我們需要能源能量 We Need Energy
此主題中的觀念提供學生關於能量與能源的基本知識,有助於他們體會日常生活中能源的本質。這項主題讓學生可以意識到能源被如何用來維持、組織和改變會影響他們生活的系統。這些觀念也可以作為以下主題中之觀念的基礎。
 
能量的定義
了解這些觀念有助於學生辨識能量的形式
1. 能量是組織或改變物質或是作『功』的能力。
2. 能量以兩種主要的形式存在:潛在的能量(儲存在物質中的能量),以及動態能量。其它更具體的能量形式還有熱能、彈性位能、以及電磁能(如光、電、以及磁能)、引力能、化學能以及核能。
3. 能量是可以測量及量化的。不同的測量單位可以用來量化能量。單位之間可以互相轉換。用來測量能量的單位包括卡路里和度。
4. 功率是消耗能量的速率。用來測量功率的單位包括馬力和瓦特。
 
主導能量的自然定律
掌握這些觀念有助學生理解能量的轉移和轉換。也有助學生明白任何人或事物所能使用的能量都有一個自然限制。
5. 能量可以從一個位置轉移到另一個位置,就像太陽的能量穿過太空傳到地球般。能量轉移有兩種方式,一種是藉由『功』的產生 (如推動一個物體),另一種則是藉由「熱」的轉移(傳導、傳送、發射)。
6. 能量既不能被創造也不能被摧毀。它只能由一種形式轉換成另一種形式。這是熱電學的首則定律。例如,儲存在煤炭中的化學能量可以轉換成熱能。
7. 隨著能量由一種形式轉換成另一種形式,有些能量因此無法再被進一步利用。這是熱電學的第二則定律。例如,燃燒煤炭時所釋出的熱能最終會隱沒於環境中而無法再被利用。測量能量消散的單位叫做『熵』。例如,尚未燃燒的煤炭及其周遭的『熵』,會比燃燒煤炭後所產生的灰燼、煤灰及受熱過的周遭環境還低。
 
系統中的能量流動
理解這些觀念有助學生了解主導生物系統和無生物系統中能量流的自然法則。
8. 所有的系統都遵循主導能量的自然法則。
9. 有些能量會藉由它們流通的系統來進行轉換。其餘的則儲存在系統中。短的只儲存幾秒,長的幾百萬年都有。有些系統比其它系統能更有效率地轉換能量。
 
無生物系統中的能量流動
了解這些觀念可以幫助學生解釋能量如何創造天氣模式以及塑造地球表面
10. 能量會在各式不同的無生物系統中流動,或儲存其中。
• 地球表面所吸收和散佈的太陽能造成天氣系統和洋流。儲存在地球內部的熱能可以塑造及移動地殼,因而有地震、山脈隆起、以及火山活動的產生。
 
生物系統中的能量流動
領會這些觀念後,學生應可闡明人類和其他有機體如何取得維生所需之能量。
11. 生物系統使用能量來生長、改變、維持健康、移動和再造。生物系統所取得的部份能量會被加以儲存供日後使用。
• 植物和其他自養生物透過光合作用將太陽能轉換成化學能。
• 動物和其它寄養生物將植物或其他動物中的化學能源,透過細胞呼吸,將之轉換成他們可以使用的化學能源。
• 所有的有機體要維持健康都需要能量,包括人類在內。這能量就是養份和食物的質和量。
12. 生物系統消耗能量的速度各有不同。有些生物系統—例如鳥類—為了成長和新陳代謝,需要快速消耗能量,所以也需要很快地進行更換。其他如烏龜等,消耗能量的速度慢得多,所以更換頻率比較不頻繁。
 
生態系統中的能量流動(包含人類社會在內)

完全領會這些觀念可以幫助學生認識能量如何在生態系統中流動和賦與生態系統特徵。它也可以幫助學生更能體會其周遭仰賴能量持續供給的世界—包括人類社會。

13. 生態系統利用能量維持介於生物系統和無生物系統間之生物地球化學循環—例如沉積型、氣體型和水循環。

14. 生態系統具有下列特點:

    1. 可得能源之種類與量,例如儲存在植物中的化學能量。
    2. 能量流的種類和特徵,例如食物網。
    3. 能量收支是生態系統中可得能量和使用量之間的差距。生態系統的總能量收支決定其承載能力。
    4. 使用能量維持一平衡或是平穩狀態之能力。

15. 台灣有八種主要生物群落:
a)高山寒原群系:海拔三千五百公尺以上。
b)亞高山針葉森林群系:海拔三千至三千五百公尺。
c)冷溫帶山地針葉林群系:海拔二千五百至三千公尺。
d)暖溫帶山地針葉林群系:海拔一千四百至二千五百公尺。
e)暖帶山地雨林群系:在台灣北部分佈於七百至一千八百公尺,南部則介於九百至二千一百公尺之間。
f)熱帶雨林群系:北部分佈於海拔七百公尺以下地區,南部則在九百公尺以下地區,西部海岸平原除外。本區域內的原始林幾乎已完全破壞殆盡。
g)熱帶疏林群系:北部在西部平原沿海新生地上。
此外台灣沿岸地區的生物群落散佈在兩種地域:
(i)在小溪及安靜海灣的河口地區,紅樹林生長在潮汐帶上。
(ii)在砂礫海岸地區,海岸林則往外延伸到高潮線。但海岸林的分佈面積很小,無法獨自供應哺乳動物或鳥類生存所需。

16. 人類社會,如自然生態系統,需要能量以進行組織及維護。人類對能量的使用遵循主導所有系統中之能量流的自然定律。

17. 人類社會從狩獵到工業都有,可依照能源的使用量及消耗速度加以分類。

    1. 狩獵社會適應其所處之自然環境。他們所仰賴的能源和物資直接取自自然所有,而其消耗能源和物資的速率則通常和自然維持平衡關係。
    2. 非工業化之農業社會依照他們所引進之食物來源修正其所處之自然環境。他們仰賴適度的技術來提供所需的能源和物資。
    3. 工業社會企圖重塑及控制他們的自然環境。他們的能源消耗率很高,仰賴高度發展的技術,也需要大量的能源補給以提供居住、商業、工業、農業和運輸活動所需

18. 一般而言,台灣已屬於高度開發、具有先進科技以及高度利用能源的社會。