4.3 环境保护与可持续发展（表格式教学设计） 物理教科版2019必修第三册

4.3 环境保护与可持续发展 （教学设计） 年级 高二年级 学科 物理 教师 课题 4.3 环境保护与可持续发展 教学 目标 物理观念 能够辩证地看待发展与能源消耗之间的关系，了解为什么要开发利用新能源。 科学探究 知道节约能源和开发新能源是可持续发展战略的两个重要方面。 科学态度 与责任 体会环境保护与可持续发展的重大意义，具有环境保护和可持续发展的社会责任感。 教学重难点 教学重点： 从物理学的角度认识环境保护与可持续发展有利于学生科学素养的提高。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 “绿水青山就是金山银山理念提出20年重要成果发布会”于2025年8月15日全国生态日主场活动举办，现场发布了“生态文明领域20项重大科技成果”。 20项成果涵盖了水处理与安全、大气污染治理、气候变化、生态系统、生物多样性、水文水利、新污染物、遥感监测、清洁能源、地质灾害防治等，展示了我国生态文明建设取得的历史性成就。 历时二十余年产学研用联合攻关，解决了世界上最复杂水源和供水条件下的系列关键技术难题。攻克水源生态修复、水厂净化、输送保质、龙头水达标等关键技术，创建从源头到龙头的城镇供水安全保障技术系统，解决嗅味、有机微污染、致病生物等水质难题。开发标准化装配式供水设施，攻克劣质水净化难题，创建从分散到集中的农村供水安全保障技术系统，解决设施差、有害物去除难、运维水平低三大供水难题 大力开发海上风能资源是国家重大战略需求。针对我国海上风电开发面临强台风、软地基、短施工窗口期和低电价的挑战，经长期科技攻关，创新系列海上风电新型基础结构，创立复杂海洋环境海上风电设计理论方法体系；提出复杂海洋环境条件下海上风电安全高效施工安装成套技术；创建海上风力发电机组抗台风与智慧运维技术体系；攻克高电压大容量海上风电电力集中送出关键技术与装备在海上风电“新结构-一体化设计-高效施工-抗台机组-集中送出”全产业链技术创新上取得多项里程碑的突破。应用于我国70%以上海上风电项目，超过 2400 万kW，再造一个海上三峡。 联系最新能源时事热点了解能源种类，对发展与能源消耗的关系提出自己的看法。 问题1：图片展示了理想的新能源汽车工作原理，图片中涉及了怎样的能量转化，如何从环境保护的角度看待新能源汽车。你知道的被人们开发利用的能源还有哪些？它们是可再生能源，还是非再生能源？ 交流讨论 新课讲授 可再生能源：太阳能、水能、风能、生物质能、潮汐能、海洋温差能等。它们在自然界可以循环再生。 非再生能源：煤、原油、天然气等。 活动1：通过阅读教科书及资料查阅，了解人类利用能源的历程，利用能源的同时对环境带来哪些严重的污染。 土壤盐碱化 雾霾 大气污染 问题2：如何看待发展与能源消耗之间的关系，发展是否必然导致能源消耗的增加？怎样才能做到发展生产力又减少能源的消耗？ （1）开发新能源； （2）保护环境，坚持可持续发展战略。 环节二：了解可持续发展，体会环境保护与可持续发展的重大意义。 讨论：地球是人类共同的家园，与其他行星相比，它的独特之处体现在哪里？ （1）体积适中，其引力恰好能维持大气层不逃逸。大气层中五分之一为氧气，可提供动植物呼吸。 （2）距离太阳远近适中，冷热适宜。 （3）地球表面存在磁场，使得会给我们造成伤害的宇宙射线被“拦截”在外。 （4）地球是绿色星球，地表植物众多，适宜人类生存。 活动2：阅读教科书，了解什么是可持续发展以及可持续发展与环境及生活质量之间的关系。 可持续发展的核心是发展，但要保证经济、社会、资源和环境保护的协调发展，它们是一个密不可分的系统。 问题3：请你从能源的角度讨论为什么要对垃圾进行分类吗？ 问题4：我们在保护环境方面能做些什么？ 例如：随手关灯，使用高效节能灯泡；购买洗衣机、电视机或其他电器时，选择可靠的低耗节能产品；靠循环再利用的方法来减少材料消耗；垃圾分类处理；使用新能源汽车…… 学生经历讨论和交流，可以发现能量自发地转移存在着方向性。 观察与思考 学生共分5个小组，对应能源种类分别是传统能源、水能、核能、风能、太阳能。 学生发言，教师归纳总结。 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 课 堂 练 习 一、单选题 1．下列能源中，属于可再生能源的是（　　） A．煤炭 B．天然气 C．太阳能 D．核能 【答案】C 【详解】AB．煤炭、天然气属化石能源，不能短期内从自然界得到补充的，是不可再生能源，故AB不符合题意； C．太阳能可以从自然界源源不断的得到，是可再生能源，故C符合题意； D．核能来自核燃料，核燃料在地球上的储量是有限的，不能短期内从自然界得到补充的，是不可再生能源，故D不符合题意。 故选C。 2．砷化镓薄膜电池可将太阳能转化为电能，其光电转化率高达30%。下列说法正确的是（　　） A．电池可创造能量 B．太阳能是不可再生能源 C．此电池的光电转化率不到100%，说明能量不守恒 D．此电池通过非静电力做功把太阳能转化为电能 【答案】D 【详解】A．根据能量守恒定律，能量不能被创造，电池仅实现能量转化，A错误； B．太阳能源于太阳核聚变，可持续再生，B错误； C．转化率低是因能量散失（如热能），总能量守恒未被破坏，C错误； D．非静电力（如半导体内部电场）驱动电荷分离，将光能转化为电能，D正确。 故选D。 3．嘉兴火车站被誉为“森林中的火车站”，还是一座会发电的火车站。车站屋顶铺设了1.2万块面积均为0.72m2的光伏组件，发电总功率最大约为1.2×106W。已知太阳辐射的总功率约为4×1026J/s，太阳与地球之间的距离约为1.5×1011m，因大气的影响，阳光垂直射到地面附近的能量约为太阳辐射到地球能量的一半，则（　　） A．一块光伏组件接收到的太阳辐射功率约为100W B．单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量约为2800J C．该光伏组件的光电转换效率约为20% D．一块光伏组件工作一天可发电约2.4kWh 【答案】C 【详解】AB．单位时间内太阳垂直射到地面附近单位面积的能量约为 一块光伏组件接收到的太阳辐射功率约为 AB错误； C．一块光伏组件的发电功率为 该光伏组件的光电转换效率约为 C正确； D．一块光伏组件工作一天可发电约 D错误。 故选C。 4．2022年12月20日，金沙江白鹤滩水电站全部机组投产发电，这标志着我国在长江上全面建成世界最大“清洁能源走廊”，水电站安装16台中国自主研制、全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组，总装机容量1600万千瓦，每年平均发电量约624.43亿千瓦·时。下列说法正确的是（　　） A．千瓦是能量单位 B．水电站是利用水能的重要形式，水能是可再生能源 C．风能、太阳能、地热能等均属于不可再生能源 D．水能是可再生能源，所以可制造一台利用水能的机器，效率可达100% 【答案】B 【详解】A．千瓦是功率单位，故A错误； B．水能是可再生能源，水电站是利用水能的重要形式，故B正确； C．风能、太阳能、地热能可以在自然界源源不断地得到，属于可再生能源，故C错误； D．虽然水能是可再生能源，但不论科技如何发展，利用水能的机器，效率不可能达到100%，故D错误。 故选B。 5．如图甲所示，某海湾水面面积较大，现利用这个海湾修建一座水坝。若涨潮后关上水坝下方通道的闸门，可使水位保持在20m不变。返潮时，坝外水位降至16m。假如利用此水坝建水力发电站（水流经通道即可带动发电机工作），且重力势能转化为电能的效率是25%，每天有两次涨潮、两次退潮，海水的密度约为1.0103kg/m3。如图乙所示，涨潮和退潮时水流都能推动水轮机发电，该电站一天大约能发电9.61010J，取g=10m/s2，则该海湾水面面积约为（　　） A．1.0106m2 B．1.2106m2 C．2.4106m2 D．4.8106m2 【答案】B 【详解】由于海洋很大，大坝外的海平面高度在海水流入、流出水库过程中几乎不变，故发电时水减少的重力势能 一天发电四次，转化成的电能 其中h=4m、代入题中数据解得 故选B。 6．如图所示，一只太阳能草坪节能灯，由太阳能电池板、蓄电池、“6V  1W”的节能灯等组成，太阳能电池板发电并将电能储存在蓄电池中，供节能灯晚间照明；该太阳能电池板接收太阳辐射的面积为0.025m2，其光电转化效率（即发电效率）为20%。若在太阳能电池板接收太阳辐射的有效时间内，1m2太阳能电池板接收太阳辐射的功率为640W。下列说法正确的是（　　） A．太阳能是可再生能源 B．太阳能电池板给蓄电池充电过程中将化学能转化成电能 C．该灯的太阳能电池板发电功率为16W D．节能灯正常发光10h消耗的电能为10kW·h 【答案】A 【详解】A．太阳能可以持续获取，短时间能恢复，是可再生能源，故A正确； B．太阳能电池板把太阳能转化为电能；给蓄电池充电过程中将电能转化成化学能，故B错误； C．在太阳能电池板接收太阳辐射的有效时间内，1m²太阳能电池板接收太阳辐射的功率为640W，由于该太阳能电池板面积为0.025m2，且光电转化效率（即发电效率）为20%，故功率为，故C错误； D．节能灯正常发光10h消耗的电能为，故D错误。 故选A。 二、多选题 CO2气体几乎不吸收太阳的短波辐射，大气中CO2浓度增加能使地表温度因受太阳辐射而上升；另外，它还有强烈吸收地面红外热辐射的作用，阻碍了地球周围的热量向外层空间的排放，使整个地球就像一个大温室一样，因此，大气中二氧化碳气体浓度的急剧增加已导致气温的逐步上升，使全球气候变暖。 7．这种大气中以CO2为主的气体产生的效应称为（　　） A．光热效应 B．光电效应 C．光气效应 D．温室效应 8．导致大气中CO2浓度增加的主要原因是（　　） A．大量植物和生物物种灭绝 B．大量燃料如石油、煤炭、天然气等的燃烧 C．人口剧增，呼出的二氧化碳增多 D．自然因素破坏了地球环境生态平衡 9．为了减缓大气中CO2浓度的增加，可以采取的措施有（　　） A．禁止使用煤、石油和天然气 B．开发使用核能、太阳能 C．将汽车燃料由汽油改为液化石油气 D．植树造林 【答案】7．D 8．B 9．BD 【解析】7．大气中CO2等气体的含量过高，会引起全球气候变暖，这种现象称为温室效应，故选D。 8．二氧化碳被称为温室气体，现代化工业社会燃烧过多煤炭、石油和天然气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气，以及机动车的尾气等，加剧了温室效应。同时人类对自然资源不合理的开发和利用，如滥砍乱伐，破坏植被等，使得植物进行光合作用消耗二氧化碳的能力降低，这些是导致二氧化碳浓度增高的主要原因。故B正确，ACD错误。 故选B。 9．大气中二氧化碳含量继续增加，主要是因为人类大量使用化石燃料所致，因此要想扼制温室效应的进一步发展，我们可以采取的措施有减少化石燃料的使用，公民要养成低碳生活习惯，大力植树造林，开发利用无污染的新能源。故BD正确，AC错误。 故选BD。 10．太阳能是人类优先开发和利用的新能源之一，关于太阳能的利用，下列说法正确的是（　　） A．图甲中，绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能 B．图乙中，太阳能热水器通过热传递的方式将太阳能转化为水的内能 C．图丙中，太阳能交通信号灯将太阳能直接转化为信号灯的光能 D．图丁中，首架环球航行的太阳能飞机将太阳能直接转化为飞机的机械能 【答案】AB 【详解】A．绿色植物进行光合作用时，将太阳能转化为化学能，故A正确； B．太阳能热水器中水吸收热量，内能增大，通过热传递的方式将太阳能转化为水的内能，故B正确； C．太阳能交通信号灯是利用光电转换装置，将太阳能转化为电能，再将电能转化为信号灯的光能，故C错误； D．首架环球航行的太阳能飞机是利用光电转换装置，将太阳能转化为电能，再将电能转化为飞机的机械能，故D错误。 故选AB。 11．2022年6月30日位于浙江安吉的长龙山抽水蓄能电站全部机组正式投产发电。电站在电网用电低谷时将水抽到高处，在电网用电高峰时再利用水能发电，平均用4度谷电能换3度峰电。电站每年可生产清洁电能。已知峰电0.50元/度，谷电0.30元/度。下列说法正确的是（　　） A．水能是可再生能源 B．电站实现电能转化为势能储存，需要时再转化为电能，说明能量的转移或转化没有方向性 C．电站实现电能转化为势能储存，需要时再转化为电能，说明能量不仅数量上守恒，在可利用的品质上也不变 D．电站每年发电直接产生的经济效益约为万元 【答案】AD 【详解】A．水能是可再生能源，故A正确； B．有些能量的转化、转移具有方向性，如机械能和内能的相互转化，故B错误； C．电站实现电能转化为势能储存，在转化的过程中，虽然能量是守恒的，但有一部分能量被耗散，不能实现百分之百的转化，而需要时再转化为电能的量减少了，利用的品质下降了，故C错误； D．电站每年可生产清洁电能为，则需要消耗的电能为 则电站每年发电直接产生的经济效益为 故D正确。 故选AD。 12．下列现象属于能量耗散的有（　　） A．汽车尾气排放使市区温度升高 B．锂电池充电将电能转化为化学能 C．冰雹下落将重力势能转化为动能 D．冰雹下落最终静止在地面上 【答案】AD 【详解】能量耗散是指其他形式的能转化为内能，最终流散在周围环境中无法重新收集并加以利用的现象，能够重新收集并加以利用的不能称为能量耗散。 A．汽车尾气排放使市区温度升高，能量最终无法再加以收集利用，为能量耗散，故A正确； B．锂电池充电将电能转化为化学能，可重新收集并加以利用，故不是能量耗散，故B错误； C．冰雹下落将重力势能转化为动能，可重新收集并加以利用，故不是能量耗散，故C错误； D．冰雹下落最终静止在地面上，能量最终无法再加以收集利用，为能量耗散，故D正确。 故选AD。 13．现代社会倡导“绿色、低碳、节能”的新型生活方式。下列做法符合节能要求的是（    ） A．电脑使用完毕后关机并切断电源 B．电视机长时间处于待机状态 C．长时间外出需要切断热水器电源 D．手机充电结束后拔掉充电器 【答案】ACD 【详解】A．电脑使用完毕后关机并切断电源符合现代社会倡导“绿色、低碳、节能”的新型生活方式，故A正确； B．电视机长时间处于待机状态，仍会消耗电能，不节能，因此不符合现代社会倡导“绿色、低碳、节能”的新型生活方式，故B错误； C．长时间外出需要切断热水器电源符合现代社会倡导“绿色、低碳、节能”的新型生活方式，故C正确； D．手机充电结束后拔掉充电器符合现代社会倡导“绿色、低碳、节能”的新型生活方式，故D正确。 故选ACD。 14．下列关于能量的转化和守恒的说法中正确的是（　　） A．高山上滚下的石块越来越快，说明重力势能转化为动能 B．酒精燃烧时，将化学能转化为内能 C．发电机发电时，将机械能转化为电能 D．人们对太阳能的开发和利用，说明能量可以凭空产生 【答案】ABC 【详解】A．高山上滚下的石块，其重力势能越来越小，而动能增大，故说明重力势能转化为动能，故A正确； B．酒精燃烧时，释放热量，故将化学能转化为内能，故B正确； C．发电机发电时，通过外力做功将机械能转化为电能，故C正确； D．人们对太阳能的开发和利用，说明太阳能也可以转化为其它形式的能，故能量不可以凭空产生，故D错误。 故选ABC。 三、解答题 15．我国2018年能源结构统计图如图所示，请根据此图数据总结出我国能源结构现状。试着提出改善这种现状的合理化建议。 【答案】见解析 【详解】由图可知，我国的能源结构以煤炭为主；我国的能源消耗中不可再生能源占据的比例过大，可再生能源的比例过小，结构不合理。 建议：节能降耗；开发新能源；开发可再生能源（如太阳能、风能等）。 16．情景1  如图甲所示，煤炭和石油是常规能源。尽管我国的常规能源资源非常丰富，但由于人口众多，所以能源的需求量很大，能源的浪费很严重，将来会面临能源危机。 情景2  如图乙、丙所示，太阳能、风能、地热能、海洋能等是新能源，积极开发利用新能源是实现我国经济社会可持续发展的必然选择。 (1)能量的耗散与能量守恒是否矛盾，为什么？ (2)能量是守恒的，为什么还要节约能源？ 【答案】(1)能量的耗散和能量守恒并不矛盾，因为能量的耗散并不是能量消失了，而是在能源利用的过程中，能量发生了转化，使能量的品质下降，但能量在数量上并没有减少； (2)能量的耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用品质上降低了，从便于利用的能量变成不便于利用的能量了，因此我们要节约能源，同时积极研究和开发利用新能源和可再生能源，如核能、太阳能、风能、海洋能、生物质能等。 【详解】（1）能量的耗散和能量守恒并不矛盾，能量的耗散并不是能量消失了，而是在能源利用的过程中，能量发生了转化，使能量的品质下降，但能量在数量上并没有减少。 （2）能量的耗散表明，在能源的利用过程中，即在能量的转化过程中，能量在数量上并未减少，但在可利用品质上降低了，从便于利用的能量变成不便于利用的能量了，因此我们要节约能源，同时积极研究和开发利用新能源和可再生能源，如核能、太阳能、风能、海洋能、生物质能等。 17．(1)流动的水带动水磨做功，由于磨盘和粮食之间的摩擦和挤压，使磨盘和粮食的温度升高，水流的一部分机械能转变成了内能，这些内能最终流散到周围的环境中，我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。可见，内能与机械能相比，哪种能量的品质低？ (2)如图所示是两幅宣传节约能源的图片，请问：既然能量是守恒的，我们为什么还要节约能源？ 【答案】(1)内能 (2)能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量 【详解】（1）我们没有办法把这些流散的内能重新收集起来加以利用。可见，内能与机械能相比，内能的品质低。 （2）能量是守恒的，但能量耗散却导致能量品质的降低，在利用它们的时候，高品质的能量释放出来并最终转化为低品质的能量。所以我们要节约能源。 四、知识点填空题 18．能源的分类与应用 (1)能源的分类 ①不可再生能源：无法在短时间内再生，如煤炭、 和天然气等化石能源。 ②可再生能源：在自然界可以再生，如水能和风能等能源。 (2)能源的开发和应用：近年来，我国在能源开发方面取得了很大的成就，如太阳能发电、 发电、风能发电和 发电等。 (3)太阳能可以转化成多种其他形式的能量，应用范围非常广泛。如图所示，太阳能装置工作时， 能转化为 能。 【答案】(1)石油 (2) 水力 核能 (3) 太阳 电 【详解】（1）石油属于不可再生能源。 （2）我国在能源开发方面取得了很大的成就，如太阳能发电、太阳发电、风能发电和核能发电等。 （3）太阳能装置工作时，太阳能转化为内能。 板 书 设 计 课 堂 小 结 师生共同总结本课所学的知识以及课后要做的调研。 作 业 布 置 （1）调查普通家庭一天的用电量，以自己家庭为例，统计出用电器的数量，估计每个用电器的功率和用电时间。 （2）写一篇关于你打算如何节约能源和保护环境的小论文。 教 学 反 思 本课是一节典型的STES教育课。在课堂上，学生积极参，师生互动频繁，课堂效果较好。教学目标基本达成，其中“能够辩证地看待发展与能源消耗之间的关系，了解目前为什么要开发利用新能源”目标落实情况较好。 能源发展是时代发展下的问题，本课能够与时代相连接，课堂中融入了新能源汽车及垃圾分类相关的问题，体现了课程的时代性。其次，可持续发展是多学科问题，本课从能源守恒及地球对人类生活提供的优越条件出发，很好地体现了物理学科的特色。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 3．环境保护与可持续发展 一、发展与能源消耗 二、环境保护与可持续发展 能源 可持续发展——环境——发展支持 改善 新能源 $