五、能源与可持续发展优秀教学设计

能源与可持续发展

太阳能、风能、地热能等，通常要做转化才能被我们所用。人类历史上不断进行着能量转化技术的进步，这就是所谓的能源革命。能源革命导致了人类文明的跃进。让我们先来了解这一人类进步的阶梯吧。

1．人类索取能源的历史

远古人类和其他动物一样，只能利用无私的太阳所赐予的天然能源——太阳能。如图1所示，各图按能量转移的先后顺序串联起来为：草通过光合作用吸收太阳能，兔子吃草吸收草的能量，人或其他动物吃兔子吸收兔子的能量，猎人通过吸收食物的能量才能进行各种运动。

图1 （1）柴薪马车——农业文明

柴薪是人类第一代主体能源。是人类在能量转化方面最早的一次技术革命。从利用自然火到利用人工火的转变，导致了以柴薪作为主要能源的时代的到来。当时的人类用树枝、杂草等作为燃料，用于燃烧、煮食和取暖，这就是人类第一次能源革命。相对于当时的人口和当时的生产力，柴薪是一种数量巨大、能够方便获取的可再生能源，它们不仅用于燃烧，还被用于饲养牲畜，靠人力、畜力并利用一些简单机械作动力，从事手工生产和交通运输活动。从远古时代直至中世纪，在马车的低吟声中，人类度过了近一万年的悠长的农业文明时代。

（2）煤炭蒸汽机——工业文明

蒸汽机的发明是人类利用能量的新里程碑。人类从此逐步以机械动力大规模代替人力和畜力，它直接导致了第二次能源革命。人类的主要能源由柴薪向煤、石油、天然气等化石能源转化。

18世纪西欧产业革命开创的工业文明，逐步扩大了煤炭的利用。煤气灯的使用，照亮了人类的漫漫长夜。蒸汽机的发明，使煤炭一跃成为第二代主体能源，以煤炭作燃料的蒸汽机的应用，使纺织、冶金、采矿、机械加工等工业获得迅速发展。同时，蒸汽机车、轮船的出现，使交通运输业得到巨大进步。19世纪以来，电磁感应现象的发现，使得由蒸汽机作为动力的发电机开始出现，煤炭作为一次能源被转换成更加便于输送和利用的二次能源——电能。

电能是由其他形式的能转化来的二次能源。它最终还要转化为光能、内能、动能等其他形式的能，才能为人类所用。电能被广泛应用，是由于它的优势是便于输送和转化。

（3）石油内燃机——现代文明

公元前250年，中国人首先发现石油是一种可燃的液体。1854年，美国宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，石油工业由此发端。19世纪末，人们发明了以汽油和柴油为燃料的奥托内燃机和狄塞尔内燃机。1908年，福特研制成功了第一辆汽车。此后，汽车、飞机、柴油机轮船、内燃机车、石油发电等，将人类飞速推进到现代文明时代。到20世纪60年代，全球石油的消费量超过煤炭，成为第三代主体能源。

20世纪40年代，物理学家发明了可以控制核能释放的装置——反应堆，拉开了以核能为代表的第三次能源革命的序幕。几十年来，核电已经成为一种相当成熟的技术。由于核电比火电更清洁、安全、经济，核能在许多经济发达国家已经成为常规能源。

（4）绿色能源革命——未来文明

随着全球人口的急剧膨胀，人类的能源消费大幅度增长。众所周知，煤炭、石油均为矿物能源，是古生物在地下历经数亿年沉积变迁而形成的，不可再生，其储量极为有限。按现代的能源消耗，世界上的石油、天然气和煤等生物化石能源将在几十年至200年内逐渐耗尽。另外，大量矿物能源的燃烧，是造成大气污染、“酸雨”和“温室效应”的罪魁祸首。

60年代以来，“能源革命”的呼声日渐高涨。“能源革命”的目的，是以绿色能源，包括新能源（如核能）和可再生能源（包括水电能、太阳能、风能、地热能、海洋能和氢能等）逐步代替矿物能源。绿色能源将有望为21世纪人类社会的发展提供持久的动力。

2．能量转化和能量转移的方向性

如图2中豆子生长的过程，按顺序应为B、A、C、F、E、D。我们在电影、电视中看到，可以通过技术处理使植物生长、花开的次序逆向，但在现实世界中这是不可能的。自然界的实际过程是有方向性的。

图2 冬天，火炉把自己的内能传递给房间里的空气，供人们取暖；到了春天，能够把这些内能重新收集起来，来年再用吗？显然不能。一般情况下，内能只能从高温物体转移到低温物体，不能相反。否则会引起其他的变化，消耗别的能。

汽车制动时，由于摩擦，动能转变成了地面、空气的内能，这些能量能够自动地用来再次开动汽车吗？显然不能。这些能量虽然没有消失，但是我们不能利用它。

能量的转化、能量的转移，都是有方向性的。我们是在能量的转化或转移过程中利用能量的，因此，不是什么能量都可以利用。能源的利用是有条件的，也是有代价的。有的东西可以成为能源，有的却不能。

【学习方法指导】

程序设计思维法

这是一种按照知识的内在联系去接受知识的规律，进行程序设计，使程序中的各个问题融为一体进行思维的方法。在解答物理习题的过程中，程序设计可按以下三个方面来考虑：

（1）化整为零，化难为易，由浅入深地设计程序。

（2）剖析现象，突出过程，积零为整地设计程序。

（3）释难解题，查漏补缺，集中归类设计程序。