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

该初中物理课件聚焦“能源与可持续发展”中的跨学科实践，核心围绕家庭能源优化方案设计。课堂从生活中私家车短距离行驶、空调温度过低等能源浪费现象导入，引导学生通过调查、设计、检验、改进的学习支架，逐步完成从家庭能源使用情况调查到房屋保温、新能源汽车替代等具体方案的实践。 其亮点是以科学探究为主线，通过能源消耗统计表、纸箱模型冰块测试等培养科学思维与证据意识，跨学科整合工程材料选择与新能源技术知识。展示交流环节通过辩论会、投票等形式提升科学态度与责任，如新能源汽车能耗对比案例。助力学生形成节能观念，为教师提供可操作的实践教学框架。

第3节 跨学科实践： 为节约能源设计方案 物理九年级全一册 •人教版 第二十二章 能源与 可持续发展用 学习目标 01 02 03 04 物理观念 能结合家庭能源使用情况，准确识别出主要耗能环节；认识能量的转移和转化具有方向性；了解什么是材料的热导率。 科学思维 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。 科学探究 通过跨学科实践活动培养学生的应用能力；实践过程中不断发现问题，解决问题。 科学态度与责任 理解环境保护与可持续发展的关系,提出节能减排的措施,树立节能意识；培养学生合作的意识和将所学知 识应用于生活的意识。 重点难点 教学重点 教学难点 ①通过调查或模拟数据，明确家庭能源使用的主要类型与消耗量。 ②根据调查结果，选择具体优化对象， 制定具有可操作性的改进方案 ①学会用科学证据支撑决策，避免主观臆断。 ②实践过程中科学、工程、技术、材料等不同学科的知识整合应用。 课堂导入 能源是人类文明进步的基础和动力，能源问题和我们每个人都息息相关。 我们每天开灯、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。 探究新知 【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? 私家车频繁短途行驶 夏天空调温度过低 水龙头开而不关 吹风机空吹 节能和环保，从点滴做起，可以先从优化自己家中能源的使用入手。 探究新知 【项目分析】 制订优化白己家能源使用的具体方案，可根据以下几个方面展开。 调查 了解家庭使用能源的具体情况 设计 针对性地提出优化方案 检验 分析方案的有效性和可行性 改进 与他人交流讨论，对方案进行改进 探究新知 【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。 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。 能源名称 能源用途 天然气 取暖 做饭 热水 能源类型 不可再生能源 电 制冷 电视 其它 约70%来自不可再生能源， 约30%来自可再生能源 汽油 交通 不可再生能源 消耗量（年） 260m3 1500 kW·h（度） 600L 探究新知 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。 能源名称 能源用途 天然气 取暖 做饭 热水 能源类型 不可再生能源 汽油 交通 不可再生能源 消耗量（年） 260m3 600L 电 制冷 电视 其它 约70%来自不可再生能源， 约30%来自可再生能源 1500 kW·h（度） 家庭能源消耗“三巨头”——通常为采暖、制冷、交通。 能源浪费现象 取暖温度过高 电器长时间待机；空调制冷温度过低；不能随手关灯 过度依赖 私家车 探究新知 结合前面调查情况，你能说出哪些是可以优化的?哪些是必须的? 探究新知 2.选取优化对象与确定改进方法 ①根据实际的调查结果，分析家中在哪些方面的能源使用可以优化，哪些需要优先改进？ 取暖 制冷 交通 探究新知 ②优化能源使用的方法 在家中使用太阳能等新能源 提高现有能源的使用效率 优化家庭用车行为 优化家用电器使用行为等新能源 住宅加装的太阳能电池板 换用能效更低的家用电器 尽量多使用新能源代替油车 节约能源、减少浪费 节约能源、减少浪 费 探究新知 取暖 使用新能源 制冷 提高能源使用效率 墙体加装保温层 换高能效空调，贴隔热膜及安遮阳帘 优化使用行为 调低温度设定 调高温度设定，减小空调开启时间 交通 新能源车取代 家中的燃油车 乘坐公交车、骑自行车 屋顶安装太阳能电池板 安装太阳能采暖系统 优化不是拒绝使用，而是让每一度电、每一立方米气都发挥最大价值。 优化办法 探究新知 ③确定节能方法时，需要考虑哪些方面 是否节约能源？能否满足人们使用需要？该收集哪些证据？怎样分析？ 加装保温层 是否节约能源 更换新能源车 能否满足人们使用需要 统计家庭成员对屋内温度的满意度 续航里程是否满足家庭日均里程；充电是否 方便、快捷。 其它 对比不同保温材料的价格、环保性和耐火性。 调查新能源车与燃油车的价格。 调查燃油车能耗值与新能源车能耗值。 利用保温材料制作小屋模型进行测试。 优化对象 分析角度 分析证据 探究新知 2.制订与检验设计方案 方案一：为房屋加装保温层。 ①明确思路 热量能自发地从高温物体传递到低温物体 尽可能减少房间与外界的热传递 理论依据 理论办法 实际措施 选择保温能力比较强的材料将房间“包裹”起来。 探究新知 ②选取材料 影响材料的保温性能的因素 厚度 热导率 干燥程度 与外界的接触面积 外界温度 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。 一些常见材料的热导率 探究新知 　　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。 材料名称 热导率 环保性 价格 耐火性 易安装程度 铝箔 橡塑棉 约0.034 橡塑材料本身无毒，铝箔层在常温下也不会释放有害物质。 80~ 150 B1级 难燃 要使用专用胶水粘合 聚苯乙烯 泡沫板 约 0.032 常温下无毒，接触明火或高温会释放苯乙烯等有毒气体。 70~90 B2级 可燃 易切割，硬度偏软，易安装 挤塑聚苯 乙烯板 约0.028 常温下稳定无毒，300℃以上分解产生苯系物等有害气体。 90~ 110 B1级 难燃 密度小、硬度更高、易安装 ······ 综合评估结果： 选择挤塑聚苯乙烯板最为合适。 耐火性 探究新知 ③确定方案 　　在选定了保温材料后，可考虑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。 安装位置 安装尺寸（cm） 所需材料 处理方式 备注 外墙1 475×300 挤塑聚苯乙烯板 胶带固定、留缝隙通风 外墙2 475×300 挤塑聚苯乙烯板 胶带固定、留缝隙通风 窗户1 167×193 安装胶条、贴膜 密封、粘贴 窗户2 167×193 安装胶条、贴膜 密封、粘贴 入户门 84×216 门帘 外挂 保温材料外层刷 防潮腻子 ······ 房屋保温的设计方案 探究新知 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。 如何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？ 可选择身边容易获取、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。 【给“家”安装保温材料】 探究新知 【模拟我们的家】 模拟部位 模拟方案 科学依据 墙体 30cm×30cm×30cm纸箱(2个，方便比较) 易获取、可安装保温层 墙体 纸箱开孔(5cm×5cm) 模拟真实房屋热交换薄弱点 屋顶 可开合纸板盖 便于放入冰袋及温度测量 探究新知 【检验保温效果】 　　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，比较冰块质量的变化。 检验结果： 安装保温材料可以对“家”起到保温效果，减少热量散失，节约能源。 探究新知 方案二：为家庭用车提供建议。 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? 　　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。我们可以按照下面几个思路开展调查和论证： 探究新知 【新能源汽车的种类】 新能源汽车种类 工作原理 纯电动汽车 电池驱动电机，零尾气排放 混合动力汽车 油电双系统，可外接充电，短途用电、长途用油 增程式电动汽车 发动机仅发电，电机驱动车轮 氢动力车 氢氧化学反应发电，排放仅为水 探究新知 【燃油汽车相比，新能源汽车能耗对比】 对比标准 某纯电动汽车 某燃油汽车 对比结果 百公里能耗 14.5 kW·h (城市) 18 kW·h (高速) 7.5L汽油(约50元) 电费成本低80% 碳排放 (行驶15万公里) 约30吨 约43吨 纯电动减排30% 关键影响因素 电力来源(煤电 vs 风电)、空调能效 发动机热效率(约40%) 电网越清洁，纯电动优势越大 探究新知 【与燃油汽车相比，新能源汽车是否满足人们的日常使用需要】 应用场景 关键问题 用户影响 低温环境 ﹣20℃时磷酸铁锂电池续航衰减30%~50%，充电时间延长1倍 东北车主冬季实际续航缩水至标称值50% 高温环境 38℃以上快充功率下降40%， 电芯温差超安全阈值 吐鲁番车主续航缩水35%，充电耗时增加72分钟 长途高速 120 km/h时速+空调制冷，续航衰减25%~30%；充电桩覆盖不足 节假日高速服务区 排队充电超1小时 无家充条件 公共桩电价达0.6~1.8元/度， 成本优势大幅削弱 年行驶2万公里时，成本接近小排量燃油车 探究新知 【其他因素促进新能源汽车的发展】 因素 未来发展趋势 能源安全与资源短缺 我国的石油高度依赖进口，新能源汽车的发展能减少对石油等化石能源的依赖，缓解能源危机。 技术创新与产业升级 新能源汽车技术（如电池、电机、电控系统）的突破推动了产业链升级。例如，三元锂电池和磷酸铁锂电池的改进提升了续航能力，氢燃料电池则被视为未来方向。 探究新知 【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 通过全班投票与反馈：其他小组成员根据“方案创新性”“证据充分性” “可行性”三项指标，投出“最佳创意奖”“最具潜力奖”等奖项。 所有方案都体现了同学们的智慧与责任感。哪怕只节约了一度电，也是对地球的一份守护。 探究新知 优化方向 措施 房屋保温 交通能源 热水与用电 行为优化 ①外墙/屋顶加装5 cm厚的聚苯板 ②门窗密封处理+双层玻璃 燃油车→纯电动车（年行驶1.5万公里） 夏季空调调高1℃，冬季暖气调低2 ℃ 安装太阳能热水器+屋顶光伏 归纳家庭能源使用优化方法 课堂小结 为节约能源设计方案 项目提出 制订出一个优化家庭能源使用的具体方案 项目分析 项目实施 展示交流 调查→设计→检验→改进 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 举办辩论会、制作展板、举办论坛等； 归纳出一些具体的家庭能源使用的优化方法。 1. （2023•高新区模拟）“双碳”目标持续推进能源结构的调整，下列关于能源的说法正确的是（　　） A．因为能量是守恒的，所以不必提高能源利用效率 B．核燃料是不可再生能源，应减少核能开发和利用 C．水能、太阳能、地热能、风能等都是清洁型能源 D．为促进电动汽车的全面覆盖，应大力扩建火力发电站 C 课堂练习 解：A、虽然自然界中能量的总量是守恒的，但能量的利用是有条件的，且能量的转化具有方向性，所以必须提高能源利用效率，故A错误； B、核燃料是不可再生能源，如果安全地使用核能，可以有效缓解能源危机，也可以缓解温室效应，因此开发和利用核能是人类获取能源的一个新途径，故B错误； C、水能、太阳能、地热能、风能，不会对环境造成污染，所以都是清洁型能源，故C正确； D、大力扩建火力发电站，会消耗大量的化石能源，产生大量的二氧化碳排放量，造成温室效应，同时会产生大量的污染物，对环境造成污染，所以为促进电动汽车的全面覆盖，可以利用水力发电、光伏发电、风力发电等，故D错误。 故选：C。 课堂练习 点评：本题考查学生对能量和能源相关知识的掌握情况，综合性强，在学习过程中注意知识的积累。 2. （2024•青羊区模拟）下列关于能源的说法，正确的是（　　） ①为了保护环境，应全面禁止使用化石能源 ②推广新能源汽车，可以减少城市空气污染 ③核电厂的核能可以全部转化为电能 ④太阳能、风能和水能都是可再生能源 ⑤能量在转化过程中是守恒的，所以能源是“取之不尽，用之不竭”的 A．①② B．①④ C．③⑤ D．②④ D 课堂练习 解：①化石能源仍然是一种重要的能源，不能全面禁止使用，人们应该尽量使用公共交通工具，提倡“绿色出行”，尽量利用可再生能源，比如风能、水能和太阳能，故①错误； ②推广新能源汽车，如使用电车，可以减少尾气的排放，减少城市空气污染，故②正确； ③核电厂的核能转化为电能时会有能量损耗，不会全部转化为电能，故③错误； ④可以从自然界中源源不断地得到的能源．例：水能、风能、太阳能、生物质能、潮汐能是可再生能源，故④正确； ⑤能量在转化过程中是守恒的，但是能源转化具有方向性，并不是所有的能源都能够被人类所利用，所以能源不是“取之不尽，用之不竭”的，故⑤错误。 故答案为：D。 课堂练习 点评：本题考查学生对现阶段人们利用能源现象的了解情况，需要养成节约资源的意识，同时要知道节约能源的原因以及节约能源的核心问题。 3.（2024•邛崃市模拟）近几年我国新能源汽车的普及率越来越高。关于能源与能量，下列说法正确的是（　　） A．新能源汽车的能量转换效率可达到100% B．面对能源危机，我们应合理开发新能源 C．能量的转化和转移是没有方向性的 D．新能源汽车对环境不会造成破坏 课堂练习 B 解：A、电动汽车工作时总有额外能量的消耗，能量利用效率不能达到100%，故A错误； B、面对能源危机，我们应合理开发新能源，故B正确； C、能量的转化和转移是方向性的，故C错误； D、在新能源汽车生产和废弃处理过程中，也有可能对环境造成一定的破坏，故D错误。 故选：B。 点评：本题考查能源的利用和对环境的危害、能量利用效率、能量的转化和转移的方向性，难度不大。 解：A、电动汽车工作时总有额外能量的消耗，能量利用效率不能达到100%，故A错误； B、面对能源危机，我们应合理开发新能源，故B正确； C、能量的转化和转移是方向性的，故C错误； D、在新能源汽车生产和废弃处理过程中，也有可能对环境造成一定的破坏，故D错误。 故选：B。 课堂练习 点评：本题考查了波速、波长及频率的关系等相关知识，熟练应用公式并能简单地记忆各电磁波间的波长关系是解题的关键。 4.请估算，如果你的家庭按照设计方案优化中的一项：“夏季空调调高1 ℃，冬季空调调低2 ℃。”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? 课堂练习 解：空调制冷时温度调高1 ℃ ，制热时温度调低2 ℃，均可省电10%以上。以家里一台功率为1.1 kW的空调，夏天和冬天共使用6个月，每天使用8 h计算，节约的电能约为 W = Pt =1.1 kW×10%×8 h×30×6 ≈160 kW·h。 全国拥有空调约7.5亿台，若都采用类似节能措施，每年可节约电能 W总= nW=7.5×108×160 kW·h=1.2×1011 kW·h。 布置作业 1.基础性作业：完成课件中的课堂练习。 2.拓展性作业： 请将本节课的设计方案整理成一份完整的《家庭节能行动计划书》。 谢谢聆听 谢谢聆听 $