资源简介

(共21张PPT)
幻灯片 1：标题页
6.4 跨学科实践：半导体与光伏发电
副标题：物理与能源科技的交叉探索
授课对象：初中物理学生
授课时长：45 分钟
核心目标：了解半导体的基本特性与应用，掌握光伏发电的原理与系统组成，认识新能源开发的重要意义
幻灯片 2：导入 —— 生活中的半导体身影
无处不在的半导体技术
智能手机的芯片、平板电脑的处理器，核心部件是半导体材料。
LED 照明灯具、太阳能计算器、智能手表，都依赖半导体的特性工作。
光伏发电站将阳光转化为电能，其核心元件太阳能电池板的基础是半导体材料。
思考问题：什么是半导体？它为什么能实现电能与光能的转化？光伏发电如何成为清洁能源的重要组成部分？
幻灯片 3：半导体的基本概念
导体、绝缘体与半导体的区别
导体：容易导电的物体（如铜、铝），内部有大量自由电子，电阻极小。
绝缘体：不容易导电的物体（如橡胶、玻璃），内部几乎没有自由电子，电阻极大。
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料（如硅、锗），其导电性能可通过外界条件（温度、光照、杂质）调控。
半导体的特性
热敏性：温度升高时，导电能力显著增强（如半导体温度计利用此特性）。
光敏性：光照增强时，导电能力明显提高（光伏发电的核心原理之一）。
掺杂性：在纯净半导体中掺入微量杂质，可大幅改变其导电性能（用于制作二极管、三极管等）。
幻灯片 4：半导体的核心应用 —— 二极管与三极管
半导体器件的基本功能
二极管
结构：由 P 型半导体和 N 型半导体结合形成 PN 结，具有单向导电性（电流只能从 P 极流向 N 极）。
应用：
整流：将交流电转化为直流电（如手机充电器中的整流电路）。
发光：LED（发光二极管）通电时，电子与空穴复合释放能量，转化为光能（节能照明）。
三极管
结构：由两个 PN 结组成，有三个电极（发射极、基极、集电极），具有放大电流的作用。
应用：
信号放大：收音机、电视机中放大声音和图像信号。
开关控制：计算机芯片中作为高速开关，实现逻辑运算。
幻灯片 5：光伏发电的原理 —— 光生伏特效应
阳光如何转化为电能？
光生伏特效应：当光照射到半导体 PN 结上时，光子能量被半导体吸收，使电子获得能量脱离原子核束缚，形成自由电子和空穴。在 PN 结电场作用下，电子和空穴分离并向不同方向移动，形成电流（若接入电路，可对外供电）。
太阳能电池的结构
核心材料：高纯度硅（最常用的半导体材料），分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池。
基本单元：一个太阳能电池片就是一个 PN 结，多个电池片串联或并联组成太阳能电池板，提高电压和电流。
幻灯片 6：光伏发电系统的组成
从阳光到电能的完整链条
太阳能电池板：核心部件，将光能转化为直流电。
逆变器：将太阳能电池板产生的直流电转化为交流电（满足家庭和工业用电需求）。
蓄电池：储存多余电能，供阴天或夜间使用（离网型系统必备）。
控制器：调节充放电过程，保护蓄电池和电路，防止过充过放。
输电线路：将电能输送到用电设备或电网（并网型系统可向电网供电）。
系统类型
离网型：独立运行，适用于无电网地区（如偏远乡村、户外设备）。
并网型：与公共电网连接，多余电能可出售给电网（城市光伏发电站常用）。
幻灯片 7：光伏发电的优势与挑战
清洁能源的双面性
优势
环保无污染：发电过程中不排放二氧化碳、二氧化硫等污染物，减少温室效应和酸雨。
可再生能源：太阳能取之不尽、用之不竭，不受资源分布限制。
维护成本低：太阳能电池板寿命长（20~30 年），运行中几乎无机械磨损。
分布式发电：可在屋顶、空地等分散安装，减少输电损耗。
挑战
间歇性：受昼夜、天气影响，发电不稳定（需搭配储能设备或并网调节）。
初期成本高：太阳能电池板和逆变器的制造及安装成本较高。
能量密度低：需要较大面积的电池板才能产生足够电能（占地面积大）。
幻灯片 8：半导体与光伏发电的跨学科联系
多学科知识的融合
物理学：半导体的导电性原理、光生伏特效应、能量转化规律（光能→电能）。
化学：半导体材料的提纯与制备（如硅的冶炼）、电池板的化学稳定性研究。
工程学：光伏发电系统的设计、安装与优化，提高发电效率和可靠性。
环境科学：光伏发电对减少碳排放、改善空气质量的贡献，新能源政策研究。
经济学：光伏发电的成本分析、投资回报周期，与传统能源的经济性对比。
幻灯片 9：光伏发电的生活应用实例
从家庭到大型电站
家庭光伏电站：在屋顶安装太阳能电池板，满足家庭用电需求，多余电能并网赚钱（“光伏屋顶” 计划）。
光伏路灯：自带太阳能电池板和蓄电池，白天充电、夜间照明，无需铺设电线（适用于乡村道路）。
大型地面光伏电站：在沙漠、荒地集中建设大规模光伏阵列，为电网提供清洁能源（如青海、甘肃的光伏基地）。
光伏交通：太阳能汽车、太阳能游艇，利用光伏发电提供动力，实现零排放出行。
幻灯片 10：实践活动 —— 制作简易太阳能装置
体验光伏发电的乐趣
活动目标
通过组装简易太阳能装置，理解光伏发电的基本原理，培养动手能力。
所需材料
小型太阳能电池板（1 块）、小电机（1 个）、扇叶（1 个）、导线（若干）、开关（1 个）、支架（可选）。
操作步骤
用导线将太阳能电池板的正负极与电机的正负极连接，串联开关。
将扇叶安装在电机轴上，将装置放在阳光下（或强光照射处）。
闭合开关，观察电机是否转动（阳光越强，电机转速越快）。
用阴影遮挡太阳能电池板，观察电机转速变化（光照减弱，电流减小，转速变慢）。
现象分析
太阳能电池板将光能转化为电能，电流驱动电机转动，体现 “光→电→机械” 的能量转化。
幻灯片 11：半导体与光伏技术的发展前景
未来能源的重要方向
高效电池研发：开发钙钛矿太阳能电池（转换效率更高）、柔性太阳能电池（可弯曲，适用于更多场景）。
光伏与建筑结合：光伏幕墙、光伏瓦片，使建筑物自身成为发电站（“光伏建筑一体化”）。
储能技术突破：研发高性能蓄电池（如锂电池、氢储能），解决光伏发电的间歇性问题。
全球能源转型：光伏发电成本持续下降，有望成为未来主要能源之一，助力实现 “碳中和” 目标。
幻灯片 12：课堂小结
核心知识点回顾
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，具有热敏性、光敏性和掺杂性，是电子器件的核心材料。
光伏发电原理：利用半导体的光生伏特效应，将光能转化为电能，核心元件是太阳能电池板。
系统组成：太阳能电池板、逆变器、蓄电池、控制器等，分为离网型和并网型。
跨学科价值：融合物理、化学、工程等多学科知识，是清洁能源开发的重要领域。
应用与前景：广泛应用于家庭、交通、能源等领域，未来将在全球能源转型中发挥关键作用。
幻灯片 13：课后任务
调研题：调查当地是否有光伏电站或 “光伏屋顶”，了解其装机容量和年发电量，撰写简短调研报告。
设计题：设计一个 “未来太阳能住宅”，画出示意图并说明如何利用光伏发电满足家庭能源需求。
思考题：光伏发电与传统火力发电相比，对环境有哪些具体好处？结合焦耳定律分析火力发电的污染来源。
幻灯片 14：结束页
知识拓展与呼吁
能源革命：半导体技术推动了光伏发电的发展，而光伏发电正在改变全球能源结构，每个人都可以成为清洁能源的使用者和推广者。
行动倡议：关注新能源技术，节约用电，支持光伏等清洁能源的发展，共同守护绿色地球。
2024教科版物理九年级上册
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6.4 跨学科实践_半导体与光伏发电
第6章 电功率
a
i
T
u
j
m
i
a
N
g
不同的灯泡为什么亮度不同？每个灯泡上都有铭牌，铭牌上的数字都有什么物理意义？
【实验】取一个标有“3.8 V 1.5 W”的电灯泡。把它接在3.8 V的电路中，它正常发光。再分别把它接在2 V和4 V的电路中，观察并比较它们的亮度。
【现象】
在低于3.8 V 时，灯泡发光暗淡；
在高于3.8 V 时，灯泡强烈发光，甚至灯泡烧坏。
【结论】
用电器消耗电功率随着它两端电压的改变而改变。
【额定电压 U实】实际加在用电器两端的电压。
【额定功率 P实】用电器在实际电压下工作时的功率。
【额定电压 U额】用电器正常工作时的电压。
【额定功率 P额】用电器在额定电压下工作时的功率。
正
常
工
作
实
际
工
作
【特别注意】
用电器的额定功率只有一个，而实际功率有很多个。
U实 = U额，则 P实 = P额：用电器正常工作。
U实 > U额，则 P实 > P额：可能烧毁用电器。
U实 < U额，则 P实 < P额：用电器不能正常工作。
【观察用电器的铭牌，理解其中的含义】
PZ表示普通照明；
220 V是它的______电压；
100 W是_______功率，是该灯泡在_______V工作时的电功率。
额定
额定
220
【观察用电器的铭牌，理解其中的含义】
1. 电流在灯丝中无论沿什么
方向流动都能使其发光，但是由_______
（填“半导体”或“超导体”）材料做成
的发光二极管（简称 灯），只能让
电
半导体
单向导电
流从一个方向流过，也就是发光二极管具有__________性。
如图所示的电路中灯泡发光，可据此推断出导线中电流方向
为 ___（填“”或“ ”）。
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2. 阅读材料，回答问题。
光伏发电
光伏发电在我国能源领域占据重
要地位。光伏发电简易原理如图，电池板上具有大量的不稳
定电子，当太阳光照射到电池板上时，这些电子获得能量会
定向移动形成电流，电流通过控制器和逆变器就可以供我们
生产生活所用。但光伏发电受环境影响较大，阴影遮挡是最
常见的环境影响之一。
（1）电池板中有两层纯硅掺杂形成的
材料（如图），其中电极1相当于电源
的____极（在电源内部电流的方向是
负
C
从电源的负极流向正极）；电池板的外壳材料选择也有较高
要求，其中下列性质不是外壳材料所需具备的是___
（填字母）。
A.良好的导热性B.良好的透光性
C.良好的导电性D.良好的耐磨性
（2）若电池板每小时输出的电能是 ，则每小时
输出的电能相当于节省了______ 的煤。（假设煤完全燃烧，
煤的热值取 ）
0.072
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3. 阅读短文，回答问题。
光伏发电
光伏发电是利用半导体界面的
光生伏特效应，将光能转化为电能
的一种技术。通常其工作系统主要
由太阳能电池、控制器（未画出）和蓄电池等部分组成，简
化电路如图所示。
当太阳光照射太阳能电池发电
时，控制器发射控制信号将开关
闭合、 断开，太阳能电池向蓄电
池充电；当控制信号将开关 断
开、 闭合时，蓄电池向外供电。
“光—电转化效率”是太阳能电
池的一个关键参数指标，所谓“光—
电转化效率”，简单理解就是指太阳
能电池将辐射到它表面的光能转化
成电能的效率，可以用太阳能电池
产生的电能除以太阳能电池接收到
的太阳能来计算。目前实际应用中，
单晶硅太阳能电池转化效率较高，
投入使用时的效率可达到 。
近年来我国光伏发电累计装机
容量不断增长，到2020年装机容量
已达到 ，未来太阳能
光伏发电技术将会持续突破，拥有
广阔的发展前景。
（1）光伏发电是将光能转化为____
能。
电
（2）控制信号将图中开关 闭合、
断开时，电路中的电源是 ______
_______。
太阳能电池
（3）如果在太阳照射条件较好的天
气里，用 表示一段时间内太阳能
电池产生的电能，用 表示在这段
时间内太阳能电池接收到的太阳能，
则该太阳能电池的“光——电转化效
率”的表达式为 ___。
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定义 说明
额定电压 用电器正常工作时的电压 用电器铭牌上标定的电压值就是额定电压，常用 表示
额定电流 用电器正常工作时的电流 用电器铭牌上标定的电流值就是额定电压，常用 表示
额定功率 用电器正常工作时的电功率 用电器铭牌上标定的电功率就是额定功率，常用 表示
实际电压 用电器实际工作环境下的电压 可能与额定电压相同，也可能不相等，常用 表示
实际功率 用电器实际工作中的电功率 可能与额定功率相同，也可能不相等，常用 表示
必做作业：从教材习题中选取；
选做作业：完成练习册本课时的习题.
谢谢观看！

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