资源简介

研究课题：潮 汐 现 象 研 究 报 告
单 位： 枣庄市第八中学南校
完 成 人： 李 光 耀 徐 子 涵
指导教师 ： 王 方
课 题
名 称
潮 汐 现 象 研 究 报 告
课
题
成
员
李 光 耀
收集资料、整理资料、访谈
徐 子 涵
撰写研究报告
一、课题提出的背景
高一学生经历了第六章《万有引力与航天》的学习，第七章《机械能守恒定律》初步入门，研究潮汐现象符合学生自身实际，能够反映学生综合运用所学知识解释大自然中的美妙神奇现象。
同时，研究潮汐现象具有一定的现实意义：我国幅员辽阔，但能源资源并不丰富，且人均资源占有率低。伴随着中国经济的快速增长，中国的能源储量与未来几十年的发展需求之间的缺口将越来越大。按照专家的估算我国煤炭剩余可采量为1900亿t，可供开采不足百年；石油剩余可采量为23亿t，可供开采不足20年；天然气剩余可采量为6310亿3m，可供开采不足40年。在我国能源的品种构成中，优质能源比例很低。目前，煤炭消费量已经占我国一次能源消费总量的75%以上，相当于世界同类平均值3倍。煤烟型污染成为我国大气污染的主要部分，燃煤电厂排放的二氧化硫和氮氧化物是造成酸雨的主要原因。2005年我国二氧化碳排放量占全球总量的18%，居全球第二，并呈增长趋势。专家预测，不久以后我国二氧化碳排放量将超过美国居全球第一，成为全球最大的温室气体排放国。如何在经济发展的同时，抑制住矿物能源消耗的急剧增长，对我国将是严峻的考验。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》明确提出“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要染物排放总量减少10%的约束性指标。因此，在满足用电需求的同时，降低石油等非再生资源的消耗，减少环境污染，开发新型环保电站迫在眉睫。
二、所要解决的主要问题：
1、初步解释潮汐形成的原因。
2、除了每日发生的潮汐之外，每月还会出现两次潮差最大(称为大潮)和潮差最小(称为小潮)的现象。尝试说明在什么情况下会出现大潮或小潮。
3、潮汐发电包含了哪些能量转化的过程？
4、要建造一个潮汐电站，需要具备哪些自然条件？我国哪些地区适合建造潮汐电站？如果潮汐能都被利用，电站可以产生多少电能？
三、研究目的：
(1)掌握研究性学习的一般程序，学习掌握收集、分析、整理信息，学会调查和撰写研究报告等学习方法。
(2)培养多渠道获取信息、处理信息的能力。
(3)培养的创新精神和社会实践能力。
四、研究方法：
???访谈法、查阅资料法等。
五、研究步骤：
第一阶段为准备阶段(第1周)，主要是制订计划，落实活动人员。
第二阶段为实施阶段(第1—2周)，主要由访谈，查阅资料，整理与统计；
第三阶段为课题成果交流、展示阶段(第2周)。
六、研究过程和方法措施
第?1 周? 确定课题
??? 1、明确课题价值和研究目的。
2、制作计划。
3、组建学生课题小组。
??? 4、说明选择本课题的意图和目的及构想。
?? ?5、小组讨论后明确分工。
第?1-2 周 收集资料
???1、进行访谈专业教师。
? ? 2、到图书馆或网上查找资料。
???3、对所得资料进行汇总、归类、筛选、整理，提出课题意向。
???4、撰写课题开题报告。
第 2 周? 课题成果的交流、展示
??? 1、撰写研究报告。
??? 2、展示课题研究成果。
七、研究结果、结论、感悟等
1、潮汐现象的成因
很久以前，人们就注意到大海有节律的潮涨潮落，“潮者，据朝来也；汐者，言夕至也”( 葛洪，公元281-361，东晋)，即一昼夜中两次涨起、两次跌落。通常将海水白天涨落叫“潮”，晚上涨落叫“汐”，合称为“潮汐”，宛如大海在有节奏的进行“呼吸”，因此被法国文学称之为“大海的呼吸”，同时，这种现象的产生令人遐想无限。古人云：“八月涛声吼地来，头高数丈触山回。须臾却入海门去，卷起沙堆似雪堆。”有一副著名对联，“海水朝朝朝朝朝朝朝落，浮云长长长长长长长消”，它利用中国汉字一字多音多义的特点，描绘了这一变幻多姿的景色，读后使人产生无限遐想。
中国公元前2世纪早期的文献已记载月望(满月)之日十分壮观的海潮。东汉王充在论衡中写道“涛之起也，随月盛衰，大小、满损不齐同”，指出潮汐与月球的依赖关系。封演的见闻记精确地记述了涨潮时间的逐日变化。其后更有余靖、张君房、燕肃、沈括、郭守敬等人对潮汐观测的精确描述。李约瑟(1900-1995)曾说:“在近代以前,中国对潮汐现象的了解与兴趣,总的来说多于欧洲”。近代潮汐的研究，是利用牛顿提出的万有引力定律, 后又经伯努利、欧拉及拉普拉斯等人的工作而趋于完善。20世纪以来, 大型电子计算机的应用使潮汐的研究结合实际海陆分布、深海、浅海等不同因素，数据更加精确。根据牛顿的理论分析，潮汐现象是由于太阳、月球的引力在地球上分布的差异产生的。
地球在绕着太阳高速运动的同时，也绕着地球的轴在自转，所以地球是一个非惯性系。在非惯性系中，存在一个惯性力。随着地球的自转而旋转的海水，一方面受到惯性力的作用，同时也受到月球对海水的万有引力的作用。月球对海水的万有引力跟月球距海水的距离有关，致使月球对海水的引力不均匀，所以不同处海水受到的惯性力与月球对海水的万有引力的合力就不同。具体来说就是，在正对着月球的地方，向心加速度较小，引力较大，海水被月球吸起；在背对着月球一端，向心加速度较大而引力较小，海水被向外甩出。一昼夜之间地球上的海水有一次面向月亮，一次背对月亮，所以海水每天有两次涨落。同时海水还要受到月球、太阳及其他天体的吸引力，因为月球离地球最近，所以月球的吸引力较大。这样海水在这两个力的共同作用下形成了引潮力。即我们把海水的惯性力与月球对海水的万有引力的合力叫引潮力。由于地球、月球在不断运动，地球、月球与太阳的相对位置在发生周期性变化，因此引潮力也在周期性变化，正是由于月球和太阳对海水的引潮力引起了海水的涨落，形成了潮汐现象。根据万有引力定律，两个物体之间的引力和它们之间距离的平方成反比。地面上各点与月球的距离不同，所受月球引力的大小就不同，朝向月球的半个地球上，所受到的引力大于地心和背向月球一面所受到的引力。离月球最近的点所受到的引力最大，在此点的海水相对于地心而言被月球“拉”了起来，朝向月球的半个地球上的海水都会趋向最近点，该点海水就会上涨，这就是我们常说的涨潮。离月球最远的点受到月球的引力最小，相对于地心，该点的海水有后退的倾向，我们称之为退潮。
2、大潮和小潮
海水涨落的潮汐现象是由地球和天体运动以及它们之间的相互作用而引起的。在海洋中，月球的引力使地球的向月面和背月面的水位升高。由于地球的旋转，这种水位的上升以周期为12小时25分和振幅小于1m的深海波浪形式由东向西传播。太阳引力的作用与此相似，但是作用力小些，其周期为12小时。当太阳、月球和地球在一条直线上时，如右图所示，太阳和月亮的引潮力叠加，海水所受到的引潮力最大，以致海水高峰最大，就产生大潮（spring tides）。当太阳、地球和月亮的相对位置几乎构成一个直角三角形，这时月亮的引潮力被太阳的引潮力抵消了一部分，海水所受到的引潮力最小，因而形成的海水峰最小，就产生小潮（neap tides）。每次潮汐的大小，还与月亮或地球在其轨道上位置有关。实际上月亮绕地球运动的轨道是椭圆，地球位于此椭圆的一个焦点上。因而在月亮运行的过程中，当月亮位于近地点时引潮力最大，称为近地潮；当月亮位于远地点时引潮力最小，称为远地潮，如上图所示。
近日潮在一月初，远日潮在七月初。潮汐现象的发生不仅和太阳，月球都有关系，也和我国传统农历对应，如右图所示。在农历每月的初一即朔点时刻处太阳和月球在地球的一侧，所以就有了最大的引潮力，所以会引起“大潮”，在农历每月的十五或十六附近，太阳和月亮在地球的两侧，太阳和月球的引潮力你推我拉也会引起“大潮”；在月相为上弦和下弦时，即农历的初八和二十三时，太阳引潮力和月球引潮力互相抵消了一部分所以就发生了“小潮”，故农谚中有“初一十五涨大潮，初八二十三到处见海滩”之说。另外在第天也有涨潮发生，由于月球每天在天球上东移13度多，合计为50分钟左右，即每天月亮上中天时刻（为1太阴日=24时50分）约推迟50分钟左右，（下中天也会发生潮水每天一般都有两次潮水）故每天涨潮的时刻也推迟50分钟左右。但由于月球和太阳的运动的复杂性，大潮可能有时推迟一天或几天，一太阴日间的高潮也往往落后于月球上中天或下中天时刻一小时或几小时，有的地方一太阴日就发生一次潮汐。故每天的涨潮退潮时间都不一样，间隔也不同。
3、潮汐发电
在满足用电需求的同时，降低石油等非再生资源的消耗，减少环境污染，开发新型环保电站迫在眉睫，我国至今开发的潮汐能很少，潮汐能作为一种清洁可再生能源，开发潜力巨大。潮汐发电的工作原理与常规水力发电的原理类似，它是利用潮水的涨、落产生的水位差所具有的势能来发电。通过出水库，在涨潮时将海水储存在水库内，以势能的形式保存，然后，在落潮时放出海水，利用高、低潮之间的落差，推动水轮机旋转，带动发电机发电。差别在于海水与河水不同，蓄积的海水落差不大，但流量较大，并且呈间歇性，从而潮汐发电的水轮机的结构要适合低水头、大流量的特点。具体地说，就是在有条件的海湾或感潮河口建筑堤坝、闸门和厂房，将海湾(或河口)与外海隔开围成水库，并在闸坝内或发电站厂房内安装水轮发电机组。海洋潮位周期性的涨落过程曲线类似于正弦波，如下图所示。对水闸适当地进行启闭调节，使水库内水位的变化滞后于海面的变化，水库水位与外海潮位就会形成一定的高度差(即工作水头)，从而驱动水轮发电机组发电。从能量的角度来看，就是将海水的势能和动能,通过水轮发电机组转化为电能的过程。潮汐发电的优点是成本低，每度电的成本只相当火电站的八分之一。一般认为当海洋潮汐波冲击大陆架和海岸线时，通过上升、收聚和共振等运动，使潮差增大。
潮汐能的能量与潮量和潮差成正比。或者说，与潮差的平方和水库的面积成正比。和水力发电相比，潮汐能的能量密度很低，相当于微水头发电的水平。世界上潮差的较大值约为13～15m，但一般说来，平均潮差在3m以上就有实际应用价值。由于潮水的流动方向是不断改变的，因此就使得潮汐发电出现不同的类型， 即单库单向型、单库双向型和双库单向型3种。我国在1958年以来陆续在广东省的顺德和东湾、山东省的乳山、上海市的崇明等地，建立了潮汐能发电站。
潮汐能是一种不会给未来地球人类带来污染和灾难的能源，在有条件利用潮汐能的沿海国家和地区，建设潮汐电站不失为缓解能源危机的一种有效方案。我国的海域辽阔、海岸线长，大陆海岸线长达18000km，加上6500多个海岛的岸线，岸线长度在32000km以上。据对全国可开发装机容量200kw以上的424 处港湾坝址的调查资料表明，我国的潮汐能蕴藏量为1.1亿kw，其中浙江、福建两省蕴藏量最大，约占全国的80.9％，但这都是理论估算值，实际可利用的远小于上述数字。可开发总装机容量为2179万kw，年发电量624亿hkw，容量在500kw以上的站点共191处，可开发总装机容量为2158万kw。20世纪90年代，在化石能源消耗殆尽、关切减缓温室效应、减少环境危害影响的驱动下，各国都总结潮汐电站运行的经验，论证其综合效应及采用新技术，实行鼓励新能源和绿色能源开发的政策以降低潮汐电站成本，于是又掀起了新一轮开发潮汐电站的热潮。可以说，潮汐发电前景广阔。
4、分析
地表的海水又受到地球运动离心力的作用，月球引力和离心力的合力正是引起海水涨落的引潮力。除月球、太阳外，其他天体对地球同样会产生引潮力。虽然太阳的质量比月球大得多，但太阳离地球的距离也比月球与地球之间的距离大得多，所以其引潮力还不到月球引潮力的一半。其他天体或因远离地球，或因质量太小所产生的引潮力微不足道。根据平衡潮理论，如果地球完全由等深海水覆盖，用万有引力计算，月球所产生的最大引潮力可使海水面升高0.563m，太阳引潮力的作用为0.246m，夏威夷等大洋处观测的潮差约1m，与平衡潮理论比较接近，近海实际的潮差却比上述计算值大得多。
我国海洋能开发已有近几十年的历史，迄今已建成潮汐电站8座，但是现有潮汐电站整体规模和单位容量还很小，单位千瓦造价高于常规水电站。自1985年起，华东地区的浙江、福建对几个万千瓦级潮汐电站址进行了考察、勘测和规划设计并做了可行性研究等大量的前期准备工作。由于技术水平方面的原因，目前我国现仍停留于小型潮汐电站水平上，尚不能制造新型5000kw以上适于潮汐发电的高效能机组，从而使潮汐发电的单千瓦造价仍略高于常规能源。目前存在的关键问题是：中型潮汐电站水轮发电机组技术问题没有完全解决；水轮发电机组尚未定型标准化；海水工程建筑物的施工技术还比较落后。如果解决了这些问题，潮汐能将是一个重要补充能源。
5、结论
潮汐现象是一种自然现象，潮汐的分析、计算及预报对沿海农田水利、港务业、捕捞、盐业等建设及潮汐能利用都有很重要的作用。随着其它能源的减少，开发潮汐能已引起了人们的重视，巨大的潮汐能如太阳能一样，正等待人们去开发。一方面电力供应不足是制约我国国民经济发展的重要因素，尤其是在东部沿海地区。另一方面我国海岸线漫长曲折，蕴藏着丰富的潮汐能资源，至今开发的潮汐能不足可开发量的1‰。潮汐能发电具有可再生性、清洁性、可预报性等优点。经过多年来对潮汐电站建设的研究和试点，不仅在技术上日趋成熟，而且在降低成本，提高经济效益方面也取得了很大进展。潮汐能发电技术前景广阔，我国应全力发展潮汐发电。
6、提高高中生解决物理实际问题的能力
在大多数情况下，传统物理教学及有关问题的训练，往往直接给出简化后的物理对象或物理图景，因而在问题的处理上，学生缺乏对物理对象和物理场景做理想化处理的方法和能力。 如何在教学中有意识地培养学生解决实际问题的能力呢？除了一般教学过程的普遍要求之外，还应该重点做好以下几项工作。
（1）．扩大学生的实际应用的知识面
注意扩大学生的实际应用的知识面，以构成较为完整、丰富并排列有序的原材料库，便于学生在需要的时候有足够的“原型”可供选择、改造并使用。陈述性知识在解决实际问题中的各个阶段都必不可少，在第一阶段（即审题阶段）尤为重要。我们在教学内容上应更强调实际应用知识的学习。这就要求学习的内容应在知识形成的环节上向两端拓展。
（2）．培养学生收集和处理信息的能力
实际问题，提供信息“原始化”。不仅提供有用信息，也提供无用信息。要培养学生的选择、判断能力。培养学生判断有用信息和无用信息的能力，选择对解题有用的信息来解题。
（3）．加强科学方法教育
当我们解决实际问题时，物理的规律（包括定律、定理等）的正确使用是关键性的一步。由于物理规律具有较高的抽象性，而在实际问题中各种关系错综复杂，往往还需要借助科学方法才能将实际问题与物理规律联系起来。在物理研究中，理想化方法、等效法、类比法、图像法等是较常用的科学方法。
当然，高中学生解决实际问题的困难是多方面的。教学过程中，注意扩大学生的实际应用的知识面，培养学生收集和处理信息的能力，加强科学方法教育，加强应用性知识的教学，建立与实际生活的紧密联系，不断培养学生优良的物理思维品质，物理教学就会越来越生动，就一定会使更多的爱学物理，喜欢学物理，以至更会学物理。

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