《密度流》教案

关键词：

《密度流》教案（共7篇）

篇1：《密度流》教案

海水的大规模运动

密度流

株洲市第一中学 谭梦君 【教学目标】

1、了解密度流的含义；

2、通过实验得出密度流的规律；

3、应用密度流的规律解决实际问题。

【教学重点】

通过实验探究密度流的规律。

【教学设计】

一、导入：

密度流是指因海水密度沿水平方向的差异而引起的洋流，地中海与黑海间的洋流就属于其中一种。地中海与黑海通过土耳其海峡相连，由于地中海气候干燥，蒸发量大，所以海水含盐度较大，约为38‰；而黑海由于汇集了多条淡水河的径流，所以含盐度较低，约为18‰。有科学家根据密度流的规律，曾提出设想：在土耳其海峡建一个潜水大坝，将使得黑海逐步淡化。为了验证科学家的设想是否成立，我们先通过实验的方法探寻密度流的规律。

二、密度流实验：

【实验准备】

两槽玻璃水缸（隔板开了上下两个孔，上孔模拟表层海水流动，下孔模拟底层海水流动）、盐、清水、黄色FeCL3溶液、NaOH溶液、透明胶带 【实验原理】

1、当水槽两边密度不同时，撕开封住小孔的胶带后，两槽的水会通过小孔发生流动；

2、为了使观测的现象明显，左槽加入少量FeCL3溶液，右槽加入少量NaOH溶液。

FeCl3+3NaOH==Fe(OH)3↓+3NaCl 生成有红褐色沉淀。只要有水通过小孔流到另一槽，两种溶液相融合，就会发生化学反应，产生红褐色沉淀。【实验步骤】

1、用透明胶带封住小孔；

2、往两槽中加入等量的清水；

3、往左槽加入足量的盐，模拟地中海，往右槽加入等质量的清水，模拟黑海；

4、往左槽加入少量FeCL3溶液，往右槽加入少量NaOH溶液；

5、撕开透明胶带，观察现象。

【实验结果】

1、不同密度海水之间表层与底层海水流向不同。

2、表层海水由密度小的流向密度大的；

3、底层海水由密度大的流向密度小的。

三、解决土耳其海峡潜水大坝问题：

原理：由于地中海密度大，黑海密度小，所以表层海水从黑海流入地中海，底层海水从地中海流入黑海。当建潜水大坝以后，将挡住从地中海流入黑海的底层洋流。由于黑海有大量淡水河流入，而黑海水又会通过表层洋流流向地中海，所以科学家的设想是合理的，建潜水大坝将会使得黑海海水逐步淡化。

四、密度流的现实意义

1、二战期间，图C处海峡被英国控制，出动大量声纳封锁海峡。但德国的潜艇在来回穿过海峡时，一直不被英军察觉。请用洋流的知识解释德军潜艇是如何安全通过的。

2、下列与海水盐度有关，且可信的地理现象是（）

A、从北海进入波罗的海的海轮，吃水线由深变浅

B、从地中海进入红海的轮船，吃水线由浅变深

C、同一纬度海域盐度不同只与气候有关

D、近海海域盐度变化比大洋大

3、下图 表示36°N纬线部分海域浅层海水盐度分布图。（1）冬季，自西向东航行的船只将（）

A、顺风顺流

B、顺风逆流 C、逆风顺流

D、逆风逆流

篇2：《密度流》教案

1.使用量筒时需要注意什么?量筒以什么单位标度？

2.不规则的小固体怎么测量体积?液体又如何测量体积？

3.测量一个物体的密度，需要知道哪些条件？

4.密度的单位是什么？

5.1g/cm3和1kg/m3比较，那个比较大？

6.仰视或俯视读数时会对量筒测量的体积造成怎样的误差？

7.热胀冷缩会造成物质的密度如何变化？

教学内容： 知识点一：

测量固体的密度

固体的体积：规则的物体，运用几何知识可以算出来。测量工具是_________ 1.不规则小石块密度的测量。

(1)调节___________，称出____________；(2)选择合适量筒，将小石块用细线绑住，往量筒倒人适量水，_____________，然后小心将小石块浸入量筒中的水中(全部浸没)，_______________；(3)计算ρ石＝

mV

2V1 2.盐水密度的测量。

(1)先用天平称出______________；

(2)将盐水倒一部分到量筒中，________________；(3)称出____________________；

(4)计算ρ盐水=m1m2V。

1． 可以用天平测量。长方体形状的物体，可以测出它的，和，从而算出它的。

2．用实验的方法测不规则形状固体的密度时，应该用到的器材有 __、_、和、、、。

3．煤油的密度是0.8×103kg / m3，一个瓶子能装1kg的煤油，至多能装

kg的水。

4．质量相等的水，硫酸、酒精分别装在相同规格的玻璃管中，如图10－3所示，玻璃管A中装的是，玻璃管B中装的是，玻璃管C中

装的是。(已知硫酸=1.8×103kg / m3, 酒精=0.8×103kg / m3)

5．用相同的量筒分别测量100g水和煤油，则装 的量筒中的液面较低，如果分别测量50cm3的水和煤油，则 的质量较大。

6．体积和质量都相等的空心铜球和铁球，空心部分体积较大的是 球，如果在它们的空心部分都注水，则 球的质量最大。

7．一容器的容积为500mL，倒入400g的某种液体刚好盛满，则该液体的密度为 kg / m3, 若倒出该液体80mL，则剩余液体的质量为 g。

二、选择题

8．三个完全相同的杯子，里面装有相同质量的水，把相同质量的铜块、铁块、铅块分别放入三只杯子里，水面升高较多的是()A．放有铜块的杯子 B．放有铁块的杯子 C．放有铅块的杯子 D．无法确定

9．要想一次尽可能正确地量出100g密度为0.8×103 kg / m3的酒精，应使用下列量筒中的(前为量程，后为分度值)()A．50mL，5mL B．100mL，2mL C．250mL，10mL D．500mL，5mL

110．有质量相等的正方体A和B，若A的边长是B的边长的，则A的密度是B

3的密度的()A．3倍 B．9倍 C．27倍

1D．

11．甲物质的密度是乙物体的2倍，乙物体的质量是甲物体的2倍，则甲物体的体积是乙物体的体积的()A．4倍 B．2倍 C．0.25 D．0.5

12．用铁和铜制成的两个实心球，不可能发生的情况是()A．两球质量相等，但铁球体积小 B．铁球质量、体积均比铜球大 C．铁球质量、体积比铜球小 D．两球体积相同，但铁球的质量大

13．在调节好的托盘天平的左右两个托盘中，分别放两个体积相同的实心物体A和B，天平失去了平衡，指针向左偏，比较A和B的密度()A．A＜B B．A＞B C．A=B D．无法判断

14．如果用质量相同的铁、铜、铅分别制成相同体积的金属球，则可能出现的现象是()A．三个球都是空心的

B．若铁球是空心的，那么铜球、铅球必是实心的 C．若铜球是实心的，则铜球、铅球必定是空的 D．若铁球是实心的，那么铜球、铅球必是空心的

15．三个体积相等，质量相等的空心球，分别由铜、铁、铝制成(铜铁铝)，其内部空心体积最大的是()A．铜球 B．铁球 C．铝球 D．无法确定

V甲3V乙，16．甲、乙两物体质量相等，组成甲、乙两物体的物质密度为乙4甲，则下列说法中正确的是()A．甲球一定是空心的 B．乙球一定是空心的 C．两球都是空心的 D．两球都是实心的

课后作业

1.在测定小石块密度的实验中，某同学的实验步骤如下: a.用天平称出石块的质量m；

b.在量筒内倒入一定量的水，记下水的体积V1； c.把石块全部浸入水中，记下水的体积V2； d.将天平放在水平桌面上，调节天平平衡。

(1)合理的实验步骤是_________________；(用字母表示)

(2)石块密度的计算式是 ρ＝

2.如图1—2所示是测量一块形状不规则的小石块的密度的实验示意图。

(1)在调整天平平衡时，发现指针向左偏，则横梁上的螺母应向_______(填“左”或“右”)调；

(2)右盘加砝码的顺序应为____________；

(3)该小石块的质量为________克，体积是_______立方厘米，密度是_________克／立方厘米；

(4)若在称小石块的质量时，石块放在右盘，砝码放在左盘，砝码及游码数值不变，则该小石块的质量是____________克。

3.如何用天平测出一枚大头针的体积?密度？

4.一只容积为3×10—4米3的瓶内盛有0.2千克的水，一只口渴的乌鸦每次取一块质量为0.01千克的小石子投入瓶中，当乌鸦投了25块相同的小石子后，水面升到瓶口，求:(1)瓶内石块总体积；(2)石块的密度。

5．在“测定岩石密度”的实验中，将一块岩石标本放在已调节好的天平的左盘里，当天平平衡时，右盘内砝码和游码的位置如图10－4所示，则岩石的质量为 g。在量筒中放入水，使水面到达“30”刻度线，再将岩石放入量筒中，水面升到如图所示的位置，则岩石的体积为 cm3，岩石的密度为 kg / m3。

课外扩展：

大气环流的形成：赤道受热，空气密度变小上升，地球两极的冷空气向中间靠拢，形成简单的大气环流。

大气环流在自然界中扮演着重要的角色。想一想，没有大气环流，地球会是怎么样的？

1.如果没有了大气环流，高低纬度之间的热量难以交换，会使极地更冷，赤道附近更热。

2.没有大气环流，洋流难以形成，海洋生物的分布、气候等将会发生很大的不同。3.没有大气环流，水汽不会发生水平方向的运动，海洋上的水只能降落在海洋，而陆地的降水也会流入海洋，最后陆地成为荒漠。

火焰的形状为什么是竖直向上的？

课后问答：

1.怎么测量吸水性强物体（海绵）的体积？

2.一块长方形且均匀的薄铝箔，如何利用天平和刻度尺来测量出它的厚度? 3.一块铜和一块铁放入同一熔融炉中熔炼，所制成的合金的密度应该是怎样的？ 4.用量筒测量小石块体积时，仰视读数，最后得出的小石块密度是偏大还是偏小？

5.用天平测量小石块的质量，在测量时忘记将游码归零会造成最后测量的密度偏大还是偏小？

篇3：《密度流》教案

目前研究和应用较多的槽式光伏聚光器,由

于其反射镜截面是抛物线形式而电池板平行于反射镜槽开口安装,导致聚集到电池板表面的光强呈现不均匀分布,在太阳电池中心附近能流密度大,边缘部分密度小,且聚光倍率越高,这种不均匀程度越高,导致能量损失也越多,同时会降低电池效率和使用寿命[1]。有很多学者对这种现象进行了研究。Andreev等[2]对能流密度的分布及其对电池发电效率的影响进行了较为系统的研究。Franklin等[3]的研究表明,抛物槽聚光器产生与高斯曲线相似的光强分布,与均匀光照时相比,聚光电池的开路电压和效率都会下降,且随着中心光强的增强,下降的幅度会更大。Araki等[4]重点研究了不均匀聚光条件下太阳能电池开路电压与温度的关系。舒碧芬等[5]研究了聚光不均匀性对电池寿命的影响,并在此基础上对电池结构进行了结构优化,以提高电池的使用寿命。

为改善聚光器能流密度的均匀性,众多学者做了诸多努力。许志龙等[6]研制了一种蝶式光伏发电聚光器,该聚光器采用多块平面反射镜,并通过巧妙的结构设计,使得太阳光经平面镜反射后均匀地照射到对应一侧的太阳电池阵列上,实现数倍聚光功能,从而提高单位面积太阳电池的发电效率。这种聚光器具有很好的能流密度均匀性,但它仅适合聚光比为2～12倍的聚光系统。江守利[7]设计了一种半抛物槽式聚光系统,该系统改变了电池板正对太阳的设计方法,能流密度均匀性得到一定的改善。Chen[8]在聚光系统中增加了二级匀光装置,研究了二级匀光装置对能流密度改善程度及电池效率的影响,研究结果表明,二级匀光装置可较好地提高能流密度的均匀性和发电效率,但系统的复杂性和成本会增加。

本文首先对常规光伏聚光器能流聚光比进行数学建模,研究能流密度分布不均匀的原因,继而提出一种新的聚光器电池板布置方式,以改善能流密度的分布,在此基础上对该新型聚光器的能流密度进行建模和分析;最后采用粒子群优化算法对新型光伏聚光器的关键参数电池板倾斜角度进行优化,以进一步提高能流密度的均匀性。

1 能流聚光比计算模型与分析

1.1 能流聚光比计算模型

目前研究和应用较多的光伏聚光器槽型为连续曲线形式,电池板平行于抛物槽开口平面布置,其示意图见图1,图中电池板的宽度为Wp,聚光槽的开口宽度为Wt,电池高度为h。聚光器槽型曲线和电池板方程分别为

y=f(x) (1)

$y=hx\in (-\frac{W{}_{\text{p}}}{2},\frac{W{}_{\text{p}}}{2})$ (2)

考虑到跟踪精度、太阳张角和反射镜变形等因素,入射光线一般不会垂直入射聚光槽,令其夹角为θ(图1),根据几何光学原理,聚光槽曲线上任意点(x0,y0)对应的光线入射方程为

y-y0=(x-x0)tan(90°-θ) (3)

相应的反射光线方程为

y-y0=(x-x0)tan(2α-90°+θ) (4)

$\begin{array}{l}\tan \alpha =-\frac{1}{f^{\prime }(x{}_0)}\\ \tan (2\alpha +\theta -90°)=\\ \frac{[f^{\prime }(x{}_0)]{}^2+2f^{\prime }(x{}_0)\tan \theta -1}{2f^{\prime }(x{}_0)-([f^{\prime }(x{}_0)]{}^2-1)\tan \theta }\end{array}$

式中,f′(x0)为曲线y=f(x)在点(x0,y0)处的导数。

因此,反射光线与电池板交点(xW,yW)满足:

考虑理想状态,即太阳光垂直入射状态时,θ=0°,则有

当给x0一个增量Δx时,xW也将获得一个增量ΔxW,且有

$\begin{array}{l}\text{Δ}x{}_{\text{W}}=\text{Δ}x+\frac{h-f(x{}_0+\text{Δ}x)}{f^{\prime }(x{}_0+\text{Δ}x)-1}-\frac{h-f(x{}_0)}{f^{\prime }(x{}_0)-1}+\\ \frac{h-f(x{}_0+\text{Δ}x)}{f^{\prime }(x{}_0+\text{Δ}x)+1}-\frac{h-f(x{}_0)}{f^{\prime }(x{}_0)+1}(7)\end{array}$

因此,在点(xW,yW)处聚光器的能流聚光比为

$C{}_{\text{f}}(x{}_{\text{W}})=\underset{\text{Δ}x\to 0}{{\displaystyle \lim }}\frac{\text{Δ}x}{\text{Δ}x{}_{\text{W}}}$ (8)

对于形如$y=\frac{x{}^2}{4f}(f$为焦距)的抛物线型聚光槽,有

$h=f-\frac{1}{C+1}(f-\frac{B{}^2}{16f})$ (9)

$\begin{array}{l}C{}_{\text{f}}(x{}_{\text{W}})=\underset{\text{Δ}x\to 0}{{\displaystyle \lim }}\frac{\text{Δ}x}{\text{Δ}x{}_{\text{W}}}=\\ \frac{1}{1-4hA}(4A{}^{2}x{}_0^2+1+\frac{4}{4A{}^{2}x{}_0^2+1}-4)\end{array}$

A=1/(4f)

式中,C为几何聚光比。

1.2 能流聚光比仿真分析

以抛物槽式聚光器开口宽度Wt=4000mm为例,分别模拟了不同几何聚光比下的能流聚光比,如图2、图3和表1所示,其中图2a是理想状态(即θ=0°)时的能流聚光比曲线;图2b是考虑了跟踪误差等因素导致太阳光不能垂直入射抛物槽时的能流聚光比曲线,这里假定θ=0.5°。图3则模拟了抛物槽焦距对能流聚光比的影响。表1计算了图2中的能流聚光比均值和标准差。另外,模拟时忽略了电池板的遮挡作用。

从图2a可以看出,由于几何聚光比C大于1,抛物槽反射的太阳光线被不同程度地聚集到电池板上,且这种太阳能被聚集的程度随着C的增大而增加,同时随着C的增大,其能流密度分布更加趋于不均匀化。图2b显示了相似的变化趋势,但由于θ≠0°,导致左右两侧的能流聚光比不再对称。

从图3可以看出,当抛物槽开口宽度和几何聚光比一定时,能流聚光比分布随焦距增大而趋于均匀化。也就是说,抛物槽越平坦,电池板能流聚光比分布越均匀,但此时电池板高度也将增加(参见式(9)),这导致聚光器尺寸变大,控制难度增加。因此,在设计光伏聚光器时,不能通过增加焦距来实现较为均匀化的能流聚光比。

在图2b和图3b中一个值得关注的现象是,当θ≠0°时,相对于理想状态,电池板右侧的能流聚光比趋于均匀化。事实上,当θ>0°(顺时针为正)时,太阳光线与电池板焦点横坐标xW也向右偏移,从而减小太阳能在电池板中心的聚集程度,进而使能流聚光比趋于均匀化。而θ>0°的情况相当于太阳垂直入射且电池板逆时针旋转θ时的能流聚光比,因此,可以通过改变电池板布置方式来改善光伏聚光器的能流聚光比。

2 光伏聚光器能流密度改进设计

2.1 新型光伏聚光器结构及其能流聚光比建模

若电池板在左右两侧倾斜放置,形成一个V形槽结构,如图4所示(图中F为抛物槽焦点,B为抛物槽右侧边缘点,A为右侧电池板与直线BF的交点),则其右侧电池板方程为

y=kwx+b (10)

式中,kw为直线斜率;b为直线在y轴上的截距。

当聚光器抛物槽焦距f、开口宽度Wt和几何聚光比C等参数确定后,根据图2所示的几何关系,电池板方程在y轴上的截距b满足以下关系:

$b=f+\frac{1}{C+1}(\frac{W{}_{\text{t}}^2}{16f}-f-\frac{W{}_{\text{t}}k{}_{\text{w}}}{2})$ (11)

令反射光线与右侧电池板的交点为(xW,yW),则根据理想状态下常规光伏聚光器能流聚光比的建模方法,有

$\begin{array}{l}C{}_{\text{f}}(x{}_{\text{W}})=\underset{\text{Δ}x\to 0}{{\displaystyle \lim }}\frac{\text{Δ}x}{\sqrt{\text{Δ}x{}_{\text{W}}^2+\text{Δ}y{}_{\text{W}}^2}}=\\ \frac{1}{(f-b)\sqrt{1+k{}_{\text{w}}^2}}\frac{(Ax{}_0^2-k{}_{\text{w}}x{}_0-f){}^2}{Ax{}_0^2+f}(14)\end{array}$

类似地,理想状态下左侧电池板的能流聚光比为

$\begin{array}{l}{C}^{\prime }{}_{\text{f}}(x{}_{\text{W}})=\underset{\text{Δ}x\to 0}{{\displaystyle \lim }}\frac{\text{Δ}x}{\sqrt{\text{Δ}x{}_{\text{W}}^2+\text{Δ}y{}_{\text{W}}^2}}=\\ \frac{1}{(f-b)\sqrt{1+k{}_{\text{w}}^2}}\frac{(Ax{}_0^2+k{}_{\text{w}}x{}_0-f){}^2}{Ax{}_0^2+f}(15)\end{array}$

2.2 新型光伏聚光器能流聚光比仿真分析

以抛物槽式聚光器开口宽度Wt=4000mm,焦距f=1500mm为例,分别模拟了几何聚光比为10、20、30时的新型光伏聚光器能流聚光比分布,如图5所示,图中,β为电池板倾斜角度。

从图5a可看出,能流聚光比随几何聚光比增大而增大,且变化幅度也随之增加。从图5b可看出,由于θ>0°,右侧电池板的能流聚光比要比左侧大。为比较新型光伏聚光器对能流聚光比圴匀性的改善程度,表2给出了图5中能流聚光比的均值和标准差,并与表1进行了比较。图6直观地比较了C=30时两种光伏聚光器的能流聚光比。计算结果表明,在理想状态下,新型光伏聚光器能流聚光比的标准差仅为常规聚光器的17%,而在C=30和θ=0.5°的情况下,新型光伏聚光器能流聚光比的标准差也仅为常规聚光器的28%。因此,新型聚光器可大幅改善电池板的能流聚光比分布,使之趋于均匀化,提高光电转换效率,从而延长电池板使用寿命,降低成本。

3 新型聚光器参数粒子群优化设计

从上述模拟计算和分析可以看出,电池板的倾斜角度对能流聚光比的影响很大,是新型光伏聚光器的一个重要参数。为获得最优的能流聚光比分布,需建立系统的优化模型,并进行总体寻优。

3.1 优化设计模型

(1)设计变量。

新型光伏聚光器参数主要有几何聚光比C、抛物槽开口宽度Wt、电池板宽度Wp、焦距f以及电池板倾斜角度β。这里假定C、Wt、Wp和f均为给定参数,仅对电池板倾斜角度β进行参数寻优(其取值范围为0°～90°),在此基础上,研究Wt等参数对β最优值的影响。

(2)目标函数。

取能流聚光比的标准差为优化的目标函数,即

$\min \sigma {}_{C{}_{\text{f}}}=\sqrt{\frac{1}{a{}_1-a{}_0}{\displaystyle {\int }_{a{}_0}^{a{}_1}}(C{}_{\text{f}}(x{}_{\text{W}})-\mu ){}^2\text{d}x{}_{\text{W}}}$

$\begin{array}{l}a{}_1=W{}_{\text{t}}/2(C+1)\\ \mu =\frac{1}{a{}_1-a{}_0}{\displaystyle {\int }_{a{}_0}^{a{}_1}C}{}_{\text{f}}(x{}_{\text{W}})\text{d}x{}_{\text{W}}\end{array}$

其中,a0为xW的下限,a0=0;a1为xW的上限;μ为能流聚光比的均值。

另外,考虑到理想状态下左右两侧能流聚光比曲线具有对称性,因此仅取右侧进行优化。

3.2 优化算法及优化结果

考虑到以上目标函数的复杂性,利用粒子群算法(PSO)[9]对上述优化模型进行优化。但标准的PSO算法并不能保证设计变量一直在可行域内搜索,比如对于本文的优化模型,PSO算法在搜索时,可能会出现α∉[0,90°)等情况,此时可能已无物理意义,且该粒子可能很难再次进入可行域,最终导致优化失败。考虑到标准PSO算法的这种缺陷,首先采用蒙特卡洛法产生符合约束条件的粒子群初始位置。然后进行搜索,且每次更新设计变量后,检验其是否满足约束条件,如果不满足,则用蒙特卡洛法产生新的粒子进行替代。

通过大量的优化计算发现,最优的电池板倾斜角度βop和几何聚光比C无关,而仅和聚光器槽宽Wt及焦距f有关,但关系较为复杂。进一步的研究发现,当聚光器的边缘角φ(图4)相同时,βop也相同。大量计算表明,βop和边缘角φ存在以下线性关系(图7):

βop=0.4134φ-1.0736°

$\tan \phi =\frac{8W{}_{\text{t}}f}{16f{}^2-W{}_{\text{t}}^2}$

其中,βop和φ的单位均为(°)。

4 结论

(1)对于常规光伏聚光器,其能流聚光比的标准差随几何聚光比和聚光精度的增大以及焦距的减小而显著增强。当C=30时,理想状态下,能流聚光比最大值比最小值大44;而当θ=0.5°时,这一差值达到68,严重影响聚光器的效率和寿命。

(2)本文提出了一种电池板为V形槽式的光伏聚光器结构,尽管能流聚光比的标准差仍随几何聚光比的增大、聚光精度的增加以及焦距的减小而增强,但均匀性有极大改善。在理想状态下,其能流聚光比的标准差仅为常规光伏聚光器的17%;而当C=30、θ=0.5°时,这一比例也不到30%,改善程度明显。

(3)新型光伏聚光器电池板的倾斜角度对能流聚光比的分布有很大影响,倾斜角度最优值βop不受几何聚光比的影响,βop和边缘角φ成线性关系。

(4)新型光伏聚光器的平均能流聚光比与常规聚光器相当,聚光器整体重量并未增加,它对传动控制系统的要求与常规聚光器相同。

摘要：从理论上推导了常规槽式光伏聚光器能流聚光比的计算模型,分析了该聚光器能流密度极不均匀的原因,探讨了改善聚光器能流密度均匀性的可能性。在此基础上,提出了一种新型聚光器结构形式,即太阳能电池呈V形槽式的抛物槽式聚光器,从理论上推导了新型聚光器结构的能流聚光比计算模型,分析了聚光器参数对能流密度分布的影响。最后通过粒子群优化算法对该新型模型参数进行了优化。计算和优化结果表明,该新型结构的能流聚光比的标准差小于常规聚光器的30%,极大地改善了槽式光伏聚光器能流密度分布。

关键词：光伏聚光器,能流聚光比,V形槽式太阳能接收器,粒子群优化方法

参考文献

[1]田玮,王一平,韩立君,等.聚光光伏系统的技术进展[J].太阳能学报,2005,26(4):597-640.

[2]Andreev V,Grilikhes V,Rumyantsev V,et al.Effect of Nonuniform Light Intensity Distribution on Tem-perature Coefficients of Concentrator Solar Cells[C]//Proceedings of3rd World Conference on Pho-tovoltaic Energy Conversion.Osaka,Japan,2003:881-884.

[3]Franklin E T,Coventry J S.Effects of Highly Non-uniform Illumination Distribution on Electri-cal Performance of Solar Cells[C]//ANISES Solar Conference.Newcastle,Australia,2002:1-8.

[4]Araki K,Yamaguchi M.Extended Distributed Model for Analysis of Non-ideal Concentration Operation[J].Solar Energy Materials&Solar Cells.2003,75(3/4):467-473.

[5]舒碧芬,沈辉,梁齐兵.聚光光伏系统接收器结构及性能优化[J].太阳能学报,2010,31(2):185-190.

[6]许志龙,刘菊东.蝶式光伏发电聚光集热器的研制[J].太阳能学报,2007,28(2):174-177.

[7]江守利.反射聚光利用太阳能的基础理论与实验研究[D].合肥:中国科技大学,2009.

[8]Chen Z W.Study of Optical Homogenizer in Solar Concentrator System[D].高雄:国立高雄应用科技大学,2008.

篇4：初二物理《密度》教案

教学目标

知识目标

1．知道什么是密度，密度的国际单位以及单位间的换算．

2．掌握密度的计算公式．

3．知道密度是物质的特性，在一定条件下，同种物质的密度是一定的．

能力目标

1．培养分析概括能力

（1）在分析实验数据的基础上概括出相同体积的不同物质的质量不同，相同质量的不同物质体积不同．

（2）在上述分析的基础上，进一步概括出，不同体积的同种物质质量与体积的比值不变，对于不同的物质来说，质量与体积的比值是不同的．

（3）通过以上分析，概括出密度的定义．

2．培养运用物理知识解决问题的能力

能利用密度公式求解某种物质密度．

三、德育目标

通过本节教学培养学生善于发现的问题，积极主动进行探究的良好品质．

通过密度概念的教学，培养学生欣赏均衡美的能力．

教学建议

教材分析

本节包括三部分内容：密度的概念，密度的公式，密度的单位．

密度是表征物质特性的一个重要物理量．从上节实验中学生已经看到体积相同的不同物质，它们的质量不相等．

本节通过实验进一步使学生认识到同种物质的质量跟体积成正比，且单位体积的同种物质的质量是一个定值，不同物质单位体积的质量不同．因此可以用单位体积的质量来表征物质的这种特性．

学生在数学中虽然学过比例的知识，但是用到物理中来，理解同种物质的质量跟体积的比值是一个定值的含义，仍是有困难的，所以课文中对此作了解释：质量与体积的比值一定，表示体积增大几倍，质量也增大几倍，即质量与体积成正比；质量与体积的比值等于单位体积的质量．帮助学生把数学知识用到物理中来，理解比值的物理含义．考虑到用比值定义物理量比较抽象，教材在说明比值的含义之后，仍用某种物质单位体积的质量来定义密度，以便于学生理解．并在此基础上给出计算密度的公式．然后通过例题说明利用公式求密度的方法．并且在例题计算的基础上讲述密度的单位，使学生对密度的单位不致感到抽象，便于学习．

教法建议

建议将演示实验改为学生分组实验，让学生亲自动手做实验，探究得出密度的概念．

教学设计示例

一、重点、难点分析

密度是一个应用十分广泛的物理概念，也是今后学习液体内部压强、大气压强、阿基米德原理和物体浮沉条件的必要基础．通过本节教学应使学生掌握密度的概念；会查密度表；知道水的密度．让学生掌握密度的概念是本节教学的重点．理解“密度是物质的一种特性”是本节的教学难点．现行教材一般都是通过实验引入密度的概念，再介绍密度的公式和单位．因此，做好实验是本节教学的关键．

1．密度的概念

密度是表征物质特性的一个物理量，它表征的是单位体积的物质质量大小的差别，在一定条件下，每种物质都有一定的密度，不同物质的密度一般不同．上节实验学生已测量出体积相等的铁块、铝块、木块的质量，利用测量的结果可引导学生认识铁块、铝块、木块在体积相同时质量上的差别，即体积相同的不同物质质量不相等．还通过学生的分组实验，使学生认识质量相等的不同物质体积不相等．对每种物质来说，质量与体积的比值都是一定的，跟体积的大小没有关系，只跟物质的种类有关系，因此它反映了物质本身的一种特性．

为了帮助学生理解比值的物理意义，可通过具体数字使学生认识质量与体积的比值就是单位体积物质的质量．

2．密度的公式

为了加深认识密度是物质的一种特性，只跟物质的种类有关．在正确理解密度公式的基础上，讨论公式的物理意义，明确三个物理量间的关系．

通过课本上的例题，教给学生如何运用公式进行计算．要求学生按一定的格式和步骤进行计算，特别是对单位的运算要加以强调． 对于公式

三、课时安排

1课时

四、教具学具准备

托盘天平、砝码盒、烧杯、水、量筒、铁块、铝块、铜块、投影仪

五、师生互动活动设计

1．学生实验．

2．组织学生讨论、分析实验结论，得出密度的定义．

篇5：物质的密度教案

教学目标：

1、通过对物体的质量和体积关系的探究，理解密度的概念。

2、学会用密度公式解决一些问题。

3、知道密度是物质的一种特性，可用密度来鉴别物质。

4、会查密度表，知道水的密度值。教学重点：密度的概念、公式、单位。教学难点：密度概念的建立。

实验器材：天平，量筒、体积相等的铜块、铁块、铝块，水，细线，教学过程：

一、情景引入

设置情景：（1）大家都知道空气是看不见、摸不着的，但空气是有质量的，如果想知道教室里空气的质量，你能想出一个办法吗？

（2）当你买回一只贵重的金戒指后，怀疑戒指的含金量时，你能鉴别出来是否是纯金的吗？

师：这两个问题，现在对大家来说有一定的困难。如果学习了今天的知识后，再来解决这些问题，就变得很简单了。这节课我们来一起学习物质的密度－（板书）

二、新课教学

探究物体的质量与体积之间的关系

提问：（出示两个大小不同的实心铁块）这两个铁块哪个铁块的质量较大？（体积较大的铁块，质量较大）

（出示两个体积相等的实心铁块和实心铝块）这两个物体哪个的质量较大呢？（铁块的质量较大，这是生活经验告诉我们的）

师：经验告诉我们，同一种物体体积越大，质量也越大；相同体积的铁块和铝块的质量是不相同的。下面我们来进一步研究这个问题。

实验探究：（1）教师演示课本实验，学生将实验数据填入课本中的表格中。

（2）分析总结，校对数据后提问：两个铁块的质量、体积是否相等？质量与体积的比值是否相等？

（3）铁块和木块，其质量和体积的比值是否相等？

总结：同种物质组成的物体的质量跟体积的比值相等；不同种物质组成的物体的质量跟体积的比值是不同的。

(4)启发：同种物质组成的物体的质量跟体积的比值相同，不同种物质组成的物体的质量跟体积的比值不同，这些比值都是用物体的质量除以它的体积，得到的是什么？（单位体积物质的质量，这是物质的一种特性）

为了表示不同物质的上述特性，物理学中引入了密度概念。（板书密度概念）怎样计算密度

根据密度的定义，我们可以得出计算密度的公式：密度＝质量/体积 如果用字母ρ表示密度，m表示质量，v表示体积，则密度的公式用符号可表示为：ρ=m/v。仿照确定速度单位的方法，可以确定密度的单位。

提问：国际单位制中，密度的基本单位是什么呢？（千克/米3，读作“千克每立方米”符号kg/m3或kg.m-3，）

师：我们还有一种常用的密度单位是克/厘米3，符号g/cm3或g.cm3 思考：1.水的密度是1.0×103kg/m3，读作什么？表示什么意义？ 2.1g/cm3=

kg/m3 练习：“练习册”12页例

1、例4，13页第6题。密度是物质的特性

物质的密度是由物质本身决定的物理量。每一种物质都有一定的密度，所以我们说密度是物质的一种特有属性。颜色、味道、软硬等都是物质的特性。

三、课堂练习

1.课堂小结

2.提问：为什么说密度是物体的特有属性？怎样求物质的密度？

四、课后作业

篇6：密度教案

1．知道密度是物质的特性，知道同种物质的质量与体积的关系．

2．初步理解密度的概念，会查密度表．

3．使学生初步感知学习物理概念的方法．

重点与难点

重点：密度概念的建立．

难点：密度概念的理解．

教学过程

1．引入新课

师：我们周围有各种物质，我们这个世界就是由各种各样的物质组成的．如：空气、水、泥土、石头、铁、铜等等．每种物质又都有自己的特性．如：空气是气体，水是液体，泥土是软的，石头是硬的，金属有光泽，非金属无光泽等等．形状、颜色、软硬、气味等这些就是物质的特性，我们可以根据这些特性来鉴别物质．下面就请同学们鉴别一下你们桌上摆放的贴有A、B、……字母标签的是什么物质？根据什么特性鉴别的？

生甲：我们桌上放的这瓶液体是酒精．我是根据它的气味鉴别的．

生乙：我们桌上放的两块金属，根据它们的颜色及其中一块的锈迹，可以鉴定一块是铜，另一块是铁．

生丙：我们桌上放的这两个物体，外面涂有同样的颜色，无法判断它们各是什么物质．

师：由此可知，我们鉴别物质，有很多时候，仅靠气味、颜色、软硬、形状等特性是不够的．那么物质是否还有其它特性呢？请丙同学告诉我，你能否判断你桌上的两个物体是不是同种物质？

生丙：肯定不是．因为它们大小形状完全一样，可我用手掂了掂它们不一样重．

师：大小形状完全一样，表示什么相同？

生：体积相同．

师：用手掂，你关心的是什么？应该用什么仪器测量？

生：关心的是质量．应用天平进行测量．

[实验1]

A．将涂有同种颜色、同体积的两物体放在托盘天平的两个盘上，结果天平失去平衡．

B．取同体积的水和酒精倒入质量相等的两个空烧杯中，然后分别放到天平的两个盘上，结果天平也失去平衡．

师：这两个实验中有什么相同量？什么不同量？这两个实验说明了什么？

生丁：两物体的体积相同，质量不同；水和酒精的体积也相同，但质量不同．

生戊：这说明不同物质在体积相同时，质量是不同的．

师：对．体积相同的不同物质，它们的质量不相等，这也反映了物质的一种特性．为此我们引入一个物理量—一密度．

［板书1]

三、密度

1．密度是表示不同物质，在体积相同时质量并不相同这一特性的物理量．

师：现在我们只知道了涂有同种颜色的两个物体不是同种物质，还不知道它们各是什么？这就需要我们进一步研究：对于同一种物质来说，它的质量跟体积有什么样的关系．

2．建立概念

(l)学生分组实验

（每组一个铁块或一个木块，各组的铁块、木块的体积均不相等）．

[实验2]用天平称出铁块或木块的质量，用刻度尺测出其体积，并计算质量与体积的比值．将这些数据填入下表

(2)分析实验数据（投影片见表1）

表1

师：由以上的实验数据，我们可以看出什么？

生甲：体积不同的铁块，它们的质量不同．

生乙：铁块a的体积是铁块b的两倍，铁块a的质量就是铁块b的两倍；铁块c的体积是铁块b的4倍，铁块c的质量就是b的4倍．

生丙：木块a的体积是木块b的两倍，木块a的质量就是木块b的两倍；木块c的体积是木块b的四倍，木块c的质量就是木块b的四倍．

生丁：对铁块，它的质量和体积的比值是个定值；对木块，它的质量和体积的比值也是个定值．只是这两个比值不相等．

师：很好．这就表示，对于同种物质，它的体积增大几倍，它的质量也增大几倍，即它的质量和它的体积成正比，质量和体积的比值是个定值．对不同物质，这个比值不同．而质量跟体积的比值就等于单位体积物质的质量．不同种类物质单位体积的质量一般不同，可见单位体积的质量反映了物质的特性，物理学中就用单位体积的质量来定义密度．

(3)建立概念

[板书2]2．密度的定义：某种物质单位体积的质量叫做这种物质的密度．符号：ρ．

3．密度的公式

师：由密度公式可知，密度的单位是由质量单位和体积单位组成的．在国际单位制中，质量的单位是千克，体积的单位是米3，密度的单位就是千克／米3，读作千克每立方米．

[板书3]4．密度的单位：千克／米3

师：在一般物理实验中，由于所用物质不多，因此质量的单位常用克，体积的单位常用厘米3，密度的单位就是克／厘米3．”

［板书4］常用单位：克／厘米3

1克／厘（转载自本网http://，请保留此标记。）米3=1000千克／米3=103千克／米3

师：请同学们打开书第84页，我们一起来看一些物质的密度表．

师：铜的密度是多大？表示什么意义？用克／厘米3作单位，其数值多大？

生甲：铜的密度是8.9×103千克／米3，这表示体积是1米3的铜其质量是8.9×103千克．用克／厘米3作单位，它的数值是8.9，即8.9克／厘米3．

师：铁的密度是多少？铜比铁的密度大，这说明什么？

生乙：铁的密度是7.9×103克／米3．铜的密度比铁大，说明1米3体积的铜的质量比1米3体积铁的质量大． 师：水的密度是多大？空气的密度是多大？

生丙．水的密度是1.0×103千克／米3；空气的密度是l.29千克／米3．

师：水的密度在后面的学习中我们经常要用到，所以同学们一定要记住它．另外还请同学们注意看，在气体的密度表旁边有个条件—0℃，在标准大气压下．其实不仅是气体，固体和液体的密度也都是在一定条件下由科学家经过严格准确的实验测出的．

师：现在，我们再看密度表，比较固体、液体、气体的密度，哪种较大？哪种较小？

生丁：固体的密度都较大；气体的密度都比较小．

师：是否所有的物质都是这样呢？你们查查看，固体中干松木的密度是多大？它的密度比水的密度大还是小？再查查看，水银的密度是多大？水银是固体还是液体？

生戊：干松木的密度是0.5×103千克／米3，它的密度比水的密度小．水银的密度是13.6×103千克／米3，水银是液体．可它的密度却比一些固体的密度还要大．

师；所以说固体的密度较大，只是对一般物体而言．好，若有一种金属，它的密度是2.7×103千克／米3，它是什么金属？

生己：由密度表可知，这种金属是铝．

师：所以，利用密度还可以鉴别物质．

3．实验与讨论

师：（拿一个戒指或螺母）请同学们想想，怎样鉴定这枚金戒指的真假？都需要测哪些量？各用什么仪器？

生：可以测密度来鉴别，这需要测质量，用天平测；还要测体积，用量筒来测；将数据带入密度公式进行汁算．

师：下面我们分成4个大组，每个组完成下面一个实验内容．

(1)学生分组实验（实验内容用投影映出）

[实验3]用天平、量筒来测定：

A．一杯酒精、半杯酒精的密度；

B．大铝块、小铝块的密度；

C．同体积的铁和铜的密度；

D．涂色的两种物质的密度，鉴定它们是什么物质．

（以上实验两人一个小组，六个小组完成一个实验内容，四个实验内容并进）．

(2)实验记录

（见表2用投影片，请同学回答，教师填写）．

表2

(3)思考与讨论

师：由以上实验结果，我们一起来讨论几个问题．

[板书5]实验与讨论：

A．对同种物质，物质的密度ρ与质量m、体积V的关系．

B．不同物质，密度ρ是否相同，这说明什么？

生甲：对同种物质，它的体积变化时，质量也变化，质量与体积成正比，即m与V的比值不变，也就是密度不变．这说明，同种物质，密度ρ是相同的，ρ与m、V都无关．

生乙：不同的物质，密度ρ也不同．这说明：每种物质都有自己的密度．

师：回答得非常好．既然每种物质都有自己的密度；这说明：密度是物质的特性之一．

[板书6]5．密度是物质的特性，在种物质都有自己的密度．同种物质，密度相同．

师：我们再来看第三个讨论题．既然对同种物质，ρ与m、V都无关，那种这个密度公式还有什么意义呢？

生丙：用它可以计算未知物质的密度．

以此式也叫做密度的计算式．

[板书7]（写在板书1，密度公式的右边）：计算式．

4．巩固练习（投影片）判断下列说法是否正确？

A．大铝块的质量是4千克，小铝块的质量是1千克，则大铝块的密度是小铝块密度的4倍

B．物质的密度与物体的质量成正比，与物体的体积成反比

C．一杯酒精用掉一半后，剩下一半酒精的密度是原来的一半

生：（略）

5．本课小结

师：今天我们学习了一个很重要的概念——密度，通过实验和讨论，知道了密度也是表征物质特性的一个物理量，它表征的是单位体积的物质质量大小的差别，每种物质都有一定的密度，不同物质的密度一般不同．那么，如何利用密度知识去解决一些实际问题呢？这是我们后面学习要讨论的问题．

6．布置作业

篇7：《密度流》教案

电镀铁层具有硬度高及耐磨性良好等优点,广泛应用于钢铁磨损件的修复、模具电铸层加厚、印刷版制造等领域。过去,在高温、大电流密度[1,2]镀铁的溶液配方、添加剂选用、镀层性能形貌与组织结构、沉积机理等方面有很多报导[3,4,5]。相对而言,低温、小电流密度的镀铁工艺及其镀层性能、结构的研究较少。但是,在某些场合,电镀铁必须采用低温、小电流密度的电镀规范,如在电镀金刚石工具中,为了方便操作和防止氢气泡对金刚石的冲刷,镀液温度一般低于35 ℃,电流密度不大于5.0 A/dm2。

为此,本工作采用低温、小电流密度直流电镀铁,研究了电流密度对镀层硬度、金相组织、形貌的影响,并对镀铁层中黑色条纹的成分及其成因进行了探讨。

1 试 验

1.1 基材前处理

基材为45钢,尺寸为ϕ10 mm×15 mm,端面前处理如下:砂纸逐级打磨→绝缘包扎→电化学除油(10%的NaOH溶液,5 A/dm2的直流电下阴极除油3 min,再阳极除油2 min)→水洗→活化(稀硫酸溶液,室温,2~3 min,活化完后待镀面由亮白变为灰白为佳)→水洗。阳极为工业纯铁,置于阳极袋中。

1.2 电镀铁工艺

镀液配方:400 g/L FeCl2,50 g/L KCl,50 g/L NaCl,10 g/L H3BO3,5 g/L MnCl2,15 g/L NH4BF4,pH值为3.7。

工艺条件:用500 mL的烧杯配制5份镀液,每份镀液400 mL,置于水浴槽中,以自动温控仪将镀液温度控制在(30±1) ℃,电流密度为2~6 A/dm2,根据法拉第定律计算不同电流密度下镀层沉积厚度为 0.6 mm所需的电镀时间(不考虑各电流密度下电流效率的差异)见表1。

1.3 镀铁层性能测试

用Quanta200环境扫描电子显微镜对镀层表面进行观察,并用其配备的能谱仪分析镀层表面成分。

用HV1000A显微硬度计测量镀层的显微硬度:载荷为3 N,加载10 s;每个样测5个点,取平均值。

用BHM-313Nl金相显微镜分析镀层的组织结构;分析前,镀层用400目~6号金相砂纸逐级打磨,经抛光处理后,用95%酒精+5%硝酸进行腐蚀,时间为8 s。此后,采用扫描电镜能谱仪分析镀层的成分。

2 结果与讨论

2.1 镀铁层的表面形貌

图1是2种电流密度下镀铁层表面的SEM形貌。由图1可以看出:2种镀层表面组织均为连续半球状小颗粒状,且有微裂纹;2 A/dm2时镀层的表面颗粒尺寸稍粗,整体比较致密平整,裂纹较细小,无气孔、针孔等缺陷;6 A/dm2时镀层表面裂纹粗大,数量也较多。这可能由于随电流密度增大,镀层的内应力增加所致。电流密度增大后,析氢副反应加剧,氢气分子在阴极表面吸附或气体溢出而形成微孔[6]。

2.2 铁镀层的金相组织

镀铁层的金相组织见图2。

不同电流密度下镀铁层的组织形貌均为金属镀层和黑色网状条纹,未发现晶粒和晶界;有研究者认为,黑色网状条纹为Fe-C共沉积物或铁素体和渗碳体位错排列组织[7,8,9]。如果是铁素体与碳构成共晶物,其硬度必然高于铁素体[10]。本工艺形成镀铁层的网状组织硬度较低、网状条纹组织处的成分仅含有铁元素,同时在分析显微硬度时,压痕一角也易产生同样的裂纹。黑色网状条纹为微裂纹,不同电流密度下随着电流密度增大,镀层中的微裂纹数量逐渐增加,微裂纹也逐渐变粗,这是由于电流密度越大,镀层的晶粒越细小,产生的拉应力更大,使微裂纹变粗且密集。

2.3 镀铁层的显微硬度

图3是镀层不同部位的显微硬度随电流密度的变化曲线。可以看出,金属镀层硬度、微裂纹硬度都随着电流密度的增大而升高;金属镀层均在490 HV以上,6 A/dm2时达到581.05 HV。这是由于随着电流密度的增加,阴极极化作用变大,晶粒细化,位错密度增高,从而强化了镀层;微裂纹区域的硬度增长很平缓,在470 HV左右,明显低于金属镀层,说明电流密度的大小对此影响很小。

2.4 镀铁层的能谱

图4为3 A/dm2镀铁层在打磨前能谱分析。镀铁层在出槽后在真空环境下保存,以防止镀层表面氧化。在未打磨镀层的光亮区域处进行点散射,其EDS谱见图4a。由图4a可知,对应于金相分析的金属镀层处仅含有Fe元素,说明此区域是一种纯铁组织。由图4b微裂纹处(对应黑色条纹)点散射可以看到,微裂纹处也仅含有Fe元素。

图5是该镀层暴露于空气中一段时间并打磨后的镀层形貌和EDS谱。图5a成分仍为纯铁,但图5b微裂纹处含有了一定量的氧元素,说明镀铁层中的氧是镀后微裂纹附近镀层在空气中氧化带来的,不是在铁沉积过程中夹杂的,裂纹呈纵向凹槽分布,氧化铁难以打磨去除。因此,镀层的组织是一种被裂纹分割的纯铁组织。与黑色条纹中的氧是沉积过程中Fe3O4夹杂引入的观点有别[11]。

3 结 论

(1)镀铁层组织表现为一种被微裂纹分割的纯铁组织,微裂纹是镀层沉积过程中内应力过大而产生的;微裂纹处在空气中易氧化形成氧化物,影响镀层质量。

(2)随着电流密度的增大,镀铁层晶粒细化,表面缺陷增多,微裂纹变粗且数量也逐渐增多。

(3)随着电流密度的增大,镀铁层硬度提高,6 A/dm2时,达到581.05 HV。

参考文献

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[2]张亚萍.关于影响低温镀铁镀层性能因素的探讨[J].农机使用与维修,2009(2):21～22.

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[5]Tsyntsaru N,Bobanova J,Ye X,et al.Iron-tungsten alloyselectrodeposited under direct current from citrate-ammoniaplating baths[J].Surface and Coatings Technology,2009,203(20/21):3 136～3 141.

[6]刘洪涛,顾卡丽.低温镀铁层的微观结构和摩擦学性能[J].材料保护,2004,37(6):7～8.

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[10]刘宗昌.材料组织结构转变原理[M].北京:冶金工业出版社,2006:5～8.