構(gòu)建能量轉(zhuǎn)化模型突破新能源試題

董耀　孫偉軍　葛靜

摘 要：縱觀近幾年各地中考試題，新能源試題頻繁出現(xiàn)。本文以近4年江蘇省鎮(zhèn)江市中考新能源試題為例進(jìn)行分析，旨在幫助學(xué)生建立理解物理模型，發(fā)展學(xué)生的建模技能。

關(guān)鍵詞：能量轉(zhuǎn)化；新能源；模型與建模

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）12-0043-4

1 問題的提出

近幾年各地中考試題頻繁出現(xiàn)以新能源利用為背景的試題，它體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)進(jìn)步的推動(dòng)，意在培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保節(jié)能意識(shí)。這類試題往往選材構(gòu)思新穎巧妙，需要學(xué)生從實(shí)際的生活情境入手，抽絲剝繭建立合理的物理模型，進(jìn)而運(yùn)用相應(yīng)的物理知識(shí)解決問題。但從筆者參加的近幾年中考閱卷結(jié)果來(lái)看，不少學(xué)生遇到與生活密切相關(guān)的新能源類問題時(shí)，往往不能靈活分析，解決實(shí)際問題。

下面筆者以近4年鎮(zhèn)江市中考新能源試題為例進(jìn)行分析，不妥之處請(qǐng)同行斧正。

2 能量轉(zhuǎn)化的物理模型構(gòu)建

2.1 物理模型的概念

物理建模是對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行科學(xué)的抽象化處理，保留主要因素，略去次要因素，得出能夠反映原物本質(zhì)特性的理想物質(zhì)（過程）或假想結(jié)構(gòu)的過程。物理模型的建立和分析過程也是科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力的提高過程。[1]

2.2 如何構(gòu)建能量轉(zhuǎn)化模型

建模教學(xué)把建模過程分為兩個(gè)階段：模型發(fā)展和模型運(yùn)用[2]。任何一個(gè)物理模型的發(fā)展都是經(jīng)歷錯(cuò)誤到正確，簡(jiǎn)單到復(fù)雜，這亦是學(xué)生認(rèn)知的發(fā)展過程。在建模過程中應(yīng)該對(duì)學(xué)生的認(rèn)知錯(cuò)誤加以利用，形成認(rèn)知沖突，提升學(xué)生的建模能力。

通過對(duì)比近4年鎮(zhèn)江市中考物理新能源試題（如表1），我們發(fā)現(xiàn)該類型題目與實(shí)際生活聯(lián)系緊密，字?jǐn)?shù)多，信息量大。因此，如何理清思緒合理建模是解決此類問題的關(guān)鍵。

為此，筆者嘗試由易及難，引導(dǎo)學(xué)生自主建立能量轉(zhuǎn)化模型。

例1 某種能量甲在轉(zhuǎn)化為能量乙時(shí)，轉(zhuǎn)換效率為η。嘗試用橢圓分別表示能量甲和乙，其大小代表能量的多少，用箭頭表示能量轉(zhuǎn)化方向，畫出能量轉(zhuǎn)化模型。

通過對(duì)關(guān)鍵信息的提取，學(xué)生給出了如下三種能量轉(zhuǎn)化模型圖（圖1、2、3）。在此基礎(chǔ)之上，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比三種模型，發(fā)現(xiàn)不同之處，獨(dú)立思考后小組討論哪一種模型最合理，并指出另外兩種模型的不合理之處。在對(duì)比判斷中，大多數(shù)學(xué)生掌握了簡(jiǎn)單的能量轉(zhuǎn)化模型。

圖3模型對(duì)應(yīng)的物理原理或公式的表達(dá)是解決問題的關(guān)鍵。首先，由能量守恒定律知：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到其他物體，而能量的總量保持不變。但是，能量在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化時(shí)，是由一種能量轉(zhuǎn)化為兩種或兩種以上的能量，所謂能量的總量保持不變是指它們之間存在的物理關(guān)系為：…。但單獨(dú)看轉(zhuǎn)化前后甲乙兩種能量則是多轉(zhuǎn)化為少的過程，用物理公式來(lái)表達(dá)則為式（3）。

以上這一建模過程是筆者結(jié)合教學(xué)中學(xué)生的認(rèn)知錯(cuò)誤，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，意在讓學(xué)生學(xué)會(huì)建立能量轉(zhuǎn)化模型，更讓學(xué)生正確理解模型后面對(duì)應(yīng)的物理原理。在此基礎(chǔ)之上，有助于后面學(xué)生對(duì)復(fù)雜能量轉(zhuǎn)化類題目的理解。

3 運(yùn)用模型解決新能源試題

例1 （2014鎮(zhèn)江）如圖4是一種配有風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板的新型路燈，路燈的額定功率為0.12 kW。光電池接收太陽(yáng)光輻射的功率為1 kW。吹向風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上的風(fēng)速與風(fēng)功率之間的關(guān)系如表2所示，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率為4%，光電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的效率為η。

例2 （2015鎮(zhèn)江）如圖6所示，通過安置在插座上的電流轉(zhuǎn)換器，將電能轉(zhuǎn)換為超聲波，電動(dòng)小車上的接收器收到超聲波訊號(hào)，可將其能量轉(zhuǎn)換為電能為電池充電。已知接收器接收到的超聲波功率與它和轉(zhuǎn)換器間距離L的平方成反比，它將超聲波能量轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存在電池中的效率為50%，當(dāng)小車與轉(zhuǎn)換器間距離L0=1 m時(shí)，接收器接收到的超聲波功率P0=8 W。當(dāng)小車在平直路面上以0.2 m/s的速度勻速行駛時(shí)，所消耗的電池電能的80%用于維持小車勻速行駛，小車受到的阻力為16 N。

（1）當(dāng)車與轉(zhuǎn)換器距離1 m時(shí)，求電池充電1 h所儲(chǔ)存的電能；

（2）小車在平直路面上以0.2 m/s的速度勻速行駛5 min，求該過程中消耗的電池電能；

（3）若充電時(shí)小車與轉(zhuǎn)換器之間距離L=2 m，則2 h內(nèi)所充電能可使小車以0.2 m/s的速度勻速行駛多遠(yuǎn)？

解析 本題選材獨(dú)特，立意新穎，基于“無(wú)線充電”這種教材中沒有的新情景。在教學(xué)中筆者發(fā)現(xiàn)不少學(xué)生一看到新情景就慌了。其實(shí)，盡管情景新，但考查的仍是我們學(xué)習(xí)過的熟悉知識(shí)：能量轉(zhuǎn)化知識(shí)；只要我們仔細(xì)審題，不難根據(jù)題意建立能量轉(zhuǎn)化模型（如圖7），并由圖進(jìn)行分析求解。

例3 （2016鎮(zhèn)江）最近，一項(xiàng)“中國(guó)原創(chuàng)”重大發(fā)明成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)！它被稱為“空中奔跑的巴士”（又稱巴鐵），預(yù)計(jì)今年7月進(jìn)行測(cè)試。巴鐵靠電力驅(qū)動(dòng)在鋼軌上行駛，相當(dāng)于40輛柴油公交車的運(yùn)量。若1輛柴油公交車日常行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的平均輸出功率為60 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率為30%，每消耗1 kg柴油排放二氧化碳約為3 kg，柴油的熱值近似取q=4.0×107 J/kg。

（1）若巴鐵在100 s內(nèi)沿直線行駛了1 500 m，求這段時(shí)間內(nèi)巴鐵的平均速度；

（2）按柴油公交車每日行駛10 h計(jì)算，鎮(zhèn)江若引進(jìn)1輛巴鐵取代40輛柴油公交車，則每日可減少二氧化碳排放量多少千克？

（3）巴鐵車內(nèi)電器每天需消耗60 kW·h的電能，若這些電能全部由車頂上的太陽(yáng)能電池板來(lái)提供，已知該太陽(yáng)能電池板1 m2面積上接收到的太陽(yáng)平均輻射功率為1 kW，光電轉(zhuǎn)化效率為20%，每天日照時(shí)間按6 h計(jì)算，求需太陽(yáng)能電池板的最小面積。

解析 本題以社會(huì)熱點(diǎn)話題“巴鐵”為情境立題，以二氧化碳排放和光能發(fā)電為例滲透節(jié)能減排的環(huán)保意識(shí)。

太陽(yáng)能電池板1 m2面積上接收到的太陽(yáng)平均輻射功率為1 kW，故太陽(yáng)能電池板的最小面積為50 m2。

例4 （2017鎮(zhèn)江）某汽車在平直路面上以75 km/h的速度勻速行駛1 h的過程中，消耗了5 kg汽油，汽油燃燒釋放能量的40%隨廢氣通過熱電轉(zhuǎn)化裝置，如圖10所示，汽油熱值近似取q=5×107 J/kg。設(shè)汽油在汽缸內(nèi)完全燃燒。

（1）圖示時(shí)刻，四沖程汽油機(jī)處于 沖程；若（下轉(zhuǎn)第51頁(yè)）（上接第45頁(yè)）該汽油機(jī)每分鐘完成7 200個(gè)沖程，則它每秒鐘完成 個(gè)工作循環(huán)；

（2）若上述過程中汽油燃燒釋放能量的30%用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，求汽車所受的阻力；

（3）研究表明新材料的出現(xiàn)可將熱電轉(zhuǎn)化裝置的效率大幅提高到15%。據(jù)此計(jì)算，上述過程中隨廢氣排放的能量通過轉(zhuǎn)化裝置后可獲得多少電能？這些電能可供車內(nèi)總功率為1 000 W的用電器持續(xù)工作多長(zhǎng)時(shí)間？

解析 本題以書本中學(xué)生非常熟悉的汽油機(jī)為例，以新技術(shù)“熱電轉(zhuǎn)化”為背景，提倡能源的二次利用。能量轉(zhuǎn)化圖如圖11。

4 新能源試題對(duì)物理教學(xué)的啟發(fā)

以鎮(zhèn)江中考卷為例，多年以來(lái)偏好命制新能源試題。該類試題注重聯(lián)系生活與科技，引導(dǎo)實(shí)際，多采用“一題多問，漸入深出，逐層遞進(jìn)”的設(shè)問風(fēng)格，總體難度較大；但是第（1）問大多簡(jiǎn)單基礎(chǔ)，一般能力水平的學(xué)生應(yīng)當(dāng)能夠解答；而（2）（3）問為能力強(qiáng)、思維活躍的學(xué)生提供了展示自我的機(jī)會(huì)。

在這類問題的教學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生不要急于記住幾個(gè)結(jié)論和公式，老師亦應(yīng)不急于給出結(jié)論和公式，而要引導(dǎo)學(xué)生由淺入深厘清能量轉(zhuǎn)化關(guān)系，建立合理的能量轉(zhuǎn)化模型。以模型為載體，從模型的建立中，認(rèn)識(shí)工作原理，凸顯物理本質(zhì)，消除神秘感、陌生感，增強(qiáng)應(yīng)用意識(shí)。這也啟示我們?cè)谄綍r(shí)的物理教學(xué)中要廣泛聯(lián)系生產(chǎn)生活，聯(lián)系現(xiàn)代科技，提高學(xué)生應(yīng)用物理模型分析解決問題的意識(shí)和能力，引導(dǎo)教學(xué)關(guān)注物理本質(zhì)，鼓勵(lì)學(xué)生深入思考。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯清修，郭玉英.初中物理教學(xué)關(guān)鍵問題指導(dǎo)[M]北京：高等教育出版社，2016.

[2]王全，母小勇.模型與建模國(guó)際物理教育新觀點(diǎn)[J].外國(guó)中小學(xué)教育，2009（3）：55-58.

（欄目編輯 陳 潔）endprint