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上学期

该初中物理课件围绕“为节约能源设计方案”跨学科实践，结合热学、能量知识，从生活中浪费能源问题（如不随手关灯、空调温度不合理）导入，引导学生调查家庭能源使用（如供暖方式、用电量分析），通过调查表、材料评估表等支架，设计优化方案（如加装保温层），形成从问题发现到实践解决的学习脉络。 其亮点在于以项目式学习融合科学探究与科学思维，例如分析家庭供暖能耗时结合阶梯电价计算电费，体现能量观念；选择保温材料时对比热导率、环保性并制作模型测试效果，培养模型建构与科学论证能力。强调科学态度与责任，通过方案设计与展示交流增强环保意识。采用实践测试、小组合作等方法，学生提升解决实际问题能力，教师可直接利用评价表与活动设计提高教学效率。

第3节 跨学科实践：为节约能源设计方案 1.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。 2.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。 3.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。 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。 教学目标 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。 浪费能源的问题有： ①不随手关灯 ②空调温度设置不合理 ③白天开灯 ④电器不用时总处于待机状态 ⑤短途驾车 ⑥旧家电不及时更换 ⑦使用一次性塑料制品 ⑧自动扶梯在无人使用时仍然在运行 ⑨交通堵塞时汽车不熄火 ⑩热水器长期处于保温模式 ⑪使用白炽电灯照明 ⑫汽车频繁加速 ⑬汽车频繁刹车 ⑭洗一件衣服也用洗衣机 ⑮做饭时总用大火 ⑯蓄电池充满了不断电 污染环境的问题有： ①机动车排放尾气 ②秸秆焚烧产生烟雾 ③建筑施工扬尘 ④生活污水乱排 ⑤残留农药丢弃在农田 ⑥垃圾填埋场有毒渗滤液进入土壤 ⑦生活垃圾随处乱丢 ⑧废旧电池四处丢弃 ⑨建筑施工的噪声 ⑩公路上机动车的噪声 ⑪夜间广场舞的噪声 ⑫玻璃幕墙的光污染 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。 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。表22.3-1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。 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。 这是某位同学做的自己家的供暖方式及能耗调查表 调查项目 调查情况 供暖方式 £空调 £地暖 £电取暖器 £燃气壁挂炉 £其他 供暖能耗 用量 （kw·h或m3)/月 折合 元/月 室温温差 早： ℃ 晚： ℃ ∆t= ℃ 他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。 他家采用空调进行供暖，主要使用电能。 根据生活经验和用电账单(右图) 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。本地居民阶梯电价为：第一阶梯0~220kW·h,0.49元/(kW·h)；第二阶梯221~400kW·h,0.54元/(kW·h)；第三阶梯401kW·h以上，0.79元/(kW·h)。计算得一个月电费约为433元。 这些电能不是全部用于供暖，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。 由右图可知，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357元。 2.选取优化对象与确定改进方法 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。 (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新能源(右图)， 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? 各小组思考如何选取优化对象及确定改进方法。有的学生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?还有学生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。 下面是两个小组通过调查得出的家庭不同供暖方式的能效及能耗情况对比分析 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。 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1.8x107J(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1h产生的热量约为1.8x107J。 优点：长时间运行更省电，适合大面积房间整体升温。 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1.8x108J，电费约为6.25元[按0.5元/(kW·h)计算]。 缺点：长时间使用耗电量高，且温度分布不均。 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7.2x107J，电费可达10元[按0.5元/(kW·h)计算]。 地暖或暖气片：低温地区，避免依赖空调的电辅热。 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，1h耗电量为2kW·h，产生的热量也仅为7.2x106J。 优点：局部快速加热，适合小空间或短时间使用。 (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燃油汽车，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? 对"改变供暖方式"和"为房屋加装保温层"两种改进方法进行调查，从改进成本，改进难度，改进效果等角度深入分析后可以知道， "为房屋加装保温层"的方案成本低，易操作，好检验。选择保温材料和确定安装位置很关键。 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。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?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。表22.3-2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。 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22.3-3)。如果你还有其他想法，可以补充到表22.3-3中，然后从中选出一两种材料作进一步的比较分析。 材料名称 热导率 环保性 价格 耐火性 易安装程度 …… 表22.3-3 对不同材料的评估 "为房屋加装保温层"这个方案中关于保温材料的选取，要充分考虑材料保温性能的影响因素的成本。材料的保温性能跟厚度、热导率、干燥程度、与外界的接触面积等有关。热导率是最关键的影响因素。在热导率相同时，通常材料的厚度越大、越干燥、与外界的接触面积越小，保温性能越好。还应考虑材料是否易安装、环保性、耐火性等。 下表是某同学根据查阅资料做出不同保温材料的评估表 材料 热导率/【W·（m·℃）-1】 参考厚度/cm 成本/【元/m2] 施工费用/【元/m2] 燃烧性能 其它性能 EPS泡沫板 0.035~0.040 5~10 70~90 35~50 B2级(可燃) 轻便易安装,但易变形 XPS挤塑板 0.028~0.030 3~5 90~110 40~60 B1级(难燃) 高抗压，防水性好 岩棉板 0.035~0.040 5~8 130~150 65~80 A级(不燃) 防火优，但吸湿性高 聚氨酯泡沫 0.020~0.025 2~4 140~180 70~90 B1级（难燃)/B2 级(可燃) 密封性好，但施工复杂 材料 热导率/【W·（m·℃）-1】 参考厚度/cm 成本/【元/m2] 施工费用/【元/m2] 燃烧性能 其它性能 EPS泡沫板 0.035~0.040 5~10 70~90 35~50 B2级(可燃) 轻便易安装,但易变形 XPS挤塑板 0.028~0.030 3~5 90~110 40~60 B1级(难燃) 高抗压，防水性好 岩棉板 0.035~0.040 5~8 130~150 65~80 A级(不燃) 防火优，但吸湿性高 聚氨酯泡沫 0.020~0.025 2~4 140~180 70~90 B1级（难燃)/B2 级(可燃) 密封性好，但施工复杂 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。 (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(表22.3-4)。 表22.3-4 房间保温的设计方案 安装位置 安装尺寸 所需材料 处理方式 备注 外墙1 外墙2 窗户1 窗户2 入户门 …… (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? 在工程技术中，方案最终实施前，通常需要制作简易模型来评估设计的可行性，以达到节约成本，保证质量的目的。 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。为了检验保温效果，可以将质量相等的冰块装在塑料袋中，分别放人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。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。 某小组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?例如，从某种新能源汽车中选出有代表性的分析对象，与燃油汽车对比分析能耗情况。在这个过程中，既要考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。 (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?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。 (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?例如，我国的石油高度依赖进口。从能源安全的角度看，使用新能源汽车的意义是什么? 新能源汽车一般使用电能，氢能等，燃油汽车使用汽油，柴油。根据前面学过的知识，想想如何比较两类汽车的能耗。 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? 展示交流 可以上网查找组织辩论会，论坛等的流程，以及需要注意的事项等。 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。 为房屋加装保温层设计方案评价表 小组名称： 评价者： （自评/互评/教评） 评价维度 评价指标 等级（优秀/良好/合格/待改进） 评语/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 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 小结 复习与提高 1.请把电能，煤，柴薪，石油，核能等能源，按照人类开始使用的先后进行排序。 2.能源家族中有柴薪、煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能、核能等，其中哪些属于不可再生能源?哪些属于可再生能源? 柴薪、煤、石油、电能、核能。 煤、石油、天然气、核能属于不可再生能源; 柴薪、水能、风能、太阳能属于可再生能源。 3.许多地方都在推广利用太阳能，交通指示灯及路灯照明系统已大量使用太阳能。白天，太阳能转化为电能，除供正常使用外，将多余的能量储存在蓄电池内，夜晚供交通指示灯及照明灯发光。请完成下面的方框图，反映这个过程中能量发生转化的情况。 化学能 电能 4.很多地方都安装有太阳能路灯(右图)，它们无需外界供电，依靠太阳能电池板就可以实现自我供电。如果路灯的额定功率为50W，平均每天正常工作10h，一盏这样的路灯一年能够节约多少电能? 节约的电能W=Pt=50x10kWx3650h=182.5kW·h 该路灯一年的工作时间t=365x10h=3650h， 5.三峡水电站2020年的发电量达1118亿千瓦时。如果由效率为36%的火力发电站提供同样的发电量，每年需要消耗多少吨标准煤?标准煤的热值取3x107J/kg。 三峡水电站发电量为1 118x108kW•h， 即W=1118x108x3.6x106 J=4.0248x1017 J, =1.118x1018J， 燃烧标准煤放出的热量Q放= 需要标准煤的质量m= ≈3.73x1010kg =3.73x107t 6.低碳排放，保护地球。我国力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，2060年前实现碳中和。请你提出两个践行低碳生活的建议，并说明其中的物理原理。 盛夏将空调温度设置为26℃，减少电能的消耗； 出行乘坐公共交通工具，提高能量的利用率； 短途出行步行或骑自行车，减少能源的消耗； 室内无人时不随手关灯，减少电能的消耗； 电器不用时拔掉电源，减少电能的消耗； 旧家电及时更换，提高能量的利用率； 交通堵塞时汽车熄火，减少能源的消耗。 照明灯具由白炽电灯换为LED灯，提高能量的利用率； 7.我国幅员辽阔，各地的自然条件有很大差异，这是发展各有特点的可再生能源的有利条件。请你列举三种不同的可再生能源，并说明我国在哪些地方有利于发展(或已经发展了)这些可再生能源。 查阅资料可知，我国有非常丰富的可再生能源，如风能、太阳能、海洋能（潮汐能）、地热能、沼气等。 (1)我国内蒙古，新疆，甘肃，河北和江苏等地区，风能资源丰富，适合大力发展风力发电。 (2)太阳能的利用主要包括发电和热利用。青海、新疆、甘肃、河北、山东等地区，光照资源丰富，土地广阔，适合发展太阳能发电。在太阳能热利用方面，目前应用最广泛的技术是太阳能集热器。山东，江苏，河北，云南，广东，浙江等地区，太阳能集热器比较普及。此外，太阳能集中供暖和供热技术也已开始应用。 (3)我国海岸线绵长，潮汐能蕴含丰富。在山东、浙江、福建等地区，已经建成了不少潮汐能电站。 (4)我国利用地热能技术也比较成熟，在河北、云南、陕西、西藏等地区，已经形成了大规模利用地热供暖、发电。 (5)我国沼气技术比较成熟，在四川，河南，山东，河北，湖南等地区，农业资源丰富，规模化养殖业发达，户用沼气市场和产业均已经形成了规模。 谢谢观看 $