3 跨学科实践：保护地球家园 （表格式教学设计）物理教科版2024 九年级上册

该初中物理教学设计聚焦能量转化与守恒、热机效率及能源利用与环境保护的辩证关系，通过“火力发电为何污染环境”“汽车如何影响城市环境”等问题导入，串联学生已学的内能、热机知识，构建“现象感知→物理分析→社会应用”的学习支架。 特色在于跨学科实践与核心素养融合，通过潮汐发电、风力发电等例题培养科学思维（辩证分析技术双重性），设计“调查空气质量”“低碳指南”等实践活动落实科学探究与科学态度（环保责任）。采用问题驱动与项目式学习，助学生提升系统思维与实践能力，为教师提供整合多学科资源的教学范例。

2.3 跨学科实践：保护地球家园（教学设计） 年级 九年级 学科 物理 教师 课题 2.3 跨学科实践：保护地球家园 教学 目标 物理观念 建立能量转化与守恒的物理观念，理解火力发电过程中化学能→内能→机械能→电能的转化路径。 科学思维 运用辩证思维分析能源利用的双重性，通过对比数据评价技术创新的价值，培养系统分析环境问题的思维能力。 科学探究 掌握控制变量法等探究方法，能够设计简单实验研究热机效率，通过合作学习开展环境保护相关课题研究。 科学态度 与责任 形成可持续发展观念，认识个人在环境保护中的责任，愿意采取实际行动践行低碳生活方式，关注全球环境问题。 教材 分析 本节是初中物理热学、能量与可持续发展知识的综合应用与跨学科实践，是将内能转化、热机效率、能量守恒等核心概念置于真实社会与技术情境中进行分析的关键环节，为学生理解能源利用与环境保护的辩证关系、建立可持续发展观念奠定了重要的认知基础。 教材以"保护地球家园"这一具有现实意义的主题作为核心载体，深刻体现了"从物理走向社会，从课堂走向生活"的理念，有效培养学生社会责任感和环保意识。内容主要围绕环境问题与解决方案两大核心层次展开系统学习： 一是问题剖析（从物理视角分析能源利用过程中的环境代价，理解火力发电、汽车使用等过程中能量转化与环境污染的内在联系）； 二是对策探究（从技术、政策与个人行动多层面探讨如何通过创新和合作实现可持续发展）。 在教学过程中，需要重点把握"现象感知→问题分析（物理）→技术解决方案（工程）→政策与个人行动（社会）"的跨学科认知逻辑。其中，从能量转化角度分析环境问题的成因、理解技术创新在环境保护中的作用是教学重点；而建立能源利用与环境保护的辩证思维、形成跨学科解决问题的能力和培养主动参与环保行动的意识则是学生需要突破的难点。 学情分析 1. 知识储备分析： 学生已初步掌握内能、热机、能量转化与守恒等基本概念，理解了燃料燃烧释放内能和热机工作的基本原理，这为分析"能源利用与环境影响"的辩证关系奠定了知识基础。但学生对热机效率的具体计算、各种污染物的形成机理，以及技术创新如何具体减少环境代价等问题的理解仍较为模糊，且难以将物理、化学、环境科学等多学科知识综合应用于解决实际问题。 2. 思维能力分析：学生已具备一定的案例分析能力和辩证思维基础，能够初步看待技术的两面性。但系统分析“能源开发→利用过程→环境后果→技术应对→政策引导→个人行动”这一完整链条，并理解各环节之间的相互关联，所需的系统思维和跨学科整合能力仍存在较大挑战。同时，将抽象的物理原理（如效率计算）转化为具体的环保行动方案，对学生的实践应用能力要求较高。 3. 学生对“火力发电为何污染环境”、“新能源汽车如何节能”、“全球变暖与我何干”等与现实生活和未来发展紧密相关的主题抱有浓厚兴趣和关切。开展“调查家庭能耗”、“设计低碳指南”等项目式学习活动，能有效激发其探究欲和责任感，培养其运用知识解决真实问题的能力，并深刻体会个人行动在环境保护中的价值。 教学重点 1. 热机工作中的能量转化、利用与效率分析；2. 技术革新在环境保护中的作用。 教学难点 将物理概念与环境问题相关联；综合运用多学科知识提出可行的环保方案。 教学 器材 多媒体课件 教学过程 教师活动 学生活动 导入新课 【提出问题】 （1）火力发电为我们点亮了万家灯火，但为什么说它在给我们提供电力的同时，也给环境带来了沉重的负担？这些环境代价具体表现在哪些方面? （2）汽车让我们的出行如此便捷，但它又是如何成为城市环境污染的"元凶"之一的？我们能够采取哪些措施来减少汽车对城市环境的影响？ 思考并回答问题，进入情景。 学习新课 一、我们面临的困扰 【提出问题】人类社会的发展离不开对内能的利用，任何事物都有两面性，在获得能源的同时，我们付出了哪些代价？ （1）火力发电的两面性 【讲解说明】在火力发电过程中，煤燃烧在给我们提供电力的同时，也会对环境造成多种污染。燃烧不充分时会产生黑烟和有害气体；煤中含有的硫燃烧后会产生刺鼻的二氧化硫，这是酸雨的主要成因；高温燃烧还会使空气中的氮气变成氮氧化物，也会造成酸雨；燃烧产生的烟尘和粉尘会污染空气；大量的废热排放到河流中会使水温升高，影响水中生物生存；燃烧产生的二氧化碳还会加剧全球气候变暖。 （2） 汽车与城市环境 汽车在提供出行便利的同时，也对城市环境造成多重影响。汽油和柴油燃烧会产生一氧化碳、氮氧化物等有害尾气；发动机工作时产生噪音污染；60%的热量通过废气和冷却水散失，加剧城市热岛效应；同时消耗大量石油资源。 （3）全球性挑战 全球面临的气候变化问题与人类活动密切相关。热机大量使用化石燃料，排放的二氧化碳等温室气体加剧温室效应，导致全球变暖。这引发极地冰川融化、海平面上升、极端天气频发等系列问题，威胁生态系统和人类生存环境。 （4）综合应对措施 能源领域：采用低硫煤，加装除尘、脱硫、脱硝设备，严控污染物排放；利用余热供暖，提高能效；大力发展风电、太阳能等清洁能源。 交通领域：推广新能源汽车，改进发动机技术，提升燃油效率；安装尾气净化装置；完善公共交通，鼓励绿色出行。 全球协作：调整能源结构，发展可再生能源；加强国际合作，落实减排目标；保护森林湿地，增强碳汇能力。 个人行动：节约用电，选择公交骑行，购买节能产品，参与植树活动，减少塑料使用。 通过技术升级、政策引导和个人参与，我们能够在发展同时保护环境，实现可持续发展。 【例题1】阅读材料，回答问题。 潮汐发电 潮汐能是从海水面昼夜间的涨落中获得的能量。单库双向潮汐电站是较常见的潮汐能发电站。单库双向潮汐发电的原理主要是利用潮汐水位差产生的势能来推动水轮机旋转，进而驱动发电机发电（如甲所示）。具体来说，当潮水上涨时，海水通过进水口进入水库，水流会推动水轮机旋转，水轮机与发电机相连，驱动发电机发电。同样的，当潮水下降时，水库内的水通过水轮机流出，再次驱动发电机发电。 某潮汐电站根据预测的潮水水位，调整水库的进出水策略，优化发电效率。图乙所示是我国该潮汐电站2023年12月17日的潮位预测曲线。 该电站有5台规格相同的发电机，该发电机组的能量转化率为30%。发电机组的能量转化率是指发电机组将输入的某种形式的能量转化为电能的效率。图丙是一台发电机组输入能量功率与某天不同时刻的关系图，其中0至12时的发电量与全天发电量的比是3∶5。 （1）潮汐能属于 （选填“可再生”或“不可再生”）能源；潮汐发电过程中把海水的 能转化为电能； （2）水轮机叶片具有质量轻、耐磨损等性能，通常由硬度大、密度 （选填“大”或“小”）的复合材料制成； （3）参照图乙信息，图甲所示水位状态最可能对应的时间段是 ； A．6∶00前后    B．10∶00前后    C．13∶00前后    D．20∶00前后 （4）如图丙所示，该电站这天工作输出的电能相当于 kg的煤完全燃烧放出的热量；（） （5）潮汐发电与传统火力发电对比，存在哪些优势？（写出一条即可）答： 。 【答案】可再生 机械 小 C 4860 污染小 【例题2】当下，常州正全力领跑新能源产业赛道，努力打造新能源之都。在新能源发电（太阳能光伏、风能、氢能）、新能源存储、新能源输送以及新能源利用领域，占据产业制造高点，形成了“发储送用”新能源产业闭环。下列关于能源的开发与利用说法正确的是（　　） A．太阳能光伏发电、风能发电、氢能发电都是利用发电机将机械能转化为电能 B．因为太阳能、风能都是可再生能源，我们不必担心会有能源危机 C．太阳能、风能、氢能都是清洁能源，开发利用时对环境污染较小 D．利用煤炭进行火力发电时，只要注意节约，发电效率可达到100% 【答案】 C 介绍火力发电，从优缺点分别做辩证分析。 讲解汽车与城市环境的关系，石油资源的利用与污染。 应对严峻的环境问题的应对措施讲解与个人在其中能起到的作用。 完成例题1与例题2进一步熟悉巩固相关知识。 学习新课 二、国家发展战略 【提出问题】面对发展带来的环境问题，我们该如何应对？国家层面又有哪些战略和措施？ 【分析与论证】 （1）技术革新——源头减排： 提高燃料利用率：如我国科研工作者不断提高燃煤效率，降低单位发电量的煤耗和排放； 建设清洁体系：建成全球最大的清洁煤电供应体系，通过技术手段减少污染物排放； 严格排放标准：不断更新燃煤电厂、汽车等排放标准，倒逼技术升级。 （2）能源转型——根本出路： 开发利用新能源：大力发展风能、太阳能等绿色可再生能源； 研发高性能动力机械：研究和开发低能耗、少污染的动力系统。 （3）国家承诺——全球责任： 积极推动“碳达峰”和“碳中和”目标，彰显大国担当。 【结论】通过科技创新和能源转型，全力实现经济发展与环境保护的协调统一。 【例题3】阅读短文，回答问题。 风力发电 利用风力发电将助力我国实现碳中和目标。风力发电机组主要由叶片、齿轮箱、发电机等组成，其简化结构如图甲所示，叶片横截面的设计原理如图乙所示，叶片在风的作用下旋转，经过齿轮箱增速后，发电机转子高速旋转发电。某风力发电机组利用齿轮箱可实现叶片转1圈，发电机转子转20圈。其输出功率P与风速v的关系如图丙所示（为方便计算，图丙数据已作简化处理）。 (1)完成下列风力发电的主要能量转化流程图： (2)当风速为13m/s时，发电机转子1min转400圈，叶片需要转动 圈。 (3)当风速为12m/s时，风力发电机组工作1h输出的电能相当于 kg的煤完全燃烧放出的热量（q煤=3.0×107J/kg）。 【答案】 (1)①机械能，②电能 (2)20 (3)36 提出问题，引领同学们思考发展带来的环境问题，国家方面的应对战略和措施。 关于战略与措施的具体方面讲解。 完成例题3，强化训练。 学习新课 三、保护地球从我做起（实践活动） 【活动要求】请从以下课题中选择其一，通过实践活动形成成果，并与同学分享。 调查与论文：了解所在区域的空气质量状况，并调查热机的使用是否影响空气质量，撰写一篇小论文。 方案与指南：从出行、饮食、购物、用水用电等多方面考虑，拟订属于自己的《个人低碳生活行为指南》。 探究与报告：探究轮胎、外形、车辆自重、发动机工作模式等因素对汽车发动机效率的影响，查阅资料完成一篇报告。 实践活动评价： 我的活动涉及的学科 我的活动围绕的物理概念和规律 我的活动成果 我的观点 我的问题 实践活动设计及表格记录 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1．核电站发电流程如图所示，下列说法中正确的是（　　） A．核能属于不可再生能源 B．核废料一般可以直接排入大海 C．核电站发电是将核能直接转化成电能 D．核燃料的核能可以全部转化成电能 【答案】A 【详解】A．核能不能再短时间内再次获得，故它属于不可再生能源，故A正确； B．核废料有辐射，对环境有污染，故一般不可以直接排入大海，故B错误； C．核电站发电的过程并非直接将核能转化为电能，而是通过核反应堆将核能转化为内能，内能再通过汽轮机转化为机械能，最后通过发电机将机械能转化为电能，故C错误； D．在核电站发电过程中，能量转化存在一定的损失，例如内能在转化为机械能时会有热损失，机械能在转化为电能时也会有损失。因此，核燃料的核能不可能全部转化为电能，故D错误。 故选A。 2．有经验的汽油机维修师，不用任何仪器，只是靠近汽油机排气管口观察和用鼻子闻一下，并将手伸到排气管口附近感觉一下尾气的温度，就能初步判断这台汽油机的节能效果。在同样负荷的情况下，关于汽油机的节能效果，下列判断正确的是（　　） A．尾气的温度越高，汽油机越节能 B．尾气的温度越低，汽油机越节能 C．尾气的汽油味越浓，汽油机越节能 D．尾气的颜色越黑，汽油机越节能 【答案】B 【详解】AB．汽油机尾气温度越高，说明工作过程中热量散失越多，所以汽油机效率越低，不节能；反之尾气温度越低，说明汽油机效率越高，即节能；故A错误，B正确。 CD．汽油机尾气汽油味越浓、颜色越黑，说明汽油没有充分燃烧，导致汽油机效率低，不节能。故CD错误。 故选B。 3．在如今快速发展的科技时代，越来越多的人开始考虑使用新能源汽车而非传统的汽油车。不仅因为环保意识的提高，更因为新能源汽车所带来的许多优势。下列关于这两种车的知识说法正确的是（　　） A．新能源汽车的效率可以达到100% B．新能源汽车主要利用的是电能，电能是一次能源 C．汽油机在吸气冲程中只吸入空气 D．汽油机的压缩冲程是通过做功的方式来改变汽缸内气体的内能 【答案】D 【详解】A．新能源汽车的效率不可能达到100%，任何机械的效率都不可能达到100%，故A错误； B．新能源汽车主要利用的是电能，电能是二次能源，不是一次能源，故B错误； C．汽油机在吸气冲程中吸入汽油和空气混合物，不是吸入空气，故C错误； D．汽油机的压缩冲程是通过做功的方式来改变汽缸内气体的内能，活塞对气体做功，使气缸内气体内能增加，故D正确。 故选D。 4．某新型环保发电站采用秸秆作为燃料进行发电。已知完全燃烧2kg秸秆，若不考虑热损失，环保发电站将获得的能量，则秸秆的热值为 J/kg。若将燃烧秸秆的质量减半，剩余秸秆的热值 （选填“变大”“变小”或“不变”）。 【答案】 不变 【详解】[1]秸秆的热值 [2]热值是燃料的固有属性，与燃烧的质量和燃烧程度无关。将燃烧秸秆的质量减半，剩余秸秆的热值不变。 5．如图所示，是我国自主研发的“南鲲号”漂浮式波浪能发电装置。波浪能属于 能源（选填“可再生”或“不可再生”）；若拖船将“南鲲号”匀速直线拖移至 54 km外的岛礁，用时3h，拖船对“南鲲号”的牵引力恒为1×106N，则牵引力做功的功率是 W。 【答案】 可再生 5×106 【详解】[1]波浪能可以从自然界源源不断的获取，波浪能属于可再生能源。 [2]牵引力做功为 牵引力做功的功率为 6．如图甲所示是我国自主研发的亚洲第一座100MW熔盐塔式光热电站。该光热电站1.2万面定日镜（定日镜总面积1.4×106m2）和20000吨熔盐组成，它们可以在计算机的精确控制下随着太阳位置变化而变化，使太阳光时刻都能聚集到吸热器上，它的工作原理如图乙所示。在该系统中，吸热器将定日镜所捕捉到的太阳光转化为液态熔盐的内能并存储起来，然后通过熔盐放热使水变成水蒸气从而推动汽轮发电机组发电。最后通过高压输电线将电能传输到变电站供广大用户使用。 (1)太阳能属于 （选填“清洁”或“非清洁”）能源，熔盐塔式光热电站是将太阳能转化为内能，内能转化为 ，最终转化为电能； (2)若地球表面每平方米面积上接收太阳辐射能的平均功率为1000W，则所有定日镜10min接收的太阳能可以使液态20000吨熔盐温度升高5.25℃，则： ①液态熔盐吸收的热量为多少 ？[已知液态熔盐比热容为4×103J/（kg·℃）] ②在此过程中的光热转化效率为多少 ？ (3)该光热发电站一年产出的电能为1.404×1013J。若采用煤发同样多的电，将会有大量二氧化碳气体排出，且每燃烧1吨煤会排放出3吨二氧化碳气体，则该发电站相当于每年减排二氧化碳多少吨 ？（已知煤电转换效率为40%，煤的热值为3.0×107J/kg） 【答案】(1) 清洁 机械能 (2) 2.1×1011J 25% (3)3.51×103t 【详解】（1）[1]太阳能不会造成环境污染，属于清洁能源。 [2]熔盐塔式光热电站是将太阳能转化为液态熔盐的内能并存储起来，然后通过熔盐放热使内能变成水蒸气的机械能从而推动汽轮发电机组发电，最终转化为电能。 （2）[1]液态熔盐吸收的热量 [2]由得，所有定日镜10min接收的太阳能为 在此过程中的光热转化效率为 （3）煤电转换效率为40%，则煤放出的热量为 则需要消耗煤的质量为 每燃烧1吨煤可排放出3吨二氧化碳气体，则相当于每年减排二氧化碳的质量为 板 书 设 计 第3节 跨学科实践：保护地球家园 一、我们面临的困扰： 能源利用具有双重性。人类通过燃烧化石燃料获得能源的同时，必然会产生环境污染和生态破坏问题，这是能量转化过程中的必然代价。我们需要辩证看待发展与环境的关系。 2、 国家发展战略： 环境保护需要多层级协同。从个人低碳生活，到企业技术升级，再到国家能源战略和国际合作，每个层面都需要共同努力，形成完整的环保体系。 技术创新是关键突破口。通过提高燃料效率、开发清洁能源、完善污染治理技术等手段，可以在保障能源供应的同时大幅降低环境代价，实现发展与保护的双赢。 课 堂 小 结 2.3 跨学科探究：保护地球家园 作 业 1. 完成课后作业：“练习与应用” 2. 配套同步分层作业 教学反思 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $