一半被地球接收．太陽(yáng)光已經(jīng)照射著我們的地球 50億年了．地球在這50 億年中積累的太陽(yáng)能是我們今天所用大部分能量的源泉． 照射在地球上的太陽(yáng)能非常巨大，大約 40 分鐘照射在地球上的太陽(yáng)能，便足以供全球人類(lèi)一年能量的消費(fèi)．可以說(shuō)，太陽(yáng)能是真正取之不盡、用之不竭的能源． 煤、石油、天然氣是地球給人類(lèi)提供的最主要的一次能源．然而，這些化石燃料的“年齡”都有上億年了，遠(yuǎn)古時(shí)期陸地和海洋中的植物，通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為生物體的化學(xué)能．在它們死后，軀體 埋在地下和海底腐爛了．滄海桑田，經(jīng)過(guò)幾百萬(wàn)年的沉積、化學(xué)變化、地層的運(yùn)動(dòng)，在高壓下漸漸變成了煤和石油．在石油形成過(guò)程中還放出天然氣．今天，我們開(kāi)采化石燃料來(lái)獲取能量，實(shí)際上是在開(kāi)采上億年前地球所接收的太陽(yáng)能． 3．太陽(yáng)能的利用． 人類(lèi)除了間接利用存儲(chǔ)在化石燃料中的太陽(yáng)能外，還設(shè)法直接利用太陽(yáng)能．目前直接利用太陽(yáng)能的方式有兩種，一種是用集熱器把水等物質(zhì)加熱，另一種是用太陽(yáng)電池把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能． 你有興趣的話(huà)，來(lái)做做下面這個(gè)小制作： 10 在一個(gè)黑色的盤(pán)子和一個(gè)白色的盤(pán)子中分別注入約 1 cm 深的冷水，用溫度計(jì)測(cè)量水 的初溫，用塑料紙或玻璃板蓋在盤(pán)子上，然后放在陽(yáng)光下曬一個(gè)小時(shí)，移開(kāi)蓋板，再測(cè)這時(shí)的水溫，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，黑色盤(pán)子中的水溫會(huì)比白色盤(pán)子中的水溫高．這是因?yàn)楹谏矬w更容易吸收太陽(yáng)光的能量．我們制作的這個(gè)裝置就是太陽(yáng)集熱器． 太陽(yáng)集熱器是用來(lái)把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，再把水或其他介質(zhì)加熱，或轉(zhuǎn)化為其他形式的能量加以利用． 圖 16－ 10 簡(jiǎn)單的平板型集熱器，由一塊金屬板（銅、鋁、鋼板等）構(gòu)成．如圖16－ 10所示．朝太陽(yáng)的一面處理成吸收系數(shù)大的黑色表面，以充分吸收太陽(yáng)的輻射 能．當(dāng)水流過(guò)金屬板背面時(shí)，金屬板吸收的太陽(yáng)能就把水加熱．為了充分把收集的太陽(yáng)熱量傳給介質(zhì)．金屬板朝太陽(yáng)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(shè)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．除了平板型集熱器外，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． 太陽(yáng)能的另一種大型集中的利用就是太陽(yáng)能發(fā)電．太陽(yáng)能發(fā)電絕對(duì)干凈、不產(chǎn)生公害．所以太陽(yáng)能發(fā)電被譽(yù)為是最理想的 能源． 從太陽(yáng)能獲得電力，需通過(guò)太陽(yáng)電池進(jìn)行光電變換來(lái)實(shí)現(xiàn)．它同以往其他電源發(fā)電原理完全不同，具有以下特點(diǎn)： （ 1）無(wú)枯竭危險(xiǎn)； （ 2）絕對(duì)干凈（無(wú)公害）； （ 3）不受資源分布地域的限制； （ 4）可在用電處就近發(fā)電； （ 5）能源質(zhì)量高； （ 6）使用者從感情上容易接受； （ 7）獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短． 不足之處是： （ 1）照射的能量分布密度小，即要占用巨大面積； （ 2）獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)．但總的說(shuō)來(lái)，瑕不掩瑜，作為新能源，太陽(yáng)能具有極大優(yōu)點(diǎn)，因此受到世界各國(guó)的重視． 太陽(yáng)能電池的成本較高 ，而且每個(gè)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電壓較低，目前只有航天工業(yè)大量使用太陽(yáng)能電池，日常生活中僅用于計(jì)算器、手表等耗電少、工作電壓低的物品． 要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換頻率并降低其成本，二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)． 目前，太陽(yáng)能電池主要有單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅三種．單晶硅太陽(yáng)能電池變換效率最高已達(dá) 20%以上，但價(jià)格也最貴．非晶態(tài)硅太陽(yáng)能電池效率最低，但價(jià)格最便宜，今后最有希望用于一般發(fā)電的將是這種電池．一旦它的大面積組件光電變換效率達(dá)到 10%，每當(dāng)發(fā)電設(shè)備價(jià)格降低到 10～ 20 元 ，便足以同現(xiàn)在的發(fā)電方式競(jìng)爭(zhēng)． 當(dāng)然，特殊用途和實(shí)驗(yàn)室中用的太陽(yáng)能電池效率要高得多，如美國(guó)波音公司開(kāi)發(fā)的砷化鎵半導(dǎo)體同銻化鎵半導(dǎo)體重疊而成的太陽(yáng)電池，光電變換效率可達(dá) 36%，快趕上了燃煤發(fā)電的效率．但由于它太貴，目前只能限于在衛(wèi)星上使用． 【學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)】 分類(lèi)法 分類(lèi)法是日常生活中最常用的方法之一，有時(shí)我們已經(jīng)將遇到的事物不自覺(jué)地分類(lèi)了，只是沒(méi)有意識(shí)到．超市里的商品需要分類(lèi)，動(dòng)植物需分類(lèi)，萬(wàn)事萬(wàn)物