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| 摘要： |
| 藉著接力賽跟學生闡明能量效率的概念。 |
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| 年級程度： |
| 五年級∼八年級 |
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| 領域： |
| 數學、科學（地球、環境、物理）、社會科、科技教育。 |
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| 場地： |
| 教室與室外運動場（因水會濺出來） |
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| 時間： |
準備階段：50分鐘
活動階段：50分鐘 |
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| 關鍵字彙： |
| 省電燈泡、轉換器、效益、熱力學第一定律、日光燈泡、無效率的、熱力學第二定律 |
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| 主要概念領域： |
| •能量自然法則 |
| •能源開發 |
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| 準備工作： |
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用鐵槌與小釘子在杯子與冰淇淋空罐上打洞。在學生跑接力的位置做記號並在每個點放置接力用具（如塑膠容器、紙杯、水…等）。可以在比賽開始之前請學生協助布置。見接力模擬能源轉換過程。因為水會灑出來，所以活動可在戶外進行。 |
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| 學習目標 |
•能夠在化學能轉換為光能時，證明熱力學第二定律；
•能夠計算各種能量轉換過程的系統效益，以及
•能夠比較不同轉換器具與系統的系統效益。
基本原理：
藉著證明熱力學第二定律（能量形式轉換的過程中，總會有一些能量會散失掉），以及該定律和系統能源效益的關係，會使學生更珍惜能源的使用。也會學到個人行為如何使能源使用更有效益。 |
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| 準備教材 |
可搭配學生手冊中的下列教材：
•二個燈泡，一個75瓦日光燈泡，另一個為20瓦省電燈泡
•系統效能計算影本或投影片（選用）
•接力模擬能量轉換過程
每組接力學生要準備：
1.四公升的水。注意：可以用沙子或芝麻種子等可以撒出的材料替換。
2.一個塑膠冰淇淋空罐（容量半公升），在底部鑽一孔。
3.一個塑膠冰淇淋空罐（容量半公升），底部鑽數孔，約佔底部面積三分之一。
4.六個小紙杯（其中五杯在底部各鑽一孔） |
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| 背景說明 |
假設你家裏一年的照明用電費是台幣三千元。如果你發現只有30塊錢是真正用在付電費的時候，會不會覺得被騙？那其它付的2970元花到那裏去了？當你知道這些錢是花在空氣中，會不會感到難以置信？
要想知道價值2970元的能源從何而來、往哪而去，可以先從認識能量法則開始。因為能量的形態不斷地在改變，所以不易將能量的轉換予以概念化。能量形態改變的現象稱為能量轉換。人們使用能源轉換來滿足日常需求。我們的身體會把食物裏的能量轉換成動能。我們運用科技，將儲存在燃料（煤）內的能量轉換成為電能。其中一項科技，或稱為轉換工具，就是把電能轉換為光能的電燈泡。
能量第一定律（又稱熱力學第一定律）說能量不能被創造也不能被消滅。根據這項定律，形式轉換的前後，能量永遠守恆。既然如此，那麼這個定律說明了家裏的照明浪費了2970元的情況嗎？
雖然能的總量不會因轉換而消失，但是它卻無法完全轉換成所欲之形式（比如光能）。也就是說，能的總量守恆但質不同。點亮燈泡浪費的能量可用來解釋熱力學第二定律，即每次的能量形式轉換當中，總會有一些能量無法在未來被使用。
要解決家用照明的財務問題，最好去瞭解能量轉換裝置或電燈泡。大多數家庭裝的還是日光燈泡。日光燈泡裏面有一條細細的白熱燈絲，開燈時，電流穿過燈絲使其發熱，發出亮光。因此三千元裏有2970元是用在燈絲發熱上。燈泡產生的熱能通常稱為廢熱，因為要使這種形式的能作功很困難。熱能最後會逸散或消失在大氣中。
把2970元花在加熱，而非照明上面，聽起來很沒有效率。在能量領域當中，效能（efficiency）一辭是指投入的能量夠從一種形式轉成另一種有用形式的比率。由於我們無法避免熱力學第二定律的現象，現代科技也有其極限，因此大部分的能量轉換裝置，比如是燈泡和引擎，都是沒有效率的。
人類的科技發展在許多方面相當令人讚佩，許多新科技的確改善了我們的物質文明。然而，我們雖擁有創造高科技的智慧，但在能源的利用效率上，卻一直呈現低能狀態。以我們現行的電力系統為例，它的能源效率居然低到只有約 35％，也就是說電廠每輸入 100 瓦的能源（包括煤、石化、核能等），大約只能發電 40 瓦，再經過其他耗損以及傳輸線路後，只剩下 35 瓦可以供給我們使用，其餘 65 瓦就這麼被浪費掉了，這是相當沒有效率的。
能量傳送到家戶再到燈泡的過程中也還有浪費。台灣的家用電力來源是煤。直接拿一塊煤來點亮燈泡是不可能的。在發電廠裏，將煤炭儲存的化學能轉換成電能，要經過相當多步驟（見文後的燃煤發電）。燃煤發電系統內的能量轉換，在各個步驟的效能是不同的（能量以熱、聲音的形式被浪費）。所有過程的總效能稱為系統效能，等於個別步驟的效能製造出的產品。
煤經過各種步驟被轉換成電能，所儲存的能量最後大概只有26%提供給家戶，用在電視、洗衣機或電燈泡（光、熱）等家電用品。但如同上面提到的，現代的能量轉換裝置是沒有效率的。
因此，能量再度以熱能、聲音、和其它人類不需要的形式被浪費掉。日光燈泡用掉的總電能，只有5%用在發光，其餘的就浪費在發熱。也就是說，使用日光燈泡時，從煤到電再到光的總系統效能只有1%（26%的5%=1.3%），如此我們便能解釋那不見的2970元是用在電能轉換與傳輸當中產生的熱能損失。那麼，消費者只能接受這樣的無效率嗎？答案當然是否定的。
雖然煤－電－光的過程中效能很低，但這已經比早期的電力系統還有進步，從發電廠平均效能從1900年的3.6%提升到今日的33%就可看出。至今，科學家和工程師還在致力研發新科技來提高發電廠的效能，改善電能的傳輸。
科技發展也增加了電燈泡的效能。一九八○年代開始商業化製造銷售的省電燈泡（CFL）即為一例。省電燈泡跟傳統用電流加熱燈絲的原理不同，而是在燈管表面塗上螢光材料（磷光劑），使其在通電後發出光亮。20瓦的省電燈泡和75瓦的日光燈泡產生的亮度一樣，但是前者比後者不熱。也就是說省電燈泡把更多的電能轉為光能，浪費在熱能的比例較少，效能是傳統日光燈的三至四倍。
因此，個別消費者雖然處在能量轉換系統的終端，還是可以對系統效能做出貢獻。使用省電燈泡把燃煤發電系統的總效能從1.3%提高到5%。這看起來雖然不是很了不起，但是集合多人所累積的結果卻很驚人。舉例來說，如果每個家庭都把75瓦的日光燈泡換成20瓦的省電燈泡，省下來的電就足以讓一座500百萬瓦（500 megawatt）發電容量裝置的燃煤發電廠停機。
在家裏裝省電燈泡只是提高系統效能的其中一項，其它的省能家電還有省能冷氣機和冰箱，價格也愈來愈合理。消費者可以選購貼有節能標章或綠色標章的電器用品，這是政府部門用來標示環保產品的政策。總而言之，不管是努力改善能源轉換裝置的工程師，或是家中使用省能電器的個人，都可以為能源效能做出顯著的貢獻。 |
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| 教學流程 |
引起動機：
在課堂上，以日光燈與省電燈泡為題，讓學生描述看到的主要能量轉換，至少要說出電能被轉換為光能，能再提到熱能更好。問學生那一個有較高的效能；也就是問他們電能轉換為我們需要的光能而不是熱能，那一個比較好。記下學生的回答。
進行步驟：
1.請學生說出點亮燈泡的能量從那裏來。如果回答電，就再問電是從那裏來。告訴學生台灣主要的發電方式以火力發電為主。以民國八十六年為例，台灣地區的發電方式主要以水力、火力、核能為主，總發電量為132,248百萬度，核能發電量為34,846百萬度，佔26.3%。水力發電量為9,543百萬度，佔7.2%，火力發電量為87,859百萬度，佔66.5%，電力耗損率約為七成。能源供應的部分，以2005年為例，供給於石油、煤炭、水力發電、液化天然氣的能源比例分別為51.31％、31.88%、7.33%、3.45%。下列步驟以燃煤為例進行。
2.給學生看投影片或在黑板上畫出煤炭的化學能轉換成電能的基本步驟（見燃煤發電）。請他們試著解釋每一步發生的情況，並提出理由說明為什麼能量無法百分之百地傳輸（熱力學第二定律）。
3.演示如何計算系統效能（見學生手冊的系統效能計算），跟學生一起算系統把煤炭的化學能轉換為光能的效能。
4.告訴同學，他們將會模擬煤炭的化學能在發電過程當中的轉換情形。帶著所有同學看一次學生手冊的接力模擬能量轉換過程，以及每個步驟所代表的意義，強調模擬時，水代表煤炭（以及電和光）所產生的能量，並非煤炭本身。因此，水灑出來或是沒有從這一站全部送到下一站，就表示能量損失或是過程中成為廢熱，或者是在能量轉換當中被消耗掉了。
5.把學生每八人分為一組，多出來的同學就做計時員或是「執法人員」（見步驟7），也可把他們加到接力賽的「傳輸線」。如果學生人數過少，可以減少傳輸線的人數，不然也可只做一次接力示範，由一組學生演出整個過程，其餘的人做回應。
6.把全班帶到戶外操場上，每組排好就位，組員的間隔要正確，罐子和紙杯也都分配妥當。
7.在比賽開始之前，先說明規則：
•各組要互相競賽；
•贏的方式分兩種，一種是最先跑完全程，另一種是比賽結束時紙杯中的水保留最多，而杯中的水代表光能。
•計時員要記錄每組跑完的時間，以及那一組用的時間最短。其它的記錄方式是分配每段接力的時間限制，計時員再去監督玩的人有沒有超過時間。
•雖然學生要盡量不使水灑出來，但不能過於介入（比如摀住杯蓋）。扮演「執法人員」的同學要確認過程是遵守熱力學第二定律，如果發現有人做手腳，可以上前阻止並倒出一些水來。（倒出的水代表開礦和運煤用掉的能量，或是能量轉換過程當中必須支付的「熱稅」）。
8.比賽開始。把第一個跑完的組所花的時間記下；全部跑完後，記下杯子裏剩餘的水最多的組別。 |
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| 結語： |
跟同學討論接力賽和灑出的水的意義。再複習一次能量轉換或傳輸的過程，以及許多能量的轉換或傳輸都是沒有效率的。跟同學討論要如何使系統更具效能，以及如何去調整比賽過程呈現出這些努力。除此之外還要強調現實，因為同學在傳水的時候會特別小心，但即便如此也要用到能量，這代表了水的損失是無可避免的。
接力的最後階段代表日光燈泡，只把5%的電能用在發亮。提供學生關於日光燈泡和如何提高燈泡效能的訊息。最後，如何調整接力，再提高電能轉換成光能的過程？ |
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| 評量 |
形成性：
•學生是否能夠描述煤炭的化學能轉換為光能的步驟？
•他們能否舉例子說明為何每個步驟無法達到百分之百的效能？
總結性：
請學生講出個人如何改進系統效能（學生應該要說出使用省能家電之類的行動）。請學生以推廣省能家電為主題，做出一頁的文宣
燃煤發電
檢視用煤產生電力使日光燈泡發光的系統。
從礦坑挖出的煤炭含有能，但開挖當中用到的能源也應該算入整體投入。煤炭經過清潔與分類後送到發電廠，在運輸途中會用到能源，這也要算進投入的總帳裏。
煤（１）（括弧裏的號碼代表下圖的編號位置）在發電廠的鍋爐（２）裏燃燒。被蒸氣（３）推動的渦輪啟動發電機（４）。到這裏的每一個步驟都有各自的效能。最後，煤炭的能量只有三分之一被轉換為電能（６），其它的三分之二成為廢熱，隨著熱氣送進排氣管（５）或是進了冷卻塔（７）。
電能的傳輸要靠高壓電線和低壓配送線路。當電能流經變壓器（把電壓增高或降低）時，會使導體發熱，熱能又逸散到環境當中，這是電能在傳輸過程中的損失。
剩餘的電最後到達燈泡，但大部分都用來加熱燈泡，只有5%變成可見的光能。光能最後會被四周的某些物體吸收再變成熱。
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