第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案（培优教学课件）物理新教材人教版九年级全一册

第3节跨学科实践：为节约能源设计方案第二十二章能源与可持续发展九年级全一册•人教版

学习目标物理观念经历为节约能源设计方案的过程，能应用所学热学、能量等知识，从节能环保的角度优化家庭能源的使用。科学思维在实践活动中，尝试运用能源相关知识分析家庭能源利用的情况，对家庭能源利用优化方案的有效性和可行性提出自己的见解，具有质疑创新的意识，培养科学论证能力。科学探究在为节约能源设计方案的过程中，收集信息、分析问题、提出设想，能表述自己的观点，与他人协作完成方案设计，能自我反思和听取他人意见，具有与他人合作的能力。科学态度与责任4.在方案设计、讨论交流和展示活动中，提高合作学习能力，既坚持原则，又能与他人分享、合作，具有保护环境、节约能源、促进可持续发展的责任感。1.项目提出2.项目分析3.项目实施4.展示交流5.课堂总结6.提升训练

学习内容一、项目提出第3节跨学科实践：为节约能源设计方案一、项目提出人们在生产生活中都会使用各种能源。你在生活中都遇到过哪些浪费能源、污染环境的问题？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。二、项目分析第3节跨学科实践：为节约能源设计方案二、项目分析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。要调查该项目涉及的能源使用情况，如家庭用电情况、天然气使用情况、汽车燃油使用情况等。这些数据可分别通过电力公司、燃气公司等的官网查询，或者通过缴费记录进行估算得出。收集数据进行分析，为后续的方案设计提供依据。

三、项目实施第3节跨学科实践：为节约能源设计方案三、项目实施任务1：调查家中能源的使用情况【想一想】你的家里冬季供暖主要使用什么能源？如何估算供暖能源一个月的消耗量？请把调查结果填入下表中，并利用温度计测量家中早晚的温度。在家长的帮助下，了解自己家的供暖方式，通过上网或燃气表、电能表、账单等查询并估算供暖能耗情况。请一名学生展示自己家的供暖方式及能耗调查情况。下面以家庭供暖方式及能耗情况进行调查与分析三、项目实施表一家庭供暖方式及能耗调查表三、项目实施【学生展示交流】采用空调进行供暖，主要使用电能。根据生活经验和用电账单可知，每年12月至次年2月需要供暖，3个月用电2068kW·h，平均每月用电689kW·h。计算得一个月电费约为433元。本地居民阶梯电价第一阶梯0～220kW·h0.49元/（kW·h）第二阶梯221～400kW·h0.54元/（kW·h）第三阶梯401kW·h以上0.79元/（kW·h）三、项目实施【想一想】这些电能全部用于供暖吗？【分析】这些电能不是全部用于供暖。供暖的电能应减去每月家庭的基本用电，可由不供暖也不制冷的月份的用电量估算得出每月的基本用电。由图可知，用3、5、6、10、11月进行估算比较准确。这五个月共用电782kW·h，一个月基本用电156kW·h，基本电费为76元。由此可计算出月供暖需消耗约533kW·h电能：月供暖需花费约433元-76元=357元。三、项目实施表二某个家庭的能源使用情况表二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。三、项目实施结合调查结果，思考如何选取优化对象，确定改进方法。1.分析家中哪些方面的能源使用可以优化，哪些需要优先改进？2.你想用哪些方法优化能源使用？3.在确定节能方法时，需要从哪些角度分析？任务2：选取优化对象与确定改进方法三、项目实施分组调查家庭不同供暖方式的能效及能耗情况，并讨论交流。（1）有的同学会想到改进供暖方式，那么通过哪种方式为家庭供暖更经济节约呢？（2）还有同学会提出为房屋加装保温层以减少热量损失的方案。这两种改进方法该如何选取呢？要先搞清楚不同供暖方式的能效和能耗情况，再从成本、难度等方面对“改变供暖方式”和“为房屋加装保温层”两种改进方法进行对比分析，因此需要设计相关调查活动，为方案的选取提供证据支持。三、项目实施分析家庭不同供暖方式的能效及能耗情况。【想一想】你调查的供暖方式能效及能耗情况如何？该供暖方式有哪些优点和缺点?【学生】进行分组展示。小组1：空调供暖空调通过热泵技术将室外的热转移到室内，而非直接将电能转化为内能。变频空调的能效比可达5，即热泵工作时，消耗1kW·h电能可产生1.8×107J（对应5kW·h）的热量。例如，一台1.5匹变频空调制热功率约1250W，但lh产生的热量约为1.8×107J。优点：长时间运行更省电，适合大面积房间整体升温。缺点：低温环境下（如低于-5℃），热泵效率下降，需开启电辅热（额外耗电），能效显著降低。三、项目实施小组2：电暖器供暖电暖器（如油汀、暖风机）通过电阻丝或导热油直接将电能转化为内能，能效比为1:1。例如，一台2000W的电暖器，lh耗电量为2kW·h，产生的热量为7.2×106J。优点：局部快速加热，适合小空间或短时间使用。缺点：长时间使用耗电量高，且温度分布不均。三、项目实施【总结】（1）空调：初期安装成本较高，但能效比优势显著，适合长时间、大面积取暖。例如，一台1.5匹变频空调运行10h耗电约12.5kW·h，产生的热量约为1.8×108J，电费约为6.25元【按0.5元/（kW·h）计算】。（2）电暖器：设备价格低，适合小空间或短时间局部加热，持续使用电费高。例如，一台2000W的电暖器使用10h，产生热量为7.2×107J，电费可达10元【按0.5元/（kW·h）计算】。（3）地暖或暖气片：低温地区，避免依赖空调的电辅热。三、项目实施任务3：制订与检验设计方案方案一：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。热量能够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。（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？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。三、项目实施材料热导率/[W·（m·℃）-1]材料热导率/[W·（m·℃）-1]铝236硬泡沫塑料0.041～0.048普通玻璃约0.8聚苯乙烯约0.04锯木屑约0.08岩棉约0.04棉花约0.05空气约0.03一些常见材料的热导率三、项目实施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（下表）。如果你还有其他想法，可以补充到下表中，然后从中选出一两种材料作进一步的比较分析。通过评估分析，我们选择的材料为XPS挤塑板和岩棉板。选择XPS挤塑板的依据是它的热导率低、需要的厚度小，且兼具防水性，适合多数气候条件。而岩棉板虽然在费用、厚度方面不占优势，但防火性能非常好，尤其适用于高层住宅。三、项目实施材料热导率/[W·（m·℃）-1]参考厚度/cm成本/[元·m-2]施工费用/[元·m-2]燃烧性能其他特性EPS泡沫板0.035～0.0405～1070～9035～50B2级（可燃）轻便易安装，但易变形XPS挤塑板0.028～0.0303～590～11040～60B1级（难燃）高抗压，防水性好岩板棉0.035～0.0405～8130～15065～80A级（不燃）防火优，但吸湿性高聚氨酯泡沫0.020～0.0252～4140～18070～90B1/B2级密封性好，但施工复杂对不同材料的评估经比较，选择的材料为XPS挤塑板和岩棉板三、项目实施三、项目实施（3）确定方案在选定了保温材料后，先在小组内讨论设计方案。例如，在房间的哪些位置安装保温材料？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。三、项目实施安装位置安装尺寸所需材料处理方式备注外墙1475×300XPS挤塑板用胶黏剂固定保温材料外层刷防潮腻子外墙2475×300XPS挤塑板用胶黏剂固定窗户1167×193安装胶条、玻璃贴膜密封、粘贴窗户2167×193安装胶条、玻璃贴膜密封、粘贴入户门84×216门帘外挂房屋保温设计方案三、项目实施（4）制作模型与测试为了检验保温效果，可以将质量相等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。三、项目实施方案二：为家庭用车提供建议另一组同学认为自己家中的燃油汽车消耗的能源较多，而且排放的尾气还污染环境。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，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，新能源汽车是否更加节能和环保?2.与传统燃油汽车相比，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?

3.除了节能和环保，还有没有其他因素促进新能源汽车的发展?从能源安全的角度看，使用新能源汽车的意义是什么?三、项目实施1.目前都有哪些种类的新能源汽车?与传统燃油汽车相比，新能源汽车是否更加节能和环保?（1）纯电动汽车（BEV）特点：完全依靠电池驱动电动机，不搭载内燃机，零排放。优点：环保、运行成本低、噪音小。缺点：续航里程受限、充电时间长、充电设施依赖性强。三、项目实施（2）插电式混合动力汽车（PHEV）特点：可外接充电，电池容量较大，支持较长纯电续航里程，电池耗尽后切换为混合动力模式。优点：兼顾纯电和燃油动力，适合短途纯电驾驶和长途燃油驾驶。缺点：成本较高，电池重量增加。三、项目实施（3）增程式电动汽车（EREV/REEV）特点：电动机驱动车辆，内燃机仅作为发电机为电池充电，不直接驱动车轮。优点：续航能力强、驾驶体验平顺、无续航焦虑。缺点：内燃机效率受限，结构复杂。三、项目实施2.与传统燃油汽车相比，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需求，或能够满足哪些地域、场景的需求。三、项目实施3.除了节能和环保，还有没有其他因素促进新能源汽车的发展?从能源安全的角度看，使用新能源汽车的意义是什么?从能源安全的角度看，发展新能源汽车有助于减少对进口石油的依赖，保障国家能源供应稳定。例如，中国石油对外依存度较高，交通运输领域消耗的原油比例大，推广新能源汽车能优化能源结构，降低因国际局势波动带来的能源风险。‌同时，新能源汽车与可再生能源结合，可提升能源利用效率，推动能源多元化发展。三、项目实施四、展示交流第3节跨学科实践：为节约能源设计方案四、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。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。最后，归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法。请估算，如果你的家庭按照设计方案优化能源的使用，每年会节约多少能源？如果全国所有家庭都采取类似的节能措施，会节约多少能源？四、展示交流评价维度评价指标等级评语或建议科学思维①能准确分析能源浪费的原因，从能源类型、能量转化等角度阐述，逻辑严谨②在设计方案中，能运用控制变量的方法思考问题，如估算能耗的大小、探究能耗大小与哪些因素有关等技术与工程①方案设计合理，选择的节能材料易于获取，节能方式、节能措施方便操作，具有可行性②熟练掌握工具和材料的使用，操作规范，制作工艺精细③能根据实际情况对设计进行优化，解决制作过程中遇到的实际问题为房屋加装保温层设计方案评价表示例四、展示交流评价维度评价指标等级评语或建议交流与合作①小组内沟通顺畅，定期开展讨论，分享想法和经验②积极倾听他人意见，尊重不同观点，共同解决问题③成员分工明确，各司其职，高效完成任务创新与实践①在节能材料选取和节能方式选择方面，提出独特的思路和方法②勇于尝试新的材料、结构或制作工艺，效果良好③能将理论知识灵活应用于实践，制作出节能效果优良的模型五、课堂总结第3节跨学科实践：为节约能源设计方案五、课堂总结

制订出一个优化家庭能源使用的具体方案.①了解家庭使用能源的具体情况.②有针对性地提出优化方案.①调查家中能源的使用情况.

②选取优化对象与确定改进方法.

③制订与检验设计方案.归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法.

为节约能源设计方案项目实施项目分析项目提出展示交流六、课堂练习第3节跨学科实践：为节约能源设计方案六、课堂练习1．近年来我国新能源汽车技术飞速发展。下列说法正确的是（）A．锂电池储存的电能是一次能源B．电动汽车利用充电桩充电，电动汽车是用电器C．新能源汽车的动能回收过程是电能转化为机械能D．电动汽车人工智能系统所使用的芯片主要由超导材料制成B【解析】A．电能需要消耗一次能源才能得到，是二次能源，锂电池储存的电能是二次能源，故A错误；B．电动汽车利用充电桩充电时，需要消耗电能，电动汽车是用电器，故B正确；C．新能源汽车减速时会对动能进行回收，动能回收过程是机械能转化为电能，故C错误；D．电动汽车人工智能系统所使用的芯片主要由半导材料制成，半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，故D错误。故选B。六、课堂练习2．小芳家有白炽灯、电风扇、空调各一个，三个电器的额定电压、额定功率值如表所示。它们都正常工作，下列选项中正确的是（）A．三个用电器的电功率一样大B．通过白炽灯的电流大于通过空调的电流C．在一个月内，空调的用电费用一定比白炽灯的用电费用多D．相同时间内，电流通过白炽灯时产生的热量比电流通过电风扇时产生的热量多D

白炽灯电风扇空调U（V）220220220P（W）1101101100六、课堂练习【解析】A.正常工作时用电器的功率等于其额定功率，由表格数据知P白炽灯=P电风扇<P空调，故A错误；B.灯泡与空调的额定电压相同，即正常工作时电压相同，而P白炽灯<P空调，由P=UI可知，通过白炽灯电流小于通过空调的电流，故B错误；C.虽然空调的电功率大于灯泡的电功率，但不知两个用电器一个月中的工作时间关系，由W=Pt可知，无法确定两用电器一个月消耗电能关系，所以不能确定两用电器用电费用的关系，故C错误；D.白炽灯与电风扇的电功率相同，由W=Pt可知，在相同时间内，两用电器消耗的电能相同，但白炽