22.3 跨学科实践：为节约能源设计方案 课件-2025-2026学年人教版物理九年级全一册

第二十二章能源与可持续发展第3节跨学科实践：

为节约能源设计方案

素养目标1.能结合家庭能源使用情况，准确识别出主要耗能环节，如采暖、制冷、热水、交通等，并说明其背后的能量转化过程。能运用热导率、保温材料特性等知识，解释为何选择特定材料可减少热量散失，建立“材料性能影响能量传递”的物理模型。2.能通过对比分析不同能源类型(电能、天然气、汽油)的消耗量与效率，提出合理假设并设计验证路径。能在小组讨论中，基于证据(如能耗数据、成本估算)进行推理判断，形成支持或反对某项节能方案的逻辑链条.3.能设计简易模型(如冰块降温模拟装置)，通过控制变量法测试保温材料的实际效果，记录并分析数据。能围绕“新能源汽车能否替代燃油车”这一议题，制定调查计划，收集包括续航里程、充电时间、气候影响等多维度信息4.能主动反思自身家庭能源使用习惯，提出至少一项切实可行的节能改进建议，体现个体责任感。能在展示交流中尊重他人观点，理性表达意见，理解节能不仅是技术问题，更是关乎国家能源安全与全球生态的责任担当。同学们，你们知道吗?我们每天烧茶煮饭、开灯、开空调、开车，这些看似平常的行为，正在悄悄消耗着地球的宝贵资源。创设情境，引入新课在一月上旬，老师收到了一份来自2025年“家庭能源管家”的报告，这是一份关于我家过去一年能源使用的详细账单，让我们一起来看看发生了什么?其中列出:天然气200m³、电器:电能1000kW·h、交通:汽油500L，并附有每项费用的金额及对应的二氧化碳排放量(约1.8吨)。看到这份账单，你有什么感受?你觉得哪些项目最让你惊讶?为什么?今天，我们就化身“家庭能源工程师”，开启一场跨学科实践，为自己的家设计一套真正有效的节能方案!思考:如果每个家庭都像这样使用能源，地球会怎样?我们每个人能做些什么?我们仅仅“随手关灯”“少开空调”“给空调设定温度”“出行路程近时，采用骑车出行”就够了吗?有没有更系统、更科学的方法来改善？随手关灯设定空调温度路程近时骑车出行项目提出人们在生产生活中都会使用各种各样的能源。你在生活中都遇到过哪些浪费能源、污染环境的问题？人离开灯还亮水开了很久还在烧水龙头坏了没及时维修人不在，电视也没关机想为节能和环保作出贡献，可以先从优化自己家中能源的使用入手，制订出一个优化家庭能源使用的具体方案。随手扔掉的食物和放久烂了的食物项目分析1.要制订优化家庭能源使用的具体方案，首先应该了解什么？了解家庭使用能源的具体情况。如包含“能源用途”“能源名称”“能源类型”“年消耗量”的情况，要求根据自己家中的实际进行填写。燃气费单、加油记录、家人回忆等方式获取，若无精确数据，可估算(如“每月照明用电约50度”)。强调数据的来源:可通过电费单、提醒注意事项:能源类型要区分“不可再生”与“可再生”;根据家庭实际情况统计数据时，单位要统一(如㎡、kW·h、L);鼓励标注来源。家中利用的能源主要有三个方面，一是家用电器消耗____能，二是煮饭的电3.这是一个需要综合运用多学科知识的实践过程，老师鼓励大家积极思考，大胆提出想法。引出家中的需要，有针对性地提出优化方案，分析它的有效性和可行性，并与他人交流讨论，对2.了解情况后该如何做？每一个人根据自己家中情况来确定。燃气灶和烧水的燃气热水器是利用________，三是汽车要消耗汽油，要节约能源需要从这三个方面入手。天然气方案进行改进。总之，制订优化自己家庭能源使用的具体方案，首先应该了解家庭使用能源的具体情况，然后有针对性地提出优化方案，分析它的有效性和可行性，并与他人交流讨论，对方案进行改进。项目实施1. 调查家中能源的使用情况调查家中能源的用途、类型，估算这些能源的消耗量。如下表是某同学以自己的家庭为例，列出的能源使用的主要情况。你可以参照此表，也可以根据自己的想法设计表格，统计自己家中能源的使用情况，并在表格中填写相应信息。你可以参照此表，也可以根据自己的想法设计表格，统计自己家中能源的使用情况，并在表格中填写相应信息。根据调查情况，可以了解家庭在一段时间内消耗能源的情况，估算每种用途的能源消耗量，确定哪些用途的能源消耗比较多。例如，现在家庭中的采暖、制冷、生活热水、交通等，都可能是家庭消费能源的主要方面。小组统计。电能天然气燃油用途使用时长消耗量估算能源使用情况2. 选取优化对象与确定改进方法根据调查结果，思考家中在哪些方面的能源使用可以优化，哪些是要优先改进的。例如，现在家庭中的采暖、制冷、生活热水、交通等，可能是家庭消费能源的主要方面，可优先考虑。小组讨论优化能源使用的方法，如使用太阳能等新能源、利用技术手段提高现有能源的使用效率（如为房屋加保温层）、优化家庭用车行为等。根据上面的调查结果，结合以下问题，思考如何选取优化对象，确定改进方法。（1）根据实际的调查结果，思考家中在哪些方面的能源使用可以优化，其中又有哪些是要优先改进的。从取暖、制冷、交通等等来考虑。取暖：采用热水回流的方式，尽量减少热量的损失；可以考虑安装太阳能热水器。制冷：夏天高温时，不要把空调的温度设定得太低，设定为26℃；电冰箱里的食物不要放得太满，电冰箱的门不要长时间打开。可以考虑使用太阳能或空气能电器，减少浪费。交通：短距离时，尽量不开燃油汽车，可以考虑步行或骑自行车出行；将燃油车换成新能源汽车。（2）优化能源使用的方法不止一种。例如，可以在家中使用太阳能等等新能源，也可以利用技术手段来提高现有能源的使用效率，还可以从自身做起，通过优化家庭用车等行为来节约能源、减少浪费……你想利用哪些方法？使用新能源如太阳能：太阳能灶、太阳能热水器、太阳能汽车、太阳能房子。使用高效能用电器，优化家庭环境。提高现有能源的使用效率，减少能源的浪费。（3）在确定节能方法时，需要从哪些角度分析？例如，如果打算用新能源汽车取代家中的传统燃油车，那么从是否节约能源的角度，应该收集哪些证据？怎么分析？从能否满足人们使用需要的角度，又应该收集哪些证据？怎样分析？3. 制订与检验设计方案各小组根据确定的优化对象和改进方法，制订详细的节能方案。方案内容包括：问题描述、优化目标、具体措施（如使用何种新能源、如何提高能源效率等）、实施步骤、预期效果等。方案一：为房屋加装保温层。有一组同学在调查各自家中能源的使用情况后，认为除了可以在夏季制冷时适当调高空调温度、冬季采暖时调低暖气温度来节约能源，还可以对房屋进行改造来节约能源。这组同学制订方案的过程如下所示。（1）明确思路。根据学过的知识可知，热量能自发地从高温物体传递到低温物体，因此我们要想保持房间的温度不变，就要尽可能减少房间与外界的热传递。怎样才能做到这一点？小组内有同学认为可以参考人们冬天穿羽绒服来保暖的方法，选择保温能力比较强的材料将房间“包裹”起来，以此减少房屋内部与外界的热量交换。（2）选取材料。日常生活中的许多材料都可以用来保温，材料的保温性能与哪些因素有关？当为房屋选择保温材料时，还需要从哪些方面考虑？查阅资料得知，材料的保温性能通常与它的厚度、热导率、干燥程度与外界的接触面积，以及外界温度等有关。通常，材料的厚度越大、热导率越小、与外界的接触面积越小，材料就越能减缓热量散失。下表2列出了一些常见材料在室温和干燥环境下的热导率，也可以通过查找资料获得其他材料或不同条件下的热导率。表2：不同材料的热导率材料材料热导率/〔W·(m·℃)-1〕热导率/〔W·(m·℃)-1〕铝玻璃空气纸张木材混凝土聚苯板…………2361.10.20.031.21.30.03在为房屋选择保温材料时，除了材料的热导率，还要从材料的环保性、价格、耐火性，以及是否容易安装等方面进行评估（表3）。如果你还有其他想法，可以补充到表3中，然后从中选出一两种材料作进一步的比较分析。表3对不同材料的评估材料名称材料1材料2材料3……热导率环保性价格耐火性易安装程度……在选定了保温材料后，先在小组内讨论设计方案。例如，在房间的哪些部位安装保（3）确定方案。温材料？要选择的保温材料的规格、尺寸应满足什么要求？门窗应该怎样进行保温处理？……然后围绕这些问题制订具体的设计方案（表4）。表4房屋保温的设计方案安装位置外墙1……安装尺寸外墙2窗户1窗户2入户门所需材料处理方式备注岩棉板聚苯乙烯泡沫聚氨酯泡沫聚酯纤维板第3组同学选择了几种保温材料，下表是常用的材料参数：传热系数W/(m⋅K)防火性能吸水性%隔音性最高使用温度/℃岩棉聚苯乙烯泡沫聚氨酯泡沫1号2号3号项目不燃A级0.0650.0420.033阻燃B1级阻燃B1级≤0.8≤0.2≤5一般好好6006575（4）制作模型与测试。在真正实施设计方案前，需要制作一个简易模型来模拟我们的家，通过测试来检验方案是否有效，并提出优化建议。小组内进行讨论：如何在测试中简单有效地模拟我们的家？给“家”安装哪些保温材料？怎样检验保温效果？为了方便起见，可以选择身边容易获取、安装，与实际保温材料热导率相近的材料，将它安装在“家”中的相应部位。为了检验它的保温效果，可以将相同质量的冰块装在塑料袋中，分别放入没有保温材料和装有所选保温材料的“家”中，将“家”放置在相同的环境下，经过相同的时间后将冰块取出并进行比较，通过比较冰块质量的变化来评估设计的保温效果。方案二：为家庭用车提供建议。第4组的同学认为自己家中的燃油汽车消耗的能源较多，费用也比较高，而且排放的尾气还会污染环境。为此，他们想要调查新能源汽车能否替代自己家中的燃油汽车，以减少能源消耗，降低家中的交通费用并对环境更加有益。他们准备按照以下思路开展调查和论证，提出相应的建议，并形成报告。（1）目前都有哪些种类的新能源汽车？与传统燃油汽车相比，新能源虑两种汽车直接消耗的能源，也要考虑汽油、电力等在生产过程中的转化效率，以及两种汽车在生产中所消耗的能源等等。燃油汽车燃料电池汽车太阳能汽车增程式电动车（2）与传统的燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要？还有哪些局限性，还需要如何改进？例如，纯电动汽车充电时间相对较长，温度对电池电量的影响较大，需要了解家中成员一般每天用车行驶的路程，所在地区的气候以及充电桩的分布情况，等等。推断当前纯电动汽车能否满足大部分的需求，或是能够满足哪些地域、场景的需求。（3）除了节能和环保等因素外，还有没有其他的因素能够促进新能源汽车更快的发展？例如，我国的石油一直高度依赖进口。从能源安全的角度看，使用新能源汽车的意义是什么？展示交流在设计方案时不仅要提供具体的优化建议，还要有充分、确凿的证据以及合理的推理作为支撑。一、交流与讨论通过举办辩论会的方式进行，也可以通过制作展板、举办论坛的方式进行。形成具体的方案后，需要与大家进行交流讨论，找出方案的不足和改进办法。交流的形式可以多种多样，既可以归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法。①设定合理温度‌：夏季空调建议设在26℃左右，冬季取暖时，设备调至20℃左右。每调高1℃制冷或调低1℃供暖，可节省6%-10%能耗②定期维护设备‌：每2-3周清洗一次空调滤网，可提升制冷效率并节省2%-5%用电；保持冰箱冷凝器清洁，有助于散热，减少压缩机负担。③优化安装位置‌：空调应避开阳光直射，安装在背阳面窗户上部，利于空气对流；冰箱远离热源（如灶台、阳光直射），背部留出散热空间。④照明系统升级：从源头节电。⑤减少“隐形耗电”：待机能耗与插座管理。⑥厨房与热水系统：细节决定节能效果，合理使用冰箱，优化烹饪方式，热水器节能避免24小时通电，在低谷时段加热储水，定期清理