物理教学中引导学生能源意识的初探

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  全日制义务教育《物理课程标准》关于“能源与可持续发展”一章中,明确要求通过具体的事例和资料来发展学生关于科学技术和社会的意识。作为中学物理教师,首先自己应该对能源及环境问题有比较清楚而深刻的理解,才能引导学生在探究能源问题的同时,也充分认识合理开发利用资源对社会持续发展的重要意义,进而培养他们树立一定的能源危机意识和明确的社会责任意识。下面是笔者在本章教学中引导学生进行能源意识初探的尝试。
  
  一、发动学生通过网络、书籍全方位了解世界能源
  
  1、认识当今世界能源的结构状况
  就全球总的电力结构来讲,可以说是火电、水电和核电三足鼎立,其中火电63%,水电16%,核电19%,其他2%,就以下五大能源分别来看是这样的。
  ⑴、煤碳
  煤碳这个传统能源项目,如今仍在世界能源结构中占有重要位置。但目前为止,欧洲的荷兰、比利时、葡萄牙、奥地利以及法国等国都已陆续关闭了所有煤矿,完全结束了具有280年历史的采煤产业。德国和英国分别还保留了几座煤矿继续开采。美国是一个煤碳生产和消费大国,其储量达4000亿吨,占全球13%,生产的煤大多用于发电,煤电占美整体发电量的51%。我国也是煤碳生产和消费大国,其消费量占全国能源消费总量的73%,居世界之最。
  尽管欧洲已基本退出了煤碳开采的历史舞台,但全球对煤碳的需求却正以2.2%的速度增长,其中亚洲增长率在3.8%左右。
  ⑵、石油
  从上世纪60年代开始,全球能源逐步由石油取代煤碳,特别是在发达国家。因此,每个国家都越来越重视石油的战略地位。我国由于经济连续高速发展,石油需求尤其突出,仅以2006年为例,GDP居世界第四位的我国,却消耗了近3.5亿吨石油,居世界第二,仅次于美国,与GDP占世界第二的日本相比,我国石油消费是日本的3倍多,而且近半数靠进口。目前,我国石油消费量占全国能源消费总量的16%,到2020年,我国石油消费总量将超过4亿吨。
  ⑶、天然气
  俄罗斯、中亚、中东等地是典型的天然气输出国家,我国天然气以自产为主,也从上述等国陆续签订了进口合同。从1990年至2001年,我国天然气消费增加了92%,2007年又比2001年增加了50%以上。近年来全国都在不断地实行煤改气和油改气行动,包括小小的井研地区也是如此。尽管天然气消费总量不小,但它现在仍只能占我国能源消费总量的极小部分,仅2%。
  ⑷、水电
  目前,全球储水量超过300万立方米的大型水坝共有5万多座,而我国就占其中的一半,达2.5万座。另外美国有8700座,日本第三,然后依次是印度,韩国和西班牙等。尽管我国水坝数量众多,但其水电能仍只占全国能源总量的5%。
  ⑸、核电
  目前,世界上已有30个国家和地区拥有核电站439个,其中美国最多,共104个。各核电拥有国的核电发电量占本国的电力构成比例分别为:美国20%、法国80%、韩国43%、比利时50%、日本34%、欧盟35%。以上国家和地区核电已经成了它们的常规能源,其中法国每年生产核电达数亿千万千瓦时,出口电力几百亿千瓦时,销售收入达几十亿欧元。而我国由于核电起步较晚,目前核电构成只有2%的比例,但发展也较快,从2000年的210万千瓦已发展到2007年的1000万千瓦总装机容量,到2020年将达到4000万千瓦(约40座反应堆),可使核电构成达4%以上。
  同学们通过相互交流,不仅弄清了我国及世界的能源结构状况,而且充分认识到开发和利用再生能源才是我国可持续发展的必由之路。
  2、了解我国再生能源的开发成就
  众所周知,我国传统能源人均储量小,消费总量大,且以煤为主,不可再生能源消费过多,可再生能源比例过小,结构不合理,单位产值能耗过大,浪费十分严重。为了可持续发展,我国政府采取了一系列强有力的措施,实行节能减排,大量投资开发新能源,开发可再生能源,取得了一系列可喜的成就。在今年1月30日世界气候大会上,联合国秘书长潘基文给予了高度赞扬:“中国政府在应对全球变暖等问题的努力并不为世人所知,中国在太阳能和风能利用领域已成为世界先进国家,2006年投入了100亿美元,仅次于德国,这才是未来之路。”
  如果说潘基文的讲话充分反映了我国对再生能源开发利用取得的成就的话,那么下面的几个实例便是对其讲话的有力佐证。
  ⑴、山东德州作为太阳能城已经闻名于世,中国在太阳能集热板生产上独霸全球,产量占全球70%以上,德州城10公里长的光电大道,太阳能路灯林立,市内住宅屋顶布满了用来供暖和供水的集热板,政府要求所有新建和改建的大楼一律安装太阳能设备。
  ⑵、我国大量利用太阳能的城市越来越多,像北京奥运村早已是典型的太阳能村自不必说,就连小小的井研地区也开始了对太阳能的利用。
  ⑶、除了太阳能集热板,中国在太阳能光电池产业也处于第一集团,全球第一部光电手机今年就在我国湖南问世,它不仅在太阳光下,而且在灯光和烛光下也可充电。
  ⑷、2002至2003年,我国面临大面积的拉闸限电的电力危机,城市许多单位和街道商铺为了应急都买上了发电机。正是政府花大力开辟了风力发电这个短、平、快的项目,再加上水电和核电等项目的支持,使得这个危机得以很快解除。仅2006年,我国在内蒙古、河北等地就建了100多处风力发电站,新增风力发电机组达1337兆瓦。这是韩国最大的大关岭风力发电站(98兆瓦)的14倍。
  我国已是公认的再生能源大国,我们还将在2010年和2020年将再生能源比重分别提高到10%和16%,这表明:中国将摘掉“世界污染源”的帽子,发展成为再生能源强国。
  
  二、引导学生走进未来世界能源发展的广阔前景
  
  随着世界经济的不断发展和人口的持续增长,人类对能源的依赖程度更加与日俱增,但至今还担任着主角的化石能源已逐渐面临枯竭的境地。因此,开发再生能源,拓宽能源利用的新领域已经刻不容缓。在通过以上媒体了解世界能源现状和我国再生能源的开发成就的基础上,我继续与同学们开展进一步探讨,并引领他们走进未来世界能源发展的广阔前景:
  1、向地面要能源
  在尽可能做到以气代煤、以气代油和稳步发展水电的前提下,进一步加强对风能、太阳能、地热能、核裂变能等的利用,使其能源构成尽快达到预期目标,尽快实现能源结构合理化。
  2、向海洋要能源
  ⑴利用海藻制作生物燃料
  海洋中有极为丰富的海藻,并且还可种植。利用海藻制作生物燃料可代替用玉米、甘蔗等农作物产品制作生物燃料,从而避免与人类争地、争粮食的现象发生。
  ⑵建立核聚变电站
  目前全球利用铀核裂变能发电的裂变核电站是不能持久的。因地球上铀储量只够人类使用几十年,且使用过程中有一定的污染。不过,科学家们早已瞄准了海洋里多达45万亿吨重的氘物质,并最终依托这些取之不尽的氘物质建立起核聚变电站,这就是人们常说的利用海水发电的“人造太阳”装置。据科学考查,1公升海水里所含的氘,在完全聚变反应中所释放的能量,相当于300公升汽油完全燃烧释放的能量。也就是说,每年只需要在海水里提取304kg的氘就可供一座100万千瓦的核聚变电站使用一年,以此计算,地球上仅海水中的氘就可供人类使用数百亿年。
  全球美、俄、欧、日、中、韩、印等国家和地区都在加紧研究这个项目,而我国在这个领域内的研究是世界领先的:2004年12月位于成都的“环流器二号”成功实现了放电;2006年9月我国“EAST”(托卡马克)装置已经获得了超200千安,时间达3秒,温度达500多万度的高温等离子体放电,这是世界上运行时间最长的核聚变装置;今年3月的试验再次获得了新的突破,温度达到了1500万摄氏度以上。我国科学家正努力争取在2015年前实现放电时间超过1000秒,温度超过1亿摄氏度的目标。
  虽然距当年氢弹爆炸已50多年,全球一直还没有一座核聚变电站出现,但就像当初需要260座核裂变堆产生的电能才能点亮1只40W的灯泡可以发展成为今天全世界几百座核裂变电站并提供全球20%的电能一样,核聚变电站一定会建造出来。科学家们正千方百计、马不停蹄地要赶在化石能源枯竭前将核聚变电站——“人造太阳”打造出来。
  科学家预言:“人造太阳”光照寻常百家的梦想,最快要在50年后出现。一旦这一成果投入商业运行,出现经济适用的“人造太阳”,将彻底改变世界能源供应格局,甚至一劳永逸地解决人类可持续发展中最重要的清洁能源,使人类可以彻底地从能源危机的忧患中完全解放出来。
  3、向太空要能源
  ⑴关于太空太阳能的利用
  与受到厚厚的大气层和雨雪云雾所阻隔的地球表面不同,太空中的太阳辐射强度要比在地球上高出近5倍,而且没有各种恶劣气候的干扰,太阳能可以被稳定和充分地吸收。因此,在同样采光面积下,太空发电站的发电量将是地球太阳能电站的近20倍。
  目前在太空中采集和传输太阳能的技术已相对成熟,卫星既然能将数据和图像传回地球,也能通过同样的原理将能量传回地球,科学家设想,人类可以在人造卫星或宇宙空间站上建立太阳能发电站,然后再将转化的电能以微波形式发往地球,为人类提供廉价、清洁、安全,而且可持续的能源。美国太阳能之父描述了这样的应用前景:科学家们首先设计一个面积达50平方公里的太阳能电池板阵列,其中每块电池板都能产生数千瓦的功率,然后再用火箭将这些电池板送入地球同步轨道,由数百名宇航员在太空中完成组装工作。这种太空发电站的电池板能不断地调整角度以面对太阳,然后借助一个长达1公里的微波天线将太阳能传回地球。地面接收天线则更为壮观,其占地面积将超过100平方公里,接收的电能足够美国多个州同时使用。
  ⑵关于氦-3能源的利用
  氦-3是氦的同位素,也是一种极有应用前景的新太空能源。据测算:向聚变反应堆投入35千克氦-3所产生的电能便可满足美国一年的能源需求。而且氦-3在发电过程中不会产生任何核辐射和核废料,既安全又环保,被公认为是目前“最完美的能源”。据保守估计,月球上的氦-3总量约为5亿吨,可供人类使用上万年。在对月球氦-3的开发中,俄罗斯已经准备投入250亿-350亿美元,并计划赶在美国2020年重返月球之前正式对月球氦-3进行工业化开发。其开发过程分四个步骤:第一步,通过勘查确定月球上哪块区域氮-3储量最丰富;第二步,用特殊的太空掘土机收集月球土壤;第三步,使用合适的提取技术,将月球土壤就地加热然后分离出所需的氦-3;第四步,将提取的氦-3液化后运回地球,航天飞机一次就能运回25吨氦-3。
  ⑶关于反物质能源的利用
  我们现在熟悉的世界都是由物质组成的,但科学家们在宇宙射线中发现了与组成物质的普通质子、中子和电子质量分别相等,性质相反的对称的反质子、反中子和反电子等反粒子。由反粒子组成的东西科学家们又把它叫做反物质。后来科学家们又通过高能实验的方法生出了少量且极短时间存在的反粒子。反粒子并不能存在于我们的周围,因为通常的粒子和反粒子(物质和反物质)一旦接触就会发生相互抵消的“双消灭反应”,其所有质量全部转化成光之类的巨大的能量,这种能量相当于核裂变能的1000倍。如果把这种巨大的能量用于火箭推进,就可以制成反物质火箭。
  科学家指出:1毫克反物质(反氢燃料)与通常物质(氢燃料)反应时放出的能量,相当于10吨液态氧和液态氢燃料。也就是说,与第一枚液体火箭V-2火箭重达8.5吨的燃料相比,反物质火箭仅需1毫克反物质就可以把火箭送上天,两者真是天殊地别!
  正、反粒子(正、反物质)既然不能相遇,那么收集到了或者生产出了反粒子(反物质)又用什么容器才能装下呢?肯定不能用普通容器。其实这个天大的难题已经解决,这就是“彭宁收集器”,它是采取特殊的磁场方法实现的。
  人类对宇宙的目标是太空旅行,探索宇宙真相。但即使使用目前最先进的液体火箭推进,人类要往返一趟火星至少也要一年半的时间,这个速度不仅能耗大,折腾人,而且最关键的是效率太低。因此,必须要有以接近光速的速度穿梭于宇宙之间,方能实现人类的太空目标。就目前人类的技术水平来看,采用反物质火箭推进是达到该速度的唯一手段。
  虽然目前仅在实验阶段,距实用阶段还差很远很远,但相信在不久的将来,反物质火箭会使人类移居火星,冲出太阳系等太空之旅不再是梦。
  
  结束语
  
  一个章节的学习内容是有限的,时间也是短暂的,但通过这一章的学习,我和我的学生们清楚地明白了我国政府在节能减排、保护环境和开发新能源方面已经做了大量卓有成效的工作,并将继续加大对这方面的投入。我国科学家也正在为寻求“取之不尽、用之不竭”的清洁能源而打造“人造太阳”的征程上锲而不舍地探索着。作为国家的每一个公民,尤其是中学生,我们应该与国家的步调保持一致,时时处处注意节约能源、减少排放、提高环境意识、维护生态平衡,争做绿色使者。作为每一个中学物理教师,应该在引导自己的学生履行上述公民义务的同时,还要尽量鼓励他们在节能减排和新能源的开发领域有所创造,有所作为,使他们将来能为我国乃至世界的可持续发展作出贡献。
  (作者单位:613100四川省井研县三教初中)
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