5.2能源的利用方式 教学设计-2026-2027学年高二上学期物理粤教版必修第三册

该高中物理教学设计聚焦“能源的利用方式”，通过生活情境设问化石能源弊端，承接电路能量转化知识，以教材配图和公式推导为支架，系统讲解水能、风能、太阳能、核能的多级能量转化流程。 特色在于融合物理观念（能量转化定量认知）、科学思维（模型建构与对比归纳）和科学态度与责任（环保与家国情怀），如利用水力发电原理图推导Ep=mgh等公式，小组合作对比能源优缺点，结合三峡数据增强自信，提升学生逻辑推理能力，为教师提供完整教学框架与思政融合路径。

教学设计 课程名称 能源的利用方式 选用教材 高中物理粤教版必修三 教学章节 第五章第二节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节承接上一节电路中的能量转化知识，是能量守恒规律走向社会生产、民生应用的拓展应用型课程，开篇先剖析石油、煤炭、天然气这类传统化石能源不可再生、污染环境两大核心短板，依次系统讲解水能、风能、太阳能、核能四类主流清洁能源，依托水力发电原理图、风力发电示意图、太阳能热水器原理图、核裂变与核电站结构示意图四幅教材配图逐层拆解各类能源完整多级能量转化流程，同步搭配三峡、国内风电核电产业真实统计数据介绍我国新能源发展规模，区分太阳能光热、光电、光化学三类利用路径，辨析核裂变、核聚变两种核反应本质与商用场景差异，末尾简单拓展生物质能、氢能等后备新型能源。课程串联重力势能、空气动能、太阳辐射能、原子核内能与电能之间的转化逻辑，兼顾物理理论推导、国内能源产业国情、绿色低碳可持续发展三重育人维度，让学生用能量转化物理规律解读现实能源产业，是落实物理学科核心素养、融合思政教育的关键课时。 二、学情分析 1. 知识储备 学生已经完整掌握机械能、内能、电能相互转化规律，熟记能量守恒定律全部内涵，能够独立分析两段式简单能量转化过程，此前学习电路相关内容时熟悉机械能与电能、内能的转换逻辑；生活中见过水电站、风力发电机、太阳能热水器、核电站相关新闻与实景，但没有系统梳理每一类能源多步骤完整能量转化链条，分不清核裂变与核聚变的发生条件、实际应用场景，不了解各类新能源开发需要匹配的地理、气候条件，无法从物理原理层面区分水能、风能、太阳能、核能各自的优势与使用局限。 2. 能力现状 学生具备基础的示意图读图、单段能量转化梳理能力，拥有同桌交流、四人小组合作讨论的常规课堂探究能力，但面对多阶段长链条能量转化过程时，容易遗漏中间转化环节、梳理顺序混乱；缺少横向对比归纳能力，难以自主整理四类清洁能源的转化特点、适用场景、优缺点对比表格；结合物理原理分析国家能源发展、生态环保问题的综合思辨与文字表达能力偏弱。 3. 思维认知痛点 学生存在多处生活化直观误区，形成稳定思维障碍：主观认为风能、太阳能不受昼夜、季节、地域限制，任何区域都能大规模建设发电设施；混淆两种核反应，误以为核聚变技术已经大规模用于商业发电；片面认定核能辐射污染严重，不属于清洁型能源；认为所有江河都可以修建大型水电站，忽略水位落差、水资源储量硬性条件；缺乏长远能源发展思维，觉得化石能源储量充足，无需大力研发新型清洁能源。 三、教学目标 1. 物理观念 学生能够清晰区分化石能源与四类清洁能源的本质差异，结合对应字母公式完整复述水能、风能、太阳能、核能从自然能源到电能的全部多级能量转化过程；准确区分核裂变、核聚变两种核反应，知晓现阶段商用核电仅依靠核裂变释放能量；牢固建立一切能量转化过程均满足能量守恒定量关系式E初=E末的核心观念，明确不同能源对应的能量形式、转化路径、开发限制条件，搭建完整的自然能源转化电能的定量物理认知体系。 2. 科学思维 借助各类发电配套示意图，结合重力势能Ep​=mgh、动能Ek​=mv2/2、电功W=UIt等公式自主构建自然能向电能转化的物理模型，锻炼模型建构与定量推导科学思维；横向对比四类清洁能源的转化原理、开发条件、优缺点，结合对应公式训练归纳总结、对比辨析的逻辑推理思维；结合地理环境、气候特点与能量转化物理公式，分析不同区域适配的能源开发类型，做到理论定量计算联系现实，破除片面生活化直觉认知。 3. 科学探究 依托教材配套示意图，结合对应字母公式自主拆解水力、风力、太阳能、核能发电全流程能量转化；以四人小组为单位，合作推导每一类能源的能量转换定量关系式，探究每一类清洁能源的开发要求、优势、短板；结合教材给出的国内水电、风电、核电装机数据，定量探究大力发展新能源替代化石能源的现实意义；完整走完 “观察示意图拆解转化过程 — 公式定量推导能量变化 — 小组对比归纳能源特点 — 结合产业数据分析现实价值” 的探究流程，提升自主、合作双重探究能力。 4. 科学态度与责任 认识化石能源过度开采燃烧带来大气污染、资源枯竭、温室效应等环境问题，结合能量损耗定量分析树立绿色低碳、节约用电的日常生活理念；了解我国水电、风电、太阳能、核电装机总量均位居世界前列，自主掌握核电站全套设计建造核心技术，增强民族科技自信与家国情怀；明白能源开发必须同步兼顾发电效益、生态保护，树立人与自然协调共生的可持续发展观念；主动结合能量损耗公式思考日常生活中节约电能、利用清洁能源的可行方法，承担生态保护社会责任。 四、教学重难点 重点 水能、风能、太阳能、核能四类清洁能源完整多级能量转化流程，配套重力势能、动能、电功、电热、能量守恒字母公式推导 各类清洁能源的优势、开发限制条件，我国新能源产业发展成就与现实意义 难点 区分核裂变、核聚变原理与商用场景，结合内能、电功公式拆解核电站多层级能量转化定量逻辑 结合物理能量转化公式与现实地理气候条件，综合辨析各类新能源适用场景，纠正生活化认知误区 五、教学方法 图示直观 + 公式推导讲授法：依托教材各类能源原理示意图，分步拆解每一级能量转化，同步书写对应字母公式完成定量推导，将抽象能量变化转化为直观图像 + 定量表达式，降低理解难度； 对比归纳讨论法：组织小组横向对比四类清洁能源转化路径、优缺点、适用条件，结合配套公式系统整合知识框架； 数据案例定量分析法：结合教材给出的三峡、风电、核电装机真实统计数据，搭配能量公式定量计算能源产出，结合产业实例实现物理理论联系社会生产； 问题驱动探究法：分层递进设置观察、思考、讨论类问题，引导学生主动梳理转化过程、书写公式、辨析认知误区； 实践拓展法：布置火电厂能耗测算、太阳能取暖方案设计两类课后拓展探究任务，结合功率、能量公式延伸课堂知识至生活实践。 六、教学资源 粤教版必修三第五章第二节配套四张教材配图：水力发电站原理图与三峡实景图、风力发电原理示意图、太阳能热水器原理示意图、核裂变与核能发电结构示意图；重力势能、动能、电功、电热、能量守恒字母公式板书模板；教材给出的国内水电、风电、太阳能、核电装机统计数据素材；四类清洁能源优缺点对比空白表格；分层课堂练习题（含公式推导计算）、课后实践拓展任务单。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 情境设问导入，辨析化石能源发展弊端（6 分钟）  结合生活场景抛出递进式问题：同学们，我们家中电视、空调、照明所用的电能，最早依靠燃烧煤炭、石油、天然气获取，大家在生活中见过雾霾天气、酸雨新闻，大家思考持续大规模燃烧化石燃料会给生态环境带来哪些负面影响？煤炭、石油需要亿万年地质作用才能形成，人类持续开采使用会不会出现资源枯竭的问题？我们上一节学习了电路能量，电功公式W=UIt可以计算消耗电能，化石燃料燃烧释放的内能无法完全转化为电能，这个过程能量会出现怎样的损耗？  预留两分钟自由发言时间，全程倾听学生回答，之后系统总结化石能源两大核心短板：一是属于不可再生能源，储量有限，长期开采终将枯竭；二是燃烧释放大量有害气体，内能转化电能过程损耗极大，造成温室效应、空气污染、水土酸化等环境灾害，制约社会可持续发展；同时板书能量守恒总式 定量说明化石能源发电大量能量以热量形式浪费。  顺势引出本节课学习主题：为化解化石能源带来的资源与环境双重难题，全球都在研发水能、风能、太阳能、核能等清洁可再生新能源，本节课我们将结合重力势能、动能、电功等字母公式，从物理定量转化的角度，逐一学习四类主流清洁能源的利用方式。  结合日常见闻主动思考教师提出的问题，回忆雾霾、高温极端气候等生活现象，自主建立化石能源消耗、能量损耗与环境破坏之间的关联。  举手参与课堂发言，分享自身对煤炭、汽油等化石燃料的认知，初步归纳化石能源不可再生、污染环境、能量转化损耗大三大缺陷。  跟随教师书写能量守恒字母公式 理解化石发电能量浪费的定量关系，记录本节课学习主线，主动联想生活里见过的大坝、风力发电机、太阳能热水器，对清洁能源建立初步感性认知，做好新课学习准备。 环节二 水力发电原理图讲解，探究水能能量转化与产业优势（9 分钟）  展示水力发电站原理图与三峡水电站实景图 引导学生仔细观察图片里拦水坝、引水管道、水轮机、发电机全部设备，抛出思考问题：修建高大拦河坝的物理目的是什么？水体储存的重力势能公式为Ep​=mgh，h 代表上下游水位高度差，水流从上游流到下游，完整发生了哪几段能量转化，对应哪些物理公式？  留给学生一分钟独立梳理思路，之后分步细致拆解完整能量转化链条，同步板书对应字母公式完成推导： ① 拦河坝抬高上游水位，水体储存重力势能，定量公式：Ep​=mgh，水位落差 h 越大，水体总重力势能越大； ② 打开闸门后高位水流向下流动，重力势能转化为水流的流动动能，动能公式Ek​=​mv2/2，势能减少量等于动能增加量，满足ΔEp​=ΔEk​； ③ 高速水流冲击水轮机叶片，带动叶片旋转，水流动能转化为水轮机的机械能； ④ 水轮机与发电机转轴固定连接，带动发电机运转，机械能最终转化为可供千家万户使用的电能，电功定量表达式W=UIt； 全程满足能量守恒： 仅少量能量因摩擦转化为热量损耗。  结合图片讲解水能开发硬性条件与突出优势：想要建设大型水电站，河道必须同时满足水资源储量充足、地势存在明显落差 h 两个条件，平原平缓河道 h 数值极小，无法大规模开发水电；水能依靠自然界水循环持续补给，属于可再生能源，发电全程不会产生废气、废渣，清洁无污染；修建大坝还能同步实现江河防洪、农田灌溉、水上航运多重综合效益。  结合教材统计数据介绍我国水电发展实力：三峡水电站是全球规模最大的水力发电设施，上下游水位落差大，水体储存重力势能总量巨大；截至 2018 年底，国内水电总装机容量、全年发电量均位列世界第一，水电开发被放在我国能源发展战略优先位置。  抛出同桌交流问题：结合Ep​=mgh分析，为什么平原地区无法修建大型水电站？对比火力发电，水力发电拥有哪些不可替代的优势？水电开发存在什么地理层面的局限？  观看水力发电成套配图，逐一识别大坝、输水管道、水轮机、发电机等核心设备，结合此前学习的机械能转化公式独立思考发电完整流程。  跟随教师分步书写水能多级能量转化对应的全套字母公式，在笔记本完整记录转化链条与推导式： 吃透水力发电底层定量物理原理，记住能量守恒损耗关系式  同桌之间结合重力势能公式相互交流水电优缺点，自主总结水能可再生、零污染、兼具防洪灌溉综合效益的优势，同时梳理出水电建设受地形落差 h 限制、建设周期长、前期投入成本高的短板。  记录我国水电产业全球领先的发展数据，结合公式理解三峡电站高落差带来巨大储能优势，初步建立民族能源产业自信，完整整理水能板块全部知识点与配套公式。 环节三 风力、太阳能配套示意图探究，梳理两类清洁能源转化规律（14 分钟）  展示风力发电原理示意图 逐段拆解风能完整转化流程，同步书写动能、电功公式推导： ① 自然界空气持续流动形成风，流动空气自带动能，依旧满足动能公式Ek​=​mv2/2，风速 v 越大，空气动能越大； ② 风吹动风机巨大叶片旋转，气流的动能转化为叶片的机械能 ； ③ 齿轮箱调节转速后带动发电机运转，产生电能，电能总量W=UIt； ④ 变换器调整电压数值，适配电网标准后输送至公共供电网络； 教材标注微风即可驱动风机发电，风能清洁安全、开发过程不破坏生态环境，总能量守恒满足 。  结合教材数据介绍我国风能资源储备：国内陆上、海上可开发风能储量总量巨大，现有风电装机规模稳步提升，同时给出 2050 年风电装机规划数据，说明风能在未来能源结构中占比会持续提升；结合动能公式说明风力不稳定时 v 数值变化，发电输出电能W波动大。  组织四人小组三分钟讨论任务：完整口述风力发电从风吹叶片到并入电网的全部能量转化过程，书写对应全套字母公式，小组汇总风能开发存在的短板，推选代表进行全班分享。  汇总小组发言结论：风能依赖稳定持续的气流，无风、风力微弱时段 v 数值过小，空气动能不足无法稳定发电，需要配套储能设备才能持续供电；接下来学习储量更为巨大、应用场景更广的太阳能。  展示太阳能热水器原理示意图 讲解太阳能光热转换完整流程，配套内能变化公式推导： ① 冷水流入热水器管路，流经集热板，集热板吸收太阳辐射携带的能量，将辐射能转化为水的内能，内能变化 ； ② 冷水密度大于热水，受热后热水自动向上流动，形成水循环持续升温，升温后的热水储存至储热水箱，阴雨天气可开启辅助加热装置保障供水； 总能量守恒： 。  拓展太阳能三类利用路径：除热水器这类光热转换 （ ），还可通过太阳能电池完成光电转换（ ），以及光化学转换；太阳能取之不尽、使用全程无污染物排放，我国太阳能发电装机规模位居全球前列，是未来主力新能源类型。  抛出同桌思辨问题：结合内能变化公式 分析，阴天太阳能热水器水温提升缓慢的物理原因？太阳能开发会受到哪些自然条件制约？  整合学生讨论结论：太阳能仅白天有稳定辐射供给，夜晚、阴雨天太阳辐射能量不足，必须搭配储热、储能设备；核能可以实现全天候稳定大功率供电，接下来学习核反应与核电站工作原理，结合内能、电功公式完成定量推导。  仔细观看风力发电示意图，自主梳理气流动能到电网电能的全流程转化环节，在草稿纸上完整书写风能配套全套字母公式 ，结合风速 v 理解供电不稳定的定量原因，纠正 “任意区域都能建设大型风电场” 的认知误区。  四人小组合作对比水能、风能开发所需地理条件、发电稳定性的差异，整理风能优缺点清单，互相检查公式书写是否完整。  观看太阳能热水器示意图，理清太阳辐射能转化为水内能的光热转换逻辑，书写内能变化公式 ，自主区分太阳能光热、光电、光化学三类利用途径与对应公式。  同桌相互复述太阳能热水器完整工作流程与能量推导式，总结太阳能受昼夜、阴雨天气制约的短板，整理太阳能相关知识点与配套定量公式。 环节四 核裂变、核电站结构图解析，核能转化与国内核电发展（11 分钟）  展示核裂变示意图与核能发电基本结构示意图 清晰区分两种核反应：较重的铀、钚原子核分裂为多个轻原子核的过程叫作核裂变；两个氢类轻原子核在极端条件下聚合为较重原子核的过程叫作核聚变；现阶段全球商业发电仅依靠核裂变技术，核聚变暂未实现大规模民用发电；核反应释放原子核内部储存能量E核，满足质能定量关系E=mc2。  分步拆解核电站多层级能量转化链条，同步板书全套推导公式： ① 核反应堆内部发生核裂变，原子核内部储存的能量大量释放，转化为循环水的内能 ② 高温水产生高压蒸汽，蒸汽推动汽轮机叶片旋转，内能转化为汽轮机的机械能； ③ 汽轮机同轴带动发电机运转，机械能转化为电能，W=UIt； 全程能量守恒： 整套发电流程和火力发电高度相似，仅将燃烧煤炭释放化学能的锅炉替换为核反应堆释放核能。  结合教材数据讲解我国核电发展成就：我国是全球第七个具备核电站自主设计、建造全套技术的国家，现有商用核电机组数量、装机总量稳步增长，规划持续扩大核电规模；核能属于清洁高效新能源，发电过程不会排放温室气体，能够稳定大容量持续供电，优化全国能源结构、保障能源安全。  完整复盘本节课四大板块主线：水能依靠重力势能Ep​=mgh发电、风能依靠空气动能Ek​=​mv2/2发电、太阳能依靠太阳辐射实现光热 或光电W=UIt转换、核能依靠核裂变E=mc2释放原子核内能发电，四类能源均属于清洁低碳新能源，能够缓解化石能源枯竭与环境污染双重压力，全部转化过程满足总能量守恒E初=E末。  出示四道分层课堂思考题（含公式推导要求）： ① 完整口述水力发电的多级能量转化顺序，书写全套对应字母公式，结合Ep​=mgh说明水能开发具备哪些突出优势？ ② 简述风力发电从风吹叶片到电能送入电网的全部转化环节，书写动能、电功推导式，风能存在什么使用局限？ ③ 太阳能存在三类利用方式，太阳能热水器属于哪一类能量转换，写出内能变化公式 ；太阳能开发会受到哪些自然条件制约？ ④ 核裂变与核聚变有什么核心区别，写出核能量质能公式E=mc2；核电站完整的多层级能量转化流程及配套公式是什么？  带领学生复盘本节课四张配图核心价值：水力发电配图掌握重力势能多级转化与Ep​=mgh；风力发电配图理清气流动能发电流程与Ek​=​mv2/2；太阳能热水器配图看懂光热转换与内；核电站成套配图掌握核裂变供电完整链条与E=mc2，串联四类清洁能源能量转化、公式推导、国内产业发展完整探究逻辑。  逐条梳理本节课典型认知误区并带领学生纠正：所有河流均可修建大型水电站（忽略Ep​=mgh中落差 h 条件）；核聚变已经投入商业发电；核能污染严重不属于清洁能源；风能、太阳能不受天气、地域限制（忽略 v、辐射强度变量）；化石能源储量充足无需开发新能源。  布置分层课后作业：基础作业完整抄写四类清洁能源的全部能量转化链条、全套配套字母公式、各自核心优势；提升作业独立完成四道课堂思考题，完整书写能量转化流程、公式推导、开发条件、产业发展分析文字；拓展任务一查阅本地火电厂发电量、单位煤耗，结合W=UIt、Q=I2Rt测算发电效率；拓展任务二小组合作设计一套太阳能取暖方案，结合 分析环境条件对方案的影响。 · 独立动笔完成四道分层思考题，完整书写各类能源转化过程、全套字母公式推导、开发条件、两类核反应区分内容，对照四张配图自查知识漏洞，把核能多级转化、裂变聚变区分、各类公式混用等模糊知识点做好标记。 · 在课本记录五类典型认知误区，同步书写对应公式佐证正确结论，规避新能源能量转化、定量公式计算、开发条件类简答题作答错误。 · 根据自身学习情况分层完成课后任务，区分基础概念 + 公式识记、综合简答推导、实地调研方案设计三类拓展作业，巩固课堂全部知识点与定量推导逻辑。 环节五 课堂收尾 · 回扣开篇水力发电原理图总结：本节课系统学习水能、风能、太阳能、核能四类主流清洁能源，依托配套原理示意图梳理每一类能源完整多级能量转化链条，同步完成重力势能、动能、内能、核能量、电功全套字母公式推导，结合教材真实产业数据了解我国水电、风电、太阳能、核电全球领先的发展成果，清晰认识开发清洁新能源能够有效缓解化石能源枯竭、大气污染两大社会难题，建立绿色可持续能源发展定量观念。下一节课将结合能量守恒、损耗公式学习能源、环境与可持续发展综合内容，完善全章能源定量知识体系。 · 完整回顾本节课全部核心内容：四类清洁能源完整能量转化链条、全套配套字母推导公式、各类能源开发条件与优缺点、国内新能源产业发展成就、核裂变与核聚变本质区分，记住四张教材配图对应的核心探究主线与定量表达式，搭建多元清洁能源能量转化完整定量物理知识体系，提前预习下一节新课内容。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托水力发电成套配图、风力发电示意图、太阳能热水器原理图、核电站结构示意图四组教材素材，沿着化石能源污染引入、四类清洁能源物理原理与公式定量推导、国内新能源产业成就、绿色低碳可持续发展完整脉络落实育人目标；化石能源大量消耗带来气候变暖、大气污染等全球性生态问题，且能量转化损耗Q损数值巨大，大力发展水能、风电、太阳能、核电等清洁能源、降低能量损耗是实现低碳可持续发展的核心路径，引导学生结合定量公式树立节约用电、绿色低碳的生活理念；我国水电、风电、太阳能、核电装机总量均稳居全球首位，完全自主掌握核电站全套设计建造核心技术，新能源产业实现从跟跑到领跑的跨越，充分增强学生民族科技自信与家国自豪感；各类新能源开发需要因地制宜，平衡发电收益与生态保护，帮助学生建立人与自然和谐共生的发展思维；布置火电厂能耗测算、太阳能取暖方案设计实践任务，引导学生将重力势能、动能、内能、电功公式等物理定量理论落地到日常生活，主动践行节能环保的社会责任。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课配套实景、原理示意图直观易懂，搭配全套字母公式推导让能量转化实现定量可视化，学生对新能源产业发展案例学习兴趣浓厚，但存在四类顽固认知误区与知识薄弱点：多数学生混淆核裂变、核聚变的实际商用现状，记混质能公式E=mc2适用场景；忽略风能、太阳能受天气、地理条件的硬性制约，忘记v、h、辐射强度等变量对能量产出的定量影响；片面认为所有河道都适合建设大型水电站，忽略重力势能公式Ep​=mgh中落差的硬性条件；主观认定核能辐射污染严重不属于清洁能源；同时学生梳理长链条多级能量转化、完整书写全套配套推导公式、横向对比四类能源优缺点的文字归纳、定量逻辑表达能力偏弱。 2. 修改措施 课前印发预习填空单，标注四大核心易错知识点 + 对应公式佐证：仅核裂变用于商业发电，质能式E=mc2描述核反应储能；风能、太阳能依赖气候与地理变量 v、辐射强度；水电站必须满足水量与落差 h 两大条件（Ep​=mgh）；核能属于清洁低污染能源；课堂增设四轮抢答互动环节，要求学生同步书写公式快速纠正生活化直观认知误区；延长四人小组依托四张配图开展能源转化、全套公式推导、开发条件对比讨论的时长，针对性帮扶多级能量转化、两种核反应、公式混用薄弱学生，整理四类清洁能源转化流程、全套推导公式、优缺点对比清单供学生课后复习；课后配套分层作业夯实基础概念 + 公式识记、综合简答推导、能源实践调研拓展三类内容；下一节课课前两分钟快速复盘四类清洁能源完整能量转化链条与全套字母公式，衔接能源与可持续发展新课学习。 学科网（北京）股份有限公司 $