运动历史能量图像算法

第一篇：运动历史能量图像算法

一种新的图像加密算法研究

吴新华 (南通纺织职业技术学院现教中心 江苏南通226007)

联系作者e-mail: firstflycat@163.com 摘 要: 利用混沌序列的特性，本文提出了一种新的混沌彩色图像加密算法。首先对Logistic和Cubic-Henon复合混沌映射进行处理，生成混沌序列，再结合像素值替代和图像位置置乱方法对彩色图像进行加密，然后进行实验仿真和性能分析，结果表明该算法具有一定的有效性和良好的加密性能。 关键词: 混沌序列;彩色图像加密;密钥

中图法分类号: TP309.7 TP391

文献标识码: A

Study on a New Image Encryption Algorithm

WU Xin-Hua (Modern Education Technology Center, Nantong Textile Vocational Technology College, Nantong

Jiangsu, 226007, China) Abstract: A new color image encryption algorithm is presented with the properties of chaotic sequences. At first, the chaotic sequences are generated by dealing with Logistic and Cubic-Henon compound chaotic system. Then the color image is encrypted by combining the methods of pixel value substituting and position shuffling. The results of experiment simulation and performance analysis show that the algorithm is valid and has good performance. Key words: chaotic sequence; color image encryption; key

1引言

随着当今互联网和多媒体技术的飞速发展，多媒体通信逐渐成为人们彼此之间信息交流的重要手段。而数字图像作为多媒体信息中最重要的一种信息表达形式，现已成为人类进行信息交流的重要手段之一，其安全性问题也同时被提上了日程。图像加密是图像安全保护的核心技术，由于数字图像具有数据量大、数据相关度高等特点，用传统的加密方式存在诸多问题，近年来兴起的混沌加密方式为图像加密提供了一个新的有效途径，现已成为图像信息安全的研究热点。

混沌信号具有隐蔽性、不可预测性和易于产生、复制等特点，非常适合于图像加密。混沌系统用

[1]于数据加密最早由英国数学家Matthews提出，此后人们提出了多种基于混沌的图像加密算法，主

[2-4]要有基于Arnold变换、幻方、Hilbert曲线等的混沌图像位置置乱，以及基于混沌系统的各种像[5,6]素值替代方法。虽然这些方法能较好地隐藏图像，达到保密目的，但都是对彩色图像RGB三基色分别进行的加密处理，对混沌系统的维数要求较高;而且现有算法很少有扩散化像素值替代和图像位置置乱相结合的方法，因此其安全性和效率还有待进一步改进。本文采用Logistic和Cubic-Henon复合混沌映射，提出了一种新型的混沌彩色图像加密算法，进行实验仿真和性能分析，结果表明该算法具有较好的性能。 2图像加密算法设计 2.1算法思想

国家自然科学基金项目(60474076)，江苏省“六大人才高峰”第三批高层次人才项目(06-E-029)，江苏省自然科学基金项目(BK2007061) 一幅24位真彩色图像由R、G、B三基色组成，可以表示为MN3三维数组的形式，三基色的像素值[0,255]，且相邻像素的三基色值在空间域上具有很强的相关性。本文将一幅彩色图像处理成M3N灰度图像，然后利用Logistic和Cubic-Henon复合混沌映射产生混沌序列，对图像进行像素值替换和以88块为单位的空域置乱，扰乱相邻像素的相关性，再进行重组，从而使得原图像变成一幅杂乱无章的彩色图像，达到良好的加密效果。

国家自然科学基金项目(60474076)，江苏省“六大人才高峰”第三批高层次人才项目(06-E-029)，江苏省自然科学基金项目(BK2007061) 2.2混沌映射

系统采用的Logistic混沌映射形式如下：

xn1xn(1xn)(1)

混沌动力系统的研究工作指出：当3.56994564，xn(0,1)时，Logistic映射工作于混沌状态;而且Logistic映射对参数具有极度敏感性。

系统采用的Cubic-Henon复合混沌映射进行图像位置置乱，其方程如下：

x[k1]3x[k]4x3[k] 2y[k1]10.3z[k]1.4y[k]z[k1]y[k]其中：x[k]是Cubic混沌映射的状态;y[k]、z[k]是Henon混沌映射的状态。 2.3加/解密算法

从算法的计算速度、置乱程度、抗攻击能力等因素综合考虑，本文提出了一种新型的混沌图像加密算法，系统框图见图1所示，具体加密过程描述如下：

第一步：输入待加密彩色图像，分离彩色图像的RGB三基色分量(RMN，GMN，BMN)，再将彩色图像的RGB三基色分量进行拼装[RMN,GMN,BMN]。

第二步：取13.95,23.97,34，输入初值xx0(令初值为加密密钥)，由(1)式分别生成三个混沌序列，将序列中每个元素都扩大至小数点后三位，相加得到M3N二维混沌数组HW[][];再与[RMN,GMN,BMN]对应元素相加并求余，得到灰度值替代后加密图像RGB_HM3N。

第三步：给定初值x0,y0,z0(同样令初值为加密密钥)，由(2)式生成实值混沌序列x,y，再将其分别按由小到大的顺序排列，生成置乱索引二维数组PXM3N,PYM3N，然后以PXM3N为行地址置换矩阵，对加密图像RGB_HM3N进行行地址变换，以PYM3N为列地址置换矩阵，进行列地址变换。

第四步：合成R、G、B三基色，输出密文彩色图像。

加密密钥Logistic混沌序列R 色提G 色取B 色RGB拼装Cubic-Henon混沌序列原始图像RGB像素值替换位置置乱拆分合成密文图像 图1 彩色图像加密算法框图

解密算法是加密算法的逆运算，恢复出原始彩色图像。 2.4实验仿真

为了验证上述算法的有效性，本文对一幅尺寸大小为5125123的lena图像进行加密，其仿真

ˆ00.1，x0x结果如图2所示。仿真时取加密密钥与解密密钥相同，分别为xx0xxˆ00.655，ˆ00.2，z0zˆ01.2。 y0y

(a) 原始图像 (b) 加密图像 (c) 解密图像

图2 混沌图像加解密仿真图

由上图可知：原始图像经加密后，图像变得杂乱无章、不可识别，而加密图像经正确的密钥解密后又能恢复出原始图像，从而具有一定的有效性和保密性。现有的混沌图像加密算法，也能较好地隐藏图像，但其加密效果和加密效率不甚理想，如最常用的Logistic混沌映射用于灰度值替代、Lorenz混沌系统用于位置置乱方法，其抵抗统计攻击的性能尤需提高(具体见3.2直方图分析)。 3 性能分析

3.1密钥空间和密钥敏感性

在本文提出的加密算法中，Logistic以及Cubic-Henon复合混沌映射的初值作为密钥，即(xx0,x0,y0,z0)，其精度达到1016，密钥空间可达1064，可有效地抵抗恶意穷举攻击。

下面首先从密钥失配时的解密图像来定性分析密钥敏感性。加/解密密钥分别取ˆ00.65500001，y00.2,yˆ00.20000001，z01.2,zˆ00.10000001，原ˆ01.20000001，xx00.1,xxx00.655,x始图像为图2(a)，解密图像如下图所示。可见，尽管加、解密密钥只有微小的偏差，但解密后的图像已看不出任何原始图像的痕迹。

(a) x0密钥 (b) y0密钥 (c) z0密钥 (d) xx0密钥

图3 密钥发生微小变化后的解密效果图

再由图像恢复性能指标MSE和PSNR来定量描述密钥敏感性。当解密密钥x0,y0,z0或xx0分别以102的数量级失配时，得到不同的解密图像，测量其与原图像的MSE和PSNR，可得下表1。

其中： 均方误差 MSE1(I(i,j)I(i,j))MNi1j1MN2(4)

2峰值信噪比 PSNR10lg(fmax)MSE(5)

表1 对初值x0、y0、z0和xx0微小变化的敏感性测试

x0 变化 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 PSNR R

G

B 11.655 3 12.332 1 13.409 2 11.645 8 12.331 2 13.409 2 11.642 4 12.330 1 13.409 2 11.640 1 12.323 8 13.409 2 11.635 9 12.332 1 13.409 2 y0 变化 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2

PSNR

R

G

B 11.691 3 12.398 9 13.466 8 11.680 2 12.402 4 13.414 9 11.679 3 12.392 5 13.412 6 11.673 5 12.377 3 13.410 5 11.669 3 12.370 9 13.408 5

z0 变化 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2

PSNR

R

G

B 11.696 4 12.403 8 13.452 3 11.692 5 12.400 1 13.455 5 11.683 4 12.381 8 13.454 9 11.678 7 12.380 0 13.446 7 11.676 8 12.378 2 13.445 6

xx0 变化 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2

PSNR

R

G

B 11.630 9 12.325 7 13.390 0 11.630 5 12.323 9 13.385 3 11.621 2 12.320 6 13.383 9 11.619 3 12.318 8 13.380 9 11.610 5 12.311 8 13.373 4 可见，密钥的微小变化，可以导致解密图像完全偏离原始图像(通常当PSNR值在28dB以上时，图像恢复的质量较好)，这意味着该算法对密钥具有极大地敏感性。 3.2直方图

从一幅24位真彩色图像及其加密图像(图2)中，分别提取出R、G和B分量，然后计算各自的直方图(图4)。从图4可以看出，此算法进行的加密图像R、G和B分量的直方图很均匀，完全不同于原始图像的R、G和B分量的直方图，可有效地抵抗统计攻击;而对于同一原始彩色图像，常用的灰度值替代方法(Logistic混沌映射)进行的加密图像直方图仍带有原始图像直方图的痕迹，位置置乱方法(Lorenz混沌系统)进行的加密图像直方图与原始图像直方图完全一致(图5)。

图4 原始图像和密文图像RGB分量的直方图

图5 常用加密算法密文图像RGB分量的直方图

3.3相关性分析

通过下式计算相邻像素的水平、垂直和对角线方向的相关性：

cov(x,y)E((xE(x))(yE(y)))cov(x,y)RxyD(x)D(y)(6) (7)

其中，x,y是图像中两相邻像素的像素值，E(x)是x的数学期望，D(x)是x的方差，cov(x,y)是x,y的协方差。原始图像中相邻像素的相关性是很大的，为了破坏统计攻击，必须是相邻两个像素的相关性降低，相关系数越小说明加密性能越好。现从原始图像和密文图像中任取一行、一列以及对角线上的像素点进行相邻像素相关系数计算，可得下表2。

表2 相邻像素相关系数

像素关系 水平相邻 垂直相邻 对角线相邻

原始图象

R

G

B 0.979 8 0.920 0 0.863 2 0.985 5 0.983 1 0.968 6 0.963 5 0.942 1 0.882 4

密文图像

R

G

B 0.042 3 -0.030 8 0.027 5 0.030 3 0.016 4

0.006 2 -0.038 6 0.025 2 -0.015 9 由实验结果可知，此算法的加密信号具有较好的扩散和混淆能力，加密效果好，因此该算法对统计分析具有更好的安全性。 3.4抗攻击性测试

密文图像在传输过程中经常会受到噪声污染以及几何失真等影响，图6所示为其解密效果。图6a所示为以peppers为例的密文图像受到10%强度的椒盐噪声污染后的解密图像，其与原图像的相似度为90.01%;图6b所示为以pelican为例的密文图像经约10%不规则裁剪后的解密图像，其与原图像的相似度为90.08%，可见此算法具有较好的抗噪声、抗裁剪攻击能力。

(a) 椒盐噪声 (b) 不规则裁剪

图6被攻击后的解密图像

4小结

混沌图像加密技术是计算机图像安全领域的一个研究方向。本文提出了一种新的基于混沌序列的彩色图像加密方法，利用混沌信号的优良特性，结合像素值替代和图像位置置乱方法，在空间域内对图像进行加密。该加密算法具有密钥空间大、不易破解等特点，在抗破损、相关性统计攻击等方面也具有较好的性能，实验结果验证了该算法的有效性。

参考文献：

[1] Matthews R.On the Derivation of a Chaotic Encryption Algorithm[J].Cryptologia，1989，1：29-42 [2] Chen Guan-rong, Mao Yao-bao, Chui Charles K.A symmetric image encryption scheme based on 3D chaotic cat maps[J].Chaos Solitons & Fractals, 2004, 21(3): 749-761 [3] 王英，郑德玲，王振龙. 空域彩色图像混沌加密算法[J] . 计算机辅助设计与图形学学报. 2006, 18(16): 877-880 [4] 陈巧琳, 廖晓峰, 陈勇等. 改进的基于混沌序列的幻方变换图像加密[J]. 计算机工程与应用, 2005, 22: 138-232 [5] Fu Chong, Zhang Zhen-chuan, Cao ying-yu. An improved image encryption algorithm based on chaotic maps[C]. Third international conference on natural computation (ICNC), 2007, 24-27 Aug, 3:189-193 [6] 张燕, 黄贤武, 刘家胜. 一种基于改进的混沌猫映射的图像加密算法[J]. 计算机工程, 2007, 33 (10): 166-168

作者简介：吴新华 (1980- )，男，江苏南通人，硕士，南通纺织职业技术学院教师，研究方向为图像加密，网络安全。

第二篇：运动图像教学反思

图像描述物体运动具有直观性，运动图像在高中物理教学内容中占有很重要的地位。但是很多老师和同学没有把握住学习图像的要点，往往事倍功半，效果甚微。

很多人也包括我在图像教学上认识的不够深入。刚开始认为图像是解题的一种方法，通过图像能巧妙的解决很多复杂的物理习题。对于用图像法解题一度达到了痴迷的程度，每个题都想用图像法试试。后来逐渐的认识到图像是描述物体运动规律的方法之一，用图像来描述物体的运动非常简单，在这个以后的教学中总是给学生总结一些看图像的方法，目的就想通过图像能读出哪些信息来。经常告诉同学们看图像要从五个方面来看：一看坐标轴的物理意义，坐标轴反应了因变量和自变量之间的关系;二看图像上点的物理意义，图像上的点代表物体的状态(一般的点，坐标轴上的点);三看线段的物理意义，图像上的线段表示运动过程;四看直线或者曲线某点切线的物理意义，就是因变量随自变量的变化快慢;五看图线与坐标轴围城面积的物理意义。随着教学年龄的增多对图像的教学又有了更深入的认识，我逐渐的认识到图像教学必须培养学生转换得能力，即把一个实际的物体运动转化为抽象的图像表述及通过看图像能转换为具体的物体的运动。如果不能使学生生成这种具体实物运动和抽象的图像之间的相互转化能力，我认为就没有能很好完成这部分内容的教学工作。

图像教学不是会用图像解几个题、能画出物体运动的图像、也不是能从图像上读出某些信息来就算完成任务了，而是培养学生具有把抽象的图像与具体实物运动相互转化的能力，物理学上称为翻译的能力。如果这种能力没有建立起来图像教学就没有达到目的。

第三篇：第一章运动的能量代谢理论讲稿

教学目标

•掌握ATP在肌肉活动时的作用及其维持稳态的途径。

重点与难点

•重点：生命活动的能量来源

•难点：ATP的生成过程。

二、ATP与ATP稳态

(一)细胞能量代谢的重要媒介—ATP

细胞在能量转换中利用的耦联，是一种既是能量受体又是能量供体的ATP。

(三) ATP稳态

机体在能量转换过程中维持其ATP恒定含量的现象。其途径有CP转化、无氧酵解、有氧氧化等。

三、生命活动的能量来源

(一)糖类

机体所需能量的50-70%来自糖类，1克糖在体内完全氧化可释放约4kcal的热量，体内糖类以糖原和葡萄糖的形式存在，其分解形式有无氧酵解和有氧氧化两种。超长时间的运动可导致机体糖原的耗竭，因此应适当补糖

(二)脂肪

是细胞能量的主要储存形式，1克脂肪在体内完全氧化可释放约9.5kcal的热量。机体摄入并吸收过多的能源物质，在活动量减少时，脂肪储存会增多。

脂肪在体内的代谢过程

(三)蛋白质

主要由氨基酸组成，成人每天约有18%的能量来源于蛋白质，1克蛋白质在体内完全氧化可释放约4.3kcal的热量，体内储备的能源物质不断被消耗且不能及时补充时，脂肪和蛋白质提供的能量会增多。

蛋白质在体内的代谢过程

四、ATP的生成过程

(一)ATP生成的无氧代谢过程

1.磷酸原供能系统：ADP+CP→ATP+C 2.糖酵解供能系统：糖在缺氧的条件下合成ATP，这一过程中糖不完全分解生成乳酸。

(二)ATP生成的有氧代谢过程 第一阶段：葡萄糖→丙酮酸

第二阶段：丙酮酸经脱羧、脱氢反应生成乙酰辅酶A。 第三阶段：三羧酸循环和氧化磷酸化

五、不同途径合成ATP的总量及效率

磷酸原系统ATP供应总量最低，但能提供最高的ATP合成效率;有氧氧化提供的总量最多，但效率最低;糖酵解系统介于两者之间。

思考题

1.简述ATP的分解释能机制。

2.生命活动的能量来源有哪些途径? 3.简述ATP的生成过程?

第四篇：高二物理教案分子热运动_能量守恒-能源与环境

能源与环境

玉屏名族中学 安力

(一)教学目标 1.知识与技能

(1)了解什么是常规能源，什么是新型能源 (2)了解能源与人类生存环境的关系，使学生认识能源的合理利用与环境保护对可持续发展的重要意义

2.过程与方法

(1)通过指导学生分析事例，培养学生分析问题和理论联系实际的能力 (2)通过指导学生阅读教材，培养学生的自学能力

(3)未来的能源应该是安全、环保、高效的能源.对能源标准的讨论，将有助于学生树立有关能源的正确观点 3.情感、态度与价值观

(1)了解大量的能源消耗带来的全球性环境问题 (2)提高学生的节能、环保意识

(二)教学重难点

重点：

1、能源、常规能源、可再生能源的教学

2、能源和环境之间的关系

难点：能源和环境之间的关系

(三)教学过程

引入

热力学第二定律告诉我们，很多与热现象有关的物理过程都是不可逆的。涉及内能的能量转化过程具有方向性，这在上一节已经提到过了。在本节，我们讨论这种方向性的现实意义。

一、能源

一段木料燃烧后化为灰烬，能够释放给我们所需要的能量。然而，灰烬却不能立即被合成而成为一段木料。但是，我们至少可以将灰烬作为肥料施在一颗小树苗上，促成它长成一段未来的木料，以供人类(可能是种树、施肥者的子孙，也可能是别人的子孙)再次燃烧。

在这一人与资源的交互行为中，我们会发现，首先，能量转化的方向性并没有被破坏，也就是说，热力学第二定律仍被得到尊重。其次，这将形成了一个循环，因为只要时间足够，让树苗成长成为木料的数目大于我们燃烧木料的数目，它就不会破坏需求与资源的动态平衡关系。其三，在这个循环中，必须要有第三者参与——如果没有太阳的光合作用，循环就终止了——所以人与资源(树木)之间并不是“今天你给我，明天我还给你”的关系(我们与其说在燃烧树木，还不如说是在利用储存的太阳能)。其四，这种循环还有一种隐忧，那就是：灰烬“成为”树木的速度要远远小于树木变成灰烬的速度，表面的平衡是以内部数量上的不平衡为代价的。

以上的四点中，第三点事实上已经决定了循环“返回”过程的速度(不能由人类

操控)，第二点和第四点则意味着人类的行为、世界观对“平衡”能否被破坏有着直接的关系。

在工业化时代到来之前，人们过着田园牧歌式的生活，没有电器、没有汽车、没有空调，人类使用大自然的资源只是为了满足最基本的生活需求，因此，这种“平衡”没有被破坏。

随着工业化时代的到来，这种状况立即显现出危机，循环就要被终止了。于是，人们想到了地底下的资源：煤和石油。他们提供的能量很有用，燃烧的速度和效能和木材相差无几。但是，形成煤和石油的速度比长成树木的速度，就不能同日而语了!可以这样说，人们自从使用煤的第一天起，就没有想到一个可能形成循环的问题，更不用说什么平衡了。所以，煤和石油事实上是一种坐吃山空的资源：我们今天用得越多，我们的子孙将来可以使用的就越少。

在不久的将来，人们用完了所有的煤和石油，会怎么办?这是一个令社会学家睡不安枕的问题。

然而，经济学家们却不这样看。经济学教授给学生们讲课，出了这样一个题目：地底下现有石油储量X吨，近五年的开采量是Y吨/年，请预测石油将在多少年后被开采完?有的学生开始用计算器摁键：X/Y = ? „这样的学生被认为是经济学的盲者。教授的观点是：永远也开采不完。因为，随着石油储量的减少，开采的成本会加大，成本大于销售价格时，市场规律决定了人们在也不会去开采石油了。此时石油存在事实已经失去了利用价值，任它在地底下沉睡多少年也和我们没有关系了。

那么人们会使用什么能源呢?巨大的市场潜力和利润空间将驱使人们去研究一种石油的替代品。因此，能源的危机也就解决了。

是社会学家们悲天悯人，还是经济学家们盲目乐观?这需要我们冷静地去判断。至少，以下的一些事实可以显示，这两派观点都有一定的道理——

世界上石油储量最大的中东地区一直是发达国家关注的焦点，外交、军事莫不围绕着这片从地表上看毫无魅力的区域打转。世界警察(美国)和他的随从们最愿意去管中东的事情：两次海湾战争、伊拉克战争等等„说明能量消耗巨大的富国们对石油的心痛程度。

令以一方面，“替代品”——新能源的研发、形式层出不穷。

1、水能：水作为能量的载体，被太阳能驱动地球上三栖(水、陆、空)循环。地表水的流动时，在落差大、流量大的地区，形成可利用的水能资源。目前世界上水力发电还处于起步阶段。

2、海洋能：由于地球受月球和太阳引力的周期性不均衡，海水发生非气候性的涨潮和落潮现象，形成潮汐。潮汐蕴含着巨大能量，既可以用来推动机械装置，又可以用来发电。

此外，由于海水表层和深层间的存在很大的温差，利用这种温差也可以发电(*因为水的沸点与气压有关，如果建造一个装置，用抽真空的方法使表层的海水在20摄氏度时汽化，并推动汽轮机，再将深层的冷水提上来使蒸汽冷却，如此周而复始，就可以发电了。除这种方法外，还可以用低沸点的流体如丙烷和氨来作为热机的工作介质)。法国已经建成了世界上第一座温差发电站，发电容量为14,000kW。

3、风能：利用风的机械能发电，风能是一种重要的自然能源。据有关专家估算，在全球边界层内的总能量为1.3×1015瓦，一年中约为1.4×1016千瓦时电力的能量，相当于目前全世界 每年所燃烧能量的3000倍。其中1/10为可取用的极限量。

风能的优点是：总能量巨大，利用简单、无污染、可再生。缺点是：能量密度低(当流速同为3米/秒时，风力的能量密度仅为水力的1/1000)、不稳定性大，连续性、可靠性差，时空分布不均匀。

4、生物质能：利用厌氧微生物在密闭条件下分解(废弃)有机物，产生沼气，沼气具有很高的热值，燃烧后生成二氧化碳和水，不污染空气，不危害农作物和人畜健康。生成沼气的原料本身就是各种废弃物，生产过程可以减少(有机物)垃圾的数量。

在农村到处可以看到许多生物质的废弃物，如人畜粪便、秸秆、杂草和不能食用的果蔬，等等。将这些废弃物收集起来，经过细菌发酵可以产生沼气，用沼气做燃料和照明，也可以发电。

5、太阳能：太阳能是一种可广泛利用的清洁能源。我们目前的利用方式主要是两种——

一是将阳光聚焦，将光能转化为热能(传说阿基米德就曾经利用聚光镜反射阳光，烧毁了来犯的敌舰)。在日照充分的地方，人们在生产和生活中已大量使用太阳灶、干燥器和太阳能热水器(太阳能热水器的构造要简单的多。因为不需要它产生太高的温度。在大多数情况下，可以将太阳能热水器的集热器制成箱式、蛇型管式、直管式、平板式或枕式，通过管道与水源和储水箱相连。太阳能热水器在我国北方比较常见)。

二是将太阳能转化为化学能，再用化学能发电。比较常见的光电池是硅电池(它能将13%-20%的日光能转化为电能)。许多电子计算器和其他小型电子仪器现在已经采用太阳能电池供电，人造卫星和宇宙飞船更是主要依靠太阳能电池来提供电力。

但是阳光在达到地面以前要经过大气的反射、散射和吸收，能量损失较大，加上阴天、昼夜变化和雨雪等降水过程的影响，目前地面上利用日光发电受到一定限制。

无论是生物质能、风能，还是水力、温差和潮汐能，归根结底都是太阳能的转化形式。即使矿物燃料，也是通过生物的化石形式保存下来的亿万年以前的太阳能。

6、地热能：用地热采暖、将地热用于农业、水产养殖业、工业生产等，在全世界范围内受到关注。(从直接利用地热的规模来说，最常用的是地热水淋浴，占总利用量的1/3以上，其次是地热水养殖和种植约占20%，地热采暖约占13%，地热能工业利用约占2%)。

利用地热能，占地很少，无废渣、粉尘污染，用后的弃(尾)水既可综合利用，又可回注到地下储层，达到增加压力、保护储层、保护地热资源的双重目的。*据美国地热资源委员会(GRC) 1990年的调查，世界上18个国家有地热发电，总装机容量5827.55兆瓦，装机容量在100兆瓦以上的国家有美国、菲律宾、墨西哥、意大利、新西兰、日本和印尼。我国的地热资 源也很丰富，但开发利用程度很低。主要分布在云南、西藏、河北等省区。除以上利用外，从热水中还可提取盐类、有益化学组分和硫磺等。

7、核能：铀在自然界中有三种放射性同位素：U2

35、U2

38、U234 ，在衰变过程中放出热量。在军事上铀主要用来制造核武器和核动力燃料。铀的和平用途十分广泛，其

中最主要的是用作核电反应堆的燃料。

由于核电具有发电成本低、对环境污染小和安全等优点，世界各国，尤其是工业发达的国家和地区都大力发展核电，估计到2000年核电将达到世界总发电量的25%左右。我国已建成秦山、大亚湾核电站，目前还有多处正在筹建。

铀裂变时产生的同位素及其射线，在工农业生产和科学技术领域中有广泛的用途。例如，在工业上利用射线实现生产自动控制，无损伤检查等;在农业上利用射线培育良种，防止病虫害等;在医学上用于灭菌消毒，临床诊断及治疗;在地质勘探工作中用来找矿等等。

从种种迹象看来，能源危机的解决也许并不是难事。但这是不是就意味着人类可以高枕无忧呢?答案是否定的——

二、环境

可以说，自打人类寻找到木材的替代品——煤和石油开始，就已经意识到了“替代”绝不就是“等同”。我们前面说过，木料的灰烬能够作为肥料施在小树下，这样就促进了循环的完整与良性发展，而煤渣并不能做到这一点。也许学过化学的我们会说，煤和石油的衍生物也可以制成肥料，但是，请大家不要忘了，木料的灰烬可以被大自然“照单全收”地降解、燃烧的二氧化碳也是植物(新树苗)呼吸作用的必须，可煤燃烧的废渣、石油的衍生物(塑料等)却不能或很难被降解，他们燃烧的废气(二氧化硫等)是天怨人怒的有害物质(石油燃烧的废气还是城市人们致癌的罪魁祸首)。所以说，垃圾问题、大气问题，共同构成了——环境问题。

在新的能源中，环境问题是不是彻底解决了呢?从前面介绍的1~6种能源中，人们确实充分考虑了这个问题，理论上是不会有环境问题的。但是，不知大家注意到了没有，它们都会受自然条件和资源条件的制约(没有风，风车能转吗?太阳能需要面积，你能把热效应管架在别人的房子上去吗?潮汐能需要海岸线的长度，你去侵略别人的海域吗?)。随着人们需求的增长，可以说，这前6能源的供应量必然不能满足要求，所以第7种能源成为人们关注的焦点：核能(因为它有一个突出的优点，那就是能量巨大)。在发达国家，核能的使用量日益增多„但是，核能的直接或潜藏的环境问题比煤合石油的要严重得多„

人类要在以上问题中寻求一种协调与和谐，在调整需求意识、珍惜资源、科研开发等多个方面都有工作要做。无论今后大家会致力于哪一方面的工作，今天的意识形成都会大有必要。

三、小结

本节我们介绍了能源于环境的问题，通过介绍，希望大家能够了解：

1、能量和能源是两回事;

2、非再生能源和可再生能源是两回事;

3、人类不能打破与环境的和谐，破坏环境等于摧毁自己的生存家园。

(四)作业 阅读教材;

《优化设计》P68“同步练习”部分，做在书上。

第五篇：高二物理教案分子热运动 能量守恒-热力学第二定律2

热力学第二定律

教学目标

①、了解热力学第二定律的发展简史，

②、了解什么是第二类永动机，为什么第二类永动机不可以制成。 ③、了解热传导的方向性，

④、了解热力学第二定律的两种表述方法，以及这两种表述的物理实质， ⑤、了解什么是能量耗散 教学重点

热力学第二定律及所反映出的热现象的宏观过程的方向性。 教学难点

热力学第二定律中所描述的 "不发生其他变化" 教学方法

多媒体辅助教学，分析讨论讲解相结合 教学器材

多媒体演示系统、自制电脑教学软件 教学过程

一、引入新课

1、复习提问

①热力学第一定律的内容是什么? ②第一类永动机为什么没有制成? ③能量守恒定律是怎样表述的?

2、引入新课

教师说明：在能量守恒定律中，存在着能量的 "转移"和 "转化"，具体到热力学第二定律，内能和内能之间存在着"转移"以及内能和机械能之间也存在着"转化"的过程，引入课题：热力学第二定律。

二、新课教学

(一)内能的转移

内能转移实质就是热传递。 举例：

1 冰箱中的冰激凌在停电时的融化过程，引导学生分析融化的原因。 (热量可以从高温物体传递给低温物体)

2 冰箱里的冰激凌在冰箱正常工作时并没有融化。

进一步引导学生思考热量只能从高温物体传递给低温物体这种说法是否妥当。如果不妥当应该怎样说。从而得出所谓的热量从高温物体向低温物体传递是一个自发的过程，热量从低温物体向高温物体转移需要其他的物理过程参与。以模拟动画说明内能转移过程的方向性)得出热力学第二定律克劳修斯表述：不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不产生其他变化。

内能转移过程的方向性

说明: 不产生其他变化是指没有其他物理过程参与

(二)内能和机械能之间的转化

瓦特蒸汽机的发明说明人们开始了热机理论的研究，("热机"就是一种把内能转化为机械能的机械)

1824年，卡诺在《论火的动力》中指出 "凡是有温度差的地方就能够发生动力" 1834年，克拉珀龙把卡诺这一思想几何化为"卡诺循环" 热机从高温热源吸收热量Q，其中一部分对外做功W，另一部分被释放给低温热源，根据能量守恒定律

Q1 = Q2 + W η=W/ Q1 = (Q1- Q2) /Q1 =1 - Q2/ Q1

可以知道Q2 越少，η越高

于是人们就考虑能否让Q2不存在，这样就可以产生一个η=100%的热机，就可以产生另一种永动机，可以看到这种机械并不违反能量守恒定律，这一类永动机叫第二类永动机。 第二类永动机：能从单一热源吸收热量全部用来做功而不引起其他变化的机械。

如果这一类永动机能够制成，它就可以从外界诸如空气、海洋、土壤等单一热源中不断地吸取能量，而对外做功。众所周知在空气和海洋中内能是取之不尽的，这样的话飞机不用带油箱，轮船不用带燃料。人们为此做出了许多努力，做了大量的尝试，但是第二类永动机始终还是没能制成。伴随着一次次的失败，终于认识到第二类永动机是不可能制成的。 这个结论是开尔文首先提出来的。

开尔文表述：不可能从单一热源吸收热量并把它全部用来做功，而不产生其他变化。即:第二类永动机是不可能制成的。

说明热力学第二定律两种表述形式实质是一样的，只是侧重角度不同：

1、克劳修斯表述体现热传导的方向性

2、开尔文表述体现机械能和内能之间转化的方向性 能量耗散

引导学生阅读46页能量耗散的内容并归纳出自然界中的能量有的便于利用而有的不便于利用，内能作为能量发展的最终形式是没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。

举例：电能转化为光能再转化为内能：烤火时高温物体的内能变为低温物体的内能都是无法将散失的内能重新再利用能量耗散是从能量转化的角度反映出自然界中的宏观过程具有的方向性。说明能量耗散不是能量损失，只是可便于利用的能量减少了。 第四环节：强调"方向性"进行小结，使课堂难点、重点突出。

总结扩展：热力学第二定律提示了有大量分子参与的宏观过程的方向性，使得它成为独立于热力学第一定律的一个重要自然规律。

说明：不仅仅在物理上存在这种"方向性"，在其他领域也都存在。比如：化学中的不可逆反应;生物中的进化过程的不可逆都说明了这一点。

第五环节：思考练习：以简答的形式来巩固"方向性"和对热力学第二定律内容的理解。