物理学与人类文明公开课教案（教学设计）

读《人类简史》开发能源问题教学资源

——能源的开发利用和人类的发展

一

、火（内能的利用）的发现和使用把人和动物界分开

火的使用，特别是摩擦生火的发明，对远古人类的生产了重大影响。

火的发现和使用，是旧石器时代原始的人的一项特别重大的成就。对于火的使用，他们经历了一个从利用自然到火的人工取火的漫长过程。即恐惧—认识—使用。火山爆发、电闪雷击引起森林起火，对于原始人来说，都是很可怕的。但是人们在同险恶的自然条件做斗争中，逐渐了解了烈火析附近比较暖和，被烧死的野兽可以充饥

。于是，他们便试着取回火种，把燃烧的树枝带到山洞里去，用火作为战胜寒冷防止野侵袭的武器。在长期的劳动过程中，他们还发现了摩擦生火的现象。例如，打击燧石或石器相碰会产生火花；刮木、钻木时会生热，甚至冒烟起火。经过若干万年的摸索、尝试，他们终于实践中掌握了打击、磨、钻等人工取火的方法。这些，他们就从利用自然过渡到人工取火了。

火的发现和利用，对于人类和社会的发展有着巨大意义。人类认识并掌握了火，就增强了同寒冷气候做争的能力。火可以烧烤食物，可以用来围猎和防御野兽，可以照明，烘干潮湿的物件以及化冰块为饮水等。所以恩格斯指出：“摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物界分开钻木取火与内能的利用

二、自然能源的利用与局限

早在数千年前，人类就知道如何利用自然能源。像通过燃烧木材，

用火力来炼铁、取暖、烤蛋糕。利用分力推动帆船，利用水车水力来撵谷子。但这些能源的获得由明显的局限性和问题：火力先要取得木材，风力需靠天赏脸，水力需要住到河的附近。人类无法将这些能源相互做更大的转换。如风力可以推动帆船、水力可以推动石磨，但风力和水力无法用来烧水和炼铁。燃烧木头的热力也无法推动石磨。正因为人类在能源转换技术上的限制，在很长的时间里社会发展比较缓慢。

三、“有机肌肉机器”能量转化与农耕自然周期

在人类历史相当久远的时代里，人类利用自身的肉体充当了较好的能源转化工具，在自然的代谢里，人类和动物依靠自己的身体燃烧有机燃料，把能量转换为肌肉运动，用转化来的能量来拉车或犁地。这种转化能源首先来自太阳能，之后光合作用转化为植物的有机能量。在这种转化过程总是依赖太阳的周期（年）和植物上涨的周期（春夏秋冬）。上千年间农耕文化和游牧文化都必将围绕这个周期发展。无数战争也是围绕这个周期展开的。

四、厨房和鞭炮里的秘密——机会总是留给那些有科学头脑的人

在热机发明前几千年的时间里，人类每天面对着能源生产史上最重要的发明，但总却视而不见。每次家庭主妇火仆人烧水煮茶火做饭，在水沸腾的那一刻，水壶或锅的盖子总是开始跳上跳下，这是内能转换为动能的典型现象。而人们只是对这件事感到厌烦，而没有加以利

用。早在中国发明火药（被称为四大发明之一），火药制成的鞭炮一次次炸开了花，却没有人想过热能能够转换成动能。直到元成宗“大德二年”制造最早的火铳，才将火药利用与军事领域，但在此后的几百年里也没有更好长足的发展，以至于中国在近代长达百年的时间里处于落后挨打的局面。在这个重视儒家传统教育和农耕文化的社会里，中国文人对科技发明并不重视。机会总是给那些有准备的头脑。

五、热机与工业革命——加速了人类社会的发展进程

在十八世纪的英国煤矿里，人们利用蒸汽推动活塞来抽矿井里的水，最早的引擎效率非常低，但不用担心，煤矿有的是煤。随后的几十年里，英国人改善了蒸汽机的效率并将其请出矿井，利用活塞将需要的机械能源源不断由内能转化而来。1825年英国工程师将蒸汽机装在运煤的火车上将煤运送到20公里外的煤场。短短20年时间英国铁路长达数万公里。而内燃机的发展仅仅花了一个时代就彻底改变了人类的运输。使石油成为一种液体的政治权利。至于电力的发展更为惊人，人们很难相信今天我们该如何生活在一个没有电的日子里。这一切都依赖于内能——机械能——电能之间的转化。这种转化使人类在短短200年的时间里的在能源利用上发展超过了过去几千年的总和。

六、炸药、化学能的利用和战争

第一次世界大战期间，德国遭到封锁，造成原物料严重短缺，可以做成炸药的硝石更急缺无比。但一位犹太化学家弗力兹哈勃在1908年发明一套技术，几乎只用空气就能制造出氨。等到战争爆发，德国

人就将此项技术投入生产制造出爆炸物。否则，德国很难将战争维持到1918年11月。

可见谁占据了能源，谁学会利用兴能源的技术，谁就占据了战争的先机，谁就把握了时代的脉搏。虽然，弗力兹哈勃在此后获得了诺贝尔奖，但不是诺贝尔和平奖。

七、原子能的利用与发展——这一刻我看到了死神

从爱因斯坦发现质能方程到广岛和长崎原子弹的爆炸仅仅过了40年。至于核电站、核动力潜艇更是雨后春笋版在各处开花。1945年7月16日早上5点29分53秒，世界上第一颗原子弹爆炸，核物理学家罗伯特奥本海默看了这场爆炸之后应用了《薄伽梵歌》“这一刻我看到了死神，世界的毁灭者”。原子能的发现与应用使我们认识到自然界能源的巨大和如何和平开发利用能源。

八、能源用之不竭——能源新观点

“工业革命的核心其实就是能源转换的革命。我们已在看到我们所使用的能源是无穷无尽的，唯一的限制在于我们的无知。每隔数十年，我们就能找到新的能源，其实人类的能源总量一直在不断地增加。”这些话看似与我们的能源论相悖，传统中我们一直说能源是有限的，要俭省节约。但好像这一论述跟符合能量守恒定律。更有利于激发青年学生投身科学技术，为祖国寻找新能源的热情。